1 （适用于食品工程与包装工程专业） 包装与机械教研室 内蒙古农业大学食品科学与工程学院 二○○一年十一月
1 （适用于食品工程与包装工程专业） 包装与机械教研室 内蒙古农业大学食品科学与工程学院 二○○一年十一月
2 虚拟化工实验是用计算机模拟真实实验的一种实验形式。采用动 画技术和数字仿真技术将设备、仪器及其流程工作环境，展现在计算 机上。采用人机对话友好的界面，能使学生用鼠标进行实验操作。并 记录所需的数据。由于该软件采用数字仿真技术，故所测取的数据与 实际实验装置测取的数据较为接近。 虚拟实验包括，工作原理、装置认识、实验操作数据处理等部分 组成，每部分的操作均有详细的导引说明，具有较好容错功能，即： 操作不当或操作错误机器会给出提示，或禁止执行。实验的每一步应 仔细阅读提示，遵循操作导引进行操作
2 虚拟化工实验是用计算机模拟真实实验的一种实验形式。采用动 画技术和数字仿真技术将设备、仪器及其流程工作环境，展现在计算 机上。采用人机对话友好的界面，能使学生用鼠标进行实验操作。并 记录所需的数据。由于该软件采用数字仿真技术，故所测取的数据与 实际实验装置测取的数据较为接近。 虚拟实验包括，工作原理、装置认识、实验操作数据处理等部分 组成，每部分的操作均有详细的导引说明，具有较好容错功能，即： 操作不当或操作错误机器会给出提示，或禁止执行。实验的每一步应 仔细阅读提示，遵循操作导引进行操作
3 目 录 实验一 流体流动阻力实验.1 实验二 离心泵性能实验.4 实验三 过滤实验.10 实验四 传热实验.16 实验五 干燥实验 实验一 流体流动阻力实验 一、实验目的 1．学习管路磨擦阻力、磨擦因数、管件的局部阻力系数的测定方法， 并通过实验了解它们的变化规律。 2．学习压差计及流量计的使用方法。 3．学习对数坐标纸的用法 二、实验任务 1．测定流体流经直管时层流区摩擦因数与雷诺准数之间的关系。 2．测定流体流经直管时湍流区摩擦因数与雷诺准数之间的关系。 三、实验原理 流体在直管内流动时产生的压力降可用下列公式计算，即：
3 目 录 实验一 流体流动阻力实验.1 实验二 离心泵性能实验.4 实验三 过滤实验.10 实验四 传热实验.16 实验五 干燥实验 实验一 流体流动阻力实验 一、实验目的 1．学习管路磨擦阻力、磨擦因数、管件的局部阻力系数的测定方法， 并通过实验了解它们的变化规律。 2．学习压差计及流量计的使用方法。 3．学习对数坐标纸的用法 二、实验任务 1．测定流体流经直管时层流区摩擦因数与雷诺准数之间的关系。 2．测定流体流经直管时湍流区摩擦因数与雷诺准数之间的关系。 三、实验原理 流体在直管内流动时产生的压力降可用下列公式计算，即：
4 2 2 u d L Pf = 式中：△P—因克服磨擦阻力而引起的压力降，N/m2； λ—磨擦因数，无因次； L—管长，m； d—管径，m； ρ—流体密度，kg/m3； u—平均流速，m/s。 实验时测出某一流量下的压力降，即可计算出此时的λ和 Re；改 变流量进行实验，即可求得一系列λ和 Re值，从而得到λ-Re关系。 四、实验装置 实验时，水由水槽 9 用泵 14 经调节阀 5 送入实验设备，根据实验 需要设备上的阀门控制水的流向和流量，由实验设备流出后经计量槽 返回水槽。实验装置流程如图所示。 1—Dg40 塑料 6—水位计式压差 11—测压点 2—Dg6 铜管 7—活动摆头 12—闸阀 3—1″截止阀 8—电气盒 13—针形阀 4—弯头 9—水槽 5—调节阀 10—计量槽水位计 五、实验方法 1．层流区摩擦因素与雷诺准数之间的关系 这项实验用 2 号（Dg6 铜管）进行，压力降由水位计式压差计测 量，流量用量筒和秒表测量，其步骤为： （1）关闭调节阀 5 和启动水泵 14；
