恒壓過濾、傳熱實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)六恒壓過濾常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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, 0 e的測定方法。二. 實(shí)驗(yàn)原理1. 過濾常數(shù)的求取已知恒壓過濾方程為(q2qe)K( e)(6-1)式中：q-單位過濾面積獲得的濾液體積， qe-單位過濾面積的虛擬濾液體積, 0 -實(shí)際過濾時(shí)間，S;0 e-虛擬過濾時(shí)間，S；K-過濾常數(shù)，m2/S。將(6-1)式微分，得m3/m2;m3/m2;d 2亦 Kq Kqe(6-2)式(6-2)為直線方程，于普通坐標(biāo)系上標(biāo)繪對q的關(guān)系，所得直線斜率為72qe當(dāng)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔不大時(shí),/dq可以用增量之比/ q來代替,截

2、距為|qe，從而求出K、qe。0 e可由下式求得：(6-3)100 ml刻度時(shí)開始按表計(jì)時(shí)，作為恒壓通過 / q與q作圖即可求得K。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)計(jì)量瓶中的濾液達(dá)到過濾時(shí)間的零點(diǎn)。但是，在此之前過濾早以開始，即計(jì)時(shí)之前系統(tǒng)內(nèi)已有濾液存在，這部分濾液量可視為常量以 q表示，？這些濾液對應(yīng)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(shí)應(yīng)考慮進(jìn)去，則方程應(yīng)改寫為其中(6-5)式中A 濾布面積m22_qe q(6-4)2.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(shí)，則 s=0。與壓差有如下關(guān)系：r r'( P)s(6-6)式中r

3、'為單位壓強(qiáng)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:kr'u(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(qiáng)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(guān)系：K 2k( P)1 s(6-8)對上式兩邊取對數(shù)，可得InK (1 s)ln( P)In(2 k)(6-9)這樣通過在若干不同的壓強(qiáng)差下對指定物料進(jìn)行試驗(yàn)，求得若干過濾壓強(qiáng)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(qiáng)變化范 圍內(nèi)

4、，濾餅的空隙率沒有顯著的改變。三、實(shí)驗(yàn)裝置1. 主要設(shè)備參數(shù)不銹鋼過濾器，內(nèi)徑74mm,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖6-1。4 IT千活接頭4 TO實(shí)驗(yàn)裝置如圖 拌器進(jìn)行均勻攪拌 定值。濾液在計(jì)量瓶內(nèi)計(jì)量。3219?&5圖6-2恒壓過濾實(shí)驗(yàn)流程示意圖圖6-1恒壓過濾實(shí)驗(yàn)流程示意圖2. 實(shí)驗(yàn)流程圖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(dòng)攪（漿液不出現(xiàn)旋渦為好）。啟動(dòng)真空泵，使系統(tǒng)內(nèi)形成真空達(dá)指1-濾漿槽；2-過濾漏斗（內(nèi)徑6-真空壓力表；7、12-放空閥;74mm）； 3-攪拌電機(jī)；4-真空旋塞；5-積液瓶；8-緩沖罐；9-真空泵；10-放液閥；11-真空膠皮管四、實(shí)驗(yàn)方法及操作步驟1

5、. 系統(tǒng)接上電源，啟動(dòng)電動(dòng)攪拌器，待槽內(nèi)漿液攪拌均勻，將過濾漏斗按 流程圖所示安裝好，固定于漿液槽內(nèi)。2. 打開放空閥7關(guān)閉旋塞4及放液閥10。3. 啟動(dòng)真空泵，用放空閥7及時(shí)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(jìn)行抽濾。此后時(shí)間內(nèi)應(yīng)注意觀察真空表 的讀數(shù)應(yīng)恒定于指定值。當(dāng)計(jì)量瓶濾液達(dá)到100ml刻度時(shí)按表計(jì)時(shí)，做為 恒壓過濾時(shí)間的零點(diǎn)。記錄濾液每增加 100 ml所用的時(shí)間。當(dāng)計(jì)量瓶讀 數(shù)為800 ml時(shí)停止計(jì)時(shí)，并立即關(guān)閉旋塞 4。4. 把放空閥7全開，關(guān)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(jì)量瓶內(nèi)的濾

