食品工程原理实验指导书.docx
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食品工程原理实验指导书
内蒙古农业大学自编教材
《化工原理》虚拟实验指导书
（适用于食品工程与包装工程专业）
包装与机械教研室
内蒙古农业大学食品科学与工程学院
二○○一年十一月
说明
虚拟化工实验是用计算机模拟真实实验的一种实验形式。
采用动画技术和数字仿真技术将设备、仪器及其流程工作环境，展现在计算机上。
采用人机对话友好的界面，能使学生用鼠标进行实验操作。
并记录所需的数据。
由于该软件采用数字仿真技术，故所测取的数据与实际实验装置测取的数据较为接近。
虚拟实验包括，工作原理、装置认识、实验操作数据处理等部分组成，每部分的操作均有详细的导引说明，具有较好容错功能，即：
操作不当或操作错误机器会给出提示，或禁止执行。
实验的每一步应仔细阅读提示，遵循操作导引进行操作。
实验一流体流动阻力实验1
实验二离心泵性能实验4
实验三过滤实验10
实验四传热实验16
实验五干燥实验
实验一流体流动阻力实验
一、实验目的
1．学习管路磨擦阻力、磨擦因数、管件的局部阻力系数的测定方法，并通过实验了解它们的变化规律。
2．学习压差计及流量计的使用方法。
3．学习对数坐标纸的用法
二、实验任务
1．测定流体流经直管时层流区摩擦因数与雷诺准数之间的关系。
2．测定流体流经直管时湍流区摩擦因数与雷诺准数之间的关系。
三、实验原理
流体在直管内流动时产生的压力降可用下列公式计算，即：
式中：
△P—因克服磨擦阻力而引起的压力降，N/m2；
λ—磨擦因数，无因次；
L—管长，m；
d—管径，m；
ρ—流体密度，kg/m3；
u—平均流速，m/s。
实验时测出某一流量下的压力降，即可计算出此时的λ和Re；改变流量进行实验，即可求得一系列λ和Re值，从而得到λ-Re关系。
四、实验装置
实验时，水由水槽9用泵14经调节阀5送入实验设备，根据实验需要设备上的阀门控制水的流向和流量，由实验设备流出后经计量槽返回水槽。
实验装置流程如图所示。
1—Dg40塑料6—水位计式压差11—测压点
2—Dg6铜管7—活动摆头12—闸阀
3—1″截止阀8—电气盒13—针形阀
4—弯头9—水槽
5—调节阀10—计量槽水位计
五、实验方法
1．层流区摩擦因素与雷诺准数之间的关系
这项实验用2号（Dg6铜管）进行，压力降由水位计式压差计测量，流量用量筒和秒表测量，其步骤为：
（1）关闭调节阀5和启动水泵14；
（2）将调节阀5和阀12半开，阀3全开；让部分水流回水槽；使针形阀13前的压力适当；
（3）打开针形阀，使水位计式压差计中的压差达到测定值；待稳定后，用量筒和秒表测定一定时间内的流量；
（4）重复步骤（3）直到全部实验数据测定完毕为止；
（5）关闭针形阀13和阀3。
测定数据前，应排队水位计气泡，调节两水位计标尺，使零点处于同一水平面上。
在接近过渡区测取数据时应缓慢调节针形阀，以免流量突然改变而引起额外扰动，使过渡区提前到来。
2．湍流区摩擦因素与雷诺准数之间的关系
这项实验用1号（Dg40塑料管）进行，压力降由II型压差计测量，流量用计量水槽和秒表测量，其步骤为：
（1）将调节阀5全开；
（2）调节阀12，使II型压差计的压差达到测定值，待稳定后用秒表测定一定时间内计量水槽中的水量；
（3）重复步骤
（2）直到全部实验数据测定完毕为止；
六、数据处理
将实验数据列于实验记录表中。
对每一项实验都要以一组数据为例，完整地列出计算过程，其余数据经处理后将结果列于结果表中。
将数据在双对数坐标上进行标绘，并将结果与理论值进行比较。
七、思考题
