生物化工原理实验指导书.docx
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生物化工原理实验指导书
生物化工原理实验教案
指导教师:
张玉先
面向专业:
食品科学与工程
生物工程
二O一一年九月
实验一雷诺实验(2学时)
一、实验目的
1、熟悉雷诺装置的结构和工作原理。
2、观察并验证流体流动的状态。
二、实验任务
1、通过调节流速,得出层流、过渡流和湍流。
2、测量流体的流速和其它物性参数,计算临界雷诺数,并和理论值进行比较。
三、实验原理
雷诺曾做过实验,得到流体的流动状态分为层流、过渡流和湍流三种。
另外,流动状态和流体流速、密度、粘度、管径有关,并因此得到一个准数——雷诺数。
经过总结,得到流体的流动状态只同雷诺数的大小有关,雷诺数小,则为层流,雷诺数大则为湍流。
由层流变为湍流所对应的雷诺数,称为上临界雷诺数,约为4000~12000之间,工程上常用3000,一般大于此值可确定为湍流。
由湍流变为层流所对应的雷诺数称为下临界雷诺数,约为2000左右,小于此值可定为层流。
上、下临界雷诺数之间的流动状态为过渡流,由于过渡流不稳定,稍有干扰,就变为湍流,所以有时把它看成为湍流的延伸部分。
由于Re和四个参数有关,通过改变这些参数来改变Re值,从而改变流体的流动状态。
四、实验装置
图1-1雷诺实验装置简图
五、实验内容
1、准备好管子、红墨水、桶、量筒等辅助材料,把红墨水充满漏斗。
2、将水充入设备内,让水面达到预定高度并稳定,多余的水由溢水管排出。
3、打开流水管阀门,让水由管子流动,同时打开漏斗让红墨水从漏斗底部流出,并随水流动。
4、调节水的流速,利用红墨水的流动状态,观察不同的水的流动情况。
5、认真耐心的调节上下临界点,用量筒和秒表测量水的流量,换算出流速,结合其它参数,计算对应雷诺数,并和理论值进行比较。
6、实验完毕,关闭进水管,关闭漏斗,关闭出水管。
最后一组实验,将装置内的水放尽。
六、注意事项
1、做实验时要小心,以免碰坏漏斗、量筒等易损品。
2、调节流速时,要手扶管子或阀门,不要硬掰,进行实验时要有耐心。
3、由于液体流动易受外界干扰,观察现象时,尽可能保持安静。
七、思考题
1、装置内的三块板,各有什么用处?
2、描述所观察到的流动现象。
八、实验报告
水温:
水的密度:
水的粘度:
管内径:
管截面积:
流速及雷诺数计算表
序号
流型
时间
体积
流速
Re(实测)
实验二管道阻力的测定(2学时)
一、实验目的
1、学习管路阻力损失(Wf),管子摩擦系数(λ),管件阻力系数(ζ)的测定方法,并通过实验了解它们的变化规律,巩固对流体阻力基本理论的认识。
2、学习压差计及流量计的使用方法。
3、识别组成管路中各个管件,阀门并了解其作用。
二、实验任务
1、测量流体流经直管时的摩擦系数与雷诺准数的关系;
2、测量流体经阀门或90。
标准弯头的阻力系数。
三、实验原理
流体在管路中流动时,由于粘性剪应力和涡流存在,因此,不可避免的要消耗一定机械能。
管路是由直管、管件和阀件等组成。
流体在直管中流动造成的机械能损失称直管阻力,而流体在通过管件、阀件等的局部障碍,是因为流动方向和流动界面的突然改变所造成的机械能损失称局部阻力。
1、摩擦系数测定法
管子的摩擦系数是雷诺数和管子相对粗糙度的函数,因此,对一定相对粗糙度的管子而言,摩擦系数和雷诺数才有一定的关系。
摩擦系数与阻力损失之间存在如下关系:
(J/Kg)(2-1)
式中L—管长(米)
d—管径(米)
μ—流速(米/秒)
