传递过程原理实验指导书(正式版)概论.pdf

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1、 24 传递原理 实 验 指 导 书 与 报 告 专业 班级 学号 姓名 中南大学冶金学院 基 础 教 学 实 验 室 24 说 明 学生在实验前，必须预习有关实验指导书与报告的相关内容。实验中仅仅能够按规定完成实验步骤操作是远远不够的，还必须针对实验指导书成果要求及分析讨论题，查阅有关参考书，深入地进行实验探索，认真分析与思考。每项实验的“实验分析与讨论的内容”，按其涉及知识面的广度和深度分为必做与选做两类，带者为选做内容。24 目 录 （一）流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定（二）雷诺实验（三）传热系数 K 和给热系数的测定 24 流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定 一.实验目

2、的 1.掌握测定物料干燥速率曲线的工程意义；2.熟悉实验干燥设备的流程、工作及实验组织方法；3.了解影响干燥速率曲线的因素。二.基本原理 干燥原理是利用加热的方法使水分或其它溶剂从湿物料中汽化，除去固体物料中湿分的操作。干燥的目的是使物料便于运输、贮藏、保质和加工利用。本实验的干燥过程属于对流干燥，其原理见图 1。图 1 热空气与物料间的传热与传质 传热过程 热气流将热能传至物料，再由表面传至物料的内部。传质过程 水分从物料内部以液态或气态扩散透过物料层而达到表面，24 再通过物料表面的气膜扩散到热气流的主体。由此可见，干燥操作具有热质同时传递的特征。为了使水气离开物料表面，热气流中的水气分压

3、应小于物料表面的水气分压。2.1 干燥速率曲线测定的意义 对于设计型问题而言，已知生产条件要求每小时必须除去若干千克水，若先已知干燥速率，即可确定干燥面积，大致估计设备的大小；对操作型问题而言，已知干燥面积，湿物料在干燥器内停留时间一定，若先已知干燥速率，即可确定除掉了多少千克水；对于节能问题而言，干燥时间越长，不一定物料越干燥，物料存在着平衡含水率，能量的合理利用是降低成本的关键，以上三方面均须先已知干燥速率。因此学会测定干燥速率曲线的方法具有重要意义。2.2 干燥曲线和干燥速率曲线的关系 含水率 X：单位干物料 Gc 中所带的水分量 W 定义：X=cGW （kg水kg干）（1）含水率随时间

4、的变化作图，见图 2：干燥过程分为三个阶段：.物料预热阶段；.恒速干燥阶段；.降速干燥阶段。干燥速率 NA 的定义有二种表示：(一)单位时间单位面积汽化的水量 24 即：N A=AddW (kg水m s)(2)图 2：干燥曲线图 (二).单位干物料在单位时间内所汽化的水量 即：NA=dGdWc (kg水kg干s)(3)(2)式定义中，由于干燥面积的定量难以实验测定，故本实验以(3)式定义作为实验依据 对(1)式求导得：dWGcdX (4)所以，NA=dGdWc=dXd (5)就是说，在干燥曲线图中含水率随时间变化曲线上的任何一点切线的斜 24 率值即为干燥速率值，将这些斜率的变化值对应于含水率

5、作图即为干燥 速率曲线图，见图 3。每隔一段时间读取湿物料的重量，然后将湿物料重 减去干物料的重，从而就测得了 X 与的关系。图 3 干燥速率曲线图 三.实验流程及说明 24 四实验步骤(1)在实验操作前从加水斗加入 220300ml 水，系统同时通入常温空气，使加入的水充分均匀地分散在硅胶表面，(这一步由准备老师完成)。(2)按下变频器 RUN，通过旁路阀 10 调节流量至 14-18m3/h 任何一恒定值。(3)待空气进口温度计读数为 95时，关闭旁路放空阀 4，使热空气进入 系统。(4)仔细观察进口温度与床层温度的变化，待床层温度升至 40，即开 始取第一个样品，此时的时间设定为 0。(