1．为什么有些地方使用U型压差计，而有些地方使用II型压差计？
2．实验时应如何控制流量，使实验点在λ-Re图上分布得比较均匀？
实验二离心泵性能实验
一、实验目的及任务
1．测量离心泵的主要性能参数，绘制离心泵的特性曲线，了解泵的工作特性。
2．熟悉离心泵的操作方法。
二、实验的基本原理
恒定转速下离心泵的主要性能参数，即送液能力（流量）Q、压头（扬程）H、轴功率N及效率η间存在着一定的关系，这种关系可通过实验测定，并以曲线表示，即H-Q线、N-Q线和η-Q线，称为离心泵的特性曲线。
该曲线能直观清晰地反出泵的工作特性，是选用和确定泵的适宜操作条件的重要依据。
实验采用的方法，是先测定泵在某一转速范围内，不同工作点的流量，压头、轴功率和效率。
应当指出，电动机转速随流量增大而降低，其不同工作点是通过调节出口阀门开度改变流量而建立的。
然后，再由泵的特性比例定律换算成标定转速下对应工作点的性能值，即可绘出泵的特性曲线。
三、实验装置及参数测定
实验装置如图所示。
离心泵由电机直接拖动，电动机上装有马达天平测定机和转速表。
水从水槽经吸入管、泵体、压出管返回水槽。
管路上装有进口阀、出口阀和涡轮流量计，泵的入口、出口接有真空表和压力表。
为了向泵内充水，在大水槽上装有一个小水槽，并有细管与泵体相连。
1．流量测量
流量由涡轮流量计测量。
流量计由变送器和指示仪表组成。
当水流过管路时，装在管路内的涡轮产生转动，流量越大，流速越高，水力冲击作用越大，涡轮转动越快，由于涡轮采用铁磁性材料制成，转动讯号被变送器接收并放大，再送入仪表整形、示值，指示仪表示出涡轮转动频率值。
当转动频率f>30>50hz（即Q>1.5>1.8m3/h），流量Q则正比于转动频率f即Q=f/ζ，ζ为流量系数，流量显示仪拨在×10挡时，ζ=70.53（1/L）（北面装置）或ζ=90.18（1/L）（南面装置）。
1—水槽5—马达天平测功机9—流量变送器
2—进口阀6—出口阀10—流量显示仪
3—水泵7—真空表
4—转速表8—压力表
2．压头测量
压头可由泵进出口间机械能守恒确定。
根据伯努利方程，衡算式为：
在本实验中，该式应简化。
简化的依据是：
（1）由于进出口两测点之间管路很短，管路系统的压头损失
可以忽略不计；
（2）由于两测点处管径相同，当流量一定是，流速u1=u2,故
；（3）由于出口压力表和进口真空表安装于同一水平面上，高度相等，则
。
因此，上式可以简化整理为
。
式中ρ2、ρ1分别为出口处测压点压力表压和进口处测点真空的真空度，h2、h1分别为ρ2、ρ1相当的水柱高度值。
3．轴功率的测量
轴功率（泵轴的输入功率）是由电动机实际输出功率的测定来确定的。
电动机的输出功率N电等于电动机工作时输出转矩形Mn与角速度ω的乘咱们，即N电=Mn.ω，角速度ω可由转速表测得的转速n（转/分）计算，ω=2πn/60（1/秒）。
输出转矩Mn可由马达天平测功机测得。
测功机原理如图（3-2）所示，叫动机外壳用轴承支架可自由转支，壳体一侧装有平衡锤，另一侧装有测功臂，当电动机工作输出转矩时，转子必反作用于定子（壳体）一大小相等的反方向力矩，使壳体反向转动，若在测功臂端加以适量的重物（砝码），即可平衡反向转矩使壳体恢复平衡，砝码的重量P与测功臂长L的乘积，就是电动机壳体的反向转矩，即电动机的输出转矩，本装置L=0.4869（米）。
轴功率采用工程制计算时很简单。
（千瓦），
式中：
P—砝码重量（千克力）
L—测功臂长（米）
N—转速（转/分）
1—联轴器4—轴承支架7—砝码
2—定子5—平衡锤8—准星
3—转子6—测功机
4．效率的确定
泵的效率是泵的有效功率与轴功率之比。
泵的有效功率为液体自泵得到的功率，可按下式计算Ne=QHρP（瓦）。
