恒壓過濾、傳熱實驗教材

1、實驗六恒壓過濾常數(shù)測定實驗一. 實驗目的1. 了解恒壓過濾裝置及其操作。2 掌握過濾操作的原理。3.掌握過濾常數(shù)K，qe, 9 e的測定方法。二. 實驗原理1. 過濾常數(shù)的求取已知恒壓過濾方程為(6-1)2(q qe) 2 入)式中：q-單位過濾面積獲得的濾液體積，m3/m2;qe-單位過濾面積的虛擬濾液體積，m3/m2; 9 -實際過濾時間，S;9 e-虛擬過濾時間，S;K-過濾常數(shù)，m2/S 。將(6-1)式微分，得ddq7qe(6-2)式(6-2)為直線方程，于普通坐標系上標繪d對q的關系，所得直線斜率為-，dqK2qe當各數(shù)據(jù)點的時間間隔不大時,d/dq可以用增量之比 E q來代替,2

2、截距為一qe，從而求出K、qeK9 e可由下式求得：(6-3)通過厶初0與q作圖即可求得K在實驗中，當計量瓶中的濾液達到100 ml刻度時開始按表計時，作為恒壓過濾時間的零點。但是，在此之前過濾早以開始，即計時之前系統(tǒng)內(nèi)已有濾液存2 _ 2qqeqk k在，這部分濾液量可視為常量以 q表示，？這些濾液對應的濾餅視為過濾介質(zhì)以 外的另一層過濾介質(zhì)，在整理數(shù)據(jù)時應考慮進去，則方程應改寫為(6-4)其中(6-5)式中A 濾布面積m22. 濾餅壓縮性指數(shù)s與物料過濾特征常數(shù)k濾餅壓縮性指數(shù)s是反映濾餅的壓縮性，一般s=01 ;濾餅不可壓縮時，則 s=0。與壓差有如下關系：r=r(：P)s(6-6)式中

3、r為單位壓強差下濾餅的比阻，1/m2 ；物料的物料過濾特征常數(shù)k定義如下：(6-7)式中為濾液的粘度，Pas； u為濾液的流速，m/s；研究表明，過濾常數(shù) K與過濾壓強差？P、濾餅壓縮性指數(shù)s與物料過濾特 征常數(shù)k之間存在如下關系：K 二 2k( P)1(6-8)(6-9)對上式兩邊取對數(shù)，可得ln K = (1 -s)ln( P) In(2 k)這樣通過在若干不同的壓強差下對指定物料進行試驗，求得若干過濾壓強差?P下的過濾常數(shù)K值，以ln(?P)對InK作圖，就可得到一條直線，則直線的斜 率即為(1-s)，截距為ln(2 k)，于是就可求得s和k。注意這里在過濾壓強變化范 圍內(nèi)，濾餅的空隙率

4、沒有顯著的改變。三、實驗裝置1. 主要設備參數(shù)不銹鋼過濾器，內(nèi)徑74mm,其結構示意圖見圖6-1。圖6-1恒壓過濾實驗流程示意圖2. 實驗流程圖實驗裝置如圖6-2所示，濾漿槽內(nèi)配有一定濃度的碳酸鈣懸浮液，用電動攪 拌器進行均勻攪拌（漿液不出現(xiàn)旋渦為好）。啟動真空泵，使系統(tǒng)內(nèi)形成真空達指 定值。濾液在計量瓶內(nèi)計量。4圖6-2恒壓過濾實驗流程示意圖1-濾漿槽；2-過濾漏斗（內(nèi)徑74mm）； 3-攪拌電機；4-真空旋塞；5-積液瓶；6-真空壓力表；7、12-放空閥；8-緩沖罐；9-真空泵；10-放液閥；11-真空膠皮管四、實驗方法及操作步驟1. 系統(tǒng)接上電源，啟動電動攪拌器，待槽內(nèi)漿液攪拌均勻，將過