6、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. 改變真空度重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。6. 各小組可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，自行選擇不同的真空度測定過濾常數(shù)qe、0 e 及 S、k。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)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(dòng)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(guān)，將調(diào)速鈕從"小"至"大"位啟動(dòng)，不允許 高速擋啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速狀態(tài)下

7、出現(xiàn)異常時(shí)或?qū)嶒?yàn)完畢后將調(diào)速鈕恢復(fù)最小位。5. 為安全，實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)接地線。6. 啟動(dòng)攪拌前，用手旋轉(zhuǎn)一下攪拌軸以保證順利啟動(dòng)攪拌。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)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)K/(m3/m2)qe/(m3/m2)0 e/S表6-2、過濾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表V/mlq/ (m3/ m2)Qav/ (m3/ m2)0.03 MPa0.05 MPa0.07 Mpa0 /sA 0 /sA 0/A q0/sA 0 /sA 0 /A q0/sA0 /sA 0 /A q100200300400500600700800900注：V=V'-100七、思

8、考題1. 過濾操作的外力有哪些？2. 恒壓過濾的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)七傳熱系數(shù)K和給熱系數(shù)a的測定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解間壁式傳熱元件的研究和給熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)組織方法;2. 掌握借助于熱電偶測量壁溫的方法；3. 學(xué)會(huì)給熱系數(shù)測定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法；4. 了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。實(shí)驗(yàn)原理1、理論研究在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來達(dá)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(jìn)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(dǎo)和固體對冷 流體的對流給熱三個(gè)傳熱過程所組成。如圖1所示。由傳熱速率方

9、程知，單位時(shí)間所傳遞的熱量T熱流體tffit冷流體圖1傳熱過程示意圖(7-1)QKa(T t)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律表示(7-2)(7-3)cAc(tw2 t)對固體壁面由熱傳導(dǎo)所傳遞的熱量，則由傅立葉定律表示為(7-4)QA(tw1 tw2)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Ttw11h Ahtw1tw2Amtw2 t1cACT t1KA(7-5)所以1A AAh AhAmc AC(7-6)f ( d 1,1 ,1 , Cp 1,1 , U1,2,2, Cp2,2,U2 ) f (6,2,5)(7-7)2,

10、反之當(dāng)1= 2時(shí)，K。欲提高K設(shè)法，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和流體已定，從（7-9）式可知,1只隨U1而變，1 f(d1,U1,1,1,c pl,1)(7-9)從上式可知，除固體的導(dǎo)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個(gè)，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(gè)： L,M,T,t，壁面的導(dǎo)熱熱阻與對流給熱熱阻相比可以忽略(7-8)K f( 1, 2)要研究上式的因果關(guān)系，尚有n =13-4=9個(gè)無因次數(shù)群，即由正 交網(wǎng)絡(luò)法每個(gè)水平變化10次，實(shí)驗(yàn)工作量將有108次實(shí)驗(yàn)，為了解決如 此無法想象的實(shí)驗(yàn)工作量，過程分解和過程合成法由此

11、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(gè)子過程如（7-8）式所示, 分別對 ，進(jìn)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(qiáng)化傳熱的途徑。當(dāng) ？2時(shí)，K強(qiáng)化給熱系數(shù)小的一側(cè) 只要溫度變化不大，改變U1的簡單方法是改變閥門的開度，這就是實(shí)驗(yàn)研究的操作變量。 同時(shí)它提示了欲提高K只要強(qiáng)化 小的那側(cè)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(shè)置繞流內(nèi)構(gòu)件，導(dǎo)致強(qiáng)化給熱系數(shù)。由(7-9)式，n定理告訴我們，n =7-4 = 3個(gè)無因次數(shù)群，即:1f(d1,U1, 1, 1,c p1, 1)竺 f(吒,H)