5．标定转速下性能值的计算
离心泵的特性曲线是某标定转速成下的特性曲线，实验测得的转速与标定转速有差异，应将实验计算值用泵的特性比例定律换算成标定转速下的数值。
离心泵的标定转速n取2900（转/分）。
四、实验方法
1．熟悉本装置流程及测量仪表。
2．泵内充水。
操作程序：
关闭进口阀：
开出口阀；开充水旋塞，充满水后关闭充水旋塞；关闭出口阀；全开进口阀。
注意：
各阀开闭不得同时操作或不按顺序操作。
3．检查流量显示仪表是否拨在×10挡（防止流量增大损坏仪表），接通仪表电源。
4．接通泵电源，使泵转动，及时观察压力表指针是否摆动，如原地未动，可能是泵充水或开关阀门存在问题，应立即断开泵电源，进行检查或重新操作。
5．用出口阀调节流量（实际上是改变工作点），由零至最大（或反之），测取10-12组数据，注意流量间隔点应均匀分布，即应使△f值相同。
6．测量完毕，全关出口阀，停泵、关闭仪表、核清砝码，结束实验。
五、实验结果的整理
1．将实验数据经计算处理后列表示出（格式见附表）。
写出其中一组数据计算的全过程。
2．根据数据处理结果，在普通座标纸上绘制出标定转速下泵的特性曲线；并依据特性曲线确定该泵的适宜操作区。
要求绘制曲线准确，线条清晰、圆滑，实验点明显，图面清洁。
六、思考题
1．为什么泵入口真空度随流量增大而增大？
为什么泵出口压力随流量增加而减小？
2．泵的操作中，先充水，关闭出口阀，然后启动的理论依据是什么？
离心泵性能实验原始数据
测试泵型号：
铭牌标定性能流量扬程效率转速
序号
原始数据
流量表
hz
压力表kg/cm2
真空表mmHg
砝码
g
转速
r.p.m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
离心泵性能实验数据处理结果：
序号
实测性能
标定转速下的性能
流量
m3/h
扬程
m
轴功率
kw
流量
m3/h
扬程
m
轴功率
kw
效率
实验三过滤实验
一、实验目的
1．了解板框过滤机的构造，流程和操作方法
2．学习过滤方程式中过滤常数的测定方法
3．验证洗涤速率与过滤最终速率的关系。
二、实验任务
1．测定某一压强下，过滤方程式中的过滤常数K、qe、θe。
2．测定洗涤速率与过滤终了速率的关系。
三、实验装置及流程
实验装置由调浆桶、贮浆罐、板框过滤机及计量筒几部份所组成，实验流程如图1所示。
1—配浆桶6—压缩空气进气阀11—液位计
2—贮浆罐7—压力表12—水位计
3—洗水罐8—空气过滤减压阀13—计量筒液位计
4—板框压滤机9—搅拌器14—电动机和减速机
5—计量筒10—安全阀
MgCO3的悬浮液在调浆桶内配制成一定浓度后送入贮浆罐，用搅拌器加以搅拌，使MgCO3不致沉降，同时利用压缩空气的压力将滤浆送入板框过滤机过滤，滤液流入量筒计量。
洗水同样用压缩空气从洗水罐压送至板框过滤机进行洗涤，洗水流入量筒计量。
实验完毕，贮浆罐中滤浆用压缩空气送至调浆桶贮存。
本装置滤框厚度为20毫米，每个滤框的过滤面积为0.04775m2。
四、实验原理
我们知道，当滤饼阻力和介质阻力均应计入时，恒压过滤方程为：
V2+2VVe=KA2θ
（1）
也可写为：
q2+2qqe=kθ
（2）
将
（2）式两端同除以Kq得：
（3）
即
（4）
以θ/q为纵坐标，以q为横坐标在普通座标纸上作图，得一条直线，其斜率为1/K，截距为
，从而可求出过滤常K和虚拟滤液量qe的值。
又因为：
（5）
将K和qe的值代入（5）式中可求出θe。
式中：
q—单位过滤面积的滤液量，m3/m2；
qe—单位过滤面积的虚拟滤液量，m3/m2；
K—过滤常数，m2/S；
