干燥特性实验

一 实验目的

  1. 通过实验加深对干燥理论的感性认识及理解，巩固其基本知识；

  2. 掌握干燥特性曲线的测试方法；

  3. 学会使用称重法计算物料的含水率。

二 实验原理

1. 干燥的定义

物    料：所谓物料是指干燥对象。含有一定水分的物料称为湿物料。

干燥介质：用来干燥物料的介质。

 在干燥过程中，当湿物料与干燥介质接触时，其表面水分不断汽化，在物料内部和表面之间形成湿度梯度，于是物料的内部水分借助于毛细管的扩散作用向其表面移动，并在湿物料内部的水分不断地移动到其表面，不断地汽化，最终达到了物料干燥的目的。

2. 干燥的意义

（1） 贮存

 在工农业生产和人民生活中有许多物料如粮食、食品、化肥、药品等等在含水率较高的情况下，不宜贮存。例如在一定温度下易发霉、变质。采用干燥的方法将湿物料中的水分去掉，就可达到长期保存的目的。

 （2）运输

 物料在干燥前后的重量是不相同的。没有经过干燥的湿物料直接运输必然会增大运输负荷，增加运输费用。所以，将湿物料干燥后再运输既可节省空间，又能节省费用。

（3）化学反应

有些化工原料需在干燥情况下进行反应，才能保证化学反应温度。因为湿物料中的水分在化学反应中要吸热蒸发，因此反应温度必然要降低。所以有些化工原料在化学反应前必须进行干燥。

3. 干燥特性曲线

在干燥过程中，按一定的时间间隔，测取物料的含水率，然后绘制成物料含水率与干燥时间、物料的干燥速率与含水率之间的关系曲线，即干燥特性曲线X-t图和n_A-X图。

如图1所示。图中曲线分为三部分，分别为AB、BC和CDE。其中AB段为物料的预热段，时间很短；BC段为恒速干燥段，曲线的斜率为常数；CDE段为降速段，曲线斜率逐渐降低。C点为临界点，即恒速段与降速段的分界点，该点的含水率X₀为临界含水率。X^*为干燥过程最终含水率，称为平衡水分。

三、实验设备、仪器及实验装置系统图

图1 恒定干燥情况下的干燥曲线

 实验用设备、仪器包括 干燥箱、电光天平、称量瓶、秒表等。

                                       

四、实验方法及步骤

 1.  实验方法

    采用干燥箱作为干燥器，同时也做烘干试样用。首先加热干燥箱至适当的温度（实验之前，由指导老师操作），将处理后的各称量瓶盛入适量的实验物料，然后同时放入干燥箱中，开始实验并记时。以后步骤同上。

2.  实验步骤

(1) 加热空气预热器或干燥箱至实验温度；

  (2) 待空气温度稳定后，加入实验物料；

(3) 用秒表记时；

(4) 按一定时间间隔，用称量瓶取样；

(5) 待取出的试样冷却后，称重，将其重量及称量瓶编号和时间添入数据记录表中；

 (6) 待试样全部取完、称重、记录后，再将所有试样送入干燥箱中烘干直至恒重；

(7) 将彻底烘干的试样取出，冷却后分别称重并填入数据表中对应编号的位置；

(8) 根据实验测试的数据计算出每个试样的干基含水率X。

干燥特性实验数据记录表

时间：      年  月  日                    风温：

五、实验数据处理

物料的含水率

本实验物料的含水率是指干基含水率，用符号X表示。它是指湿物料中水分的质量与其绝对干料的质量之比，即：

X=      （kg_水/kg_干料）         (4-1)

式中  —称量瓶自重，[g]；

 —湿料重加上瓶重，[g]