6、5)按照原始数据的时间间隔取样，总共采集 1416 组数据。五 实验结果讨论和分析 六 思考题 1、根据干燥曲线图分析不同床层温度区间物料的干燥阶段以及物料温度、含水率及时间之间的变化关系；24 2、在干燥曲线图上读出临界含水率，并从实验结果分析进口温度高低对临界含水率的影响；3、对于指定的物料，若改变物料湿度、热空气进口温度、流速，得到的干燥曲线或干燥速率曲线会有哪些变化？4、需要满足哪些条件，本实验测得的干燥速率曲线可以放大到工业装置之中？24 装置号：；塔径：；床层高度：；烘干温度：；物料：；物料尺寸：；空气相对湿度：；空气流量：；室温：No.时间间隔 min 床层温度 空瓶重 g 空瓶

7、+湿物 g 空瓶+干物 g 空气进口温度 空气出口温度 1 0 2 3 3 3 4 5 5 5 6 10 7 10 8 10 9 10 10 15 11 12 13 14 24 七过程运算表和结果图 No.时间间隔 min 床层温度 水分 g 干物 g 含水率102kg 水/kg干物 干燥速率103kg水/kg 干物min 热效率%1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 24 雷诺实验 一、实验目的要求 1观察层流、紊流的流态及其转换特征；2测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；3学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。二、实验装置 本实

8、验的装置如图 5.1 所示。图 5.1 自循环雷诺实验装置图 1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色水 24 水管；6.稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。供水流量由无级调速器调控使恒压水箱 4 始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到 3-5 分钟。有色水经有色水水管 5 注入实验管道 8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。三、实验原理 44;evdQRKQKvdvdv 四、实验方法与步骤 1测记本实验的有关常数。2观察两种流态。打开开

9、关 3 使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀 9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。3测定下临界雷诺数。（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减 24 小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；（2）待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流量；（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需重测；（4）重新打开调

10、节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；（5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意：a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；c、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。4测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数 12 次。五、实验成果及要求 1记录、计算有关常数：实验装置台号 No 管径 d=cm，水温 t=运动粘度 220.01775/1 0.03370.000221vcmstt 24 计算常数 K=s/cm3 2整理

11、、记录计算表 表 5.1 实验 次序 颜色水线 形态 水体积 V(cm3)时间 T(s)流量 Q(cm3/s)雷诺数 Re 阀门开度增()或减()备 注 实测下临界雷诺数（平均值）ecR 注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。六、实验分析与讨论 1流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？2为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？24 3雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为 2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺言数为多少？4试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？5

12、分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？24 传热系数 K 和给热系数的测定 一.实验目的 1.了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法；2.掌握借助于热电偶测量壁温的方法；3.学会给热系数测定的试验数据处理方法；4.了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。二.基本原理 传热系数 K 的理论研究 在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置来达到物料的冷却和加热。这种传热过程系冷、热流体通过固体壁面进行热量交换。它是由热流体对固体壁面的 对流给热，固体壁面的热传导和固体对冷流体的对流给热三个传热过程所组成。如图 1 所示。由传热速率方程知，单位时间所传递的热量 Q=t

13、TKA （1）而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可由牛顿冷却定律表示 Q=1whhtTA （2）或 Q=ttAwcc2 （3）对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为 图 1 传热过程示意图 24 Q21wwmttA （4）由热量平衡和忽略热损失，可将（2）、（3）、（4）式写成如下等式 Q=KAtTAttAttAtTccwmwwhhw1112211 （5）所以 ccmhhAAAK111 （6）22222111111,ucucdfKpp5,2,6f （7）从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响外，影响传热过程的参数还有 12 个，这不利于对传热过程作整体

14、研究。根据因次分析方法和定理，热量传递范畴基本因次有四个：L,M,T,t,壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略 K21,f （8）要研究上式的因果关系，尚有=13-4=9 个无因次数群，即由正交网络法每个水平变化 10 次，实验工作量将有 108次实验，为了解决如此无法想象的实验工作量，过程分解和过程合成法由此诞生。该方法的基本处理过程是将(7)式研究的对象分解成两个子过程如(8)式所示，分别对21,进行研究，之后再将21,合并，总体分析对K的影响，这有利于了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。24 当12时，2K，反之当12时，1K。欲提高K设法强化给热系数小的一侧，由于设备结构和流体

