食品工程原理的實驗

1、食品工程原理的實驗 課程簡介： 本實驗課程主要面向“食品科學與工程”專業(yè)本科生，是本專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課食品工程原理課程的實踐環(huán)節(jié)，共有學時數(shù)16學時，其中包括必做內(nèi)容12學時，選作內(nèi)容4學時，內(nèi)容包括流體力學、傳質(zhì)、傳熱等食品各單元操作的演示及實踐操作。實驗教學包括操作型和演示型教學環(huán)節(jié)，可加強學生對課程的理解及單元操作的綜合設(shè)計能力。課程簡介： 食品工程原理實驗課是“食品科學與工程”專業(yè)基礎(chǔ)課食品工程原理課程的實踐教學環(huán)節(jié)，課程面向“食品科學與工程”專業(yè)的本科教學，由食品科技學院食品工程3室承擔課程的教學任務(wù)。本實驗課程共10個學時，開設(shè)7個實驗，包括5個必做項目和2個選做項目，涉及流體輸送、

2、傳熱、傳質(zhì)等。目 錄實驗一 柏努利方程演示實驗(演示性) 2學時實驗二 流體流動型態(tài)及臨界雷諾數(shù)的測定(驗證性) 2學時實驗三 管路流體阻力實驗 (操作性) 2學時實驗四 離心泵特性曲線的測定實驗(操作性) 2學時實驗五 套管換熱器液液熱交換系數(shù)及膜系數(shù)的測定(操作性) 4學時實驗六 板式塔流動特性實驗(操作性，選做) 2學時實驗七 固體流態(tài)化的流動特性實驗(操作性，選做) 2學時實驗一：柏努利方程演示實驗(演示性實驗)【實驗目的】1）觀察不可壓縮流體在導管內(nèi)流動時的各種形式機械能的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象；2）驗證機械能衡算方程（伯努利方程）；3）加深對流體流動過程基本原理的理解?！緦嶒炘怼?對于不可

3、壓縮流體，在導管內(nèi)作穩(wěn)定流動，系統(tǒng)與環(huán)境無功的交換時，以單位質(zhì)量液體為衡算基準，對確定的系統(tǒng)可列出機械能衡算方程，即為柏努利方程式。 當流體為理想流體時 ，為理想柏努利方程式： 【實驗原理】 當流體處于靜止狀態(tài)時 即為流體靜力學方程式。 本實驗即通過測量流體靜止或流動時的能量變化驗證柏努利方程式和流體的靜力學方程式?！緦嶒炑b置】 本實驗裝置示意圖如下頁所示，主要由試驗導管、穩(wěn)壓溢流水槽和三對測壓管所組成。 試驗導管為一水平裝置的變徑圓管，沿程分三處設(shè)置測壓管。每處測壓管由一對并列的測壓管組成，分別測量該截面處的靜壓頭和沖壓頭。 液體由穩(wěn)壓水槽流入試驗導管，途經(jīng)直徑分別為20、30和20mm的管

4、子，最后排出設(shè)備。流體流量由出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，流量需直接由計時稱量測定之。 1. 穩(wěn)壓水槽; 2. 試驗導管；3. 出口調(diào)節(jié)閥；4. 靜壓頭測量管；5. 沖壓頭測量管。A.B.C分別為三處測壓點。【實驗步驟】1）實驗準備：緩慢開啟進水閥，將水充滿穩(wěn)壓溢流水槽，并保持有少量溢流水流出，使槽內(nèi)液面平穩(wěn)不變。同時，排盡設(shè)備內(nèi)的空氣泡。2）靜力學方程式的驗證：關(guān)閉試驗導管出口調(diào)節(jié)閥，觀察和測量液體處于靜止狀態(tài)下各測試點（A 、B、和C三點）的壓強。3）柏努利方程式的驗證：開啟試驗導管的出口調(diào)節(jié)閥，觀察比較液體在流動情況下的各測試點壓頭變化。緩慢開啟試驗導管的出口調(diào)節(jié)閥，測量流體在不同流量下的各測試點的靜