λ—管子的摩擦系数
Wf—阻力损失(J/Kg)
根据这一关系式,就可以对一段已知长度、管径的导管,在一定流速和雷诺数下,测出其阻力损失,然后再按下是求出其摩擦系数。
(2-2)
有关参数的测定方法是:
流速的测定用流速计,在已知管子直径d和流体流速u的情况下,只要测定出流体的温度,即可求出雷诺数,因为
,式中,密度ρ,粘度μ,对一定的流体来说,都是温度的函数,可以根据流体的种类及温度从手册中查出;求取λ的关键是如何测出阻力损失。
直管沿程摩擦阻力损失的测量示意图见图。
图2-1直管沿程阻力损失测量示意图
对图中1、2两截面列柏努利方程
(2-3)
1、2两截面流体阻力:
(2-4)
A截面上的压强:
(2-5)
A’截面上的压强:
(2-6)
两式相减,得
(2-7)
可得
(2-8)
此式就是直管阻力损失的测量式。
这式子表明,用∏型管测量时,测量结果与被测管子安装得是否水平无关。
将(2-1)式代入(2-8)式,可得:
(2-9)
将
代入式(2-9),得
(2-10)
式中d—管子内径(米);
—∏型压差计液柱差(米);
L—两侧面之间的距离(米);
Vs—管内流量(米3/秒)。
式(2-10)就是摩擦系数的测定。
雷诺数的计算
(2-11)
其中
试验过程中,水温度变化不大,ρ、μ数值可视为常数。
在运算过程中,先计算出常数A、B,在依次代入变量
R、Vs,即可很快求出相应的λ和Re值。
2、阻力系数测定法
局部阻力通常有两种方法表示,即当量长度法和阻力系数法,这里利用阻力系数法进行测定。
克服局部阻力所引起的阻力损失
,可表示为动能一的
个倍数,即
(2-12)
式中ξ—局部的阻力系数
只要测出流体经过管件时的阻力损失
,以及流体在直径和管件相同的直管中的流速u,即可算出系数ξ。
弯头损失测量方法示意图见图。
图2-2弯头损失测量方法示意图
用与直管相同的方法,可以证明,弯头前后测量点之间的流体阻力损失为:
(2-13)
将
代入式(2-13),则
(2-14)
这就是局部阻力系数测量式。
四、实验设备
五、
实验内容
(1)将测定的数据和λ及Re计算结果,以表的格式列出。
(2)将λ及Re值标绘到双对数坐标纸上。
六、注意事项
1、实验时,流量改变宜从小到大,在过渡流态附近,要力求变化缓慢。
为了取得较好的实验结果,必须实验前考虑好实验点的布置和测量次数。
2、压差计要多读几次取其平均值。
七、思考题
1、怎样排出连接管内的气泡?
2、为何本实验数据在对数坐标纸上进行标绘。
八、实验报告
实验管:
标准直径:
40mm,实际内径:
36.5mm,
测点距离:
2.004m,测试水温:
测功机臂长:
0.4896m测量系数:
100.4
沿程阻力实验数据和整理结果表
序号
流量计示值f(赫)
形压差计示值(mm)
计算结果
备注
左
右
差值
Re
λ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
实验三离心泵性能的测定实验(2学时)
一、实验目的
1、了解离心泵的特性
2、学习离心泵特性曲线的测定方法
3、学习离心泵操作方法和特性曲线的应用
二、实验任务
测定指定离心泵在恒定转速下的特性曲线
三、实验原理
泵是输送液体的机械,在选用泵时,必须要在满足一定流量时,具有足够的压头,而且还要有较高的效率。
对于往复泵来说,通常只需要注意泵的流量即可。
因为,对一台具体的往复泵来说,不改变转速流量是不会变的,同时流量改变时,泵的压头和效率是不受多大影响的。
但是对于离心泵就不同了,因为:
