食品工程原理实验

雷诺实验

一、实验目的

1、观察流体在管内流动的三种不同的流型

2、测定临界雷诺数Re

二、实验原理

在圆管流动中采用雷诺数来判别流态：式中：v一圆管水流的断面平均流速；d一圆管直径；一水流的运动粘滞系数。

当Re

当Re

三、实验步骤

1. 关闭流量调节阀7,打开进水阀3,使自来水充满水槽,?并使其有一定的溢流量。

2. 轻轻打开阀门7,让流体水缓慢流过实验管道。使红水全部充满细管道中。

3. 调节进水阀,维持尽可能小的溢流量。

4. 缓慢地适当打开红水流量调节夹,即可看到当前水流量下实验管内水的流动状况，记录流量的数据，并计算雷诺准数。

5. 增大进水阀3 的开度，在维持尽可能小的溢流量的情况下提高水的流量。并同时根据实际情况适当调整红水流量,即可观测其他各种流量下实验管内的流动状况。分别记录过渡流和湍流的流量数据，并计算对应的雷诺准数。

6.关闭各个阀门。

7.注意在实验过程中，保持仪器的稳定，如若出现晃动，则会使得实验失败。

四、实验结果

孔板流量计孔板内径: do＝9.0 mm，管道内径d=20mm

温度T=22℃，此时，水的密度ρ=997.769（Kg／m3），黏度μ=0.9579×103 P a·s

流速

雷诺准数

μ

ρ

du

=

Re

流型层流1 层流2 过渡流湍流1 湍流2

流量L/h 50 75 95 145 185

雷诺准数1137.03 1591.84 2160.36 3297.39 4206.02

由图可知，雷诺准数与流量大致成线性关系，为正相关。

当Re<2000时，流体流型为层流。

当Re>2000时，流体流型变为过渡流，即介于层流和湍流。

当Re>4000时，流体流型变成紊流，即湍流。

能量转换演示实验

一、实验目的

1、掌握流体在管内流动时流动阻力的表现形式

2、熟悉流体具有的各种能量和压头的概念，了解它们之间的相互转换关系，在此基础上，掌握伯努利方程。

二、实验原理

流体流动具有三种机械能：位能、动能和静压能。它们均可以用一段液柱高度来表示。流体在流动过程中，由于管路情况的变化，如位置的高低，管径的大小或者流经不同的管件等，这三种机械能相互转化。理想流体的粘度为零，流动过程将不产生任何机械能各自大小不尽相同，但其总和是相等的。实际流体的粘度不为零，由于内摩擦力的作用，在流动过程中，部分机械能将转化成热能而损耗掉。二者之差，便是阻力损失。因此在进行机械能衡算是，就必须将这部分机械能加在第二截面上去，其和才等于流体在第一截面的机械能总和。三、实验装置

不锈钢离心泵 SZ-037 型

低位槽 490×400×500 材料不锈钢

高位槽 295×195×380 材料有机玻璃

四、实验步骤

1.将低位槽灌有一定数量的蒸馏水，关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节

阀门而后启动离心泵。

2.逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后，调节导管出口调节阀到一

定位置，利用一个量筒和秒表，测量此时的流速。

3.流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。

4.关大导管出口调节阀重复步骤，分别取五个流速并记录数据。

5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。

6.关闭离心泵，实验结束。

五、实验结果

第一组第二组第三组第四组第五组

时间t/s 第一次测量81.5 34.8 34.1 31.0 22.1 第二次测量89.7 41.4 38.3 28.7 24.0

流量Q/ml 第一次测量330 500 655 812 780 第二次测量360 585 730 750 840

流速ml/s 第一次测量 4.05 14.37 19.21 26.19 34.67 第二次测量 4.01 14.13 19.06 26.13 35.00

平均流速ml/s 4.03 14.25 19.13 26.16 34.83

实验导管出口开度位置A截面(cm) B截面(cm) C截面(cm) D截面(cm)

静压头冲压头静压头冲压头静压头冲压头静压头冲压头

平均流速v=4.03ml/s 13.50 25.20 13.20 13.80 2.80 13.25 -8.10 2.50 平均流速V=14.25ml/s 12.20 24.20 11.60 12.70 0.70 12.00 -10.20 0.30 平均流速V=19.13ml/s 11.10 23.80 10.50 11.50 -1.50 10.70 -12.35 -0.75 平均流速V=26.16ml/s 10.50 23.30 9.90 11.10 -2.50 9.50 -13.30 -2.41 平均流速V=34.83ml/s 9.10 22.10 8.60 9.60 -4.20 8.30 -16.30 -4.40