 —干料重加上瓶重，[g]；

 —湿物料中水分的质量，[g]；

 — 湿物料中绝对干料的质量，[g]。

测量方法：

该实验所用取样容器为若干个5ml的称量瓶，用此容器盛装实验试样，并将称量瓶编上号码。

实验前，先分别称取各瓶的自重m₀。实验结束后，再称已装入试样的各称量瓶的重量（湿料重+瓶重）m₁，然后将所有试样送入干燥箱进行烘干直至恒重。将物料冷却后再用天平分别称其重量（干料重+瓶重）m₂，最后按（6-10-1）式计算出物料的干基含水率。

六、实验结果与分析

将实验数据描绘在直角坐标纸上，横轴为干燥时间t，纵轴为物料干基含水率X，绘出X—t图和n_A-X图，然后根据实验结果进行理论及误差分析，最后指出本实验物料的干燥特点。

七、思考题

1. 干、湿基含水率有何区别？为什么在整个干燥过程中采用干基含水率？

第五章 工业锅炉综合实验

实验一  工业锅炉（多管水循环）实验

一、实验目的

1、观察在自然条件下，平行管汽液双相的流动结构。

2、观察平行管在不同热负荷下的流动偏差现象。

3、了解自然循环故障：停滞与倒流的现象。

二、实验原理

 自然循环锅炉中的循环动力，是靠上升管与下降管之间的压力差来维持的，它是由上锅筒（汽包）、下集箱、下降管和上升管组成。上升管由于受热，工质随温度升高而密度变小；在一定的受热强度及时间下，上升管会产生部分蒸汽，形成汽水混合物，从而也使上升管工质密度大大降低。这样，不受热的下降管工质密度与上升管工质密度形成一个差值，依靠这个密度差产生的压差，上升管的工质向上流动，下降管的工质向下流动进行补充，形成循环回路。只要上升管的受热足以产生密度差，循环便不会停止。

循环回路是否正常，将影响到锅炉的正常运行。如果是单循环回路（只有一根上升管和下降管），由上升管上升至上锅筒（汽包）的工质将由下降管得到补充，使上升管得到足够的冷却，因而循环是正常的。但锅炉的水冷壁并非由简单的回路各自独立组成，而是由上升管并排组成受热管组，享有共同的汽包、下降管、下集箱。这样组成的自然循环比单循环具有更大的复杂性，各平行管之间的循环相互影响，如果各上升管受热不均匀，由于某些原因受热弱的管子中的工质将出现停滞、倒流现象。

1、循环停滞：当并列的上升管受热不均匀时，在受热弱的上升管中，汽水混合物的密度便大于受热强的管子中汽水混合物的密度（见图一），从图一可以看出，a管受热强，管中汽水混合物的密度就小；b管受热弱，管中汽水混合物的密度就大。因此受热弱的上升管b所产生的运动压头就比受热强的上升管a要小，若b管受热很弱，则极小的运动压头，便不能保证上升管中的工质以最低的允许速度做稳定的流动，而会处于停止不动的状态，这种现象就叫做循环停滞。很显然，当发生循环停滞时，传热情况将大大恶化，如果上升管是直接引入汽包的蒸汽空间的，则在受热弱的上升管的上部，将形成不动的自由水面（见图一中的放大视图），这样管壁温度将会急剧增高而使管壁过热。是指在受热弱的上升管中，其有效压头不足以克服下降管的阻力，使汽水混合物处于停滞状态，或流动的很慢，此时只有汽泡缓慢上升，在管子弯头等部位容易产生汽泡的积累使管壁得不到足够的水膜来冷却，而导致高温破坏。