(1)离心泵的流量,即使在转速一定时,通过调节出口阀,仍可使之在零与最大值之间变动:
(2)泵的流量变化时,泵的压头、拖动泵所消耗的功率以及泵的效率都会发生相应的变化,这种变化非常显著,但有其规律。
因此,为了能够正确的选择和使用离心泵,就必须掌握离心泵流量Q变化时,泵的压头H、功率N及效率η的变化规律,以及允许吸收真空度Hs,也就是要查明离心泵的特性曲线,即在一定转速下的:
(1)压头——流量曲线(H——Q曲线)
(2)功率——流量曲线(N——Q曲线)
(3)效率——流量曲线(η——Q曲线)
(4)允许真空度——流量曲线(Hs——Q曲线)
有了H—Q曲线,可以预测在一定的管路系统中,这台离心泵的实际流量有多大,能否满足需要;有了N—Q曲线,可以预测这种类型的离心泵在某一流量下运行时,拖动它要消耗多少能量,便于配置一台大小合适的动力设备;有了η—Q曲线,可以预测这台离心泵在某一流量下运行效率的高低,是离心泵能够在适宜的条件下运行,以发挥其最大功率;有了Hs—Q曲线就可以决定水泵的安装高度的限度。
由于离心泵的特性曲线目前尚不能用解析方法进行计算,仅能通过实验来测定,因此,要求学生掌握测定离心泵性能曲线的测定方法。
离心泵的特性与转速有关,因此特性曲线必须是在恒定转速下测定的。
实际应用上,离心泵大多数是在恒定转速下运行的。
因此,离心泵通常是用三相交流电动机的拖动的,三相交流电动机的转速是恒定的,因此,离心泵的特性曲线在恒定转速下测定。
四、实验设备
实验装置见图2-3。
进行离心泵性能测定时,进口阀全开,由出口阀控制流量点,在进行泵的气蚀实验时,调节进口阀的开度,使进口真空度改变,而同时又调节出口阀,使流量点保持不变,这样已知到气蚀发生为止。
1、马达—天平式测功机
为了求取泵的N—Q曲线,必须测量泵的轴功率。
由于小型交流电动机功率因素都比较低,故不便用功率表进行功率测量,马达—天平测功法是水泵行业中测功的典型方法。
马达—天平式测功机是在交流电动机外壳(定子)的两端加装滚动轴承,使定子能自由转动。
在外壳水平径向上设有测臂和平衡臂,平衡臂上的重锤位置可以移动,用以调整电动机不带负荷时的平衡状态。
平衡状态时,测功臂水平,其针尖正对准星。
当电动机带动水泵转动时,由于反作用力的作用,外壳会反向旋转。
反向转距的大小与正向转距相同,这时如果在称盘上加入合适的砝码,然后根据转距计算功率。
2、转速的测量
转速的测量时采用电动转速表。
使用上,电动转速表要特别注意转动方向。
即仪表内的三相同步电动机只允许单项旋转,如果反向,其内的弹簧就会被扭坏。
被测的机器旋转方向如果和转速表旋转方向不同,可通过调换发电机外出线的相序来适应。
接线是否正确,可以用手拧动发电机轴来试验,因为手拨动转速不大,指针仅轻微转动不至于损坏仪表。
现使用的转速表,已按水泵转向将外线接好,安装水泵电源时注意其不要反转。
故使用时要求不要先接上转速表的插头,待水泵试车,确认转向正确后先插上转速表的插头。
3、流量测量仪器
本设备采用的是涡轮流量计,为了直接观看内部结构特设置了透明外壳。
它由变送器和指示仪表组成。
变送器又包括涡轮、磁电传感器和前置放大器组成。
涡轮用导磁不锈钢制成,在流体作用下旋转,流量越大转速越高。
磁电传感器将每一涡轮叶片经过磁极时产生的一个脉冲信号,经前置放大器输往指示仪表,脉冲信号经过指示仪表的整形,使得信号仅与流量有关而与仪表电源电压以及变送器的输出波形无关。
4、水泵
水泵采用1-BA-6型清水泵。
五、实验内容
根据JB1040—67规定,实验可在0~40度水温下进行。