A截面的直径14mm；B截面的直径28mm；C截面、D截面的直径14mm；以D截面中心

线为零基准面（即标尺为-305毫米）ZD=0。A截面和D截面的距离为95mm。A、B、C

截面ZA=ZB=ZC=95（即标尺为-210毫米）

由以上实验数据可以分析到

1． 冲压头的分析，冲压头为静压头与动压头之和。从实验观测到在A 、B 截面上的冲压头依次下降，这符合下式所示的从截面1流至截面2的柏努利方程。

21,212

22)2()2(1

--+=+f H g

u g p g u g p ρρ

2.A 、B 截面间静压头的分析，由于两截面同处于一水平位置，截面面积比A 截面面积大。

这样B 处的流速比A 处小。设流体从A 流到B 的压头损失为H f ，A-B

以A-B 面列柏努利方程。

B A f B

B A A H g

u g p g u g p -++=+,2

2)2()2(ρρ Z A =Z B

B A f B A

A B H g

u g u g p g p ---=-,22

)22()(1ρρ

即两截面处的静压头之差是由动压头减小和两截面间的压头损失来决定

B A f B A

H g u g u ->-,22

221

3. 压头损失的计算

压头损失的算法之一是用冲压头来计算：

)()2()2(2

2,D C D D C C D

C f Z Z g u g p g

u g p H -+??????+-+=-ρρ

压头损失的算法之二是用静压头来计算：（u C =u D ）

)()(

,D C D

C D C f Z Z g

p g p H -+-=-ρρ 静压计算压力损失

流速1 流速2 流速3 流速4 流速

5 3

6 6 6

5 104 109 120

124

128 204 204 203.5 203

216

311

319

329.5 333

349

冲压计算压力损失

流速1 流速2 流速3 流速4 流速

5 114 115 123 122

125

5.5

7

8

16

13

202.5 212 209.5 214.1

222

322

334

340.5 352.1 360

C-D 截面中，用静压和冲压分别计算所得的压力损失基本相等，说明数据基本正确，但某几个有较大误差，可能是每个人所固有的读数误差，也可能是操作不规范所造成的误差，另外也有可能是仪器本身所存在的系统误差。

离心泵实验

一、实验目的

1. 熟悉离心泵的工作原理和操作方法。

2. 掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定和表示方法，加深对离心泵的了解。

3. 掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法，表示方法 二、实验原理

（一） 离心泵特性曲线

离心泵是最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伯努力方程，有 上式中H f 入-出是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，当所选的两截面很接近泵体时，与伯努力方程中其他项比较，H f 入-出值很小，故可忽略。从设备参数可以看出，出口管和入口管的管径相等，而且本实验装置没有支流管，所以u 出＝u 入，于是上式变为：

将设备参数（Z 出－Z 入）和测得的P 出－P 入的值代入上式，即可求得H 的值。

2. N 的测定 功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵是由电动机直接带动的，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×电动机的效率，kW 。 3. η的测定

，其中 kW

（二） 管路特性曲线

当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，海域管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。 在一定的管路上，泵所能提供的压头和流量必然与管路所需的压头和流量一致。若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此可通过改变泵转速，即点击输入频率来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H 计算同上。

P 出－P H ＝(Z 出－Z 入)＋

ρg ＋ u 2出－u 2

ρg ＋H f 入-出 P 出－P 入

H ＝(Z 出－Z 入)＋

ρg HQ ρ

102

Ne ＝ Ne η＝

离心泵性能测定实验装置流程示意图

1-离心泵 2-真空表 3-压力表 4-变频器 5-功率表 6-流量调节阀 7-实验管路 8-温度计9-涡轮流量计10-实验水箱11-放水阀 12-频率计 。

三、实验步骤

1. 向储水槽10内注入蒸馏水。

2. 检查流量调节阀6，压力表3及真空表2的开关是否关闭(应关闭)。

3.启动实验装置总电源，用变频调速器上∧、∨及＜键设定频率后，按run 键启动离心泵，缓慢打开调节阀6至全开。待系统内流体稳定，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。

