化工流動過程綜合實驗裝置說明書

一、實驗目的：
1.學習直管摩擦阻力,直管摩擦系數的測定方法。.
2.掌握直管摩擦系數與雷諾數和相對粗糙度之間的關系及其變化規律。
3.掌握局部摩擦阻力,局部阻力系數的測定方法。.
4.學習壓強差的幾種測量方法和提高其測量精確度的一些技巧。
5.熟悉離心泵的操作方法。
6.掌握離心泵特性曲線和管路特性曲線的測定方法、表示方法、加深對離心泵性能的了解。
二、實驗內容:
1.測定實驗管路內流體流動的阻力和直管摩擦系數。
2.測定實驗管路內流體流動的直管摩擦系數與雷諾數和相對粗糙度之間的關系曲線。
3.測定管路部件局部摩擦阻力和局部阻力系數。
4.熟悉離心泵的結構與操作方法。
5.測定某型號離心泵在一定轉速下的特性曲線。
6.測定流量調節閥某一開度下管路特性曲線。
三、實驗原理:
1.直管摩擦系數l與雷諾數Re的測定:
直管的摩擦阻力系數是雷諾數和相對粗糙度的函數，即，對一定的相對粗糙度而言，。
流體在一定長度等直徑的水平圓管內流動時，其管路阻力引起的能量損失為：                               （1） 又因為摩擦阻力系數與阻力損失之間有如下關系（范寧公式）
                             （2）
整理（1）（2）兩式得                                （3）
                                                   （4）
式中：  管徑，m；            直管阻力引起的壓強降，Pa；
管長，m；             流速，m / s；
流體的密度，kg / m³；  流體的粘度，N·s / m²。
在實驗裝置中，直管段管長l和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本實驗實質上是測定直管段流體阻力引起的壓強降△P_f與流速u（流量V）之間的關系。
    根據實驗數據和式（3）可計算出不同流速下的直管摩擦系數λ，用式（4）計算對應的Re，整理出直管摩擦系數和雷諾數的關系，繪出λ與Re的關系曲線。
2．局部阻力系數的測定
                                                    
式中： 局部阻力系數，無因次；  局部阻力引起的壓強降，Pa；
局部阻力引起的能量損失，J／kg。

圖-1  局部阻力測量取壓口布置圖
局部阻力引起的壓強降 可用下面方法測量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測局部阻力的閥門，在上、下游各開兩對測壓口a-a'和b-b＇如圖-1，使 ab＝bc ； a＇b＇＝b＇c＇，則   △P_{f，a b} ＝△P_f，bc ； △P_f，a＇b＇= △P_f，b＇c＇
在a~a＇之間列柏努利方程式 P_a－P_a＇ =2△P_{f，a b}+2△P_f，a＇b＇+△P^＇_f                (5)
在b~b＇之間列柏努利方程式： P_b－P_b＇ = △P_f，bc+△P_f，b＇c＇+△P^＇_f
                             = △P_{f，a b}+△P_f，a＇b＇+△P^＇_f            （6）
聯立式(5)和(6)，則：＝2(P_b－P_b＇)－(P_a－P_a＇)
為了實驗方便，稱(P_b－P_b＇)為近點壓差，稱(P_a－P_a＇)為遠點壓差。其數值用差壓傳感器來測量。
3.離心泵特性曲線:
離心泵是最常見的液體輸送設備。在一定的型號和轉速下，離心泵的揚程H、軸功率N及效率η均隨流量Q而改變。通常通過實驗測出H—Q、N—Q及η—Q 關系，并用曲線表示之，稱為特性曲線。特性曲線是確定泵的適宜操作條件和選用泵的重要依據。泵特性曲線的具體測定方法如下：
(1) H 的測定：
在泵的吸入口和排出5之間列柏努利方程
             （7）
             （8）
上式中是泵的吸入口和壓出口之間管路內的流體流動阻力，與柏努力方程中其它項比較，值很小，故可忽略。于是上式變為：
                  （9）
將測得的和值以及計算所得的代入上式，即可求得H。
(2) N 測定：
功率表測得的功率為電動機的輸入功率。由于泵由電動機直接帶動，傳動效率可視為1，所以電動機的輸出功率等于泵的軸功率。即：
泵的軸功率 N=電動機的輸出功率，Kw
電動機輸出功率=電動機輸入功率×電動機效率。
泵的軸功率=功率表讀數×電動機效率，Kw。
 (3)  測定                                             （10）
                         （11）
式中：—泵的效率；  N—泵的軸功率，Kw；
 Ne-泵的有效功率Kw；  H—泵的揚程，m；
Q—泵的流量，m³/s；  -水的密度，Kg/m³。
4.管路特性曲線:
    當離心泵安裝在特定的管路系統中工作時，實際的工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關，還與管路特性有關，也就是說，在液體輸送過程中，泵和管路二者相互制約的。
管路特性曲線是指流體流經管路系統的流量與所需壓頭之間的關系。若將泵的特性曲線與管路特性曲線在同一坐標圖上，兩曲線交點即為泵的在該管路的工作點。因此，如同通過改變閥門開度來改變管路特性曲線，求出泵的特性曲線一樣，可通過改變泵轉速來改變泵的特性曲線，從而得出管路特性曲線。泵的壓頭H計算同上。
5.流量計性能測定:
流體通過節流式流量計時在上、下游兩取壓口之間產生壓強差，它與流量的關系為：                         （12）
式中：被測流體(水)的體積流量，m³/s；
     流量系數，無因次；
    流量計節流孔截面積，m²；
    流量計上、下游兩取壓口之間的壓強差，Pa ；   
    被測流體(水)的密度，kg／m³ 。
用渦輪流量計作為標準流量計來測量流量V_S。，每一個流量在壓差計上都有一對應的讀數，將壓差計讀數△P和流量V_s繪制成一條曲線，即流量標定曲線。同時利用上式整理數據可進一步得到C—Re關系曲線