2、循环倒流：当并列的上升管受热严重不均匀时，则在受热最弱的上升管中所产生的运动压头就很小，同时由于受热最强的上升管中工质的流速很大而产生抽吸作用，会使受热最弱的上升管中工质的循环流速成为负值，即管中的工质将朝着与正常循环方向相反的方向流动，这种现象就叫做循环倒流（或循环倒转），发生循环倒流时，假如汽水混合物沿着整个管子平均地向下流动，那就暂时不会发生什么事故，但是，由于在受热管子中不断产生的一部分汽泡由于浮力的作用总是力图上升的，所以汽泡的运动方向就与水的流动方向相反，而当汽泡上升的运动速度与水向下的运动速度相等时，便会发生汽泡的停滞，产生所谓的“汽塞” 现象，这时，发生“汽塞”的管段就会因得不到有效的冷却而很快地过热烧坏。原来工质向上流的上升管，变成了工质自上而下流动的下降管。产生倒流的原因亦是在受热弱的管子中，其有效压头不能克服下降管的阻力所致。如倒流速度足够大，也就是水量较多，则有足够的水来冷却管壁，管子仍能可靠的工作。如倒流速度很小，则蒸汽泡受浮力作用可能处于停滞状态，并且容易在弯头等处积累，使管壁受不到水的冷却而过热损坏。

这二种循环故障都是锅炉运行中应避免的。本实验主要能使学生对此二种循环故障有深刻的了解。

三、实验装置

工业锅炉演示模型，亦即锅炉自然水循环实验装置的结构示意图如附图一所示。装置由自然水循环系统组成，系统由七根玻璃制上升管、三根玻璃制下降管、一个上锅筒和一个下集箱所组成，在上锅筒的左右两侧端面上禁固着20mm厚的玻璃视镜，用来观察工质的加热与水位状况；前后两边是上升管和下降管，上升管和下降管上端连接着上锅筒，下端连接着下集箱，七根上升管，每根都缠绕一根额定功率为500W的加热电热丝，选择②④、③⑥、⑤⑦每两根为一组，分成三组，通过相应的电子调压器来调节输入电压，并利用开关来接通或断开电源；第①根则只用开关来接通和断开电源，用以改变加热状况。

调节各上升管的加热程度（或停止加热），可以演示出上升管和下降管中正常自然水循环时系统中的水汽流态、柱状和弹状汽泡的现象；也可以演示自然水循环中的常见的故障：停滞和倒流。水循环系统安装在实验台支架的左半部分。

在实验台支架的右半部分，装有系统的控制电路。演示时，除调整和观察加热电压外，通过按下控制面板上的电流检测按钮，还可以测定加热电路中的电流大小，用以计算上升管的加热电功率。

四、使用和操作

使用和操作步骤简述如下：

1、使用前，首先加水至上锅筒的水位线处。

2、接通三相电源，开启总电源开关。

3、检查电路和仪表无异常情况后，将各加热开关置于接通位置。将三只调压选钮旋至电压表指示为零。

4、将三只调压选钮旋至电压表指示接近220V，加热至工质进入沸腾状态，此时可以从上升管和下降管中观察到正常的自然水循环状态，所有的上升管中的水向上流动，而下降管中的水则向下流动。在沸腾剧烈时，可以看到管中产生柱状和弹状汽泡的水、汽两相混合流动状态。

5、为了能够在热水循环系统中演示常见的停滞和倒流的故障现象，在上述实验工况下，可采用三种方案来模拟一些上升平行管的受热不均匀情况，从而使受热弱的上升管中产生并观察到上述故障现象。

方案如下，可择其可行者来试验：

①选择任一组调压加热电路，下调电压至30V左右，使这二根（一组）上升管产生降温，从而可导致在受热弱的上升管中出现故障。

②选择任意二组调压加热电路，断开二根（一组）上升管的加热开关，下调另外二根（一组）加热电压至30V左右，使其中二根上升管降温，另二根上升管断电停止加热，也会在这些受热弱的上升管中导致故障出现。

③选择任一组调压加热电路，不下调调压器电压，而断开这二根（一组）上升管的加热开关，使这二根（一组）上升管断电不加热，也可以在这二根受热弱的上升管中出现故障。

6、将实验结果添入实验记录，并写出实验报告。

7、实验结束后，将所有调压器调至零位，并断开总电源。

五、实验记录           

1、自然水循环汽水流动状态

2、自然水循环常见故障

 