5、濾漏斗按 流程圖所示安裝好，固定于漿液槽內(nèi)。2. 打開放空閥7關閉旋塞4及放液閥10。3. 啟動真空泵，用放空閥7及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的真空度，使真空表的讀數(shù)稍 大于指定值，然后打開旋塞 4進行抽濾。此后時間內(nèi)應注意觀察真空表 的讀數(shù)應恒定于指定值。當計量瓶濾液達到100ml刻度時按表計時，做為 恒壓過濾時間的零點。記錄濾液每增加 100 ml所用的時間。當計量瓶讀數(shù)為800 ml時停止計時，并立即關閉旋塞44. 把放空閥7全開，關閉真空泵，打開旋塞 4,利用系統(tǒng)內(nèi)的大氣壓和液 位高度差把吸附在過濾介質(zhì)上的濾餅壓回槽內(nèi)，放出計量瓶內(nèi)的濾液并倒 回槽內(nèi)，以保證濾漿濃度恒定。卸下過濾漏斗洗凈待用。5.

6、改變真空度重復上述實驗。6. 各小組可根據(jù)不同的實驗要求，自行選擇不同的真空度測定過濾常數(shù)K、qe、0 e 及 s、k。五、實驗注意事項1. 檢查一下真空泵內(nèi)真空泵油是否在示鏡液面以上。2. 過濾漏斗如圖2-15安裝，在濾漿中潛沒一定深度，讓過濾介質(zhì)平行于液 面，以防止空氣被抽入造成濾餅厚度不均勻。3. 用放空閥7調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)的真空度恒定，以保證恒壓狀態(tài)下操作。4. 電動攪拌器為無級調(diào)速，使用方法為：系統(tǒng)接上電源，打開調(diào)速器開關，將調(diào)速鈕從小至大位啟動，不允許 高速擋啟動，轉(zhuǎn)速狀態(tài)下出現(xiàn)異常時或?qū)嶒炌戤吅髮⒄{(diào)速鈕恢復最小位。5. 為安全，實驗設備應接地線。6. 啟動攪拌前，用手旋轉(zhuǎn)一下攪拌

7、軸以保證順利啟動攪拌。六、實驗結果實驗數(shù)據(jù)整理見表6-1、6-2。表6-1、過濾常數(shù)表序號123過濾壓差？P/Pa過 濾 常 數(shù)32K/(m /m )32qe/(m /m )0 e/s表6-2、過濾實驗數(shù)據(jù)表V/mlq/32(m / m )Qav/32(m / m )0.03 MPa0.05MPa0.07Mpa0 /s 0 /s 0 / q0 /s 0 /s 0 / q0 /s 0 /s 0 / q100200300400500600700800900注：V=V-100七、思考題1. 過濾操作的外力有哪些？2 恒壓過濾的特點是什么？3.求壓縮性指數(shù)所用的公式有無條件限制？為什么?實驗七傳熱系數(shù)

8、K和給熱系數(shù)a的測定實驗目的1. 了解間壁式傳熱元件的研究和給熱系數(shù)測定的實驗組織方法;2. 掌握借助于熱電偶測量壁溫的方法；3. 學會給熱系數(shù)測定的試驗數(shù)據(jù)處理方法；4. 了解影響給熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。實驗原理1、理論研究在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來達到物料的 冷卻和加熱。這種傳熱過程系冷、熱流體通過固體壁面進行熱量交換 它是由熱流體對固體壁面的對流給熱，固體壁面的熱傳導和固體對冷 流體的對流給熱三個傳熱過程所組成。如圖1所示。由傳熱速率方程知，單位時間所傳遞的熱量圖1傳熱過程示意圖Q =Ka(T7)(7-1)而對流給熱所傳遞的熱量，對于冷、熱流體均可由牛頓冷卻定

9、律表示Q 二:hAh(T -tw1)(7-2)或 Q = : cAc(tw2 -1)(7-3)Q 二(tw1 - tw2 )對固體壁面由熱傳導所傳遞的熱量，則由傅立葉定律表示為(7-4)由熱量平衡和忽略熱損失，可將（7-2 ）、（ 7-3 ）、（ 7-4）式寫成 如下等式Q-tw1twl - tw25:hAhtw2 - 1 _ T _ t1 二 16CKa(7-5)所以A A A+:hAhAm: cAc(7-6)K 二 f(d1,j1,Cp1,、從,、匚2匕亠2, 2小2)= f(6,2,5)(7-7)從上式可知，除固體的導熱系數(shù)和壁厚對傳熱過程的傳熱性能有 影響外，影響傳熱過程的參數(shù)還有12