4 2 2 u d L Pf = 式中：△P—因克服磨擦阻力而引起的压力降，N/m2； λ—磨擦因数，无因次； L—管长，m； d—管径，m； ρ—流体密度，kg/m3； u—平均流速，m/s。 实验时测出某一流量下的压力降，即可计算出此时的λ和 Re；改 变流量进行实验，即可求得一系列λ和 Re值，从而得到λ-Re关系。 四、实验装置 实验时，水由水槽 9 用泵 14 经调节阀 5 送入实验设备，根据实验 需要设备上的阀门控制水的流向和流量，由实验设备流出后经计量槽 返回水槽。实验装置流程如图所示。 1—Dg40 塑料 6—水位计式压差 11—测压点 2—Dg6 铜管 7—活动摆头 12—闸阀 3—1″截止阀 8—电气盒 13—针形阀 4—弯头 9—水槽 5—调节阀 10—计量槽水位计 五、实验方法 1．层流区摩擦因素与雷诺准数之间的关系 这项实验用 2 号（Dg6 铜管）进行，压力降由水位计式压差计测 量，流量用量筒和秒表测量，其步骤为： （1）关闭调节阀 5 和启动水泵 14；
5 （2）将调节阀 5 和阀 12 半开，阀 3 全开；让部分水流回水槽； 使针形阀 13 前的压力适当； （3）打开针形阀，使水位计式压差计中的压差达到测定值；待稳 定后，用量筒和秒表测定一定时间内的流量； （4）重复步骤（3）直到全部实验数据测定完毕为止； （5）关闭针形阀 13 和阀 3。 测定数据前，应排队水位计气泡，调节两水位计标尺，使零点处 于同一水平面上。在接近过渡区测取数据时应缓慢调节针形阀，以免 流量突然改变而引起额外扰动，使过渡区提前到来。 2．湍流区摩擦因素与雷诺准数之间的关系 这项实验用 1 号（Dg40 塑料管）进行，压力降由 II 型压差计测 量，流量用计量水槽和秒表测量，其步骤为： （1）将调节阀 5 全开； （2）调节阀 12，使 II 型压差计的压差达到测定值，待稳定后用 秒表测定一定时间内计量水槽中的水量； （3）重复步骤（2）直到全部实验数据测定完毕为止； 六、数据处理 将实验数据列于实验记录表中。 对每一项实验都要以一组数据为例，完整地列出计算过程，其余 数据经处理后将结果列于结果表中。 将数据在双对数坐标上进行标绘，并将结果与理论值进行比较。 七、思考题 1．为什么有些地方使用 U 型压差计，而有些地方使用 II 型压差 计？
5 （2）将调节阀 5 和阀 12 半开，阀 3 全开；让部分水流回水槽； 使针形阀 13 前的压力适当； （3）打开针形阀，使水位计式压差计中的压差达到测定值；待稳 定后，用量筒和秒表测定一定时间内的流量； （4）重复步骤（3）直到全部实验数据测定完毕为止； （5）关闭针形阀 13 和阀 3。 测定数据前，应排队水位计气泡，调节两水位计标尺，使零点处 于同一水平面上。在接近过渡区测取数据时应缓慢调节针形阀，以免 流量突然改变而引起额外扰动，使过渡区提前到来。 2．湍流区摩擦因素与雷诺准数之间的关系 这项实验用 1 号（Dg40 塑料管）进行，压力降由 II 型压差计测 量，流量用计量水槽和秒表测量，其步骤为： （1）将调节阀 5 全开； （2）调节阀 12，使 II 型压差计的压差达到测定值，待稳定后用 秒表测定一定时间内计量水槽中的水量； （3）重复步骤（2）直到全部实验数据测定完毕为止； 六、数据处理 将实验数据列于实验记录表中。 对每一项实验都要以一组数据为例，完整地列出计算过程，其余 数据经处理后将结果列于结果表中。 将数据在双对数坐标上进行标绘，并将结果与理论值进行比较。 七、思考题 1．为什么有些地方使用 U 型压差计，而有些地方使用 II 型压差 计？