第二篇：干燥特性曲线测定实验

干燥特性曲线测定实验

一、实验目的

1．了解洞道式干燥装置的结构及其操作方法；

2．了解无纸记录仪及重量、温度、流量等传感器的使用方法；

3．测定物料在恒定干燥条件下的干燥特性，作出干燥特性曲线(X～τ，U～X)，并求出临界含水量Xc、平衡含水量X*及恒速阶段的干燥速度U恒速；

4．改变气温或气速等操作条件，测定不同空气参数下的干燥特性曲线，求出各自的临界含水量、平衡含水量及恒速阶段的干燥速度。

二、实验装置与流程

实验装置如图1所示，由离心风机、孔板流量计、温度控制单元、干燥室、重量测量单元、空气流量组合调节阀和不锈钢进、出管道等组成。

1－离心风机； 2－孔板流量计； 3－孔板流量计处温度； 4－预热室； 5－干燥室； 6－重量传感器；7－物料干燥盘； 8－干燥室进口干球温度； 9－干燥室进口湿球温度； 10－干燥室出口干球温度； 11－废气排放阀；12－废气循环阀； 13－空气补充阀

图1  干燥特性曲线测定实验装置流程示意图

空气从离心风机1吸入，经孔板流量计2计量、在预热室4处经电加热到设定温度T₁后，进入干燥室，将热能供给干燥物料，完成干燥过程，然后一部分空气通过废气排放阀11直接排放至大气，另一部分空气通过废气循环阀12作循环使用，通过调节空气补充阀13可改变干燥介质空气中新鲜空气所占的比例。在干燥室的进、出口处分别装有空气进口干球温度8、空气进口湿球温度9和空气出口干球温度10。装在干燥室下方的重量传感器6和装在干燥室内的物料干燥盘7直接相连，可以实时测定干燥物料在干燥过程中的重量变化；空气流量由孔板流量计2测量，并通过废气排放阀11、循环空气控制阀12和新鲜空气补充阀13的组合调节来改变流量，空气进口温度可通过手动的方式在温控仪上自行设定而由温度控制器自动控制。实验装置的干燥室面积为0.17×0.1 m²，待测的空气温度、流量和物料的重量均可在无纸记录仪或计算机上读取。

三、、原理和方法

当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始汽化，并向周围介质传递。根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为以下两个阶段:

恒速干燥阶段：在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的水分能迅速地到达物料表面，因此，干燥速率为物料表面上水分的汽化速率所控制，故此阶段亦称为表面汽化控制阶段，在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的汽化，物料表面的温度维持恒定（等于热空气湿球温度t_w），物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。

降速干燥阶段：当物料湿含量降到临界湿含量X_c以下后，便进入降速干燥阶段。此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的汽化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制，故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥速率不断下降，直至物料含水量达到该空气状态下的物料平衡含水量X^*。

影响恒速阶段干燥速率和临界含水量的因素很多，主要有：固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。为了减少影响因素，我们将湿物料在恒定干燥条件下（即干燥介质空气的温度、湿度、速度以及与物料接触的方式均维持恒定）来进行干燥，实验中，通过测定干燥物料的重量随干燥时间的变化过程，即可求得物料湿含量X与干燥时间τ的关系，将数据加以整理可得物料的干燥速率曲线U～X。

1．干燥速率的测定

干燥速度定义为单位时间、单位干燥表面积所干燥除去的水分重量，以U代表之，故

                   （1）

即：

　　 　　　　　     　（2）

式中：U—干燥速度，kg/（m²·s）；

      W—汽化的水分量，kg；

S—干燥面积，m²；

τ—干燥时间，s；

G_C—物料绝干重量，kg；

X—物料干基含水量，kg水／kg绝干物料。

2．物料干基含水量的测定

物料干基含水量指的是绝对干物料中所含有的水量。根据物料干基含水量的定义，不同时刻物料的干基含水量X_i为：

　　　　　　　　　　　      　（3）

式中：X_i—物料在τ_i时刻的含水量，㎏水／㎏绝干物料；

G_i—τ_i时刻对应的物料重量(不包括附件重)，㎏。

根据实验测出不同时刻物料重量与时间的关系曲线G_i～τ_i，按（3）式可得τ_i时刻所对应的X_i值，据此即可在直角坐标纸上作出干燥曲线X～τ；在X～τ曲线上再取若干代表性的点，