10、個，這不利于對傳熱過程作整體 研究。根據(jù)因次分析方法和n定理，熱量傳遞范疇基本因次有四個： L,M,T,t，壁面的導熱熱阻與對流給熱熱阻相比可以忽略K = f(：1，：2)(7-8 )要研究上式的因果關系，尚有 n =13-4=9個無因次數(shù)群，即由正 交網(wǎng)絡法每個水平變化10次，實驗工作量將有108次實驗，為了解決如 此無法想象的實驗工作量，過程分解和過程合成法由此誕生。 該方法的 基本處理過程是將（7-7）式研究的對象分解成兩個子過程如（7-8）式所示, 分別對 圻,進行研究，之后再將:、合并，總體分析對K的影響， 這有利于了解影響傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。當用2時，K 2，反之當-

11、2時， K ：。欲提高K設法 強化給熱系數(shù)小的一側，由于設備結構和流體已定，從（7-9）式可知， 只要溫度變化不大，-1只隨U1而變，-： 二 f (d1, Ui, :1, J1 ,Cp1, 1)(7-9)改變U1的簡單方法是改變閥門的開度，這就是實驗研究的操作變量。 同時它提示了欲提高K只要強化小的那側流體的u。而流體u的提高有兩種方法：(1) 增加流體的流量；(2) 在流體通道中設置繞流內(nèi)構件，導致強化給熱系數(shù)。由(7-9)式，n定理告訴我們，n = 7-4 = 3個無因次數(shù)群，即:-4 = f (di, ui, 1-1, Cpi, 1)二,ad du t CpJf(,)(7-10)經(jīng)無因

12、次處理，得(7-11)Nu = ： 0 Reh Prc如果溫度對流體特性影響不大的系統(tǒng)，并且溫度變化范圍不大，則式(7-11)可改寫為：hNu - ： Re式中：:=:0 Prc2、傳熱系數(shù)K和a的實驗測定實驗裝置的建立依據(jù)如下熱量恒算式和傳熱速率方程式，它是 將(7-5)和(7-6)式聯(lián)立,則(7-12)Ka 心=qc cCpc(t2 7)其中%(T1 -七2)-(丁2 - t1 )(7-13)(7-14)qc cCpc(t2 -匕)A tm:cAc %c =qccCpc(t2 -tj其中:-tmc（tw 上-t2）-（tw 下-t 1）In wtw下-t 1（7-15）tmh（7-16）（

13、Ti-tw 上）-（T2-t w下）In Z上T2-t w下若實驗物系選定水蒸汽與冷空氣，由(8)、(9)式告訴我們，實驗裝置 中需要確定的參數(shù)和安裝的儀表有：A 由換熱器的結構參數(shù)而定；qc 測冷流體的流量計；、t2 測冷流體的進、出口溫度計；T- 測熱流體的進、出口溫度計；Cpc 由冷流體的進、出口平均溫度決定;tw下、tw上-由熱電偶溫度計測定。將以上儀表、換熱器、氣源、及管件閥門等部件組建成如下實驗裝圖實驗裝置及流程冷卻水岀fclE盡閥四、實驗步驟1 在蒸汽發(fā)生器放入去離子水之液位管上段處，讓水浸沒加熱電棒， 以防燒壞。2. 打開加熱電源開關，水蒸汽發(fā)生器開始工作，約 20mi n水沸

14、騰，此時3打開氣源開關，調(diào)節(jié)空氣流量為20m /h。待套管表面發(fā)熱，打開套 管底端法蘭下的排氣拷克23次，排除不凝性氣體。3. 整個實驗操作熱流體的進口溫度是恒定的，改變唯一操作變量即冷 空氣轉(zhuǎn)子流量計閥門開度，達到改變流速的目的。4. 待冷流體出口溫度顯示值保持5min以上不變時方可同時采集實驗數(shù) 據(jù)。5. 實驗結束時，先關加熱電源，保持冷空氣繼續(xù)流動 20mi n,以足夠冷 卻套管換熱器及壁溫，保護熱電偶接觸正常。五、實驗數(shù)據(jù)管內(nèi)徑di=18mm管壁厚S =2.0mm 管長L=1.3mNo.蒸汽壓力MPa蒸汽溫度C空氣流量m/h空氣進口溫度C空氣出口溫度C下壁溫C上壁溫C1234實驗九裸管

