食品工程原理实验(整理版)

实验指导书

中国农业大学食品科学与营养工程学院 葛克山

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前 言

21世纪人类将进入知识经济的时代，人们正将其视为继农业经济、工业经济之后人类社会所面临的又一次生产方式、生活方式乃至思维方式的历史性变革。面对知识经济的到来，我国高等教育改革势在必行，以培养出知识面宽广且具有较强创新能力的人才。食品工程基础实验作为食品工程类创新人才培养过程中重要的实践环节，在食品工程教育中起着重要的作用，它具有直观性、实践性、综合性和创新性，而且还能培养学生具有一丝不苟、严谨的工作作风和实事求是的工作态度。因此，以培养实验研究过程中所需的各种能力和素质为目的，以强化创新能力为重点，对食品工程基础实验进行了相应的改革，更新了全部实验内容。更新后的实验主要是符合“素质教育”需要的综合型、研究型、设计型实验，同时实验设备也达到了国内领先水平。

本书作为食品工程基础实验的指导书，具有如下特点：（1）将实验研究过程中所需要的各种能力，通过不同的实验来培养；而工作作风和态度的培养则贯穿于每个实验环节。（2）实验内容通过必做和选做的结合，来达到因材施教的目的。（3）实验内容尽可能接近工厂实际，以训练工程能力。

由于编者水平有限，时间仓促，书中难免有不妥和错误之处，恳切希望读者批评指出。

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目 录

实验守则--------------------------------------------------------------------------------------------------4 对学生基本要求--------------------------------------------------------------------------------------- -4 实验1 离心泵性能测定实验-------------------------------------------------------------------------5 实验2 传热实验-------------------------------------------------------------------------------------9 实验3 过滤实验------------------------------------------------------------------------------------ 16 实验4 干燥实验----------------------------------------------------------------------------------------21

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实 验 守 则

讲 究 科 学 态 度， 遵 守 课 堂 纪 律， 敢 于 实 事 求 是， 勤 于 动 脑 动 手， 尊 重 老 师 指 导， 爱 护 仪 器 设 备， 注 意 人 身 安 全， 保 持 环 境 卫 生。

对学生基本要求

⒈ 实验前必须到现场结合实验装置，进行实验预习，列出书写报告所需要的原始数据表，并通过老师的检查提问，方可参加实验。

⒉ 实验做完后，所记录的数据经指导老师检查合格后，才可结束实验；实验若有短缺或不合理应该补全或重做。结束实验后，指导老师在原始数据表上签字。

⒊ 实验结束后，应将使用的仪器设备整理复原。检查水源、电源、汽源等是否已确实关断，并将场地打扫干净。

⒋ 用计算机整理数据时，要爱护计算机，不要胡乱操作，如计算机出现问题要及时报告老师，要节约打印纸。

⒌ 实验后要认真写实验报告，报告要求完成，若发现彼此抄袭，对有关的所有人都给低于及格分数线的低分。

⒍ 实验报告中，除了包括实验数据与计算结果的表格以及需要的标绘曲线外，还必须有计算举例。同组人取实验的不同序号进行举例，列出全部数字运算过程；若发现同组中两人用相同的序号进行计算举例，则两人的报告均给低分。

⒎ 对实验所测得的数据结果做必要的分析、讨论。

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实验1 离心泵性能测定实验

一、

实验目的

1. 熟悉离心泵的操作方法。

2. 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，加深对离心泵性能的了解。

3. 掌握离心泵特性管路特性曲线的测定方法、表示方法。

二、实验内容

1. 练习离心泵的操作。

2. 测定某型号离心泵在一定转速下，H（扬程）、N（轴功率）、（效率）与Q（流量）

之间的特性曲线。

3. 测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。

三、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： ⒈ H的测定：

在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程

P出u2出P入u2入Z入HZ出Hf入出g2gg2gH(Z出Z入）P出P入ug2出u2g2

入Hf入出上式中Hf入出是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力(不包括泵体内部的流

动阻力所引起的压头损失)，当所选的两截面很接近泵体时，与柏努利方程中其它项比较，

Hf入出值很小，故可忽略。于是上式变为：

P出P入u2出u2入 2g H(Z出Z入）g 将测得的(Z出Z入）和P入的值以及计算所得的u入，u出代入上式即可求得H的出P值。

⒉ N的测定：

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功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，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×电动机效率，kw。 ⒊ η的测定