四、實驗裝置的基本情況:
 1.實驗裝置流程示意圖:

圖-2  流動過程綜合實驗流程示意圖
1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口壓力表；5、16-緩沖罐；6、14-測局部阻力近端閥；7、15-測局部阻力遠端閥；8、17-粗糙管測壓閥；9、21-光滑管測壓閥；10-局部阻力閥；11-文丘里流量計（孔板流量計）；12-壓力傳感器；13-渦流流量計；18、32-閥門；20-粗糙管閥；22-小轉子流量計；23-大轉子流量計； 24閥門；25-水箱放水閥；26-倒U型管放空閥；27- 倒U型管；28、30-倒U型管排水閥；29、31-倒U型管平衡閥
實驗裝置流程簡介
①流體阻力測量：
水泵2將儲水槽1中的水抽出，送入實驗系統，經玻璃轉子流量計22、23測量流量，然后送入被測直管段測量流體流動阻力，經回流管流回儲水槽1。被測直管段流體流動阻力ΔP 可根據其數值大小分別采用變送器12或空氣—水倒置Ｕ型管來測量。
②流量計、離心泵性能測定：
水泵2將水槽1內的水輸送到實驗系統，流體經渦輪流量計13計量，用流量調節閥32調節流量，回到儲水槽。同時測量文丘里流量計兩端的壓差，離心泵進出口壓強、離心泵電機輸入功率并記錄。
③管路特性測量：
用流量調節閥32調節流量到某一位置，改變電機頻率，測定渦輪流量計的頻率、泵入口壓強、泵出口壓強并記錄。
2.實驗設備主要技術參數：
表-1實驗設備主要技術參數

序號	名稱	規格	材料
1	玻璃轉子流量計	LZB—25    100~1000（L/h） LZB—10    10~100（L/h）
2	壓差傳感器	型號LXWY    測量范圍0--200 KPa	不銹鋼
3	離心泵	型號WB70/055	不銹鋼
4	文丘里流量計	喉徑0.020m	不銹鋼
5	實驗管路	管徑0.043m	不銹鋼
6	真空表	測量范圍0.1-0MPa  精度1.5級, 真空表測壓位置管內徑d1=0.028m
7	壓力表	測量范圍0-0.25MPa  精度1.5級 壓強表測壓位置管內徑d2=0.042m
8	渦輪流量計	型號LWY-40 測量范圍0—20m3/h
9	變頻器	型號N2-401-H   規格：（0-50）Hz

 
表-2  實驗設備主要技術參數

第一套：光滑管：管徑d-0.008(m) 管長L-1.70(m)     粗糙管：管徑d-0.010(m) 管長L-1.70(m) 真空表與壓強表測壓口之間的垂直距離h0=0.23m

第二套：光滑管：管徑d-0.008(m) 管長L-1.70(m)     粗糙管：管徑d-0.010(m) 管長L-1.70(m) 真空表與壓強表測壓口之間的垂直距離h0=0.23m