5、壓頭、動壓頭和損失壓頭。 實驗二：流體流動型態(tài)及臨界雷諾數(shù)的測定 (驗證性實驗) 【實驗目的】1）觀察流體在管內(nèi)流動的兩種不同流型。 2）測定臨界雷諾數(shù)Re c ?！緦嶒炘怼?流體流動有兩種不同型態(tài)，即層流（或稱滯流，Laminar flow）和湍流（或稱紊流，Turbulent flow），這一現(xiàn)象最早是由雷諾（Reynolds）于1883年首先發(fā)現(xiàn)的。流體作層流流動時，其流體質(zhì)點作平行于管軸的直線運動，且在徑向無脈動；流體作湍流流動時，其流體質(zhì)點除沿管軸方向作向前運動外，還在徑向作脈動，從而在宏觀上顯示出紊亂地向各個方向作不規(guī)則的運動。【實驗原理】 流體流動型態(tài)可用雷諾準數(shù)（Re）來判斷

6、，這是一個由各影響變量組合而成的無因次數(shù)群，故其值不會因采用不同的單位制而不同。若流體在圓管內(nèi)流動，則雷諾準數(shù)可用下式表示： 注意：數(shù)群中各物理量必須采用同一單位制?！緦嶒炘怼?層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，用Re c表示。 工程上一般認為，流體在直圓管內(nèi)流動時，當Re2000時為層流；當Re4000時，圓管內(nèi)形成湍流；當Re在2000至4000范圍內(nèi)，流動處于一種過渡狀態(tài)，可能是層流，也可能是湍流，或者是二者交替出現(xiàn)，這要視外界干擾而定，一般稱這一Re數(shù)范圍為過渡區(qū)。 對于一定溫度的流體，在特定的圓管內(nèi)流動，雷諾準數(shù)僅與流體流速有關(guān)。本實驗通過改變流體在管內(nèi)的速度，觀察在不同雷諾

7、準數(shù)下流體的流動型態(tài)。1紅墨水儲槽；2溢流穩(wěn)壓槽； 3實驗管；4轉(zhuǎn)子流量計；5循環(huán)泵；6上水管；7溢流回水管； 8調(diào)節(jié)閥；9儲水槽【實驗裝置】 【實驗步驟】1）實驗準備： 實驗前，先將水充滿低位貯水槽，關(guān)閉流量計后的調(diào)節(jié)閥，然后啟動循環(huán)水泵。待水充滿穩(wěn)壓溢流水槽后，開啟流量計后的調(diào)節(jié)閥。水由穩(wěn)壓溢流水槽流經(jīng)緩沖槽、試驗導管和流量計，最后流回低位貯水槽。水流量的大小，由流量計和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。 示蹤劑采用紅色墨水，它由紅墨水貯瓶經(jīng)連接管和細孔噴嘴，注入試驗導管。細孔玻璃注射管(或注射針頭)位于試驗導管人口的軸線部位?！緦嶒灢襟E】2）層流流動型態(tài) 試驗時，先少許開啟調(diào)節(jié)閥，將流速調(diào)至所需要的值。再調(diào)節(jié)

8、紅墨水貯瓶的下口旋塞，并作精細調(diào)節(jié)，使紅墨水的注入流速與試驗導管中主體流體的流速相適應(yīng)，一般略低于主體流體的流速為宜。待流動穩(wěn)定后記錄主體流體的流量。此時，在試驗導管的軸線上，就可觀察到一條平直的紅色細流，好像一根拉直的紅線一樣。顏色水【實驗步驟】3）湍流流動型態(tài) 緩慢地加大調(diào)節(jié)閥的開度，使水流量平穩(wěn)地增大，玻璃導管內(nèi)的流速也隨之平穩(wěn)地增大。此時可觀察到，玻璃導管軸線上呈直線流動的紅色細流，開始發(fā)生波動。隨著流速的增大，紅色細流的波動程度也隨之增大，最后斷裂成一段段的紅色細流。當流速繼續(xù)增大時，紅墨水進入試驗導管后立即呈煙霧狀分散在整個導管內(nèi)，進而迅速與主體水流混為體，使整個管內(nèi)流體染為紅色，

9、以致無法辨別紅墨水的流線。顏色水顏色水實驗三：管路流體阻力實驗 (操作性實驗) 【實驗目的】1）掌握測定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時阻力損失的一般實驗方法。 2）測定直管摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)Re的關(guān)系，驗證在一般湍流區(qū)內(nèi)與Re的關(guān)系曲線。 3）測定流體流經(jīng)管件、閥門時的局部阻力系數(shù)。 4）學會倒U形壓差計和渦輪流量計的使用方法。5）識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用?！緦嶒炘怼?流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時，由于粘性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機械能。流體流經(jīng)直管時所造成機械能損失稱為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時因流體運動方向和速度大小改變