θ—过滤时间，S；
θe—虚拟过滤时间，S；
最终过滤速率与洗涤速率的比较，即求
的比值，最终过滤速率可由（V+Ve）2=KA2（θ+θe）微分得到：
（6）
将最后得到的总滤液量代入（6）式，即可算出最终过滤速率，洗涤速率的计算式为：
式中：
—相邻两次所测时间之差；
—相邻两次所用洗水之差。
五、实验方法
1．过滤过程
首先将板、框按顺序（按着板和框上的红色按钮1、2、3、2、1……）排好，将滤布罩在框两侧面上，压紧板框，以防泄漏。
将调好的悬浮液送入搅拌罐，开动搅拌机。
启动压缩机，调节减压阀达到要求的压力后，打开滤液排放阀后，再开启过滤机上悬浮液进液阀，当滤液刚刚流出管口时开始记录时间，记录从过滤开始至某一时刻累积所用时间及对应得到的累积滤液量（本实验当滤液为1、2、3、4…升时，秒表所记录的时间）。
一般测出8-9组数据，当滤液量显著减少时（此时滤液出口处的液流由满管口变成线状流下），可结束过滤。
利用实验结果作图，实验结果如图4-2所示，最后两点可能偏高（请根据实验情况进行分析，找出影响因素）建议取偏高前一点作为过滤终了点来计算过滤最终速率。
2．洗涤实验
先将水充满洗水贮罐，关闭其中一个排液阀，（正对着洗水进入管上方的阀门）。
洗涤时只开一个排液阀（正对悬浮液进料阀上方的排液阀），保持压力与过滤时相同，打开进水阀，可记录在任一段时间内所得到的洗涤水量。
因洗涤时是恒压且恒速洗涤过程，故洗涤速率可用任一段时间所得洗水与所用时间之比来表示。
至于在板框过滤机中洗涤速率是否为过滤最终速率的四分之一，请根据实验设备和实验数据进行分析讨论。
六、实验中应注意事项
1．实验准备阶段和实验结束后应停开空压机，以减轻负荷，防止空压机过热。
空压机的控制电钮，未经允许不得乱按。
2．滤板、滤框的安装，管路阀门的启闭必须正确以免返工。
3．滤布应先润湿透，安装时，滤布孔要对准过滤机孔道，表面要拉平整，不起皱纹，否则会漏水。
4．过滤压力要维持恒定，压力的选用必须征得老师的同意。
5．滤浆的浓度约在3-5%（质量），如要做不同压力下的实验，滤浆浓度应大致相同。
6．向贮浆罐内放液体时，一定要首先放空贮浆罐内的空气，使之保持常压，否则，若罐内存有一定压力的空气，这时放液就会造成液体从调浆桶中喷出。
七、思考题
1．为什么过滤开始时，滤液有一点混浊，过一段时间才会转清？
洗涤起到什么作用？
2．为什么滤板板面制成凸凹不平的，其作用是什么？
3．当洗涤速率与过滤终了速率之比不是四分之一时，是什么原因造成的？
4．若要测定压缩指数，必需做不同压力的实验，为什么此时要求滤浆浓度大致相同？
八、实验结果表
过滤实验记录和结果表
姓名同组人实验日期
过滤机类型框内面积框厚度毫米
使用框个数过滤面积m2
滤布种类滤浆名称滤浆温度℃
1．过滤实验
序号
过滤压力
Pa
累积滤液量
V（升）
累积时间
（分、秒）
累积滤液量
q（m3/m2）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2．洗涤实验
序号
洗涤压力
（Pa）
洗涤水量
（升）
洗涤时间
（分、秒）
备注
实验四传热实验
一、实验目的
1．了解和掌握传热系数及对流传热系数的测定方法。
2．学习如何运用实验方法求出描述过程规律的经验公式。
二、实验任务
1．测定空气在圆形直管中作强制湍流流动时的对流传热准数关联式。
2．测定空气在螺旋槽型直管中作强制湍流流动时的对流传热准数关联式。
三、实验的基本原理
无相变流体在管内强制湍流传热的准数关联式可由因次分析理论推出，其形式为：
Nu=aRebPrc
