化工流动过程综合实验

一 实验目的 一 实验目的 1 学习直管摩擦阻力 直管摩擦系数的测定方法 f P 2 掌握直管摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度之间的关系及其变化规律 Re 3 掌握局部摩擦阻力 局部阻力系数的测定方法 f P 4 学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧 5 熟悉离心泵的操作方法 6 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 二 实验内容二 实验内容 1 测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数 2 测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度之间的 Re 关系曲线 3 测定管路部件局部摩擦阻力和局部阻力系数 f P 4 熟悉离心泵的结构与操作方法 5 测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线 6 测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线 三 实验原理三 实验原理 1 1 直管摩擦系数直管摩擦系数 与雷诺数与雷诺数ReRe的测定的测定 直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数 即 对一定 Re df 的相对粗糙度而言 Re f 流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时 其管路阻力引起的能量损失为 1 f f P PP h 21 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系 范宁公式 2 2 2 u d l h f P f 整理 1 2 两式得 3 2 2 u P l d f 1 4 ud Re 式中 管径 m 直管阻力引起的压强降 Pa d f P 管长 m 流速 m s l u 流体的密度 kg m3 流体的粘度 N s m2 在实验装置中 直管段管长l和管径d都已固定 若水温一定 则水的密度 和粘度 也是定值 所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降 Pf与流速 u 流量 V 之间的关系 根据实验数据和式 3 可计算出不同流速下的直管摩擦系数 用式 4 计算对应的 Re 整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系 绘出 与 Re 的 关系曲线 2 2 局部阻力系数 局部阻力系数的测定的测定 2 2 uP h f f 2 2 u Pf 式中 局部阻力系数 无因次 局部阻力引起的压强降 Pa f P 局部阻力引起的能量损失 J kg f h 图 1 局部阻力测量取压口布置图 局部阻力引起的压强降 可用下面方法测量 在一条各处直径相等的直管段 f P 上 安装待测局部阻力的阀门 在上 下游各开两对测压口 a a 和 b b 如图 1 使 ab bc a b b c 则 Pf a b Pf bc Pf a b Pf b c 在 a a 之间列柏努利方程式 Pa Pa 2 Pf a b 2 Pf a b P f 5 在 b b 之间列柏努利方程式 Pb Pb Pf bc Pf b c P f 2 Pf a b Pf a b P f 6 联立式 5 和 6 则 2 Pb Pb Pa Pa f P 为了实验方便 称 Pb Pb 为近点压差 称 Pa Pa 为远点压差 其数值用 差压传感器来测量 3 3 离心泵特性曲线离心泵特性曲线 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 N 及效率 均随流量 Q 而改变 通常通过实验测出 H Q N Q 及 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 1 H 的测定 在泵的吸入口和排出 5 之间列柏努利方程 7 出入 入 出 出 入 入 入 f H g u g P ZH g u g P Z 22 22 8 出入 入出 入出 入出 f H g uu g PP ZZH 2 22 上式中是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力 与柏努力方 出入 f H 程中其它项比较 值很小 故可忽略 于是上式变为 出入 f H 9 g uu g PP ZZH 2 22 入出 入出 入出 将测得的和值以及计算所得的代入上式 即可求得 入出 ZZ 入出 PP 出入 uu H 2 N 测定 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 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 电动机输出功率 电动机输入功率 电动机效率 泵的轴功率 功率表读数 电动机效率 Kw 3 3 测定 10 N Ne 1021000 Kw HQgHQ Ne 11 式中 泵的效率 N 泵的轴功率 Kw Ne 泵的有效功率 Kw H 泵的扬程 m Q 泵的流量 m3 s 水的密度 Kg