6 2．实验时应如何控制流量，使实验点在λ-Re 图上分布得比较均 匀？
6 2．实验时应如何控制流量，使实验点在λ-Re 图上分布得比较均 匀？
7 实验二 离心泵性能实验 一、实验目的及任务 1．测量离心泵的主要性能参数，绘制离心泵的特性曲线，了解泵 的工作特性。 2．熟悉离心泵的操作方法。 二、实验的基本原理 恒定转速下离心泵的主要性能参数，即送液能力（流量）Q、压 头（扬程）H、轴功率 N 及效率η间存在着一定的关系，这种关系可 通过实验测定，并以曲线表示，即 H-Q 线、N-Q 线和η-Q 线，称为 离心泵的特性曲线。该曲线能直观清晰地反出泵的工作特性，是选用 和确定泵的适宜操作条件的重要依据。 实验采用的方法，是先测定泵在某一转速范围内，不同工作点的 流量，压头、轴功率和效率。应当指出，电动机转速随流量增大而降 低，其不同工作点是通过调节出口阀门开度改变流量而建立的。然后， 再由泵的特性比例定律换算成标定转速下对应工作点的性能值，即可 绘出泵的特性曲线。 三、实验装置及参数测定 实验装置如图所示。离心泵由电机直接拖动，电动机上装有马达 天平测定机和转速表。水从水槽经吸入管、泵体、压出管返回水槽。 管路上装有进口阀、出口阀和涡轮流量计，泵的入口、出口接有真空 表和压力表。为了向泵内充水，在大水槽上装有一个小水槽，并有细 管与泵体相连。 1．流量测量
7 实验二 离心泵性能实验 一、实验目的及任务 1．测量离心泵的主要性能参数，绘制离心泵的特性曲线，了解泵 的工作特性。 2．熟悉离心泵的操作方法。 二、实验的基本原理 恒定转速下离心泵的主要性能参数，即送液能力（流量）Q、压 头（扬程）H、轴功率 N 及效率η间存在着一定的关系，这种关系可 通过实验测定，并以曲线表示，即 H-Q 线、N-Q 线和η-Q 线，称为 离心泵的特性曲线。该曲线能直观清晰地反出泵的工作特性，是选用 和确定泵的适宜操作条件的重要依据。 实验采用的方法，是先测定泵在某一转速范围内，不同工作点的 流量，压头、轴功率和效率。应当指出，电动机转速随流量增大而降 低，其不同工作点是通过调节出口阀门开度改变流量而建立的。然后， 再由泵的特性比例定律换算成标定转速下对应工作点的性能值，即可 绘出泵的特性曲线。 三、实验装置及参数测定 实验装置如图所示。离心泵由电机直接拖动，电动机上装有马达 天平测定机和转速表。水从水槽经吸入管、泵体、压出管返回水槽。 管路上装有进口阀、出口阀和涡轮流量计，泵的入口、出口接有真空 表和压力表。为了向泵内充水，在大水槽上装有一个小水槽，并有细 管与泵体相连。 1．流量测量
8 流量由涡轮流量计测量。流量计由变送器和指示仪表组成。当水 流过管路时，装在管路内的涡轮产生转动，流量越大，流速越高，水 力冲击作用越大，涡轮转动越快，由于涡轮采用铁磁性材料制成，转 动讯号被变送器接收并放大，再送入仪表整形、示值，指示仪表示出 涡轮转动频率值。当转动频率 f>30>50hz（即 Q>1.5>1.8m3 /h），流量 Q 则正比于转动频率 f 即 Q=f/ζ，ζ为流量系数，流量显示仪拨在×10 挡时，ζ=70.53(1/L)(北面装置)或ζ=90.18(1/L)（南面装置）。 1—水槽 5—马达天平测功机 9—流量变送器 2—进口阀 6—出口阀 10—流量显示仪 3—水泵 7—真空表 4—转速表 8—压力表 2．压头测量 压头可由泵进出口间机械能守恒确定。根据伯努利方程，衡算式 为： + + = + H f g u g P H z 2 2 在本实验中，该式应简化。简化的依据是：（1）由于进出口两测 点之间管路很短，管路系统的压头损失 H f 可以忽略不计；（2）由 于两测点处管径相同，当流量一定是，流速 u1=u2,故 / 2 0 2 u g = ；（3） 由于出口压力表和进口真空表安装于同一水平面上，高度相等，则 z = 0 。因此，上式可以简化整理为 2 1 2 1 H = (p − p )/ g = h + h 。式中 ρ2、ρ1 分别为出口处测压点压力表压和进口处测点真空的真空度， h2、h1 分别为ρ2、ρ1 相当的水柱高度值