10、所引起的機械能損失稱為局部阻力損失。 1）直管阻力摩擦系數(shù)的測定 【實驗原理】 2）局部阻力系數(shù) 的測定 局部阻力損失通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數(shù)法。本實驗采用阻力系數(shù)法表示管件或閥門的局部阻力損失。 【實驗裝置】 實驗裝置由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計和倒U型壓差計等所組成的。 管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定局部阻力系數(shù)、光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定對象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。 水的流量使用渦

11、輪流量計測量，管路和管件的阻力采用差壓變送器將差壓信號傳遞給無紙記錄儀。1水箱； 2管道泵；3渦輪流量計；4管路選擇球閥閥；5均壓閥；6局部阻力管上閘閥；7連接均壓環(huán)和壓力變送器球閥；8差壓變送器；9出口閥；10排水閥； 【實驗步驟】 1）泵啟動：對水箱灌水，關(guān)閉出口閥，打開總電源和儀表開關(guān)，啟動水泵，待電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，把出口閥緩緩開到最大。2）實驗管路選擇：選擇實驗管路，把對應(yīng)的進口閥打開，并在出口閥最大開度下，保持全流量流動510min。3）流量調(diào)節(jié)：手控狀態(tài)，開啟管路出口閥，調(diào)節(jié)流量，讓流量從1到4m3/h范圍內(nèi)變化，待流動穩(wěn)定后，記下對應(yīng)的壓差值。4）計算：根據(jù)實驗測定值，可計算和。調(diào)

12、節(jié)管路流量，得到一系列Re的實驗點，繪出Re曲線。5）實驗結(jié)束：關(guān)閉出口閥，關(guān)閉水泵和儀表電源，清理裝置。記錄儀。實驗四：離心泵特性曲線的測定實驗 （操作性實驗) 【實驗目的】1）測定離心泵的特性曲線。2）識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用?！緦嶒炘怼?離心泵的特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據(jù)之一，其特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下泵的揚程H、軸功率N及效率與泵的流量Q之間的關(guān)系曲線，它是流體在泵內(nèi)流動規(guī)律的宏觀表現(xiàn)形式。 由于泵內(nèi)部流動情況復雜，不能用理論方法推導出泵的特性關(guān)系曲線，只能依靠實驗測定。1）揚程H的測定與計算 取離心泵進口真空表和出口壓力表處為1、2兩截面，列機械能衡算方程

13、：通常忽略阻力項和速度平方差，則有 2）軸功率N的測量與計算 其中，N電為電功率表顯示值，k代表電機傳動效率，可取0.95。3）效率的計算 泵的效率是泵的有效功率Ne與軸功率N的比值。兩者差異反映了水力損失、容積損失和機械損失的大小。泵的有效功率Ne可用下式計算： 故泵效率為 04812162024283202040608010012010121416182022242602468010203040506070804B20n=2900r/minPHqv,l/sm3/s離心泵的特性曲線【實驗裝置】 1水箱；2離心泵；3泵進口壓力傳感器；4泵出口壓力傳感器；5灌泵口；6渦淪流量計；7離心泵的管路閥

14、； 8電動調(diào)節(jié)閥；9旁路閘閥；10排水閥；【實驗步驟】 1）清洗水箱，加裝實驗用水。給離心泵灌水，排出泵內(nèi)氣體。2）檢查各閥門開度和儀表自檢情況，試開狀態(tài)下檢查電機和離心泵是否正常運轉(zhuǎn)。開啟離心泵之前先將出口閥關(guān)閉，當泵達到額定轉(zhuǎn)速后方可逐步打開出口閥。3）實驗時，通過儀表逐漸增加電動調(diào)節(jié)閥的開度以增大流量，待各儀表讀數(shù)顯示穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。離心泵特性實驗主要獲取實驗數(shù)據(jù)為：流量Q、泵進口壓力p1、泵出口壓力p2、電機功率N電、泵轉(zhuǎn)速n，及流體溫度t和兩測壓點間高度差H0（H00.2m）。4）測取10組左右數(shù)據(jù)后，停泵，記錄設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)（如離心泵型號，額定流量、額定轉(zhuǎn)速、揚程和功率等），