根据X～τ曲线的拟合曲线方程，求出这些点所对应的斜率，按（2）式即可计算出这些点

对应的干燥速度U_i，然后根据U_i和X_i的值，在直角坐标纸上绘出干燥速率曲线U～X，从U～X图中可以直接读出恒定干燥速度U_恒速、临界含水量X_c以及平衡含水量X^*。

四、实验操作步骤和注意事项

1．    将干燥物料放入水中完全浸湿。

2．    调节废气循环阀12到全开的位置后，将离心风机吸入口的蝶阀13和废气排出阀11调到合适的开度（一般均选择在中间档）。

3．    开启仪表柜上的电源总开关和无纸记录仪的电源开关，再开启温控仪电源开关，温控仪上电后，上显示窗显示干球当前温度值，下显示窗显示干球温度设定值，如需改变干球温度设定值，按“▲”键约3秒钟，温控仪上显示窗显示设定值符号“SP”，下显示窗显示当前设定值，此时分别按移位键?、增加键▲、减小键▼来改变设定值，调好后按SET键保存数据，本设定值即为控制干球温度的目标值。待在下面的操作步骤中打开离心风机开关和加热管开关后，仪表便自动将干球温度控制到设定的温度。

4．    打开离心风机开关和加热管开关。

5．    打开计算机，运行上位监控工程软件，当出现“干燥特性曲线测定实验”进入实验画面后，点击“进入实验”按钮。

6．    点击“进入实验”按钮后，进入实验流程图界面，在本界面上可监视温度、流量和物料重量等过程变量值。

7．    当温控仪上的空气温度稳定在设定值的±3.0℃以内时,可认为系统已达稳定，用重量传感器测定出支架的重量并记录之，同时将干燥室内湿球温度计下方的水杯加满水，注意加水时，不要碰到干燥盘，以便损坏重量传感器。

8．    把充分浸湿的干燥物料放置在与重量传感器相连的物料干燥盘上,并保持与气流平行。

9．    由于干燥物在干燥过程中的某些时段质量变化非常微小，加上干燥室内干燥空气流动对干燥物质量测量有影响，为了尽量消除或减少各种外界因素的干扰，在干燥物质量测量信号的传输线路和软件数据处理上都对信号采取了一定的滤波措施，考虑到滤波后数据结果显示有一定的滞后性，因此当干燥物料放入干燥室约1分钟后待干燥物质量信号稳定后，再点击实验流程图界面中的“干燥开始”按钮，此时计算机开始记录干燥实验数据。

10． 实验过程中，点击实验流程图界面中的“报表浏览”按钮，计算机转到实验数据报表浏览界面

11． 在报表浏览页面，可输入采样时间间隔，输入时间范围为90~240秒，推荐值为180秒。点击“返回”按钮，计算机又转到实验流程图界面，实验过程中，通过点击“报表浏览” 按钮和“返回”按钮，可实现两界面的切换。

12． 当实验流程图界面中右边的干燥物料重量不再随时间变化而趋于一条直线时（如下图示），表示该实验条件下的干燥过程已结束。

13． 点击“报表浏览”按钮，进入报表浏览界面，点击其中的“导出到EXCEL表格”按钮，再根据计算机屏幕的提示，取好待保存的EXCEL文件的文件名，就可将本次测到的所有实验数据导出到EXCEL表格中保存起来，供实验结束后进行实验数据处理时引用。