12、(7-10)經(jīng)無因次處理，得Nu0 Reh Prc(7-11)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：NuReh式中:0Prc2、傳熱系數(shù)K和a的實(shí)驗(yàn)測定實(shí)驗(yàn)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Katmqc CCPc (t2t1)(7-12)其中tm(T1 t2)(T2 t1)T1 t2(7-13)InT2t1(7-14)CCP c(t2tjA tmc Ac tmcqc cC pc(t2t1)其中：tmc（tw 上-t2）-（tw 下-t 1）Inw上tw下-t 1（7-15）（Ti-tw上）-（T2-

13、t w下）tmhTi-tw 上（7-16）InT2-t w下A- qct1、t T-Gc若實(shí)驗(yàn)物系選定水蒸汽與冷空氣，由(8)、(9)式告訴我們，實(shí)驗(yàn)裝置 中需要確定的參數(shù)和安裝的儀表有：由換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)而定；測冷流體的流量計(jì)；t w下、tw 上-由熱電偶溫度計(jì)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(shí)驗(yàn)裝圖。測冷流體的進(jìn)、出口溫度計(jì)； 測熱流體的進(jìn)、出口溫度計(jì)； 由冷流體的進(jìn)、出口平均溫度決定；實(shí)驗(yàn)裝置及流程議汽拔主器義位計(jì)P溜氣壓加t期電偶度計(jì)七* F、蒸汽控溫KD四、實(shí)驗(yàn)步驟1.2.3.4.5.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。打開加熱

14、電源開關(guān)，水蒸汽發(fā)生器開始工作，約 20mi n水沸騰，此時(shí) 打開氣源開關(guān)，調(diào)節(jié)空氣流量為20m3/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。整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作熱流體的進(jìn)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(jì)閥門開度，達(dá)到改變流速的目的。待冷流體出口溫度顯示值保持5min以上不變時(shí)方可同時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先關(guān)加熱電源，保持冷空氣繼續(xù)流動(dòng) 20mi n,以足夠冷 卻套管換熱器及壁溫，保護(hù)熱電偶接觸正常。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管內(nèi)徑di=18mm管壁厚5 =2.0mm 管長L=1.3mNo.蒸汽壓力MPa蒸汽溫度oc空氣流量m/h空氣進(jìn)口溫度。c空氣出口溫

15、度。c下壁溫oc上壁溫oc1234實(shí)驗(yàn)九裸管與絕熱管傳熱實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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(dǎo)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(xué)會(huì)給熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法；4. 了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。二、實(shí)驗(yàn)原理在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來達(dá)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(jìn)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(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳 熱三個(gè)傳熱過程所組成。如圖9-1所示。bT圖9-1傳熱過程示意圖由傳熱速率方

16、程知，單位時(shí)間、單位傳熱面所傳遞的熱量q K(Tt)(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(9-2)亦可分別表示為:qMTtw1)(9-3)qc(tw2 t)(9-4)對固體壁面由熱傳導(dǎo)所傳遞的熱量，則由傅立葉定律表示為(9-5)(9-6)q 一 (twitw2)在以冷流體側(cè)的傳熱面為基礎(chǔ)的傳熱系數(shù)為:AcK 11AcAcAmh A式中：q -傳熱量；K-傳熱系數(shù)；-給熱系數(shù)；T-熱流體溫度；tw1、tw2-熱、冷側(cè)的壁溫；入固體導(dǎo)熱系熱；S-壁厚；A-傳熱面積。下標(biāo) C-冷側(cè)；h-熱側(cè)；m-平均值。由式(9-2)知，除固體的導(dǎo)熱系數(shù)與壁厚對傳熱過程的傳熱性能有影響

17、 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(jié)果，由 式(9-6)可獲得相應(yīng)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(fù)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(guān)系式。它必須由實(shí)驗(yàn)加以測定，獲得各影響因素與給熱系數(shù)的定量關(guān) 系。為了減少實(shí)驗(yàn)工作量，采用因次分析法將有關(guān)的影響因素經(jīng)無因次化處理后 組成若干個(gè)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(chǔ)上 組織實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的關(guān)系式。現(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