试验时泵的进口阀全开,用出口阀控制流量点,在各流量点下记录压力表、真空表、转速表、流量表、天平负荷重和温度计的示值,然后进行整理计算,整理方法如下:
(1)送液能力Q的计算
(米3/小时)
式中f—流量计指示仪表(频率计数)示值(赫);
ζ—流量系数(100.41/升)
或者
(升/秒)
(2)压头的计算
参阅图2-3对图中1、2两截面列柏努利方程:
(3-1)
由于两测点间距离很短,摩擦阻力损失∑Wf(1-2)可以忽略不计。
视两测点处管径为一致,则流速
,于是
(焦耳)(3-2)
We是泵加给千克流体的能量,用g除以(3-2)式,则
(米)(3-3)
式中H—压头(或扬程)(米);
Z1、Z2—分别为1、2两侧点的高度(米);
P1、P2—分别为1、2两测点的压强(千克力/厘米2)
式(3-3)中:
(米)(3-4)
式中
—出口测点压力表示值(kgf/cm2)
h2—见图所示(米)
—大气压强(米水柱)
(3-5)
将
代入式(3-5),则
(3-6)
式中,
一进口测点真空表示值(mmHg)
将式(3-4)和式(3-6)代入式(3-3),并列入Z2-Z1=h0,则
(3-7)
例如当:
则
(米)
这里式(3-4)和(3-5)中将水的重度看作1000。
实验水温下所引起的误差约为0.5%,可忽略不计。
(3)功率的计算
N是电动机传给泵的轴功率,SI值中转轴功率用下式计算,
(瓦)(3-8)
式中M—转矩(牛
)
n—转速(l/分)
泵行业中习惯用工程单位值,其功率计算式是
(千瓦)(3-9)
式中P—测功臂上所加入的砝码重量(千克力);
L—测功臂长(米),本实验装置中L=0.4896(米)。
则
(千瓦)(3-10)
(4)效率的计算
泵的效率是泵的有效功率Ne与轴功率N之比。
有效功率是液体实际上自泵得到的功率。
SI制中
(瓦)(3-11)
式中Q—流量(米3/秒);
H—压头(米)
ρ—送液液体密度(千克/米3)
换算成千瓦单位:
(千瓦)(3-12)
效率
(3-13)
(5)转速改变时的换算
特性曲线是某转速下的特性曲线,如果实验时转速与指定转速有差异,应将实验结果换算为指定转速下的数值:
;
;
;(3-14)
式中Q1、H1、N1—分别为指定转速n1下的流量、压头和功率。
六、注意事项
1、
马达—天平的使用:
接电机电源线时,要使电动机转动方向符合水泵箭头方向,反向旋转当然不能测功,水泵也不正常。
由于起动力矩大大超过正常运转力矩,因此起动电机时,必须卸去砝码盘,让电动机定子底胶接触防撞胶片,起动以后再挂上砝码盘,为了方便卸、挂砝码盘,准星做成能转动的形式,启动时转到实线位置,如果起动不卸砝码盘,启动时的撞击会使砝码散落满地。
2、水泵使用:
(1)首次开动:
首先开动时,泵内没有存水,因从计量槽往水泵加水,具体做法是:
待水注满后,关闭出口阀,开动电机,然后再打开进出口阀,这样水泵即正常运转,以后每次停泵应先关出口阀,再关进口阀,随机停电机,使泵和前、后一段管道内充满水。
(2)以后的开动:
可先起动电机,随即先开进口阀,再开出口阀即可。
但为了避免因阀门泄漏池引起停机期间泵内无存水,每次停泵前最好将计量槽灌满,以便启动时对泵灌水用。
(3)每次开动前须用手扳动连轴节,以便及时发现水泵填料因锤击而卡死泵轴的故障,水泵起动前必须先去下砝码盘。
(4)水泵填料螺钉的调整,首次运行先放松填料螺钉,待水泵起动后轻轻收紧,至沿泵轴滴水为每分60滴左右为止。
七、思考题
1、离心泵在起动前为什么要引水灌泵?