NeHQgHQ 其中 Ne kw

N1000102式中：η— 泵的效率； N— 泵的轴功率，kw； Ne— 泵的有效功率，kw； H— 泵的压头，m； Q— 泵的流量，m3/s；ρ— 水的密度，kg/m3。 （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，还与管路特性有关，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。

四、实验装置的流程

水泵1将水槽10内的水输送到实验系统，用流量调节阀6调节流量，流体经涡轮流量

计9计量后，流回储水槽。流程示意图见图1。

图1 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-流量数显示仪

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五、实验方法及步骤

1. 向储水槽10内注入清水。

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。一般测10~12组数据。

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。

六、注意事项

1．装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好地接地。

2．使用变频调速器时一定注意FWD指示灯亮，切忌按FWD REV键REV指示灯亮，电机反转。

3. 启动离心泵前，关闭压力表和真空表的开关 以免损坏压强表。

七、报告内容

⒈ 将实验数据和计算结果列在数据表格中（见表1），并以一组数据进行计算举例。 ⒉ 在合适的坐标系上标绘离心泵的特性曲线，并在图上标出离心泵的各种性能（泵的型号、转速和高效区）。

表1、离心泵性能测定实验数据记录 （水温 ℃ 两测压点高差0.18m） 入口压力 出口压力 P出 电机功率 流量Q 压头H 泵轴功率N 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 P入 /(MPa) /(MPa) /(kw) /(m3/h) /(m) η /（w） /(%) 3．思考题

⑴ 试分析实验数据，看一看，随着泵出口流量调节阀开度的增大，泵入口真空表读数是减少还是增加，泵出口压强表读数是减少还是增加。为什么?

⑵ 本实验中，为了得到较好的实验结果，实验流量范围下限应小到零，上限应尽量的大。为什么?

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⑶ 离心泵的流量，为什么可以通过出口阀来调节?往复泵的流量是否也可采用同样的方法来调节。为什么?

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实验2 传热实验

一、实验目的

⒈ 通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

⒉ 通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸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，了解强化传热的基本理论和基本方式。

⒊ 了解套管换热器的管内压降p和Nu之间的关系。 二、 实验内容与要求

实验内容与要求 三、实验原理

② 对i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。 ② 对i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。 ③ 同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。 光滑管 ① 测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i。 螺旋管 ① 测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i。 普通（光滑管）套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

⒈ 对流传热系数i的测定

对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为i<<o ,所以传热

管内的对流传热系数i 热冷流体间的总传热系数KQi/tmsi （W/m2·℃）

iQi （1） tmSi式中：i—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)； Qi—管内传热速率，W；

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Si—管内换热面积，m2； tmi—对数平均温差，℃。 对数平均温差由下式确定：

tmi(twti1)(twti2) （2）

(twti1)ln(twti2)式中：ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；

tw—壁面平均温度，℃；

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw 来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。 管内换热面积：

式中：di—内管管内径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m。 由热量衡算式：

其中质量流量由下式求得：

WiSidiLi （3）

QiWicpi(ti2ti1) （4）

Vii （5） 3600式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； cpi—冷流体的定压比热，J / (kg·℃)； ρi—冷流体的密度，kg /m3。 cpi和ρi可根据定性温度tm查得，tmVi可采取一定的测量手段得到。

⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为

NuiARei其中： Nuimti1ti2为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， 2nPri. （6）

cpiiudidi， Reiiii ， Pr iiii物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

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0.4 NuiAReiPr （7） im这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m的值。 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定

强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，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。

螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值以及管壁粗糙度（2d/h）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科

学家通过实验研究总结了形式为NuBRe的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

在本实验中，采用关滑管中的实验方法确定不同流量下的Rei与Nui，用线性回归方法可确定B和m的值。

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：NuNu0，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NuNu0＞1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。 四、实验装置

⒈ 实验流程图及基本结构参数

实验流程图见图2-2，基本结构参数见表1。

m图1 螺旋线圈强化管内部结构

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图2 空气-水蒸气传热实验装置流程图

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

如图2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有1根2.5kW螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。气源选择XGB-2型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。

空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支

路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。

装置结构参数如表1所示。

表1 实验装置（换热管）结构参数

实验内管内径di（mm） 实验内管外径do（mm） 实验外管内径Di（mm） 实验外管外径Do（mm） 测量段（紫铜内管）长度l（m） 强化内管内插物

20.00 22.0 50 57.0 1.20 1 12

丝径h（mm） （螺旋线圈）尺寸 加热釜 ⒉ 实验的测量手段 ⑴ 空气流量的测量

节距H（mm） 操作电压 操作电流 40 ≤200伏 ≤10安 空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设