18、影響因素為(1 )固體壁面的特征尺寸：流體的物理性質(zhì)：P(3)強(qiáng)制對流的流速：u此升力可由 g 3表征，故產(chǎn)生自然對流的升力，(9-7)(9-8)a= f ( l，P,卩，CP , u,入0gAT)經(jīng)無因次處理，得:Nu 0 Re 1 Pr 2 Gr 3式中 Nu 為努塞爾(Nusselt)準(zhǔn)數(shù)，描述對流給熱的大小;Re L為雷諾(Reynold)準(zhǔn)數(shù)、描述流體流動(dòng)狀態(tài);Pr£二為普朗特（Prandtl）準(zhǔn)效，描述流體的物性;GrTl 32g一2為格拉斯霍夫（Grashof）準(zhǔn)數(shù)，描述自然對流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在強(qiáng)制對流時(shí)，可忽略自然對流的影響，則Nu 0 Re 1 Pr 2(9-9)如果

19、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Nu 0Re 1(9-10)式中:00Pr 2在定常給熱時(shí)，由熱量恒算得:Q Gc p(t 出t進(jìn))DR Q損(9-11)加熱器3將水加熱成為水蒸氣后,水蒸氣進(jìn)入到汽包5中,閥11排除不凝由傳熱速率方程可分別表示為hAhT mh(9-12)cAT mc(9-13)KAcTm（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(biāo)：h-蒸汽側(cè)G冷水側(cè)三、實(shí)驗(yàn)裝置和流程氣。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

20、和時(shí)間。在對流傳熱管中，水經(jīng)過高位槽由轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入套管換熱器 殼層。11wMUM 氓 IW13圖9-2實(shí)驗(yàn)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(jì)測量， 溫度T (C )由數(shù)字式毫伏計(jì)測出與其對應(yīng)的熱電勢E(mv),再由E計(jì)算得到：(9-15)TwCC )=8.5 + 21.26X E。(2)溫度計(jì)轉(zhuǎn)換開關(guān)序號表示0-保溫管內(nèi)壁溫；1-

21、保溫管外壁溫；2-裸管外壁溫；3-套管換熱器進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)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外管外徑D0 （ mm）4343外管內(nèi)徑Di （ mm）3434玻璃四、實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 熟悉設(shè)備流程。檢查各閥門的開關(guān)情況。排放汽包中的冷凝水。2. 打開加熱器進(jìn)水閥，加水至液面計(jì)高度的 2/3后關(guān)閉進(jìn)水閥。3. 將電熱棒接上電源。并將調(diào)壓器電壓從0調(diào)至200V待有蒸汽后。將調(diào)壓

22、器的電壓調(diào)低（160V180V ）o4. 有蒸汽后，打開套管換熱器的冷卻水進(jìn)口閥。調(diào)節(jié)冷卻水流量為某一值 （一般 5L/h10L/h ）o5. 待傳熱過程達(dá)穩(wěn)定后，分別測量各設(shè)備單位時(shí)間的冷凝液量、壁溫、水 溫及氣溫。6. 重復(fù)進(jìn)行步驟1至步驟5多次。直至數(shù)據(jù)重復(fù)為止。（或改變條件重復(fù)實(shí) 驗(yàn)）7. 實(shí)驗(yàn)完畢后，切斷加熱電源。關(guān)閉冷卻水閥。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 要經(jīng)常觀察加熱器水位使之不低于1/2高度。2. 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟5之前，應(yīng)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(bǔ)償保持 0°Co六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理根據(jù)傳熱基本方程0廠，），園筒壁的熱傳導(dǎo)方程Q Am?

23、 b?七及牛頓定律Q T A (tw te)測定 0、和aTo1.保溫管-保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定(9-16)Q bAm(TW tw)(W/mC)(9-17)(9-18)Am 2（21）LIn巨1式中：Q 傳熱速率（W）；W 汽 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(cè)的溫度 b 保溫層的厚度，m；Am 保溫層內(nèi)外壁的平均面積，L 保溫管的長度，m； r2、r1 分別為保溫層兩側(cè)的半徑,C)m2;m。2.裸管-空氣自然對流給熱系數(shù)T的測定T (W/m2 C)A (tw te)(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)0的測定(9-20)(9-21)(W/m2c)(t2ti)式中：A 傳熱面積，m2；tw 管壁溫