15、與絕熱管傳熱實驗一、實驗目的1. 了解間壁式傳熱元件的研究方法；2. 掌握保溫管保溫材料的導熱系數(shù)、套管換熱器對流傳熱系數(shù)和裸管管壁 對空氣自然對流傳熱系數(shù)的測量方法；3. 學會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法；4. 了解影響給熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。二、實驗原理在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來達到物料的冷卻或加 熱。這種傳熱過程系冷、熱流體通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換。它是由 熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳 熱三個傳熱過程所組成。如圖9-1所示。圖9-1傳熱過程示意圖由傳熱速率方程知，單位時間、單位傳熱面所傳遞的熱量q = K

16、 （T -t）（ 9-1）而對流傳熱所傳的熱量，對于冷、熱流體可由牛頓冷卻定律表示 i.qth t（ 9-2）：；i亦可分別表示為:q = : h(T - twi)(9-3)Pr為普朗特（Prandtl）準效，描述流體的物性；(9-4)對固體壁面由熱傳導所傳遞的熱量，則由傅立葉定律表示為6(tw1 一 tw2 )(9-5)在以冷流體側的傳熱面為基礎的傳熱系數(shù)為:(9-6)K 二1 dAcA一 +_ +cAm用h A式中：q -傳熱量；K-傳熱系數(shù)；-給熱系數(shù)；T-熱流體溫度；twl、tw2-熱、冷側的壁溫；入固體導熱系熱；S-壁厚；A-傳熱面積。下標 c-冷側；h-熱側；m-平均值。由式(9-

17、2)知，除固體的導熱系數(shù)與壁厚對傳熱過程的傳熱性能有影響 外，尚有影響傳熱過程的參數(shù)極多， 這不利于對傳熱過程作整體研究。 對于間壁 式傳熱過程而言，因它具有固定的傳熱壁面?？山柚趯α鱾鳠岬难芯拷Y果，由 式(9-6)可獲得相應的傳熱系數(shù)。這種處理方法稱為過程分解與過程合成法。由于對流傳熱過程十分復雜，影響因素極多，目前尚不能通過解析法得到給 熱系數(shù)的關系式。它必須由實驗加以測定，獲得各影響因素與給熱系數(shù)的定量關 系。為了減少實驗工作量，采用因次分析法將有關的影響因素經(jīng)無因次化處理后 組成若干個無因次數(shù)群，從而獲得描述對流傳熱過程的無因次方程。在此基礎上 組織實驗，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到相應的關系

18、式?，F(xiàn)以不發(fā)生相變的流體和固體壁 面間的對流傳熱為例，其影響因素為(1 )固體壁面的特征尺寸：I流體的物理性質(zhì)：pCp、入(3) 強制對流的流速：u(4) 產(chǎn)生自然對流的升力，此升力可由 gB 表征，故a= f ( l，p,卩，Cp ，U，入由(9-7)經(jīng)無因次處理，得:(9-8)Nu = : 0 Re：1 Pr：2 Gr：3式中用INu -為努塞爾(Nusselt)準數(shù)，描述對流給熱的大小;Re=S 為雷諾(Rey nold)準數(shù)、描述流體流動狀態(tài); 扎I g Tl %2一Gr二一2為格拉斯霍夫（Grashof）準數(shù)，描述自然對流的運動狀A態(tài)0在強制對流時，可忽略自然對流的影響，則(9-9)

19、Nu -匚 oRe：1 Pr：2如果溫度對流體的特性影響不大的系統(tǒng)，并且溫度變化范圍不太大，則式 可改寫成(9-10)Nu -匚 0 Re1式中：0=mPr：2在定常給熱時，由熱量恒算得：Q = Gcp（t出一t進）=DR Q損（9-11）由傳熱速率方程可分別表示為Q = ： h A，： Tm h( 9-12)或Q = - cA T mc(9-13)或QrKAc.Tm(9-14)式中：G、Cp -冷流體的質(zhì)量流率和熱容D、R -蒸汽冷凝液的流率和潛熱-給熱系數(shù)K-傳熱系數(shù)Atm -傳熱兩端的對數(shù)平均溫差下標：h-蒸汽側G冷水側三、實驗裝置和流程加熱器3將水加熱成為水蒸氣后，水蒸氣進入到汽包5中