对原子数相同的理想气体，普兰特准数Pr理论上为一常数，实际上空气的Pr值在不同温度下基本不变，因此，空气在圆型直管内强制湍流换热的准数关联式可写作Nu=a′Reb（a′=aPrc）。
该函数经过拟线性处理即式两边同时取对数，并令Y=LgNu，X=LgRe,A=Lga′则可变换成线性函数Y=A+bX该函数在普通座标下是一斜率为b的直线。
这样，我们就可以根据测得的数据（Re值，Nu值），应用图解法或最小二乘线性回归法确定关联式中a′（a′=10A）和b值，得到空气在圆形（或螺旋槽）直管中强制湍流换热的准数并联式。
四、实验装置及参数测定
传热装置如图所示。
每套装置两侧装有两组套管换热器，一侧是圆形光滑内管，另一侧是螺旋槽内管，流程相同。
圆形管换热器，内管为φ19.8×1的黄铜管，加热段管长1224毫米，外套管为钢管，管外覆盖保温层。
空气由风机（附有调节装置）送入管路，经1/4圆喷咀流量计、风量调节阀。
再经换热器内管加热排出。
在流量计前管路上接有压差计，在套管进口和出口处装有温试计和热电偶。
1—风机6—放气阀11—温度计
2—电位差计7—视镜12—蒸汽
3—喷咀流量计8—安全阀13—疏水器
4—调节阀9—压力表14—电偶转换
5—流量压差计10—蒸汽阀15—流量计前压差计
加热蒸汽由电热锅炉供给，经蒸汽阀进入换热器套管内环隙空间，蒸汽放热后，冷凝水经疏水阀排除，不凝性气体由套管另一端顶部的放气阀排除。
在套管进汽口处装有压力表、温度计和热电偶。
实验中雷诺准数Re和努塞尔准数Nu是由几个相关参数的测定来确定的。
式中：
Vρ—空气的质量流量，可由流量计处的体积流量V和密度ρ确定：
A—流体通过的截面积；
μ—定性温度下空气的粘度，在0-120℃范围内μ=1.72×10-5+4.77×10-8t（Pa.s）;
d—管子直径。
其中d、A、μ已知，待测量为V、ρ。
式中：
λ—定性温度下空气的导热系数，在40-80℃范围内，λ=0.0249431exp（0.00249t）（w/m.℃）;
K—套管换热器总传热系数，W/m2℃
由于加热侧蒸汽冷凝热阻及铜管壁热阻极小，可忽略不计，则空气侧对流换热系数a≈K。
K值可由传热基本方程式
确定，其中传热量Q=V.ρ.Cp（t出-t进）；
Cp—平均温度下空气的比热，KJ/Kg℃.
其中d、λ已知，待测量为T汽、t进、t出。
这样实验中需测定的相关参数有：
空气的进出口温度、蒸气的温度和空气的质量流量。
1．温度的测定
本实验中温度的测定可由温度计直接读出，亦可用灵敏度较高的热电偶测量。
热电偶产生的热电势由电位差计读出，热电势E等于0.2倍电位差计示值。
当热电偶自由端温度为0℃时，工作端温度t与回路热电势E。
（mv）间的关系为：
t=13238
-512.656或E。
=0.038726t+3.777×10-5t2
若热电偶自由端温度大于0℃而为tb时（本实验中用冰瓶保持自由端温度恒定），回路实测热电势E再加上工作端温度为tb、自由端温度为0℃时能够产生的热电势Ebo（可由上述关系式计算），即为自由端为0℃时回路热电势E0。
2．空气质量流量的测定
空气的质量流量Vρ可由体积流量V和密度ρ的测量来确定，测量体积流量的圆喷咀流量计，其测量原理及结构与孔板流量计相同，板前后压差由单管压差计测量，流量计算式为：
V=CS0
式中：
C—孔流系数；
S0—喷咀截面积；
ρO—指示液密度；
R—压差计示值（毫米）。
在本装置中，由于C、S0、ρO均为常数，计算式可简化为：
V=0.001233
流量计处空气密度ρ可由理想气体状态方程式或由标态密度校正得到。
需要测定参数有流量计处压力P（由压差计测出）和温度T（°K）。
五、实验方法
1．熟悉空气、蒸气系统流程，弄清空气量的调节方法和蒸汽压力的控制方法。