如果已经引水灌泵了,但离心泵还是起动不起来,你认为可能是什么原因?
2、为什么离心泵起动时要关闭出口阀?
八、实验报告
1、写出所测定离心泵的类型和规格,设备编号即泵性质的有关参数。
2、给出离心泵性能的实验结果,并绘出特性曲线图,注明试验条件,并和制造厂给出的数据进行比较。
离心泵性能实验数据表
测试对象:
1-BA-6型离心泵
叶轮直径:
测试水温:
测功机测功臂长:
流量系数:
序号
流量计示值
(f)赫
进口真空度P1’
(mmHg)
出口压力P2’
(mmHg)
转速
n(l/min)
天平荷重
P(克)
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
实验四板框式过滤机性能实验(2时)
一、实验目的
l.熟悉板框式过滤机的结构、工作原理和操作方法。
2.了解恒压过滤方程式中过滤常数K,qe及θe的测定方法。
二、实验原理
板框式过滤机的过滤过程是液体通过固定床层的流动过程。
过滤的快慢与固体床层的厚度、空隙率、可压缩性和孔道中滤液的流速、粘度以及滤饼两侧的压差等密切相关.通过一系列不失真的假设和推导,可得到恒压条件下的过滤方程式
式中:
V为θ时间的滤液量[m3];Ve为过滤介质的当量滤液量[m3],它是形成相当于过滤介质阻力的一层滤饼时得到的滤液量;A为过滤面积[m2];K为过滤常数[m2/s];θ为得滤液V所需要的时间[s];θe为当量过滤时间[s],即得滤液Ve所需要的时间;q为单位过滤面积的滤液量[m];qe为单位过滤面积的当量滤液[m]。
过滤常数K,qe及θe只能通过实验获得。
当时θ=0时,q=0,则(4-2)变为
将
(2)对q求导得
(4-4)
若将dθ/dq看作因变量,q看作自变量,(4-4)为一个直线方程为,其斜率为2/K,截距为2qe/K。
在用实验方法测定过滤常数时,可用△θ/△q代替dθ/dq,则得
(4-5)
因此,只要在某一恒压下进行过滤操作,测取一系列的△θ和△q值,并在直角坐标上以△θ/△q为纵坐标,以q为横坐标作图,即可得一直线。
令其斜率等于2/K,截距等于2qe/K,从而可求出K和qe。
然后将K和qe代入(4-3)即可求出θe。
三、实验装置
本实验由配浆桶、贮浆罐、板框式过滤机、计量筒以及空气压缩机等组成实验装置。
用固体MgCO3粉末和水在配浆桶中配制成一定浓度的料浆,放入贮浆罐。
同时搅拌,使缘料不致沉淀,并利用压缩空气的压力,将料浆送入板框式过滤机进行过滤,滤液流入计量筒。
四、实验步骤
l、取MgCO3固体粉末若干千克,用清水在配浆桶中配置成3~5%(重量)的料浆,并将其放入贮浆罐中。
2、关闭进浆阀和贮浆罐上的排气阀,启动搅拌器进行搅拌,使浆料不致沉淀。
3、松开过滤机头部的压紧螺旋,拉开滤板,在滤框两边覆盖好滤布。
注意孔道是否对准,滤布是否贴紧。
装好后用压紧螺旋将板框压紧。
4、启动空压机,调节空气过滤减压阀,使其压强与选定的压强一致
5、关闭洗水阀,打开滤液出口阀,再打开进浆阀,开始进行过滤操作,同时读取过滤桶上液位计读数。
从此,每当计量筒中液面升高10~20mm,记录一次时间,用两只秒表交替计时。
6、当滤渣全部充满滤框后,即滤液流量很小时(或压力表读数开始上升时),说明恒压过滤过程己完毕,关闭进浆阀,停止过滤。
记下滤浆浓度、温度等数据,并松开压紧螺旋,取出滤饼,洗涤滤布。
7、实验结束后,停止过滤,立即用压缩空气把贮浆罐内剩余的料浆送到配浆桶内。
关闭空压机,清洗贮浆罐及其液位计,以免剩余浆料沉淀,堵塞管道、阀门等。
五、思考题
1、过滤开始时,为什么滤液经常是混浊的?
