Transcript 食品工程原理
食品工程原理 实验 课程简介： 本实验课程主要面向“食品科学与工程”专业 本科生，是本专业的专业基础课《食品工程原理》 课程的实践环节，共有学时数16学时，其中包括必 做内容12学时，选作内容4学时，内容包括流体力学、 传质、传热等食品各单元操作的演示及实践操作。 实验教学包括操作型和演示型教学环节，可加强学 生对课程的理解及单元操作的综合设计能力。 课程简介： 食品工程原理实验课是“食品科学与工 程”专业基础课《食品工程原理》课程的实 践教学环节，课程面向“食品科学与工程” 专业的本科教学，由食品科技学院食品工程 3室承担课程的教学任务。本实验课程共10 个学时，开设7个实验，包括5个必做项目和 2个选做项目，涉及流体输送、传热、传质 等。 目 录 实验一 柏努利方程演示实验(演示性) 2学时 实验二 流体流动型态及临界雷诺数的测定(验证性) 2学时 实验三 管路流体阻力实验 (操作性) 2学时 实验四 离心泵特性曲线的测定实验(操作性) 2学时 实验五 套管换热器液—液热交换系数及膜系数的测 定(操作性) 4学时 实验六 板式塔流动特性实验(操作性，选做) 2学时 实验七 固体流态化的流动特性实验(操作性，选做) 2学时 实验一：柏努利方程演示实验(演示性实验) 【实验目的】 1）观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式 机械能的相互转化现象； 2）验证机械能衡算方程（伯努利方程）； 3）加深对流体流动过程基本原理的理解。 【实验原理】 对于不可压缩流体，在导管内作稳定流动，系 统与环境无功的交换时，以单位质量液体为衡算基 准，对确定的系统可列出机械能衡算方程，即为柏 努利方程式。 p1 p2 1 2 1 2 gZ1 u1 gZ2 u 2 hf 2 2 J kg 1 当流体为理想流体时 ，为理想柏努利方程式： p1 1 2 p2 1 2 gZ1 u1 gZ2 u2 2 2 J kg 1 【实验原理】 当流体处于静止状态时 gZ1 p1 gZ2 p2 J kg 1 即为流体静力学方程式。 本实验即通过测量流体静止或流动时的能量变 化验证柏努利方程式和流体的静力学方程式。 【实验装置】 本实验装置示意图如下页所示，主要由试验导管、 稳压溢流水槽和三对测压管所组成。 试验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设 置测压管。每处测压管由一对并列的测压管组成，分别 测量该截面处的静压头和冲压头。 液体由稳压水槽流入试验导管，途经直径分别为20、 30和20mm的管子，最后排出设备。流体流量由出口调节 阀调节，流量需直接由计时称量测定之。 1. 稳压水槽; 2. 试验导管；3. 出口调节阀； 4. 静压头测量管；5. 冲压头测量管。 A.B.C分别为三处测压点。 【实验步骤】 1）实验准备：缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽， 并保持有少量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。同时， 排尽设备内的空气泡。 2）静力学方程式的验证：关闭试验导管出口调节阀，观 察和测量液体处于静止状态下各测试点（A 、B、和C三 点）的压强。 3）柏努利方程式的验证：开启试验导管的出口调节阀， 观察比较液体在流动情况下的各测试点压头变化。缓慢 开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的 各测试点的静压头、动压头和损失压头。 实验二：流体流动型态及临界雷诺数的测定 (验证性实验) 【实验目的】 1）观察流体在管内流动的两种不同流型。 2）测定临界雷诺数Re c 。 【实验原理】 流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流， Laminar flow）和湍流（或称紊流，Turbulent flow）， 这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现 的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直 线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体 质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从 而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。 【实验原理】 流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断， 这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群， 故其值不会因采用不同的单位制而不同。若流体 在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示： Re du 注意：数群中各物理量必须采用同一单位制。 【实验原理】 层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数， 用Re c表示。 工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当 Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内形成湍流； 当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态， 可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现， 这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡 区。 对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷 诺准数仅与流体流速有关。本实验通过改变流体在管 内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。 