食品工程原理实验指导书

食品工程原理实验指导书（自编教材）中国农业大学食品科学与营养工程学院2009年12月I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。II目录学生守则-------------------------------------------------------------------------------------------------III对学生基本要求---------------------------------------------------------------------------------------III实验一流体在圆形直管内流动摩擦系数的测定-------------------------------------------------1实验二离心泵特性曲线的测定----------------------------------------------------------------------5实验三传热实验----------------------------------------------------------------------------------------9实验四过滤实验---------------------------------------------------------------------------------------17实验五流化床实验------------------------------------------------------------------------------------22实验六精馏塔板效率实验---------------------------------------------------------------------------25实验七萃取实验---------------------------------------------------------------------------------------29实验八干燥速率曲线测定实验-------------------------------------------------------------------36III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1.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。2.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。3.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。4.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。IV实验一流体阻力测定实验一、实验目的1.学习直管摩擦阻力ΔPf、直管摩擦系数λ的测定方法。2.掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。3.熟悉实验装置中所采用流量计、压差计的构造及其使用方法。4.掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。二、实验内容1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。2.测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。三、实验原理1.直管摩擦系数λ与雷诺数Re的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：2h2fudlpPfλ=Δ=（1-1）22uPldλfΔ⋅⋅=ρ（1-2）μρ⋅⋅=udRe（1-3）式中：管径，m；−d直管阻力引起的压强降，Pa；−ΔfP管长，m；−l流速，m/s；−u−ρ流体的密度，kg/m3；−μ流体的粘度，N·s/m2。直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降ΔPf与流速u（流量V）之间的关系。1根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-3）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。四、实验装置1.本实验装置用图1-1所示的实验装置流程图。在图1中，光滑管阻力系数流程：A→B（C→D）→E→F→G→H→J→M→N→P；粗糙管阻力系数流程：A→B（C→D）→E→F→G→H→K→L→O→P；（C→D）为流量小于2m3/h时的流程。2.流量测量：在图1中由转子流量计和涡轮流量计测量。3.直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U形管直接测取压差值。图1-1流动过程综合实验装置流程图⑺心泵；⑵—大流量调节阀；⑶—小流量调节阀；⑷—被标定流量计；⑸—转子流量计；⑹—倒U管；⑺⑻⑽—数显仪表；⑼—涡轮流量计；⑾—真空表；⑿—流量计平衡阀；⒀—回流阀；⒁—光滑管平衡阀；⒂—压力表；⒃—粗糙管平衡阀；⒄—水箱；⒅—排水阀；⒆—闸阀；⒇—截止阀；［21］—变频器；a—出口压力取压点；b—吸入压力取压点；1-1’—流量计压差；2-2’—光滑管压差；3-3’—粗糙管压差；4-4’—闸阀近点压差；5-5’—闸阀远点压差；6-6’—截止阀近点压差；7-7’—截止阀远点压差；J-M—光滑管；K-L—粗糙管2五、实验方法1.按下电源和离心泵的绿色按钮，通电预热数字显示仪表，记录差压数字表第2-7路的初始值，关闭流量调节阀⑵⑶和回流阀⒀，按一下变频器上的启动按钮，启动离心泵。2.光滑管阻力测定：(1)关闭截止阀⒇，将闸阀⒆全开，并旋开光滑管平衡阀⒁。(2)在流量为零条件下，旋开倒置U形管左右旋钮，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U形管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。操作方法如下：开大流量调节阀⑶，使倒置U形管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气—水柱；此时管内液柱高度差应为零。(3)关闭光滑管平衡阀⒁，通过阀⑶调节流量。根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量。(4)直管段的压差：小流量时用倒置∪形管压差计测量，大流量时用差压数字表（第2路）测量。应在昀大流量和昀小流量之间进行实验，一般测取12-15组数据，建议流量读数在40L/h之内，不少于4个点，以便得到滞流状态下的λ—Re关系。在能用倒置∪形管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。(5)闸阀⒆局部阻力测量：在昀大流量时，直管段压差测量完后，将闸阀⒆往回转5圈，再读取差压数字表第4、5路压差数据。3.粗糙管阻力测定：(1)关闭闸阀⒆，全开截止阀⒇，并旋开粗糙管平衡阀⒃，逐渐调大流量调节阀⑵，赶出导压管内气泡。(2)关闭粗糙管平衡阀⒃，通过阀⑵⑶调节流量。流量小于2m3/h时，选择大量程的转子流量计测量；流量大于2m3/h时，选择涡轮流量计测量。从小流量到昀大流量，一般测取10-15组数据。(3)直管段的压差用差压数字表第3路测量。(4)截止阀⒇局部阻力测量：在昀大流量时，读取差压数字表第6、7路压差数据。4.在水箱中测取水温。5.待数据测量完毕,关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，继续其它实验或切断电源。六、注意事项1.启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。32.测数据时则必须关闭所有的平衡阀，并且在用差压数字表测量时，必须关闭通倒置U形管的阀门，防止形成并联管路。七、报告内容1.将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。2.在合适的坐标系上标绘光滑直管和粗糙直管λ—Re关系曲线。3.根据所标绘的λ—Re曲线，求本实验条件下滞流区的λ—Re关系式，并与理论公式比较。八、设备主要参数表1-1设备主要参数表设备号项目12345678光滑管直径m0.007800.007920.00794光滑管取压口间距mm1603.01597.01601.01599.01601.01598.01701.01698.0粗糙管直径mm25.00.009920.00990粗糙管取压口间距mm1649.01652.01648.01651.01651.01650.01691.01700.0闸阀内径mm25.015.0截止阀内径mm25.015.04实验二离心泵特性曲线的测定一、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的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。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）、η（效率）与Q（流量）之间的特性曲线。三、实验原理1.离心泵特性曲线离心泵是昀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：(1)H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(222222ρρρ（2-1）上式中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，值很小，故可忽略。于是上式变为：出入−fH出入−fHguugPPZZH2(22入出入出入出）−+−+−=ρ（2-2）将测得的）入出ZZ−(和的值以及计算所得的u入出PP−入，u出代入上式即可求得H的值。(2)N的测定：5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。(3)η的测定：NNe=η其中1021000ρρHQgHQNe==kw（2-3）式中：