15、已定，从(9)式可知，只要温度变化不大，1只随1u而变，1111111,pcudf (9)改变1u的简单方法是改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。同时它提示了欲提高K只要强化小的那侧流体的 u。而流体 u 的提高有两种方法：（）增加流体的流量；（）在流体通道中设置绕流内构件，导致强化给热系数。由(9)式，定理告诉我们，=个无因次数群，即：1111111,pcudf pcdufd,(10)经无因次处理，得：cboaNuPrRe (11)如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化范围不大，则式(11)可改写为：baNuRe 式中：coaaPr。传热系数 K 和的实验测定 实验装置的建立依

16、据如下热量衡算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)24 式联立,则 KAtm=WccCpc(t2-t1)(12)其中 1212mtTtTln)tT()tT(t (13)mpccctAttCWK)(12 (14)1212ttcWtAttcWtApcccmhhhpcccmccc 其中：1212ln)()(tttttttttmmmmmc下上下上 (15)下上下上mmmmmhtTtTln)tT()tT(t (16)-若实验物系选定水与水蒸汽,由(8)、(9)式告诉我们,实验装置中需要确定的参数和安装的仪表有：A-由换热器的结构参数而定；Wc-测冷流体的流量计；t1、t2-测冷流体的进、出口温度计；

17、T、P-测热流体的温度计，蒸汽压力；Cpc-由冷流体的进、出口平均温度决定；下上、mmtt-由热电偶温度计测定。24 将以上仪表、换热器、气源、及管件阀门等部件组建成如下实验装置图。三实验装置图 四实验步骤 1 先开蒸汽加热开关,再开气源和空气转子流量计。2 打开不凝性气体放气阀，“开-关”重复三次。3 整个实验操作控制蒸汽压力恒定在 0.05Mpa 以下某一刻度，改变唯一 24 操作变量即空气转子流量计阀门开度，达到改变流速的目的。4 实验布点采用小流量和打流量分别布点集中原则，因为是直线原因。5 待冷流体出口温度显示值保持 5min 以上不变时方可同时采集实验数据。6 实验结束时，先关蒸汽

18、进口调节阀，保持空气继续流动 10min，以足够冷却壁温，保护热电偶接促正常。7 上机数据处理的直线相关系数要求 R0.93，否则，实验重做。五原始数据记录 1一次性原始数据 装置号：，d外=19mm ,=1.5 mm ，L=1.3 m ，2原始数据表 序号 蒸汽 压力 Mpa 蒸汽 温度 T 冷流体 流量 Vc m3/h 冷流体 进口 t1 冷流体 出口 t2 下端 壁温 tm下 上端 壁温 tm上 1 2 3 4 5 六.计算 24 七.过程运算表 八.作图法关联曲线方程 beraRPNu4.0/(17)取对数用作图法待定上式函数中的常数ba和，方法如下：以直线为斜边，作直角三角形，该三角

19、形的高与该三角形底边之比（长度比）的值，即为此函数的指数 b；然后在直线上读得一点坐标，将该坐标待入式(17)，可求得常数a。九.实验结果讨论与分析 序号 冷流体 流量 Vc m3/h 热 负荷 Q10-4 kj/h 传热 系数 K10-4 kj kj/m2h h10-4 kj/m2h c10-4 kj/m2h Re 10-4 Pr Nuc Nu 1 2 3 4 5 24 1、从理论及经验公式可知：Nu=0.023Re0.8Pr0.4。而此公式适用的条件是：（1）光滑管内 Re10000 即流动是充分湍流的，这一点是重要的；（2）0.7Pr160；（3）流体是低粘度的（不大于水粘度的 2 倍）；（4）l/d3040 即进口段只占总长的很小一部分，而管内流动是充分发展的。本实验关联的 Nu=0.030Re0.778Pr0.4与理论公式作比较有偏差，造成偏差的原因可能有哪些？2、整理2.04.08.08.04.0023.0du，由此式分析：物性参数中、u、d 对给热系数 的影响,其中哪个参数影响最大？