1 【实验装置】 1－红墨水储槽； 2－溢流稳压槽； 3－实验管； 4－转子流量计； 5－循环泵； 6－上水管； 7－溢流回水管； 8－调节阀； 9－储水槽 2 6 3 7 4 8 9 5 【实验步骤】 1）实验准备： 实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的 调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后， 开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、 试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大 小，由流量计和调节阀调节。 示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和 细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管(或注射针头) 位于试验导管人口的轴线部位。 【实验步骤】 2）层流流动型态 试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的 值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使 红墨水的注入流速与试验导管中主体流体的流速相适应， 一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录 主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观 察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。 颜色水 【实验步骤】 3）湍流流动型态 缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大， 玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到， 玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。 随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最 后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨 水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进 而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色， 以致无法辨别红墨水的流线。 颜色水 颜色水 实验三：管路流体阻力实验 (操作性实验) 【实验目的】 1）掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一 般实验方法。 2）测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般 湍流区内λ与Re的关系曲线。 3）测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数。 4）学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。 5）识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。 【实验原理】 流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等 组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在， 要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失 称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方 向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。 1）直管阻力摩擦系数λ的测定 hf p f p1 p 2 l u2 d 2 2 d p f lu 2 【实验原理】 2）局部阻力系数 的测定 局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和 阻力系数法。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局 部阻力损失。 p f u2 h f g 2 2p f gu 2 【实验装置】 实验装置由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水 管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所 组成的。 管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局 部阻力系数、光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系 数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管 件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的 不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较 粗糙的镀锌管。 水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力 采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。 1－水箱； 2－管道泵；3－涡轮流量计；4－管路选择球阀阀； 5－均压阀；6－局部阻力管上闸阀；7－连接均压环和压力变送 器球阀；8－差压变送器；9－出口阀；10－排水阀； 【实验步骤】 1）泵启动：对水箱灌水，关闭出口阀，打开总电源和仪 表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开 到最大。 2）实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀打开， 并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5~10min。3）流 量调节：手控状态，开启管路出口阀，调节流量，让流量 从1到4m3/h范围内变化，待流动稳定后，记下对应的压差 值。 4）计算：根据实验测定值，可计算λ和ξ。调节管路流量， 得到一系列λ~Re的实验点，绘出λ~Re曲线。 