食品工程原理实验(整理版)

1食品工程原理实验指导书中国农业大学食品科学与营养工程学院葛克山2前言21世纪人类将进入知识经济的时代，人们正将其视为继农业经济、工业经济之后人类社会所面临的又一次生产方式、生活方式乃至思维方式的历史性变革。面对知识经济的到来，我国高等教育改革势在必行，以培养出知识面宽广且具有较强创新能力的人才。食品工程基础实验作为食品工程类创新人才培养过程中重要的实践环节，在食品工程教育中起着重要的作用，它具有直观性、实践性、综合性和创新性，而且还能培养学生具有一丝不苟、严谨的工作作风和实事求是的工作态度。因此，以培养实验研究过程中所需的各种能力和素质为目的，以强化创新能力为重点，对食品工程基础实验进行了相应的改革，更新了全部实验内容。更新后的实验主要是符合“素质教育”需要的综合型、研究型、设计型实验，同时实验设备也达到了国内领先水平。本书作为食品工程基础实验的指导书，具有如下特点：（1）将实验研究过程中所需要的各种能力，通过不同的实验来培养；而工作作风和态度的培养则贯穿于每个实验环节。（2）实验内容通过必做和选做的结合，来达到因材施教的目的。（3）实验内容尽可能接近工厂实际，以训练工程能力。由于编者水平有限，时间仓促，书中难免有不妥和错误之处，恳切希望读者批评指出。3目录实验守则--------------------------------------------------------------------------------------------------4对学生基本要求----------------------------------------------------------------------------------------4实验1离心泵性能测定实验-------------------------------------------------------------------------5实验2传热实验-------------------------------------------------------------------------------------9实验3过滤实验------------------------------------------------------------------------------------16实验4干燥实验----------------------------------------------------------------------------------------214实验守则讲究科学态度，遵守课堂纪律，敢于实事求是，勤于动脑动手，尊重老师指导，爱护仪器设备，注意人身安全，保持环境卫生。对学生基本要求⒈实验前必须到现场结合实验装置，进行实验预习，列出书写报告所需要的原始数据表，并通过老师的检查提问，方可参加实验。⒉实验做完后，所记录的数据经指导老师检查合格后，才可结束实验；实验若有短缺或不合理应该补全或重做。结束实验后，指导老师在原始数据表上签字。⒊实验结束后，应将使用的仪器设备整理复原。检查水源、电源、汽源等是否已确实关断，并将场地打扫干净。⒋用计算机整理数据时，要爱护计算机，不要胡乱操作，如计算机出现问题要及时报告老师，要节约打印纸。⒌实验后要认真写实验报告，报告要求独立完成，若发现彼此抄袭，对有关的所有人都给低于及格分数线的低分。⒍实验报告中，除了包括实验数据与计算结果的表格以及需要的标绘曲线外，还必须有计算举例。同组人取实验的不同序号进行举例，列出全部数字运算过程；若发现同组中两人用相同的序号进行计算举例，则两人的报告均给低分。⒎对实验所测得的数据结果做必要的分析、讨论。5实验1离心泵性能测定实验一、实验目的1.熟悉离心泵的操作方法。2.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。3.掌握离心泵特性管路特性曲线的测定方法、表示方法。二、实验内容1.练习离心泵的操作。2.测定某型号离心泵在一定转速下，H（扬程）、N（轴功率）、（效率）与Q（流量）之间的特性曲线。3.测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。三、实验原理（一）离心泵特性曲线离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率及效率η均随流量Q而改变。通常通过实验测出H—Q、N—Q及η—Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。泵特性曲线的具体测定方法如下：⒈H的测定：在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程出入入出入出入出出入出出出入入入）ffHguugPPZZHHgugPZHgugPZ2(222222上式中出入fH是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力(不包括泵体内部的流动阻力所引起的压头损失)，当所选的两截面很接近泵体时，与柏努利方程中其它项比较，出入fH值很小，故可忽略。于是上式变为：guugPPZZH2(22入出入出入出）将测得的）入出ZZ(和入出PP的值以及计算所得的u入，u出代入上式即可求得H的值。⒉N的测定：6功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1.0，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：泵的轴功率N＝电动机的输出功率，kW电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率。泵的轴功率＝功率表的读数×电动机效率，kw。⒊η的测定NNe其中1021000HQgHQNekw式中：η—泵的效率；N—泵的轴功率，kw；Ne—泵的有效功率，kw；H—泵的压头，m；Q—泵的流量，m3/s；ρ—水的密度，kg/m3。