计，其流量计算式为：

Vt018.113(P)0.6203 （8）

式中： Vt0- 20℃ 下的体积流量，m/h ；

P-孔板两端压差，kPa。

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实验条件下的空气流量V (m/h)则需按下式计算: VVt03

273t （9）

273t03

式中：V-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m/h；

t-换热器管内平均温度，℃； t0=20℃。 （2）温度测量

(a) 空气入传热管前的温度t1 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。 (b) 空气出传热管测量段时的温度t2 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(c) 管外壁面平均温度tw( ℃ )由数字温度计测出,（热电偶是由铜─康铜组成)。 五、实验方法及步骤

1.实验前的准备,检查工作.

(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。

(2) 向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。 (3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(4) 检查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。 (5) 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。

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实验装置面板图

(3).启动风机并用放空阀来调节流量,在一定的流量下稳定5~10分钟后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度，由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-螺旋管空气入口温度；4-螺旋管空气出口温度）,换热器内管壁面的温度由温度巡检仪（1-光滑管壁面温度；2-螺旋管壁面温度）测得。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。

六、注意事项

⒈ 由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。

⒉ 检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。

⒊ 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

⒋ 必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图2）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。

⒌ 调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。

⒍ 实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。

七、报告内容

⒈ 实验的原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算

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结果）、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。

2． 在同一双对数坐标系中绘制光滑管和螺旋管实验的Nu~Re的关系图。 3． 对实验结果进行分析与讨论。

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实验3 过滤实验

一、实验目的

⒈ 掌握恒压过滤常数K、qe、e的测定方法，加深对K、qe、e的概念和影响因素的理解。

⒉ 学习滤饼的压缩性指数s和物料常数k的测定方法。

3． 学习对实验结果进行科学的分析，分析出每个因素重要性的大小，指出试验指标随各因素变化的趋势，了解适宜操作条件的确定方法。 二、实验内容

1． 分小组进行实验，测定每个实验条件下的过滤常数K、qe、e。

2．对试验指标K进行极差分析和方差分析；指出各个因素重要性的大小；讨论K随其影响因素的变化趋势；以提高过滤速度为目标，确定适宜的操作条件。 三、实验原理

⒈ 恒压过滤常数K、qe、e的测定方法

过滤是利用过滤介质进行液—固系统的分离过程，过滤介质通常采用带有许多毛细孔的物质如帆布、毛毯、多孔陶瓷等。含有固体颗粒的悬浮液在一定压力的作用下液体通过过滤介质，固体颗粒被截留在介质表面上，从而使液固两相分离。

在过滤过程中，由于固体颗粒不断地被截留在介质表面上，滤饼厚度增加，液体流过固体颗粒之间的孔道加长，而使流体流动阻力增加。故恒压过滤时，过滤速率逐渐下降。随着过滤进行，若得到相同的滤液量，则过滤时间增加。 恒压过滤方程

(qqe)2K(e) （3-1） 式中：q—单位过滤面积获得的滤液体积，m3 / m2； qe—单位过滤面积上的虚拟滤液体积，m3 / m2； —实际过滤时间，s； e—虚拟过滤时间，s； K—过滤常数，m2/s。 将式（3-1）进行微分可得：

d22qqe dqKK用差分代替微分，得：

22qqe （3-2） qKK

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式中：q— 每次测定的单位过滤面积滤液体积（在实验中一般等量分配），m3/ m2；

— 每次测定的滤液体积q所对应的时间，s；

q— 相邻二个q值的算术平均值，m3/ m2。

式（3-2）是一个直线方程式，于普通坐标上以q为纵坐标，（3-2）q为横坐标将式标绘成一直线，可得该直线的斜率出：

qeKe （3-3） 2． 压缩指数s及物料特性常数k的测定方法

改变过滤压差ΔP，重复上述操作，可求得对应的K。 由过滤常数的定义式：

222和截距qe，从而求出K、qe。至于e可由下式求

KK K2kp1s （3-4） 两边取对数，得：

lgK(1s)lgplg(2k) (3-5) 因k1常数，故K与p的关系在对数坐标上标绘时应是一条直线，直线的斜率r为1s，由此可求得滤饼的压缩性指数s，截距为lg（2k），由此可求得物料特性常数k。