3.實驗裝置面板圖：

圖-3  實驗裝置儀表面板圖
五、實驗方法及步驟：
1．流體阻力測量
（1）向儲水槽內注水至水滿為止。(最好使用蒸餾水，以保持流體清潔)
（2）光滑管阻力測定：
① 關閉粗糙管路閥門8,17,20，將光滑管路閥門9,19,21全開，在流量為零條件下，打開通向倒置U型管的進水閥29,31，檢查導壓管內是否有氣泡存在。若倒置U型管內液柱高度差不為零，則表明導壓管內存在氣泡。需要進行趕氣泡操作。導壓系統如圖4所示操作方法如下：
加大流量，打開U型管進出水閥門29,31，使倒置U型管內液體充分流動，以趕出管路內的氣泡；若觀察氣泡已趕凈，將流量調節閥24關閉，U型管進出水閥29,31關閉，慢慢旋開倒置U型管上部的放空閥26后，分別緩慢打開閥門28、30，使液柱降至中點上下時馬上關閉，管內形成氣—水柱，此時管內液柱高度差不一定為零。然后關閉放空閥26，打開U型管進出水閥29,31，此時U型管兩液柱的高度差應為零（1—2mm的高度差可以忽略），如不為零則表明管路中仍有氣泡存在，需要重復進行趕氣泡操作。

圖-4  導壓系統示意圖
3、4-排水閥；11-U型管進水閥；12-壓力傳感器；26-U型管放空閥；27-U型管
 
② 該裝置兩個轉子流量計并聯連接，根據流量大小選擇不同量程的流量計測量流量。
③ 差壓變送器與倒置U型管亦是并聯連接，用于測量壓差，小流量時用∪型管壓差計測量，大流量時用差壓變送器測量。應在最大流量和最小流量之間進行實驗操作，一般測取15～20組數據。
注：在測大流量的壓差時應關閉U型管的進出水閥29,31，防止水利用U型管形成回路影響實驗數據。
(3) 粗糙管阻力測定：
關閉光滑管閥，將粗糙管閥全開，從小流量到最大流量，測取15~20組數據。
(4) 測取水箱水溫。待數據測量完畢，關閉流量調節閥，停泵。
(5) 粗糙管、局部阻力測量方法同前。
2．流量計、離心泵性能測定
（1）檢查流量調節閥32，壓力表4的開關及真空表3的開關是否關閉(應關閉)。
（2）啟動離心泵，緩慢打開調節閥32至全開。待系統內流體穩定，即系統內已沒有氣體，打開壓力表和真空表的開關，方可測取數據。
（3）用閥門32調節流量，從流量為零至最大或流量從最大到零，測取 10～15組數據，同時記錄渦輪流量計頻率、文丘里流量計的壓差、泵入口壓強、泵出口壓強、功率表讀數，并記錄水溫。
（4）實驗結束后，關閉流量調節閥，停泵，切斷電源。
3．管路特性的測量
（1）測量管路特性曲線測定時，先置流量調節閥32為某一開度，調節離心泵電機頻率（調節范圍50—20Hz），測取 8～10組數據，同時記錄電機頻率、泵入口壓強、泵出口壓強、流量計讀數，并記錄水溫。
（2）實驗結束后，關閉流量調節閥，停泵，切斷電源。
六、實驗注意事項
1．直流數字表操作方法請仔細閱讀說明書，待熟悉其性能和使用方法后再進行使用操作。
2．啟動離心泵之前以及從光滑管阻力測量過渡到其它測量之前，都必須檢查所有流量調節閥是否關閉。
3.啟動離心泵后，注意離心泵的轉向，反轉時要調整380V電源接電順序，使之正轉運行。
4．利用壓力傳感器測量大流量下△P時,應切斷空氣—水倒置∪型玻璃管的閥門否則將影響測量數值的準確。  
5．在實驗過程中每調節一個流量之后應待流量和直管壓降的數據穩定以后方可記錄數據。
6. 若之前較長時間未做實驗，啟動離心泵時應先盤軸轉動，否則易燒壞電機。
7. 該裝置電路采用五線三相制配電，實驗設備應良好接地。
8. 啟動離心泵前，必須關閉流量調節閥，關閉壓力表和真空表的開關，以免損壞測量儀表。
9. 實驗水質要清潔，以免影響渦輪流量計運行。
七、附數據處理過程舉例：
1.光滑管小流量數據( 以表3第16組數據為例) Q＝40(L／h)  h ＝25(ｍｍH₂O)  實驗水溫=13.2℃   粘度＝1.23×10^-3 (Pa.s)   密度＝998.95（kg／m³）            
管內流速        （m/s）
阻力降         =244(Pa)
雷諾數         1.437×10³
阻力系數       4.7×10^-2
 2.粗糙管、大流量數據(以表4 第8組數據為例)
Q＝300(L／h)   △P ＝17.7(kPa)   實驗水溫=13.2℃
粘度＝1.23×10^-3 (Pa.s)         密度＝998.95（kg／m³）
管內流速        1.06 （m/s）
阻力降         17.7×1000 = 17700（Pa)
雷諾數         8.622×10³
阻力系數       = 0.164
3.局部阻力實驗數據(以表5 第2組數據為例)
Q＝800(L／h)   近端壓差＝37.2 (kPa)   遠端壓差＝37.7(kPa)
管內流速：      （m/s）
局部阻力：   ＝2(P_b－P_b＇)－(P_a－P_a＇) =（2×37.2-37.7）×1000=36700（Pa)
局部阻力系數：    
4.流量計性能測定（以表8 第5組數據為例）
渦輪流量計 (m³/h)  流量計壓差：23.5kpa   實驗水溫=33.1℃ 
粘度＝0.75×10^-3 (Pa.s)  密度＝994.25（kg／m³）
(m/s)
=7.86×10⁴
          