5）实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理 装置。记录仪。 实验四：离心泵特性曲线的测定实验 （操作性实验) 【实验目的】 1）测定离心泵的特性曲线。 2）识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其 作用。 【实验原理】 离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依 据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功 率N及效率η与泵的流量Q之间的关系曲线，它是流体在 泵内流动规律的宏观表现形式。 由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出 泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。 1）扬程H的测定与计算 取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面， 列机械能衡算方程： 2 2 p1 u1 p2 u 2 z1 H z2 h f g 2 g g 2 g 通常忽略阻力项和速度平方差，则有 p2 p1 H ( z2 z1 ) g H 0 H1 (表值） H 2 2）轴功率N的测量与计算 N N电 k 其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效 率，可取0.95。 3）效率η的计算 泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。 两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。 泵的有效功率Ne可用下式计算： Ne HQg 故泵效率为 HQ g 100 % N 4B20 n=2900r/min 26 24 22 η H 20 18 16 14 8 P 12 10 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 qv,l/s 20 40 60 80 100 120 m3/s 离心泵的特性曲线 6 4 2 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0 【实验装置】 1－水箱；2－离心泵；3－泵进口压力传感器；4－泵出口压力 传感器；5－灌泵口；6－涡沦流量计；7－离心泵的管路阀； 8－电动调节阀；9－旁路闸阀；10－排水阀； 【实验步骤】 1）清洗水箱，加装实验用水。给离心泵灌水，排出泵 内气体。 2）检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查 电机和离心泵是否正常运转。开启离心泵之前先将出口 阀关闭，当泵达到额定转速后方可逐步打开出口阀。 3）实验时，通过仪表逐渐增加电动调节阀的开度以增 大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。离 心泵特性实验主要获取实验数据为：流量Q、泵进口压 力p1、泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n，及流体 温度t和两测压点间高度差H0（H0＝0.2m）。 4）测取10组左右数据后，停泵，记录设备的相关数据 （如离心泵型号，额定流量、额定转速、扬程和功率 等），停泵前先将出口阀关闭。 【实验注意事项】 1）一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止 离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被 固体颗粒损坏。 2）泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动， 可能会缠绕并伤害身体接触部位。 3）不要在出口阀关闭状态下长时间使泵运转，一般不 超过三分钟，否则泵中液体循环温度升高，易生气泡， 使泵抽空。 实验五：套管换热器液—液热交换系数及膜系 数的测定(操作性实验) 【实验目的】 1）测定套管换热器中进行的液-液交换过程的传热总系 数，流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数，以及 确立求算传热系数的关联式。 2）通过本实验，对传热过程的实验研究方法有所了解， 在实验技能上受到一定的训练，并对传热过程基本原 理加深理解。 【实验原理】 冷热流体通过固体壁所进行热交换。先由热流体 把热量传递给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向 另一侧，最后再由壁面把热量传给冷流体。即热交换 过程为对流传热-导热-对流传热三个串联过程组成。 1）总传热系数的测定 K msC（ p T1 - T2 ) ATm 2）对流传热系数的测定（管内为例） 1 ms C（ p T1 - T2 ) A w1 Tm 3）流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数α与 各项影响因素之间的关系可关联成如下准数关联式， 通过实验确定系数a、m、n： Nu a Re Pr m n 【实验装置】 本实验装置主要由套管热交换器、恒温循环水槽、高位稳 压水槽以及一系列测量和控制仪表所组成 ，装置流程如下图所 示。 套管热交换器由黄铜管作为内管，有机玻璃管作为套管所 构成 。套管热交换器外面再套一根有机玻璃管作为保温管。套 管热交换器两端测温点之间距离（测试段距离）为1000mm。每 个检测端面上在管内、管外和管壁内设置三支铜-康铜热电偶， 并通过转换开关与数字电压表相连接，测量管内、外流体温度 和管内壁的温度。 热水由循环水泵从恒温水槽送入管内，然后经转子流量计 再返回槽内。恒温循环水槽中用电热器补充热水在热交换器中 移去的热量，并控制恒温。 冷水由自来水管直接送入高位稳压水槽，再由稳压水槽流 经转子流量计和套管的环隙空间。高位稳压水槽排出的溢流水 和由换热管排出被加热后的水，均排入下水道。 【实验步骤】 实验前准备工作 （1）向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流 管有水溢出为止。 （2）开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门， 使槽内充满水，并由溢流管有水流出。 （3）将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水， 使之呈粥状。将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子。 （4）将恒温循环水槽的温度自控装置的温度定为 55℃。启动恒温水槽的电热器。等恒温水槽的水达到 预定温度后即可开始实验。 （5）实验前需要准备好热水转子流量计的标定曲线 和热电偶分度表。 【实验步骤】 实验操作步骤 (1)开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保 持恒定。 (2)启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。热水流量 在60～250L·h-1范围内选取若干流量值（一般要求不少 于5～6组测试数据），进行实验测定。 (3)每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再 通过琴键开关，依次测定各点温度。 【实验步骤】 实验注意事项： （1）开始实验时，必须先向换热器通冷水，然后再启 动热水泵。停止实验时，必须先停热电器，待热交换 器管内存留热水被冷却后，再停水泵并停止通冷水。 （2）启动恒温水槽的电热器之前，必须先启动循环泵 使水流动。 （3）在启动循环水泵之前，必须先将热水调节阀门关 闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调节阀。 （4）每改变一次热水流量，一定要使传热过程达到稳 定之后，才能测取数据。每测一组数据，最好重复数 次。 实验六：板式塔流动特性实验(操作性实验) 【实验目的】 1）采用目前工业上常用的筛板塔或浮阀塔，实验测定 两相流体在塔板上的流动特性，考察塔板上的气液接 触方式、操作状况及其变化规律，寻求适宜操作范围。 2）通过实验掌握板式塔在结构、操作状况和性能上的 特点，以及板式塔流动特性的实验研究方法。 【实验原理】 当气体通过塔板时，因阻力造成的压强降应为气体通过干 塔板的压力降与气体通过塔板上液层的压力降△p1之和 p pd p1 干板压力降可表达为如下关系式 pd 对于筛孔塔板，干板压降与 筛孔速度ua变化关系可由实 验直接测定，并可在双对数 坐标上给出一条直线。可由 此曲线拟合得出干板阻力系 数值。 g u a2 2 对于浮阀塔板，干板压降与阀孔速度ua的关系，曲线如下 图所示。随着气速不断增大，该曲线具有三个阶段。 第一阶段是浮阀处于尚未浮起阶段。 第二阶段是浮阀开始浮动，但尚未完全开启阶段。在此阶 段里，气体通过缝隙的开度(环隙面积)可自行调节，使气体通 过缝隙的速度保持不变，维持压力 降与浮阀重量相平衡。 第三阶段是当浮阀升至 最大开度时，塔板与浮阀之 间的缝隙面积保持不变，浮 阀重量对压力降不再发生影 响。 气体通过湿塔板的总压力降p和塔板上液层的状况，将随着气流 速度的变化而发生阶段性的变化，如下图所示。 塔板上形成稳定液层后，塔 板上气液两相的接触和混和 状态，也将随着气速的改变 而发生变化。当气速较小时， 气体以鼓泡方式通过液层。 随着气速增大，鼓泡层逐渐 转化为泡沫层，并在液面上 形成的雾沫层也将随之增大。 【实验装置】 筛板塔 浮阀塔 1、塔体；2、筛孔（浮阀）塔板；3、漏液排放口； 4、温度计；5、溢流装置。 【实验流程图】 水自高位槽，通过转子流量计，由塔板上方一侧 的进水口进入，并由塔板上另一侧溢流堰溢入溢流装 置。通过塔板泄漏的液体，可由塔底排放口排出。 来自空气源的空气，通过流量调节阀和孔板流量 计进入塔底。 通过塔板的尾气由塔顶排出。气体通过塔板的压 力降由压差计显示。 1、空气源； 2、放空阀； 3、消声器 4、孔板流量计； 5、水柱压差计； 6、汞柱压差计； 7、板式塔； 8、转子流量计； 9、水柱压差计 【实验步骤】 实验前，检查空气调节阀和进水阀是否关严。放空 阀是否全部开启。高位水槽充水，保持溢流。 实验时，每一种塔都可按如下步骤进行操作： （1）启动空气源。不断改变气体流量，测定干板压降 与气速的变化关系。 （2）当进行塔板流动特性试验时，应先缓慢打开水调 节阀，调定水的喷淋密度，在一定喷淋密度下，测定 塔板总压降、塔板上充气液层高度等数据。 实验结束时，先关闭水调节阀和高位槽的进水阀 门，然后完全打开旁路放空阀，再将空气调节阀关严， 最后关掉空气源的电源。 实验七：固体流态化的流动特性实验 (操作性实验) 【实验目的】 1）通过实验观察固定床向流化床转变的过程，以及聚 式流化床和散式流化床流动特性的差异； 2）实验测定流化曲线和临界流化速度。 3）通过本实验能初步掌握流化床流动特性的实验研究 方法，加深对流体流经固体颗粒层的流动规律和固体 流态化原理的理解。 【实验原理】 当流体流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着 流速的增大，流体与固体颗粒之间所产生阻力也随之 增大，床层的压强降则不断升高。 由固定床向流化床转变时的临界速度umf，可由实 验直接测定。实验测定不 同流程下的床层压降，再 将实验数据标绘在双对数 坐标上，由作图法即可求 得临界流化速度，如图所 示。 【实验装置】 实验采用气-固和液-固系统两套设备并列。 设备主体均采用圆柱形的自由床。内分别填充球粒 状硅胶和玻璃微珠。分布器采用筛网和填满玻璃球的圆 柱体。柱顶装有过滤网，以阻止颗粒带出设备外。床层 上均有测压口与压差计相接。 液固系统：水自循环水泵或高位稳压水糟，经调节 阀和孔板流量计由设备底部进入，经分布器分布均匀， 由下而上通过颗粒层，经顶部滤网排入循环水槽。水流 量由调节阀调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。 气固系统：空气自风机经调节阀和孔板流量计，由 设备底部进入，经分布器分布均匀，由下而上通过颗粒 层，经顶部滤网排空。空气流量由调节阀和放空阀联合 调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。 液固系统流程图 气固系统流程图 【实验步骤】 实验前准备工作：按流程图检查各阀门开闭情况。 将水调节阀和空气调节阀全部关闭。空气放空阀完全打 开。然后，再启动循环水泵和风机。待循环水泵和风机 运转正常后，先徐徐开启水调节阀，使水流量缓慢增大， 观察床层的变化过程；然后再徐徐开启空气调节阀和关 小放空阀，联合调节改变空气流量，观察床层的变化过 程。 实验可分两步进行： 第一步，观察并比较液固系统流化床和气固系统流 化床的流动状况； 第二步，实验测定空气或水通过固体颗粒层的特性 曲线。 实验毕，先打开放空阀，后关闭调节阀，再停机。