四、实验装置

本实验装置由空压机、配料槽、压力料槽、板框过滤机等组成，其流程示意如图1。

1－空气压缩机；2－压力灌；3－安全阀；4，5－压力表；6－清水罐；7－滤框； 8－滤板；9－手轮；10－通孔切换阀；11－调压阀；12－量筒；13－配料罐；14－地沟

图1 板框压滤机过滤流程

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CaCO3的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气加以搅拌使CaCO3不致沉降，同时利用压缩空气的压力将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽上排空管中排出。

板框压滤机的结构尺寸：框厚度20mm，每个框过滤面积 0.0177m2，框数2个。 空气压缩机规格型号：风量0.06m3/min，最大气压0.8MPa。

五、 实验方法及操作步骤

1．实验准备

（1） 配料：在配料罐内配制含CaCO310％～30％（wt. %）的水悬浮液，碳酸钙事

先由天平称重，水位高度按标尺示意，筒身直径35mm。配置时，应将配料罐底部阀门关闭。

（2） 搅拌：开启空压机，将压缩空气通入配料罐（空压机的出口小球阀保持半开，

进入配料罐的两个阀门保持适当开度），使CaCO3悬浮液搅拌均匀。搅拌时，应将配料罐的顶盖合上。

（3） 设定压力：分别打开进压力灌的三路阀门，空压机过来的压缩空气经各定值调

节阀分别设定为0.1MPa、0.2MPa和0.25MPa（出厂已设定，实验时不需要再调压。若欲作0.25MPa以上压力过滤，需调节压力罐安全阀）。设定定值调节阀时，压力灌泄压阀可略开。

（4） 装板框：正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前用水浸湿，滤布要绷紧，不

能起皱。滤布紧贴滤板，密封垫贴紧滤布。（注意：用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。

（5） 灌清水：向清水罐通入自来水，液面达视镜2/3高度左右。灌清水时，应将安

全阀处的泄压阀打开。

（6） 灌料：在压力罐泄压阀打开的情况下，打开配料罐和压力罐间的进料阀门，使

料浆自动由配料桶流入压力罐至其视镜1/2~2/3处，关闭进料阀门。

2．过滤过程

（1） 鼓泡：通压缩空气至压力罐，使容器内料浆不断搅拌。压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。

（2） 过滤：将中间双面板下通孔切换阀开到通孔通路状态。打开进板框前料液进口 的两个阀门，打开出板框后清液出口球阀。此时，压力表指示过滤压力，清液出口流出滤液。

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（3）每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右。记录相应的过滤时间△τ。每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。若欲得到干而厚的滤饼，则应每个压力下做到没有清液流出为止。量筒交换接滤液时不要流失滤液，等量筒 内滤液静止后读出△V值。（注意：△V约800ml时替换量筒，这时量筒内滤液量并非正好800ml。要事先熟悉量筒刻度，不要打碎量筒），此外，要熟练双秒表轮流读数的方法。 （4）一个压力下的实验完成后，先打开泄压阀使压力罐泄压。卸下滤框、滤板、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内搅拌配料，进入下一个压力实验。注意若清水罐水不足，可补充一定水源，补水时仍应打开该罐的泄压阀。 3．清洗过程

（1）关闭板框过滤的进出阀门。将中间双面板下通孔切换阀开到通孔关闭状态（阀门手柄与滤板平行为过滤状态，垂直为清洗状态）。

（2）打开清洗液进入板框的进出阀门（板框前两个进口阀，板框后一个出口阀）。此时，压力表指示清洗压力，清液出口流出清洗液。清洗液速度比同压力下过滤速度小很多。

（3）清洗液流动约1min，可观察混浊变化判断结束。一般物料可不进行清洗过程。结束清洗过程，也是关闭清洗液进出板框的阀门，关闭定值调节阀后进气阀门。 4．实验结束

（1） 先关闭空压机出口球阀,关闭空压机电源。 （2） 打开安全阀处泄压阀，使压力罐和清水罐泄压。 （3） 卸下滤框、滤板、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。

（4） 将压力罐内物料反压到配料罐内备下次使用，或将该二罐物料直接排空后用清

水冲洗。

六、实验报告

1. 由恒压过滤实验数据求过滤常数K、qe、τe。

2. 比较几种压差下的K、qe、τe值，讨论压差变化对以上参数数值的影响。 3. 在直角坐标纸上绘制lgK~lg△p关系曲线，求出s。 4. 实验结果分析与与讨论。