8 流量由涡轮流量计测量。流量计由变送器和指示仪表组成。当水 流过管路时，装在管路内的涡轮产生转动，流量越大，流速越高，水 力冲击作用越大，涡轮转动越快，由于涡轮采用铁磁性材料制成，转 动讯号被变送器接收并放大，再送入仪表整形、示值，指示仪表示出 涡轮转动频率值。当转动频率 f>30>50hz（即 Q>1.5>1.8m3 /h），流量 Q 则正比于转动频率 f 即 Q=f/ζ，ζ为流量系数，流量显示仪拨在×10 挡时，ζ=70.53(1/L)(北面装置)或ζ=90.18(1/L)（南面装置）。 1—水槽 5—马达天平测功机 9—流量变送器 2—进口阀 6—出口阀 10—流量显示仪 3—水泵 7—真空表 4—转速表 8—压力表 2．压头测量 压头可由泵进出口间机械能守恒确定。根据伯努利方程，衡算式 为： + + = + H f g u g P H z 2 2 在本实验中，该式应简化。简化的依据是：（1）由于进出口两测 点之间管路很短，管路系统的压头损失 H f 可以忽略不计；（2）由 于两测点处管径相同，当流量一定是，流速 u1=u2,故 / 2 0 2 u g = ；（3） 由于出口压力表和进口真空表安装于同一水平面上，高度相等，则 z = 0 。因此，上式可以简化整理为 2 1 2 1 H = (p − p )/ g = h + h 。式中 ρ2、ρ1 分别为出口处测压点压力表压和进口处测点真空的真空度， h2、h1 分别为ρ2、ρ1 相当的水柱高度值
9 3．轴功率的测量 轴功率（泵轴的输入功率）是由电动机实际输出功率的测定来确 定的。电动机的输出功率 N 电等于电动机工作时输出转矩形 Mn 与角速 度ω的乘咱们，即 N 电=Mn.ω，角速度ω可由转速表测得的转速 n（转 /分）计算，ω=2πn/60(1/秒)。输出转矩 Mn 可由马达天平测功机测 得。测功机原理如图（3-2）所示，叫动机外壳用轴承支架可自由转支， 壳体一侧装有平衡锤，另一侧装有测功臂，当电动机工作输出转矩时， 转子必反作用于定子（壳体）一大小相等的反方向力矩，使壳体反向 转动，若在测功臂端加以适量的重物（砝码），即可平衡反向转矩使壳 体恢复平衡，砝码的重量 P 与测功臂长 L 的乘积，就是电动机壳体的 反向转矩，即电动机的输出转矩，本装置 L=0.4869(米)。 轴功率采用工程制计算时很简单。 2000 . 973.7 . . 1000 9.81 60 2 . . n P L n P n N = P L = = （千瓦）， 式中：P—砝码重量（千克力） L—测功臂长（米） N—转速（转/分） 1—联轴器 4—轴承支架 7—砝码 2—定子 5—平衡锤 8—准星 3—转子 6—测功机 4．效率的确定 泵的效率是泵的有效功率与轴功率之比。泵的有效功率为液体自 泵得到的功率，可按下式计算 Ne=QHρP(瓦)。 5．标定转速下性能值的计算
