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?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，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 (6-1)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； -實(shí)際過濾時(shí)間，S； e-虛擬過濾時(shí)間，S； K-過濾常數(shù)，m2/S 。將(6-1)式微分，得 (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，截距為，從而求出K、qe。e可由下式求得： (6-3)當(dāng)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔不大時(shí)，可以用增量之比來代替， 通過與作圖即

2、可求得K。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)計(jì)量瓶中的濾液達(dá)到100 ml刻度時(shí)開始按表計(jì)時(shí)，作為恒壓過濾時(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 (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(shí)，則s=0。與壓差有如下關(guān)系： (6-6)式中r'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： (6-7)式中為濾液的粘度，Pa

3、s；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： （6-8）對上式兩邊取對數(shù)，可得（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lnK作圖，就可得到一條直線，則直線的斜率即為(1-s)，截距為ln(2k)，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)，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。圖6-1 恒壓過濾實(shí)驗(yàn)流程示意圖2. 實(shí)驗(yàn)流程圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖6-2所示，濾漿槽內(nèi)配有一定濃度的碳酸

4、鈣懸浮液，用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行均勻攪拌(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)指定值。濾液在計(jì)量瓶內(nèi)計(jì)量。圖6-2 恒壓過濾實(shí)驗(yàn)流程示意圖1-濾漿槽；2-過濾漏斗（內(nèi)徑74mm）；3-攪拌電機(jī)；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(shí)驗(yàn)方法及操作步驟1. 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

5、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)K、qe、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

6、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

7、/(m3/m2)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 MPa0.05MPa0.07Mpa/s/s/q/s/s/q/s/s/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(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)的測定一、 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。

8、二、 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。由傳熱速率方程知，單位時(shí)間所傳遞的熱量 圖1傳熱過程示意圖 （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律表示a (7-2) 或 （7-3）() 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d l (7-4)- × = d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 (7-5)

9、 所以 （7-6） （7-7） 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） 要研究上式的因果關(guān)系，尚有=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a1 ,a2 進(jìn)行研究，之后再將a1 ,a2 合并

10、，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)a1 a 2時(shí)， K »a 2，反之當(dāng)a1a 2時(shí)， K »a 。欲提高K 設(shè)法強(qiáng)化給熱系數(shù)小的一側(cè)a ，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和流體已定，從(7-9)式可知，只要溫度變化不大， a1 只隨u1 而變， （7-9）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a 小的那側(cè)流體的u。而流體u 的提高有兩種方法：（） 增加流體的流量；（） 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，定理告訴我們，=個(gè)無因次數(shù)群，即： （7-10）經(jīng)無因次處理，得 (7

11、-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： 式中： =2、傳熱系數(shù)K和的實(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 （7-12）其中- - （7-13）- - = D （7-14） ( ) -= D - = D ra r a 其中： - = （7-15） （7-16） 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：A-由換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)而定；qc-測冷流體的流量計(jì)；t1、t2-測冷流體的進(jìn)、出口溫度計(jì)；T-測熱流體的進(jìn)、出口溫度計(jì)；Cpc-

12、由冷流體的進(jìn)、出口平均溫度決定；、-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。三、 實(shí)驗(yàn)裝置及流程 四、 實(shí)驗(yàn)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(guān)，水蒸汽發(fā)生器開始工作，約20min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。3 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。4 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)。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，

13、先關(guān)加熱電源，保持冷空氣繼續(xù)流動(dòng)20min，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=2.0mm 管長 L=1.3mNo.蒸汽壓力MPa蒸汽溫度oC空氣流量m3/h空氣進(jìn)口溫度oC空氣出口溫度oC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

14、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。圖9-1 傳熱過程示意圖由傳熱速率方程知，單位時(shí)間、單位傳熱面所傳遞的熱量 （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： （9-3）或 （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）在以冷流體側(cè)的傳熱面為基礎(chǔ)的傳熱系數(shù)為： （9-6）式中：q -傳熱量； K-傳熱系數(shù)； a -給熱系數(shù)；T-熱流體溫度； tw1、tw2-

15、熱、冷側(cè)的壁溫； -固體導(dǎo)熱系熱； -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

16、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，其影響因素為(1 ) 固體壁面的特征尺寸：l(2) 流體的物理性質(zhì)：、cp 、(3) 強(qiáng)制對流的流速：u(4) 產(chǎn)生自然對流的升力，此升力可由gt表征，故 = f ( l，cp ，u，gT) （9-7） 經(jīng)無因次處理，得： （9-8）式中 為努塞爾(Nusselt)準(zhǔn)數(shù)，描述對流給熱的大小； 為雷諾(Reynold)準(zhǔn)數(shù)、描述流體流動(dòng)狀態(tài)； 為普朗特（Prandtl）準(zhǔn)效，描述流體的物性；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)。

17、 在強(qiáng)制對流時(shí)，可忽略自然對流的影響，則 （9-9）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）式中： 在定常給熱時(shí)，由熱量恒算得： （9-11）由傳熱速率方程可分別表示為 （9-12）或 （9-13）或 （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 a-給熱系數(shù) K-傳熱系數(shù) tm -傳熱兩端的對數(shù)平均溫差下標(biāo)： h-蒸汽側(cè) c-冷水側(cè)三、實(shí)驗(yàn)裝置和流程加熱器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(shí)間。在對流傳

18、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。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康銅熱電偶溫度計(jì)測量，溫度T ()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：Tw()=8.521.26×E。 （9-15）（2）溫度計(jì)轉(zhuǎn)換開關(guān)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

19、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玻璃外管內(nèi)徑Di（mm）3434四、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)壓器的電壓調(diào)低（160V180V）。4. 有蒸汽后，打開套管換

20、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）。5. 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. 檢查銅康銅熱電偶冷端補(bǔ)償保持0。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理 根據(jù)傳熱基本方程，園筒壁的熱傳導(dǎo)方程及牛頓定律測定和T。1. 保溫管-保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定 （9-16）（W/m·） （9-17） （9-18）式中：傳熱速率（W）；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，m2；L保溫管的長度，m；r2、r1分別為保溫層兩側(cè)的半徑，m。2. 裸管-空氣自然對流給熱系數(shù)的測定（W/m2·） （9-19）式中 分別為壁溫和空氣溫度，3. 汽-水（整管）傳熱系數(shù)的測定（W/m2·） （9-20） （9-21）式中：傳熱面積，m2；tw管壁溫度，；t1液體水進(jìn)口溫度，；t2液體水出口溫度，；液體水進(jìn)出口溫度的平均值，。七、思考題1在蒸汽