2．在空调节阀全开的情况下启动风机：
打开蒸汽控制阀，蒸汽进入套管环隙；打开套管放气阀，待蒸汽喷出稳定后关小放汽阀，使其稍有泄漏，用以彻底排除蒸汽中夹带的不凝性气体。
3．控制蒸汽压力稳定（控制中0.8～1.5at范围内均可。
）调节空气流量至测取数据时的最小值，待换热器加热到尾气排出温度不再继续上升时测取7～9组数据。
测取数据需注意以下几点：
（1）流量间隔（指流量压差计示值R的间隔）应合理分配，以便图解时实验点能够均匀分布，（以对数座标标绘实验点时，其实验点数值应成比例递增）。
（2）流量调定后待传热稳定时尽快测取全部数据。
4．数据测完后，关闭蒸汽阀、风机和电位差计，结束实验。
六、实验结果整理
（1）实验数据计算处理后，列出数据表（格式见附表）。
（2）根据计算结果，在普通麻标纸上绘出LgNu—LgRe的相关图线（双对数麻标下为Nu—Re图线）。
由图线确定空气在圆形直管内强制湍流换热的准数关联式Nu=
中的a′值和b值（也可由最小二乘线性回归法计算a′值和b值）。
（提示：
光滑管内强制湍流换热通用准数方程式为Nu=0.023Re0.8Pr0.4，对于空气的Pr可取常数0.696，方程可写作Nu=0.0199Re0.8）。
七、思考与讨论
当空气量增大时，传热速率Q增大、空气的出口温度下降。
试用传热理论分析其原因。
实验五干燥实验
一、实验目的
1．了解气流常压干燥设备的基本流程和工作原理。
2．掌握物料干燥速率曲线的测定方法。
3．了解物料干燥时传质及传热之间的相互关系。
二、实验任务
1．测定物料在恒定干燥条件下的干燥速率曲线
2．测定恒速干燥阶段的传质系数（KH）。
三、基本原理
干燥速度是指单位时间、单位面积上汽化的水分量，其微分表达式为：
kg/m2.S
（1）
式中：
A—干燥面积，m2;
w—汽化水份量，kg；
θ—干燥时间，S。
为方便起见，干燥速度可按式近似计算：
（2）
由于物料在干燥过程中，同时存在传质和传热过程，对于恒定干燥阶段，物料的表面温度保持恒定，其值等于湿球温度。
物料表面始终存在润湿的自由水分，因此物料表面的空气呈饱和状态，即湿球温度下空气的饱和湿度。
其传质传热的综合过程可表达如下：
=KH（Hw-H）（3）
（4）
在恒定干燥阶段，空气传给物料的显热等于汽化所需之潜热，即
dQ=rw.dw（5）
将式（5）代入式（3）、（4）中可得到
（6）
以上各式中符号为：
Q—由空气传给物料的热量，kJ;
α—空气与物料表面间的传热膜系数，kw/m2K
t—空气温度，K；
tw—湿球温度，K；
H—空气的湿度，kg水/kg干空气
Hw—tw时空气的饱和湿度，kg水/kg干空气
KH—传质系数，kg/m2S△H
rw—tw温度时水的汽化潜热，kJ/kg。
由（6）式可知，干燥速率也可根据传热系数来求取。
同时通过干燥速率可求出传质系数KH。
四、实验装置及流程
由流程图可见，空气由风机输送，经孔板流量计，电加热器后进入干燥室，然后入风机循环使用。
电加热器由继电器控制，保持空气温度恒定。
干燥室前、后方装有干、湿球温度计，用于测定干燥室内空气状况。
孔板流量计前的温度计所测温度是计算空气流量所必须的。
空气流量由蝶阀4调节。
一般情况不许全关阀4，否则电加热器会因空气不流通而过热，引起损坏。
风机进口端的片式阀门用以控制系统所吸入的新鲜空气量，出口片式阀则用于调节系统向外界排出的废气量。
适当打开这两个阀门，使系统内空气保持恒定，若试样不多，也可不开启。
1—风机7—试样13—晶体管继电器
2—孔板
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