4.测取数据的顺行可从最大流量至0，或反之。同一频率下测四组数据，变换四个频率。

5.每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表、功率表的读数及流体温度。

6.实验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源

计算过程：第一组数据：常数77.902

g

u u g

P P Z Z H 2)(22入

出入

出入出-+

-+

-=ρ h

m k

f V s /93.310003600902.77/853=÷?==

∵m d d 025.0==出入

∴

g

u u 222入

出-=0 =??-+

=81

.98.10001000000

)03.010.0(18.0H 7.31m

)(228)(228.0%6038.0w kw N ==?=?=电机效率功率表读数

%3.34228

.0078

.0==

η 其它数据及管路计算方法亦相同

离心泵的性能曲线基本符合大致的趋势，说明实验结果基本正确，不过，实验所得的数据较少，可能导致所得曲线存在较大的误差，同时导致曲线的趋势也不够明显。虽然结果大致符合趋势，但由于流量的不稳定，以及读数时存在固有误差，结果还是存在一定误差。另外，所取的离心泵的工作范围间隔的不同，也可能影响最终的实验结果。

传热综合实验

一、实验原理

强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。

078.0102

8

.1000360093.331.7102

=??=

==

ρηHQ Ne N

Ne

单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比＞1，而且它的值越大，强化效果越好。

1、普通套管换热器；

2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；

3、蒸汽发生器；

4、旋涡气泵；

5、旁路调节阀；

6、孔板流量计；

7、风机出口温度（冷流体入口温度）

测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；

12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；

17、液位计；18、冷凝液回流口

空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

二、实验目的

2. 通过对管程内部插有螺旋线圈的汽—气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热基本理论和基本方式。

三、实验步骤

1.实验前的准备,检查工作.

(1) 向电加热釜内加水，液位计到端线处以上为易。

(2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(3) 检查水蒸气管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。

(4) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。

2. 实验开始.

人工实验操作

(1).合上电源总开关。

(2).打开加热电源开关,设定加热电压(不得大于200V),直至有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。

(3).启动风机并用放空阀来调节空气量,在一定的流量下稳定3—5分钟后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度，由温度数字仪表显示（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度；5-加热器内温度）,换热器内管壁面的温度由数字仪表显示仪（上端红色-光滑管壁面热电势；下端绿色-粗糙管壁面热电势）。

然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度, 壁面温度后继续实验。

(4).实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

（5）根据实验数据求出作图、回归得到准数关联式中的系数

四、实验结果

2、计算过程：光滑管第一组数据为例

(1)传热管内径d i (mm)及流通断面积 F (m 2

). di ＝20.0(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);

F ＝π(d i 2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m 2

).

(2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积s i (m 2

). L ＝1.00（ｍ) s i ＝πL d i ＝3.142×1.00×0.0200＝0.06284(m 2).

(3) t 1 ( ℃ )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度

1

t

ρ，

t 1=38.4℃，查得1

t ρ=1.10 Kg/m 3。

(4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.

先算出测量段上空气的定性温度t (℃)为简化计算,取t 值为空气进口温度t 1(℃)及出口温度t 2(℃)的平均值, 即2

8

.654.38221+=+=

t t t =52.1（℃） 此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.09 (Kg/m 3

);

测量段上空气的平均比热 Cp ＝1017(J ／Kg ·℃);

测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.0283／W/(ｍ·℃); 测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000196(s Pa ?); 传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为:

Pr 0.4＝0.6980.4

＝0.866

(5)空气流过测量段上平均体积V （ m 3

/h ）的计算:

)/(53.21)90.0(696.22)(696.22350.050.00h m P V t =?=??=

57.2220

27365

.4527389.1727327310=++?=++?

=t t V V t （m 3/h ）

(6)冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算: Tw= =100(℃)

()()90.4710.521002

21=-=+-

=?t t T t w m （℃）

(7)其余计算:

传热速率(W)