15、停泵前先將出口閥關(guān)閉?！緦嶒炞⒁馐马棥?1）一般每次實驗前，均需對泵進行灌泵操作，以防止離心泵氣縛。同時注意定期對泵進行保養(yǎng)，防止葉輪被固體顆粒損壞。2）泵運轉(zhuǎn)過程中，勿觸碰泵主軸部分，因其高速轉(zhuǎn)動，可能會纏繞并傷害身體接觸部位。3）不要在出口閥關(guān)閉狀態(tài)下長時間使泵運轉(zhuǎn)，一般不超過三分鐘，否則泵中液體循環(huán)溫度升高，易生氣泡，使泵抽空。實驗五：套管換熱器液液熱交換系數(shù)及膜系數(shù)的測定(操作性實驗) 【實驗目的】1）測定套管換熱器中進行的液-液交換過程的傳熱總系數(shù)，流體在圓管內(nèi)作強制湍流時的傳熱膜系數(shù)，以及確立求算傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。2）通過本實驗，對傳熱過程的實驗研究方法有所了解，在實驗技能上受到一

16、定的訓練，并對傳熱過程基本原理加深理解。【實驗原理】 冷熱流體通過固體壁所進行熱交換。先由熱流體把熱量傳遞給固體壁面，然后由固體壁面的一側(cè)傳向另一側(cè)，最后再由壁面把熱量傳給冷流體。即熱交換過程為對流傳熱-導熱-對流傳熱三個串聯(lián)過程組成。1）總傳熱系數(shù)的測定2）對流傳熱系數(shù)的測定（管內(nèi)為例）3）流體在圓形直管內(nèi)作強制對流時，傳熱膜系數(shù)與各項影響因素之間的關(guān)系可關(guān)聯(lián)成如下準數(shù)關(guān)聯(lián)式，通過實驗確定系數(shù)a、m、n： 【實驗裝置】 本實驗裝置主要由套管熱交換器、恒溫循環(huán)水槽、高位穩(wěn)壓水槽以及一系列測量和控制儀表所組成 ，裝置流程如下圖所示。 套管熱交換器由黃銅管作為內(nèi)管，有機玻璃管作為套管所構(gòu)成 。套管

17、熱交換器外面再套一根有機玻璃管作為保溫管。套管熱交換器兩端測溫點之間距離（測試段距離）為1000mm。每個檢測端面上在管內(nèi)、管外和管壁內(nèi)設(shè)置三支銅-康銅熱電偶，并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)與數(shù)字電壓表相連接，測量管內(nèi)、外流體溫度和管內(nèi)壁的溫度。 熱水由循環(huán)水泵從恒溫水槽送入管內(nèi)，然后經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計再返回槽內(nèi)。恒溫循環(huán)水槽中用電熱器補充熱水在熱交換器中移去的熱量，并控制恒溫。 冷水由自來水管直接送入高位穩(wěn)壓水槽，再由穩(wěn)壓水槽流經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計和套管的環(huán)隙空間。高位穩(wěn)壓水槽排出的溢流水和由換熱管排出被加熱后的水，均排入下水道?！緦嶒灢襟E】實驗前準備工作 （1）向恒溫循環(huán)水槽灌入蒸餾水或軟水，直至溢流管有水溢出為止。

18、（2）開啟并調(diào)節(jié)通往高位穩(wěn)壓水槽的自來水閥門，使槽內(nèi)充滿水，并由溢流管有水流出。 （3）將冰碎成細粒，放入冷阱中并摻入少許蒸餾水，使之呈粥狀。將熱電偶冷接點插入冰水中，蓋嚴蓋子。 （4）將恒溫循環(huán)水槽的溫度自控裝置的溫度定為55。啟動恒溫水槽的電熱器。等恒溫水槽的水達到預定溫度后即可開始實驗。 （5）實驗前需要準備好熱水轉(zhuǎn)子流量計的標定曲線和熱電偶分度表。【實驗步驟】實驗操作步驟(1)開啟冷水截止球閥，測定冷水流量，實驗過程中保持恒定。(2)啟動循環(huán)水泵，開啟并調(diào)節(jié)熱水調(diào)節(jié)閥。熱水流量在60250Lh-1范圍內(nèi)選取若干流量值（一般要求不少于56組測試數(shù)據(jù)），進行實驗測定。(3)每調(diào)節(jié)一次熱水流