9 3．轴功率的测量 轴功率（泵轴的输入功率）是由电动机实际输出功率的测定来确 定的。电动机的输出功率 N 电等于电动机工作时输出转矩形 Mn 与角速 度ω的乘咱们，即 N 电=Mn.ω，角速度ω可由转速表测得的转速 n（转 /分）计算，ω=2πn/60(1/秒)。输出转矩 Mn 可由马达天平测功机测 得。测功机原理如图（3-2）所示，叫动机外壳用轴承支架可自由转支， 壳体一侧装有平衡锤，另一侧装有测功臂，当电动机工作输出转矩时， 转子必反作用于定子（壳体）一大小相等的反方向力矩，使壳体反向 转动，若在测功臂端加以适量的重物（砝码），即可平衡反向转矩使壳 体恢复平衡，砝码的重量 P 与测功臂长 L 的乘积，就是电动机壳体的 反向转矩，即电动机的输出转矩，本装置 L=0.4869(米)。 轴功率采用工程制计算时很简单。 2000 . 973.7 . . 1000 9.81 60 2 . . n P L n P n N = P L = = （千瓦）， 式中：P—砝码重量（千克力） L—测功臂长（米） N—转速（转/分） 1—联轴器 4—轴承支架 7—砝码 2—定子 5—平衡锤 8—准星 3—转子 6—测功机 4．效率的确定 泵的效率是泵的有效功率与轴功率之比。泵的有效功率为液体自 泵得到的功率，可按下式计算 Ne=QHρP(瓦)。 5．标定转速下性能值的计算
10 离心泵的特性曲线是某标定转速成下的特性曲线，实验测得的转 速与标定转速有差异，应将实验计算值用泵的特性比例定律换算成标 定转速下的数值。离心泵的标定转速 n 取 2900（转/分）。 四、实验方法 1．熟悉本装置流程及测量仪表。 2．泵内充水。操作程序：关闭进口阀：开出口阀；开充水旋塞， 充满水后关闭充水旋塞；关闭出口阀；全开进口阀。注意：各阀开闭 不得同时操作或不按顺序操作。 3．检查流量显示仪表是否拨在×10 挡（防止流量增大损坏仪表）， 接通仪表电源。 4．接通泵电源，使泵转动，及时观察压力表指针是否摆动，如原 地未动，可能是泵充水或开关阀门存在问题，应立即断开泵电源，进 行检查或重新操作。 5．用出口阀调节流量（实际上是改变工作点），由零至最大（或 反之），测取 10-12 组数据，注意流量间隔点应均匀分布，即应使△f 值相同。 6．测量完毕，全关出口阀，停泵、关闭仪表、核清砝码，结束实 验。 五、实验结果的整理 1．将实验数据经计算处理后列表示出（格式见附表）。写出其中 一组数据计算的全过程。 2．根据数据处理结果，在普通座标纸上绘制出标定转速下泵的特 性曲线；并依据特性曲线确定该泵的适宜操作区。要求绘制曲线准确， 线条清晰、圆滑，实验点明显，图面清洁
10 离心泵的特性曲线是某标定转速成下的特性曲线，实验测得的转 速与标定转速有差异，应将实验计算值用泵的特性比例定律换算成标 定转速下的数值。离心泵的标定转速 n 取 2900（转/分）。 四、实验方法 1．熟悉本装置流程及测量仪表。 2．泵内充水。操作程序：关闭进口阀：开出口阀；开充水旋塞， 充满水后关闭充水旋塞；关闭出口阀；全开进口阀。注意：各阀开闭 不得同时操作或不按顺序操作。 3．检查流量显示仪表是否拨在×10 挡（防止流量增大损坏仪表）， 接通仪表电源。 4．接通泵电源，使泵转动，及时观察压力表指针是否摆动，如原 地未动，可能是泵充水或开关阀门存在问题，应立即断开泵电源，进 行检查或重新操作。 5．用出口阀调节流量（实际上是改变工作点），由零至最大（或 反之），测取 10-12 组数据，注意流量间隔点应均匀分布，即应使△f 值相同。 6．测量完毕，全关出口阀，停泵、关闭仪表、核清砝码，结束实 验。 五、实验结果的整理 1．将实验数据经计算处理后列表示出（格式见附表）。写出其中 一组数据计算的全过程。 2．根据数据处理结果，在普通座标纸上绘制出标定转速下泵的特 性曲线；并依据特性曲线确定该泵的适宜操作区。要求绘制曲线准确， 线条清晰、圆滑，实验点明显，图面清洁