2、在恒压过滤中,初始阶段为什么不采用恒压操作?
3、如果滤液的粘度比较大,你考虑用什么方法提高过滤速率?
4、当操作压强增加一倍,其K值是否也增加一倍?
要得到同样的过滤量时,其过滤时间是否缩短一倍?
实验记录与数据整理表
预定的过滤压力[Pa]滤浆浓度
滤浆温度[℃]过滤面积[m2]
序号
液位计读数
[mm]
过滤时间
[s]
△θ
[s]
q
[m3/m2]
△q
[m3/m2]
△θ/△q
s[m2/m3]
实验五固体流态化实验(2学时)
一、实验目的
1、了解流化实验装置的结构原理;
2、测定空气通过固定床和流化床的压强降与流速的关系;
3、比较实测压强降与理论计算值的误差;
4、校验临界流化速度。
二、实验原理
固体颗粒与向上流动的气体后液体相接触,并在气体或液体的作用下,转变成类似流体的状态,称为固体流态化。
借这种流态化以完成某种处理过程的技术,叫做流态化技术。
在食品工业上,流态化技术主要用于加热、冷却、干燥、混合、造粒、浸出、洗涤等各方面。
当流体自下而上通过固体颗粒床层时,随着颗粒特性和气体速度的不同,床层有三种状态。
1、固定床状态
当流体速度很小时,固体颗粒固定不动,流体从颗粒的缝隙中穿过,此时流体通过床层所发生的压强降随流体流速的增加而增加,即压强降△P与流速u在对数坐标上成直线关系,这种关系一直延续到u达某一值,此时△P略等于单位截面积上床层的重量减去其浮力,固体颗粒位置略有调整,床层略有膨胀、变松,或曰固体层出现表面沸腾现象。
但固体颗粒仍保持紧密接触,此状态为固定床状态。
此阶段,对于随意充填粒度均匀的颗粒物体,可用厄贡公式计算固定压强降。
(5-1)
式中
—通过单位高度床层的压强降,N/m2
ε0—颗粒床层的空隙率
μf—流体粘度
—颗粒的球形度
dP—颗粒直径,m
ρf—流体密度,Kg/m3
u—流体流速,m/s
2、流化床状态
当流体流速达到某一临界值时,床层开始发生质变,颗粒开始悬浮于流体中,床内颗粒往各个方向做不规则的运动,并且具有与流体同样的流动性,称为流态化状态。
此时,流体流速称临界流化速度(umf)。
继续增加流速,床层高度和空隙率虽不断随流速增大而增大,但经过床层的压强降基本保持不变。
流体床的压强降可由颗粒床的受力分析来确定,计算式如下:
(5-2)
式中
—流化床的压强降,N/m2
L——颗粒床层高度,m
ε——颗粒床层空隙率
ρS——固体颗粒的密度,kg/m3
ρf——流体密度,kg/m3
g——重力加速度,m/s2
临界流化速度umf是最小流化状态,这个流速对流化床的研究、设计和操作都是一个非常重要的参数。
影响umf的参数很多,到目前为止,已提出不少半经验的公式。
这里给出较常用的一个公式:
(m/s)(5-3)
此式中字母含义与5-1、5-2同,此式仅适用于Rep<5时的情况,当Rep>5时,由计算所得的umf值加以修正。
方法是先算出Rep,
然后按《食品工程原理》上册P605图7-7查出校正系数F0,实际临界流化速度为计算值乘以F0。
临界流化速度也可由实验测定。
测定时,必须注意观察床层现象,在临界流化点时,颗粒已运动得相当活跃,但略微减速,则颗粒立即恢复静止的,互相接触的状态。
3、气体输送状态
流体速度达到临界流化速度后,床层开始流化,当流速继续加大,床层保持相同的压强降而床层增高
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