=0.942
5.離心泵性能的測定
(1) H的測定：（以表6第1組數據為例）
渦輪流量計讀數：   功率表讀數：0.75kw 
壓力表：0.04Mpa； 泵入口真空表：0.008Mpa
實驗水溫=33.1℃  粘度＝0.75×10^-3 (Pa.s)  密度＝994.25（kg／m³）

5.2（m）
         
5.管路特性的測定：
當離心泵安裝在特定的管路系統中工作時，實際的工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關，還與管路特性有關，也就是說，在液體輸送過程中，泵和管路二者是相互制約的。
管路特性曲線是指流體流經管路系統的流量與所需壓頭之間的關系。若將泵的特性曲線與管路特性曲線繪制在同一坐標圖上，兩曲線交點即為泵在該管路的工作點。因此，如同通過改變閥門開度來改變管路特性曲線，求出泵的特性曲線一樣，可通過改變泵轉速來改變泵的特性曲線，從而得出管路特性曲線。泵的壓頭H計算方法同上。
附：實驗數據表

表3  流體阻力實驗數據記錄（光滑管內徑8mm、管長1.682m）
（液體溫度34.2℃   液體密度ρ=993.91kg/m   液體粘度μ=0.73mPa.S）
序號	流量(l/h)	直管壓差ΔP		ΔP （Pa）	流速u (m/s)	Re	λ
		（kPa）	（mmH2o）
1	1000	98.6		98600	5.53	60223	0.03054
2	900	81.4		81400	4.98	54201	0.03113
3	800	64.5		64500	4.42	48178	0.03122
4	700	50.6		50600	3.87	42156	0.03199
5	600	39.1		39100	3.32	36134	0.03364
6	500	28.5		28500	2.76	30111	0.03531
7	400	19.0		19000	2.21	24089	0.03678
8	300	11.4		11400	1.66	18067	0.03924
9	260	8.7		8700	1.44	15658	0.03987
10	220	6.6		6600	1.22	13249	0.04224
11	180	4.8		4800	1.00	10840	0.04589
12	140	3.4		3400	0.77	8431	0.05373
13	100		161	1570	0.55	6022	0.04863
14	90		136	1326	0.50	5420	0.05071
15	80		111	1082	0.44	4818	0.05238
16	70		83	809	0.39	4216	0.05116
17	60		58	566	0.33	3613	0.04866
18	50		41	400	0.28	3011	0.04953
19	40		23	224	0.22	2409	0.04342
20	30		16	156	0.17	1807	0.05369
21	20		10	98	0.11	1204	0.07551
22	10		4	39	0.06	602	0.12081

 