14． 点击“返回”按钮，将计算机转到实验流程图界面，点击“干燥结束”按钮，表示该实验条件下的干燥实验已告结束。

15． 取出干燥物料，将干燥物料重新放入水中浸湿。改变温控仪上的空气温度的设定值（一般改变幅度在10℃左右），当温控仪上的空气温度又重新稳定在新设定值的±3.0℃以内时，可认为系统已稳定，重复实验步骤7～14，进行另一实验条件下的干燥实验。

16． 实验结束后，点击“退出实验”按钮，再依次关闭加热管开关、温控仪开关，待干燥室内的空气温度下降到60℃以下时，关闭离心风机开关，再关闭计算机和仪表柜上所有仪表电源和电源总开关。

注意事项

1．重量传感器的量程为（0～300克），精度较高。在放置干燥物料时务必要轻拿轻放，以免损坏仪表。

2．干燥器内必须有空气流过时才能开启加热，否则有可能干烧，损坏加热器，出现事故。

3．干燥物料要充分浸湿，但不能有水滴自由滴下，否则将影响实验数据的正确性。

4．实验过程中，不要改变温控仪、无纸记录仪等仪表的设置。

5．注意给湿球温度计的水杯加水时，不要碰到干燥盘，以免损坏重量传感器。

五、实验数据处理

考虑到本实验采集的数据量较多，因此本装置专门配备了干燥实验数据处理模板，下面介绍该数据处理模板的使用方法。

1．打开干燥实验过程中导出的保存有实验数据的EXCEL文件

2．选中打开的EXCEL表中的B、C两列的实验数据，如下图示，同时按“Ctrl”和“C”键，将选中的该两列实验数据拷贝下来。

3．打开干燥实验数据处理模板文件

4．用鼠标点击干燥时间列中的第一单元格（即B列第5行，简称B5单元格，以下同。），同时按“Ctrl”和“V”键，将前面拷贝下来的实验数据粘贴上去

5．按住鼠标左键，同时选中D5、E5、F5三个单元格

6．放开左键，将鼠标的光标移到选中的D5、E5、F5三个单元格的右下角，这时鼠标变成一个黑的“十”字型，按住鼠标左键，同时将鼠标拖到与左边的原始数据（刚拷贝进来的干燥时间和物料重量）齐平，再放开鼠标的左键

7．点击干燥曲线X～τ关系图中的拟合公式

8．选中公式框中的3次方系数，同时按“Ctrl”和“C”键，将该3次方系数拷贝下来。

9．用鼠标点击H4单元格，同时按“Ctrl”和“V”键，将该3次方系数粘贴上去，同理，将拟合公式里2次方和1次方的系数也分别粘贴到I4和J4单元格中

10．至此，整个干燥实验数据处理模板操作过程即告结束，计算机将实验数据的处理结果包括干燥曲线（X~τ）和干燥速率曲线（U~X）显示在屏幕上，从屏幕上可知道整个干燥实验的结果。

注意：目前该实验数据处理模板设置的每次最多可处理50个实验点。

六、实验数据记录

专业                    姓名               学号                  

日期                    地点              装置号                 

同组同学                                                         

物料绝干重量Gc                 物料干燥面积S           

八、实验报告

1．根据实验数据记录表，用列表法列出本次实验在某一实验条件下的τ、X和U的各计算值；

2．列出一组完整的计算示例；

3．根据实验结果，在不同的直角坐标纸上绘制出干燥曲线X～τ和干燥速率曲线U～X，并得出恒定干燥速率U_恒速、临界含水量X_c、平衡含水量X^*；

4．对得到的实验结果进行分析讨论。

九、思考题

1．在其他条件不变的情况下，增加风速，干燥速率曲线如何变化？

2．试分析空气流量或温度的改变对临界含水量的影响。

3．什么是恒定干燥条件？本实验装置中采取了那些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？