()4.1903600

)4.388.65(101709.157.223600

=-???=????=

t

Cp V Q t t

ρ（W ）

()3.63)06284.09.47/(4.190/=?=??=i m i s t Q α （W/m 2

·℃） 传热准数 7.440283.0/0200.03.63/=?=?=λαi i d Nu

测量段上空气的平均流速

()0.20)36000003142.0/(57.223600/=?=?=F V u （m/s ）

雷诺准数

0000196

.0/09.10.200200.0/Re ??=?=μρu d i =22245 （8）作图、回归得到准数关联式4.0Pr Re m A Nu =中的系数。

（9）重复（1）-（8）步，处理强化管的实验数据。作图、回归得到准数关联式

m

B Nu Re =中的系数。

3、实验所得图表如下：

（1）由光滑管数据，以lgRe 为横坐标，lgNu 为纵坐标作图得

由图可知：直线斜率即 m =1.1194； 截距即 lgA +0.4 lgPr = -3.2204，又Pr =0.698；求得 A=0.000695

（3）由粗糙管数据，以lgRe 为横坐标，lgNu 为纵坐标作图得

由图可知：直线斜率即 m=0.9423；截距即lg B = -2.1740；所以 B=0.00670 （3）光滑管与粗糙管的Nu~Re 关系图对比

图中上面的为粗糙管，下面为光滑管

流体阻力实验

一、实验目的

1. 掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。

2. 测定直管摩擦阻力系λ

3. 验证湍流区摩擦阻力系数λ为雷诺数Re 和相对粗糙度的函数

二、实验原理 直管摩擦阻力

不可压缩流体（如水），在圆形直管中做稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大、弯头等官件时，由于流体运动的速度和方向突然变化，产生局部阻力。影响流体阻力的因素较多，在工程上通过采用量纲分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意义的结果，其方法如下。

流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的几何尺寸以及流动状态有关，可表示为

),,,,,(εμρu l d f p =?

引入下列无量纲数群。

雷诺数

μρ

du =

Re 相对粗糙度 d ε

管子长径比 d l

从而得到)l ,,(2

d d du u p εμρρψ=? 令

)(Re,d εΦ=λ；2)(Re,l 2

u d d p εΦ=?ρ 可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用实验方法直接测定。

2l 2

u d p

h f ?

=?=λρ

u

P

L d 22??=ρλ

式中

f

h ——直管阻力，J/kg ；l ——被测管长，m ；d ——被测管内径，m ；

u ——平均流速，m / s ；λ——摩擦阻力系数。

当流体在一管径外d 的圆形管中流动时，选取两个截面，用U 形压差计测出这两个截面的静压强差，即为流体流过两截面的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦阻力系数。改变流速可测不同Re 下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的Re -λ关系。

图-1 管道流体阻力测定实验——实验装置示意图及流程 1、2—白铁管；3—不锈钢管； 4—白铁管；

5—孔板流量计； 6—文丘里流量计； 7—涡轮流量计； 三、实验步骤

1、 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其相应的切换阀，关闭其他的开关阀

和切换阀，保证测压一一对应。

2、 系统要排净气体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检验是否排净的方法是

当流量为零时，观察U 形压差计中两液面是否水平。

3、 读取数据时，应注意稳定后在读数。测定直管摩擦阻力时，流量由大到小，充分利用面

板量程测取5组数据.先测光滑管，而后测量粗糙管。

4、 测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观察压差计的两液面是否水平，水平时才

能更换另一条管路。同时要了解各种阀门的特点，学会使用阀门，注意阀门的切换，同时要关严，防止内漏。

四、实验结果

被测光滑直管段:第一套管径 d—0.008(m) 管长 L—1.698(m) 材料: 不锈钢管被测粗糙直管段:第一套管径 d—0.010(m) 管长 L—1.698(m) 材料: 不锈钢管水温t=24.1℃、粘度μ＝0.93×10-3 (pa.s)、密度ρ＝996.73（Kg／m3）

由

μ

ρ

du

=

Re

u

P

L

d

2

2?

?

=

ρ

λ，得

流量Q L/H 直管压差△P（pa) 流速u(m/s) Re λ

光滑管380 11500.0 2.10 18014.24 0.0246 458 15000.0 2.53 21711.9 0.0221 638 26200.0 3.53 30244.97 0.0199 784 37500.0 4.33 37166.23 0.0189 788 38200.0 4.36 37355.85 0.0190

粗糙管334 20300.0 1.18 12666.86 0.1717 428 30300.0 1.51 16231.78 0.1561 534 46300.0 1.89 20251.8 0.1532 678 70600.0 2.40 25712.96 0.1449 680 71500.0 2.41 25788.81 0.1459

由图可知，粗糙管的摩擦系数明显大于光滑管的摩擦系数，总的趋势为摩擦系数随雷诺准数的增大而减小，近似为负相关。无论是光滑管还是粗糙管，在第五个流量数据时，趋势不降反升，可能是其与前一流量太接近，误差明显，可能是机器本身存在的系统误差，也可能是操作不够规范，从而导致数据出现差距。