（二）管路特性曲线当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。在一定的管路上，泵所提供的压头和流量必然与管路所需的压头和流量一致。若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H计算同上。四、实验装置的流程水泵1将水槽10内的水输送到实验系统，用流量调节阀6调节流量，流体经涡轮流量计9计量后，流回储水槽。流程示意图见图1。图1离心泵性能测定实验装置流程示意图1-离心泵2-真空表3-压力表4-变频器5-功率表6-流量调节阀7-实验管路8-温度计9-涡轮流量计10-实验水箱11-放水阀12-流量数显示仪7五、实验方法及步骤1.向储水槽10内注入清水。2.检查流量调节阀6，压力表3及真空表2的开关是否关闭(应关闭)。3．启动实验装置总电源，用变频调速器上∧、∨及＜键设定频率后，按run键启动离心泵，缓慢打开调节阀6至全开。待系统内流体稳定，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。4.测取数据的顺行可从最大流量至0，或反之。一般测10~12组数据。5.每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表、功率表的读数及流体温度。6.实验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。六、注意事项1．装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好地接地。2．使用变频调速器时一定注意FWD指示灯亮，切忌按FWDREV键REV指示灯亮，电机反转。3.启动离心泵前，关闭压力表和真空表的开关以免损坏压强表。七、报告内容⒈将实验数据和计算结果列在数据表格中（见表1），并以一组数据进行计算举例。⒉在合适的坐标系上标绘离心泵的特性曲线，并在图上标出离心泵的各种性能（泵的型号、转速和高效区）。表1、离心泵性能测定实验数据记录（水温℃两测压点高差0.18m）序号入口压力P入出口压力P出电机功率流量Q压头H泵轴功率Nη/(MPa)/(MPa)/(kw)/(m3/h)/(m)/（w）/(%)1234567891011123．思考题⑴试分析实验数据，看一看，随着泵出口流量调节阀开度的增大，泵入口真空表读数是减少还是增加，泵出口压强表读数是减少还是增加。为什么?⑵本实验中，为了得到较好的实验结果，实验流量范围下限应小到零，上限应尽量的大。为什么?8⑶离心泵的流量，为什么可以通过出口阀来调节?往复泵的流量是否也可采用同样的方法来调节。为什么?9实验2传热实验一、实验目的⒈通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。⒉通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。⒊了解套管换热器的管内压降p和Nu之间的关系。二、实验内容与要求光滑管螺旋管实验内容与要求①测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i。②对i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。①测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i。②对i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。③同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。三、实验原理普通（光滑管）套管换热器传热系数及其准数关联式的测定⒈对流传热系数i的测定对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为io,所以传热管内的对流传热系数i热冷流体间的总传热系数imistQK/（W/m2·℃）imiiStQ（1）式中：i—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)；Qi—管内传热速率，W；10Si—管内换热面积，m2；mit—对数平均温差，℃。对数平均温差由下式确定：)()(ln)()(2121iwiwiwiwmittttttttt（2）式中：ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；tw—壁面平均温度，℃；因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。管内换热面积：iiiLdS（3）式中：di—内管管内径，m；Li—传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：)(12iipiiittcWQ（4）其中质量流量由下式求得：3600iiiVW（5）式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；cpi—冷流体的定压比热，J/(kg·℃)；ρi—冷流体的密度，kg/m3。cpi和ρi可根据定性温度tm查得，221iimttt为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2，tw，Vi可采取一定的测量手段得到。⒉对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为nimiiANuPrRe.（6）其中：iiiidNu，iiiiiduRe，iipiicPr物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：114.0PrReimiiANu（7）这样通过实验确定不同流量下的Rei与iNu，然后用线性回归方法确定A和m的值。强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线