过程工程原理实验(甲)计算机远程控制干燥实验

1课程名称：过程工程原理实验（甲）指导老师：成绩：__________________实验名称：计算机远程控制干燥实验实验类型：同组学生姓名：一、实验目的和要求1、了解洞道式干燥装置的结构、流程及其操作方法。2、作出物料在恒定干燥条件下的干燥特性曲线（~X，XU~），并求出临界含水量XC、平衡含水量X*及恒速阶段的干燥速度U恒速。3、求出恒速阶段的传质系数kH和传热系数α。4、改变气温或气速等操作条件，做出不同空气参数下的干燥特性曲线，同时求出各自的临界含水量、平衡含水量以及恒速阶段的干燥速度、传质系数和传热系数。二、实验装置实验装置为洞道敞开式干燥装置，如下图1所示，风机将空气送入预热室进行预热，冷空气经电加热到T1温度后，进入干燥室将热能供给物料，然后直接排放至大气。空气的流量由孔板流量计测量，孔板两端差压用差压变送器测量，其中孔板的孔径为Φ34mm，风管内径为Φ68mm，干燥室截面积0.1*0.1m2，空气流量由电动调节阀经计算机在线控制调节。系统内空气温度由铜——康铜热电偶测定，干燥室内空气入口及出口的干球温度由传感器8、10测量，温度传感器7测量干燥室出口的湿球温度。空气进口温度T1采用计算机自动控制。物料重量变化由重量传感器测量并由计算机检测显示。实验报告专业：姓名：学号：日期：地点：2三、实验原理干燥是利用热量去湿的一种方法，它不仅涉及到气、固两相间的传热与传质，而且涉及到湿分以气态或液态的形式自物料内部向表面传质的机理。由于物料的含水性质和物料形状的差异，水分传递速率的大小差别很大，概括起来，它受到物料及其含水性质，干燥介质的性质、流速，干燥介质与湿物料接触方式等各种因素的影响。目前对干燥机理的研究尚不够充分，干燥速度的数据还主要依靠实验。物料中所含湿分性质不同，反映在物料的干燥上，其过程的变化也必各异。为了减少影响因素，本实验将湿物料在恒定干燥条件下（即干燥介质空气的温度、湿度、速度以及与物料接触的情况均维持恒定）进行干燥。实验中，通过对湿物料在不同时间内重量的称量，即可求得干燥时间τ与物料湿重量G的关系，将数据加以整理可得到物料的干燥曲线X~τ和干燥速率曲线U~X。整个干燥过程主要有恒速干燥与降速干燥两个阶段。恒速干燥阶段：湿物料表面全部为非结合水所润湿。在物料表面水分汽化过程中，湿物料内部水分向表面扩散的速率等于或大于水分的表面汽化速率，物料表面总是维持湿润状态，且其表面温度亦为该空气状态下的湿球温度wt，故该阶段又被称为表面汽化控制阶段。降速干燥阶段：湿物料内部水分向表面扩散的速率低于物料表面的汽化速率，则物料温度升高或表面变干，进入降速阶段。随着物料不断干燥，其内部水分愈来愈少，这样，水分由内部向表面传递的速率愈来愈慢，干燥速率亦随之降低，直至物料含水量达到该空气状态下的物料平衡含水量*X，由于降速阶段的干燥速率取决于物料本身的结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。临界湿含量XC，即为恒速与降速阶段的转折点，临界湿含量对于干燥过程研究和干燥器的设计都是十分重要的。1、干燥特性曲线（X~τ，U~X）的求取：干燥速度定义为单位时间、单位干燥表面积所干燥除去的湿分重量，以U代表之，故：ddXAGAddWUc（1）式中：U——干燥速度，smkg2/；A——干燥面积，2m；cG——物料绝干重量，kg；X——物料干基湿含量，/kgkg水干料。根据计算机和重量传感器测出的不同时刻物料重量与时间的关系曲线~iG，可得出不同时刻物料的干基湿含量iX：3cciiGGGX（2）式中：iX——物料在i时刻湿含量，干空气水kgkg/；iG——i时刻物料量（包括附件重），kg；cG——物料绝干重量（包括附件重），kg；按（2）式可得i时刻所对应的iX值，据此即可作出干燥曲线~X，从~X曲线图中可找出CX,再在~X曲线上取代表性的点作图求出斜率ddX，再按（1）式即可计算出干燥速度iU，然后绘出干燥速率曲线XU~，从XU~图中可以找出*X和恒速U。2、恒定干燥条件下的传质系数与传热系数的测定根据传质速率方程，在恒速干燥阶段：=()HWUkHH恒速（3）即HWUkHH恒速（4）根据“汽化所需热量等于空气与湿物料间的对流传热量”这一热量衡算关系，即()WWUrtt恒速（5）于是()WH恒速（6）式中：Hk——恒速干燥阶段的传质系数，Hsmkg2/；H——空气湿度，干空气水kgkg/；WH——湿球温度Wt下空气的饱和湿度，干空气水kgkg/；——恒速干燥阶段物料表面与空气之间的对流传热系数，CmW2/；恒速U——恒速干燥阶段的干燥速率，smkg2/；wt——干燥器内空气的湿球温度，C；4t——干燥器内空气的干球温度，C；Wr——湿球温度wt下水的汽化潜热，kgJ/。在本实验中，测出物料失重与时间的关系~iG，即得出~X，XU~曲线，进而求出CX、*X和恒速U，并最终求出恒速阶段的传质系数HK和传热系数。四、实验步骤1、打开计算机，运行干燥实验客户端程序，进入干燥实验操作控制界面。2、点击电源开关和开始实验按钮，启动风机，调节电动调节阀的开度，将风量设置为0.025kg/s，设置空气进口温度为60.0℃让其加热，待空气温度在计算机屏上显示为一条直线时（或与设定值偏差小于1℃），可采样进行稳定分析，当计算机判断为稳定后，可对干燥物料进行加水浸湿，同时对湿球温度计进行加水，加水结束后，干燥即自动开始。3、当干燥物料的重量不再明显减轻时，此干燥条件下的干燥实验已结束，将此条件下数据进行取点保存，每隔30s取一个点。4、将空气进口温度设置为75.0℃，其他操作不变，重复上述实验。5、实验测试完毕后，先将实验数据保存，再结束实验。6、关闭加热电源，待干球温度降至常温后关闭风机电源和总电源。7、实验完毕，将实验装置恢复原状。