19、量，待流量和溫度都恒定后，再通過琴鍵開關(guān)，依次測定各點溫度?！緦嶒灢襟E】實驗注意事項：（1）開始實驗時，必須先向換熱器通冷水，然后再啟動熱水泵。停止實驗時，必須先停熱電器，待熱交換器管內(nèi)存留熱水被冷卻后，再停水泵并停止通冷水。（2）啟動恒溫水槽的電熱器之前，必須先啟動循環(huán)泵使水流動。（3）在啟動循環(huán)水泵之前，必須先將熱水調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，待泵運行正常后，再徐徐開啟調(diào)節(jié)閥。（4）每改變一次熱水流量，一定要使傳熱過程達到穩(wěn)定之后，才能測取數(shù)據(jù)。每測一組數(shù)據(jù)，最好重復數(shù)次。實驗六：板式塔流動特性實驗(操作性實驗) 【實驗目的】1）采用目前工業(yè)上常用的篩板塔或浮閥塔，實驗測定兩相流體在塔板上的流動特性，考

20、察塔板上的氣液接觸方式、操作狀況及其變化規(guī)律，尋求適宜操作范圍。2）通過實驗掌握板式塔在結(jié)構(gòu)、操作狀況和性能上的特點，以及板式塔流動特性的實驗研究方法。【實驗原理】 當氣體通過塔板時，因阻力造成的壓強降應(yīng)為氣體通過干塔板的壓力降與氣體通過塔板上液層的壓力降p1之和 干板壓力降可表達為如下關(guān)系式對于篩孔塔板，干板壓降與篩孔速度ua變化關(guān)系可由實驗直接測定，并可在雙對數(shù)坐標上給出一條直線。可由此曲線擬合得出干板阻力系數(shù)值。 對于浮閥塔板，干板壓降與閥孔速度ua的關(guān)系，曲線如下圖所示。隨著氣速不斷增大，該曲線具有三個階段。 第一階段是浮閥處于尚未浮起階段。 第二階段是浮閥開始浮動，但尚未完全開啟階段

21、。在此階段里，氣體通過縫隙的開度(環(huán)隙面積)可自行調(diào)節(jié)，使氣體通過縫隙的速度保持不變，維持壓力降與浮閥重量相平衡。 第三階段是當浮閥升至最大開度時，塔板與浮閥之間的縫隙面積保持不變，浮閥重量對壓力降不再發(fā)生影響。 氣體通過濕塔板的總壓力降p和塔板上液層的狀況，將隨著氣流速度的變化而發(fā)生階段性的變化，如下圖所示。塔板上形成穩(wěn)定液層后，塔板上氣液兩相的接觸和混和狀態(tài)，也將隨著氣速的改變而發(fā)生變化。當氣速較小時，氣體以鼓泡方式通過液層。隨著氣速增大，鼓泡層逐漸轉(zhuǎn)化為泡沫層，并在液面上形成的霧沫層也將隨之增大?！緦嶒炑b置】浮閥塔 篩板塔 1、塔體；2、篩孔（浮閥）塔板；3、漏液排放口； 4、溫度計；5

22、、溢流裝置。 【實驗流程圖】 水自高位槽，通過轉(zhuǎn)子流量計，由塔板上方一側(cè)的進水口進入，并由塔板上另一側(cè)溢流堰溢入溢流裝置。通過塔板泄漏的液體，可由塔底排放口排出。 來自空氣源的空氣，通過流量調(diào)節(jié)閥和孔板流量計進入塔底。 通過塔板的尾氣由塔頂排出。氣體通過塔板的壓力降由壓差計顯示。 1、空氣源； 2、放空閥； 3、消聲器 4、孔板流量計； 5、水柱壓差計； 6、汞柱壓差計； 7、板式塔； 8、轉(zhuǎn)子流量計； 9、水柱壓差計【實驗步驟】 實驗前，檢查空氣調(diào)節(jié)閥和進水閥是否關(guān)嚴。放空閥是否全部開啟。高位水槽充水，保持溢流。 實驗時，每一種塔都可按如下步驟進行操作：（1）啟動空氣源。不斷改變氣體流量，測定干板壓降與氣速的變