20、，閥11排除不凝氣。水蒸氣分別在保溫管、裸管和對流傳熱管冷凝傳熱，用量筒和秒表記錄冷凝 量和時間。在對流傳熱管中，水經(jīng)過高位槽由轉(zhuǎn)子流量計計量后進入套管換熱器 殼層。圖9-2實驗裝置流程示意圖1-放水閥、2-電加熱器、3-蒸汽發(fā)生器、4-加水閥、5-汽包、6-保溫層、7-保溫測試管、8-收 集瓶、9-放水閥、10-裸管測試管、11-放汽閥、12-套管換熱器、13-截止閥、14-高位槽、15- 溢流口1. 溫度測量(1)空氣、水溫度及傳熱管壁溫測量全部采用銅一康銅熱電偶溫度計測量， 溫度T CC )由數(shù)字式毫伏計測出與其對應的熱電勢E(mv),再由E計算得到：Tw(C )=8.5 + 21.26

21、X E。(9-15)(2)溫度計轉(zhuǎn)換開關序號表示0-保溫管內(nèi)壁溫；1-保溫管外壁溫；2-裸管外壁溫；3-套管換熱器進水溫度；4-套管換熱器出水溫度；5-套管換熱器壁面溫度；6-汽包溫度；7-加熱釜溫度；8-空氣溫度2. 傳熱管參數(shù)表9-1實驗裝置結構參數(shù)保溫管裸管對流傳熱管材料內(nèi)管內(nèi)徑di (mm)161616紫銅內(nèi)管外徑do (mm)181818管長L (mm)600600600夕卜管外徑D (mm)4343玻璃外管內(nèi)徑Di (mm)3434四、實驗操作步驟1. 熟悉設備流程。檢查各閥門的開關情況。排放汽包中的冷凝水。2. 打開加熱器進水閥，加水至液面計高度的 2/3后關閉進水閥。3. 將電

22、熱棒接上電源。并將調(diào)壓器電壓從0調(diào)至200V待有蒸汽后。將調(diào)壓 器的電壓調(diào)低(160V180V )。4. 有蒸汽后，打開套管換熱器的冷卻水進口閥。調(diào)節(jié)冷卻水流量為某一值 (一般 5L/h10L/h )。5待傳熱過程達穩(wěn)定后，分別測量各設備單位時間的冷凝液量、壁溫、水 溫及氣溫。6. 重復進行步驟1至步驟5多次。直至數(shù)據(jù)重復為止。(或改變條件重復實 驗)7. 實驗完畢后，切斷加熱電源。關閉冷卻水閥。五、實驗注意事項1. 要經(jīng)常觀察加熱器水位使之不低于 1/2高度。2. 進行實驗步驟5之前，應注意系統(tǒng)中不凝汽及冷凝水的排放情況。3. 檢查銅一康銅熱電偶冷端補償保持 0C。六、實驗結果及數(shù)據(jù)處理根據(jù)

23、傳熱基本方程：0 Q ，園筒壁的熱傳導方程Ag t)Q = Am-t 及牛頓定律 Q =T A (tw te)測定-：0、，和 atbb/x Am)1. 保溫管-保溫材料導熱系數(shù)的測定(9-16)Am(TW tw)(W/m C)(9-17)Am= =(9-18)式中：Q 傳熱速率（W）;W汽一飽和蒸汽的汽化的冷凝速率（kg/s）;水蒸汽的汽化潛熱（J/kg）；Tw tw 分別為保溫層兩側的溫度C）； b 保溫層的厚度，m；Am 保溫層內(nèi)外壁的平均面積，m2;L 保溫管的長度，m；r2、ri 分別為保溫層兩側的半徑，m。2. 裸管-空氣自然對流給熱系數(shù):t的測定QA (tw te)2(W/m C)(9-19)式中tw、te 分別為壁溫和空氣溫度，C3. 汽-水（整管）傳熱系數(shù)的測定(9-20)(9-21)：0 Q (W/m2 C)A (tw-t)t (t2 ti)t2式中：A 傳熱面積，m