五、实验数据处理实验室提供的已知物理数据为：物料绝干重量Gc=12.683g，干燥面积A=43.709cm2。1、第一组实验（进口温度60℃，空气流量0.025kg/s）干燥特性曲线的求取实验原始数据较多，仅列出几组数据作为计算示例（表1），其余详见附表。表1部分原始数据记录表（60℃）时间列1物料重量读数/g干燥室出口湿球温度/℃干燥室出口温度/℃干燥室进口温度/℃风机出口温度/℃空气流量/(kg/s)时间t/s物料实际重量Gi/g2015/1/919:37:4613.96928.20256.33460.4669.2460.02524015.6192015/1/919:38:1713.89728.32156.21260.3829.2460.02427015.5472015/1/919:38:4713.82528.44156.33460.4669.2460.02430015.4752015/1/919:39:1913.75428.44156.33460.4669.2460.02433015.404由于未悬挂物料时，重量传感器的读数恒为-1.650g，即基线非零，因此物料的实际重量应加上此读数，如第240s处，Gi=13.969+1.650=15.619g。实验过程中每隔30s采集一次数据，得到干燥物在各个时刻ti的重量Gi，将实验数据绘成一条曲线，得图2。5图2G-t关系图（60℃）根据公式（2）cciiGGGX，已知Gc=12.683g，可求得Xi的值。以240s数据为例计算：15.61912.6830.231512.683icicGGXG得到Xi与t的一组数据，部分数据见表2。表2Xi-t部分数据表（60℃）t/sGi/gXi24015.6190.23149127015.5470.22581430015.4750.22013733015.4040.214539将得到的Xi对时间t作图，得图3。图3Xi-t关系图（60℃）11121314151617020040060080010001200140016001800Gi/gt/s00.050.10.150.20.250.3020040060080010001200140016001800Xit/s6接下来要作出干燥速率曲线图，一方法是采用公式（1），即CCGGdXXUAdtAt根据上面得到的Xi-t关系数据，得到部分U-X数据见表3。以240s处为例，212.683/10000.2258-0.2315==0.000549/43.709/1000030CGXUkgmsAt表3部分U-X数据（60℃）t/sGi/gXiU/kg/(m2·s)24015.6190.2314910.00054908627015.5470.2258140.00054908630015.4750.2201370.0005414633015.4040.214539作图如图4：图4U-X关系图（60℃）得到的图较为杂乱无章，与理论的图形不是很贴切，但可由图中近似得出临界含水量Xc的位置。为了得到更为贴切的U-X曲线，我以上图为参考，以Xc=0.12276为分界点，在下面对X-t曲线进行分段拟合。结果如下：图5X-t拟合曲线图（60℃）00.00020.00040.00060.00080.0010.001200.050.10.150.20.250.3U/kg/m2·sXy=-1.94E-04x+2.80E-01R²=0.999y=7.84E-08x2-2.93E-04x+3.10E-01R²=0.99000.050.10.150.20.250.3020040060080010001200140016001800Xt/sXCXc7根据图5，得到恒速阶段和降速阶段两条X-t曲线的方程。恒速阶段，斜率为-1.94E-4，则4212.683=(1.9410)0.000563/43.709/10CGdXUkgmsAdt降速阶段，方程为X=7.84E-08t2-2.93E-04t+3.10E-01，对其求导，可得8412.683=(15.68102.9310)43.709/10CGdXUtAdt可得一组t、X、U的关联数据。将恒速和降速阶段的U-X数据绘在同一张图上，得：图6U-X曲线（方程拟合）（60℃）由图中可以较清楚地看出，临界含水量Xc=0.12276，平衡水量X*=0.450。恒速阶段干燥速率2=0.000563/Ukgms恒速2、第一组实验恒速干燥阶段传质系数与传热系数的测定干燥室进口空气干球温度平均值：160.42tC；干燥室出口空气干球温度平均值：256.31tC；干燥室出口空气湿球温度平均值：28.50wtC。查得干燥室出口条件下空气的湿度0.013/kgHkg干气，再根据湿球温度查得空气饱和湿度0.025/kgwHkg干气。查得湿球温度下的汽化潜热2428/WrkJkg，所以：空气进出口干球温度的平均值作为干燥室内温度，1260.4256.3158.3722tttC00.00010.00020.00030.00040.00050.000600.050.10.150.20.250.3U/kg/m2·sX20.0005630.0469/0.0250.013HWUkkgmsHHH恒速XcX*820.0005632428100045.76/58.3728.50WwUrWmCtt恒速3、第二组实验数据分析（进口温度75℃，空气流量0.025kg/s）同理，得到G-t数据图：图7G-t关系图（75℃）再由Gc得到X-t数据图：图8X-t关系图（75℃）根据原始数据直接画出干燥速率曲线，同样得到较杂乱的U-X图，从中找出临界含水量Xc=0.06323。1212.51313.51414.51515.51616.51702004006008001000120014001600180