表4  流體阻力實驗數據記錄（直管內徑10mm、管長1.70m）
（液體溫度34.2℃  液體密度ρ=993.91kg/m   液體粘度μ=0.73mPa.S）
序號	流量 (l/h)	直管壓差ΔP		ΔP （Pa）	流速u (m/s)	Re	λ
		（kPa）	（mmH2o）
1	1000	133.3		133300	3.54	48178	0.126
2	900	111.4		111400	3.18	43361	0.130
3	800	87.7		87700	2.83	38543	0.130
4	700	69.2		69200	2.48	33725	0.134
5	600	52.9		52900	2.12	28907	0.139
6	500	38.8		38800	1.77	24089	0.147
7	400	26.3		26300	1.42	19271	0.155
8	300	15.6		15600	1.06	14454	0.164
9	260	12.1		12100	0.92	12526	0.169
10	220	9.0		9000	0.78	10599	0.176
11	180	6.5		6500	0.64	8672	0.190
12	140	4.9		4900	0.50	6745	0.236
13	100		249	2428	0.35	4818	0.230
14	90		212	2067	0.32	4336	0.241
15	80		180	1755	0.28	3854	0.259
16	70		135	1316	0.25	3372	0.254
17	60		100	975	0.21	2891	0.256
18	50		81	790	0.18	2409	0.299
19	40		56	546	0.14	1927	0.323
20	30		38	371	0.11	1445	0.389
21	20		19	185	0.07	964	0.438
22	10		7	68	0.04	482	0.645

 

表5  局部阻力實驗數據表
序號	Q（l/h）	近端壓差	遠端壓差	u（m/s）	局部阻力壓差	阻力系數ζ
1	1000	58.5	59.3	1.573	57700	46.7
2	800	37.2	37.7	1.258	36700	46.4

 

表6  離心泵性能測定實驗數據記錄
（液體溫度33.1℃  液體密度ρ=994.25kg/m 、泵進出口高度=0.23米）
序號	入口壓力 P1 (MPa)	出口壓力 P2 (MPa)	電機功率 (kw)	流量 Q (m3/h)	壓頭h (m)	泵軸功率 N （w）	η (%)
1	0.008	0.04	0.75	11.12	5.2	450	34.488
2	0.007	0.075	0.8	10.23	8.6	480	49.873
3	0.006	0.094	0.79	9.31	10.5	474	55.783
4	0.004	0.113	0.77	8.20	12.2	462	58.790
5	0.002	0.128	0.74	7.30	13.6	444	60.396
6	0	0.144	0.71	6.28	15.0	426	59.886
7	0	0.167	0.66	5.19	17.4	396	61.614
8	0	0.17	0.61	4.21	17.7	366	55.035
9	0	0.18	0.55	3.31	18.7	330	50.777
10	0	0.189	0.51	2.53	19.6	306	43.922
11	0	0.198	0.45	1.47	20.5	270	30.284
12	0	0.204	0.41	0.72	21.1	246	16.768
13		0.213	0.38	0.00	22.1	228	0.000

 

表7  離心泵管路特性曲線
液體溫度33.1℃  液體密度ρ=994.25kg/m 泵進出口高度=0.23米
序號		電機頻率 Hz	入口壓力P1 (MPa)	出口壓力P2 (MPa)			流量Q (m3/h)		壓頭h (m)
1		50	0.008	0.043			11.13		5.46
2		48	0.008	0.041			10.92		5.25
3		46	0.007	0.041			10.64		5.15
4		44	0.007	0.032			10.29		4.23
5		42	0.006	0.029			9.93		3.82
6		40	0.005	0.026			9.48		3.41
7		38	0.004	0.023			9.01		3.00
8		36	0.004	0.02			8.55		2.69
9		34	0.003	0.017			8.07		2.28
10		32	0.002	0.015			7.58		1.97
11		30	0	0.012			7.11		1.46
14		26	0	0			6.14		0.23
16		20	0	0			4.66		0.23
18		16	0	0			3.69		0.23
19		10	0	0			2.18		0.23
20		0	0	0			0		0.23
表8   流量計性能測定實驗數據記錄
序號	文丘里流量計 (kPa)		文丘里流量計 (Pa)		流量Q (m3/h)	流速u (m/s)		Re		Co
1	51.5		51500		11.12	2.128		121311		0.969
2	43.6		43600		10.23	1.958		110163		0.969
3	37.3		37300		9.31	1.782		100256		0.954
4	29.2		29200		8.20	1.569		88303		0.949
5	23.5		23500		7.30	1.397		78611		0.942
6	18.3		18300		6.28	1.202		67627		0.918
7	12.8		12800		5.19	0.993		55889		0.907
8	9.3		9300		4.21	0.806		45336		0.864
9	6.2		6200		3.31	0.633		35644		0.832
10	4.4		4400		2.53	0.484		27245		0.754
11	2.4		2400		1.47	0.281		15830		0.594
12	1.1		1100		0.72	0.138		7753		0.429

圖-5 直管摩擦系數與雷諾數關聯圖

圖-6 流量計標定流量Q與壓差Pa關聯圖
 
圖-7   流量計標定C₀與雷諾數關聯圖

圖-8 離心泵特性及管路特性圖