七、思考题

1． 板框过滤机的优缺点是什么？适用于什么场合？ 2． 板框压滤机的操作分哪几个阶段？

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3． 为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？

4． 影响过滤速率的主要因素有哪些？当你在某一恒压下所测得的K、qe、τe值后，若

将过滤压强提高一倍，问上述三个值将有何变化？

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实验4 干燥实验

一、实验目的

1. 了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。 2. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。

3. 掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平 衡含水量的实验分析方法。

4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。

二、基本原理

在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中的被干燥物料的性质千变万化，因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据常常需要通过实验测定。

按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度、与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。

1. 干燥速率的定义

干燥速率的定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量。即

UGdXdWCAdAd (4－1)

式中，U－干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2s）；

A－干燥表面积，m2；

W－汽化的湿分量，kg；

 －干燥时间，s；

Gc－绝干物料的质量，kg；

X－物料湿含量，kg湿分/kg干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。

2. 干燥速率的测定方法

将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验，随着干燥时间的延长，水分不断汽化，湿物料质量减少。若记录物料不同时间下质量G，直到物料质量不变为止，也就是物料在

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该条件下达到干燥极限为止，此时留在物料中的水分就是平衡水分X。再将物料烘干后称重得到绝干物料重Gc，则物料中瞬间含水率X为 X*

GGc （4－2） Gc计算出每一时刻的瞬间含水率X，然后将X对干燥时间作图，如图10－1，即为干燥曲线。

图4－1恒定干燥条件下的干燥曲线

上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同X下的斜率

dX，再由式（4－1）计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如图d4－2所示。

图4－2恒定干燥条件下的干燥速率曲线

3. 干燥过程分析

预热段 见图4－1、4－2中的AB段或A’B段。物料在预热段中，含水率略有下降，

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温度则升至湿球温度tW ,干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。本实验中也没有预热段。

恒速干燥阶段 见图4－1、4－2中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图4－2中，BC段为水平线。

只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程中总有恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。

降速干燥阶段 随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同、传质推动力也仍为湿度差，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的的含水率称为临界含水率，用Xc表示，对应图4－2中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至D阶段称为降速第一阶段。

干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这层干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。

降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对于某些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对于某些无孔性吸水物料，汽化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。

与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。

三、实验装置

1．装置流程

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本装置流程如图4-3所示。空气由鼓风机送入电加热器，经加热后流入干燥室，加热干燥室料盘中的湿物料后，经排出管道通入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号，并由智能数显仪表记录下来（或通过固定间隔时间，读取该时刻的湿物料重量）。

图4-3干燥装置流程图

1－风机；2－管道；3－进风口；4－加热器；5－厢式干燥器；6－气流均布器；7－称重传感器； 8－湿毛毡； 9－玻璃视镜门； 10，11，12－蝶阀 2．主要设备及仪器

（1）鼓风机：BYF7122,370W； （2）电加热器：额定功率4.5KW； （3）干燥室：180mm×180mm×1250mm； （4）干燥物料：湿毛毡或湿砂； （5）称重传感器：CZ500型，0～300g。

四、实验步骤与注意事项

1．实验步骤

（1）放置托盘，开启总电源，开启风机电源。

（2）打开仪表电源开关，加热器通电加热，旋转加热按钮至适当加热电压（根据实验

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室温和实验讲解时间长短）。在U型湿漏斗中加入一定水量，并关注干球温度，干燥室温度（干球温度）要求达到恒定温度（例如70℃）。

（3）将毛毡加入一定量的水并使其润湿均匀，注意水量不能过多或过少。

（4）当干燥室温度恒定在70℃时, 将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。放置毛

毡时应特别注意不能用力下压，因称重传感器的测量上限仅为300克，用力过大容易损坏称重传感器。

（5）记录时间和脱水量，每分钟记录一次重量数据；每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。

（6）待毛毡恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小

心地取下毛毡。

（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。 2. 注意事项

（1）必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏。

（2）特别注意传感器的负荷量仅为300克，放取毛毡时必须十分小心，绝对不能下压，

以免损坏称重传感器。

（3）实验过程中，不要拍打、碰扣装置面板，以免引起料盘晃动，影响结果。

五、实验报告

1. 绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）； 2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线； 3. 读取物料的临界湿含量； 4. 对实验结果进行分析讨论。

六、思考题

1. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？

2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？ 3. 为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？如何判断实验已经结束？

4. 若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？

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