m3 4 4 管路特性曲线管路特性曲线 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 泵和管路二者相互制约的 管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系 若将 泵的特性曲线与管路特性曲线在同一坐标图上 两曲线交点即为泵的在该管路 的工作点 因此 如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线 求出泵的特性 曲线一样 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 5 5 流量计性能测定流量计性能测定 流体通过节流式流量计时在上 下游两取压口之间产生压强差 它与流量的关 系为 2 00 下上 PP ACVs 12 式中 被测流体 水 的体积流量 m3 s S V 流量系数 无因次 0 C 流量计节流孔截面积 m2 0 A 流量计上 下游两取压口之间的压强差 Pa 下上 PP 被测流体 水 的密度 kg m3 用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量 VS 每一个流量在压差计上都有一对 应的读数 将压差计读数 P 和流量 Vs绘制成一条曲线 即流量标定曲线 同 4 时利用上式整理数据可进一步得到 C Re 关系曲线 四 实验装置的基本情况四 实验装置的基本情况 1 1 实验装置流程示意图实验装置流程示意图 图 2 流动过程综合实验流程示意图 1 水箱 2 水泵 3 入口真空表 4 出口压力表 5 16 缓冲罐 6 14 测局 部阻力近端阀 7 15 测局部阻力远端阀 8 17 粗糙管测压阀 9 21 光滑 管测压阀 10 局部阻力阀 11 文丘里流量计 孔板流量计 12 压力传感器 13 涡流流量计 18 32 阀门 20 粗糙管阀 22 小转子流量计 23 大转子流 量计 24 阀门 25 水箱放水阀 26 倒 U 型管放空阀 27 倒 U 型管 28 30 倒 U 型管排水阀 29 31 倒 U 型管平衡阀 实验装置流程简介实验装置流程简介 流体阻力测量 流体阻力测量 水泵 2 将储水槽 1 中的水抽出 送入实验系统 经玻璃转子流量计 22 23 5 测量流量 然后送入被测直管段测量流体流动阻力 经回流管流回储水槽 1 被测直管段流体流动阻力 P 可根据其数值大小分别采用变送器 12 或空气 水 倒置 型管来测量 流量计 离心泵性能测定 流量计 离心泵性能测定 水泵 2 将水槽 1 内的水输送到实验系统 流体经涡轮流量计 13 计量 用流 量调节阀 32 调节流量 回到储水槽 同时测量文丘里流量计两端的压差 离心 泵进出口压强 离心泵电机输入功率并记录 管路特性测量 管路特性测量 用流量调节阀 32 调节流量到某一位置 改变电机频率 测定涡轮流量计的 频率 泵入口压强 泵出口压强并记录 2 2 实验设备主要技术参数 实验设备主要技术参数 表 1 实验设备主要技术参数 序号名称规格材料 1 玻璃转子流量计 LZB 25 100 1000 L h LZB 10 10 100 L h 2 压差传感器型号 LXWY 测量范围 0 200 KPa不锈钢 3 离心泵型号 WB70 055不锈钢 4 文丘里流量计喉径 0 020m不锈钢 5 实验管路管径 0 043m不锈钢 6 真空表 测量范围 0 1 0MPa 精度 1 5 级 真空表测压位置管内径 d1 0 028m 7 压力表 测量范围 0 0 25MPa 精度 1 5 级 压强表测压位置管内径 d2 0 042m 8 涡轮流量计型号 LWY 40 测量范围 0 20m3 h 9 变频器 型号 N2 401 H 规格 0 50 Hz 表 2 实验设备主要技术参数 第一套 光滑管 管径 d 0 008 m 管长 L 1 70 m 粗糙管 管径 d 0 010 m 管长 L 1 70 m 真空表与压强表测压口之间的垂直距离 h0 0 23m 6 第二套 光滑管 管径 d 0 008 m 管长 L 1 70 m 粗糙管 管径 d 0 010 m 管长 L 1 70 m 真空表与压强表测压口之间的垂直距离 h0 0 23m 3 3 实验装置面板图 实验装置面板图 图 3 实验装置仪表面板图 五 实验方法及步骤 五 实验方法及步骤 1 1 流体阻力测量 流体阻力测量 1 向储水槽内注水至水满为止 最好使用蒸馏水 以保持流体清洁 2 光滑管阻力测定 关闭粗糙管路阀门 8 17 20 将光滑管路阀门 9 19 21 全开 在流量为零条 件下 打开通向倒置 U 型管的进水阀 29 31 检查导压管内是否有气泡存在 7 若倒置 U 型管内液柱高度差不为零 则表明导压管内存在气泡 需要进行赶气 泡操作 导压系统如图 4 所示操作方法如下 加大流量 打开 U 型管进出水阀门 29 31 使倒置 U 型管内液体充分流动 以赶出管路内的气泡 若观察气泡已赶净 将流量调节阀 24 关闭 U 型管进出 水阀 29 31 关闭 慢慢旋开倒置 U 型管上部的放空阀 26 后 分别缓慢打开阀门 28 30 使液柱降至中点上下时马上关闭 管内形成气 水柱 此时管内液柱 高度差不一定为零 然后关闭放空阀 26 打开 U 型管进出水阀 29 31 此时 U 型管两液柱的高度差应为零 1 2mm 的高度差可以忽略 如不为零则表明管 路中仍有气泡存在 需要重复进行赶气泡操作 图 4 导压系统示意图 3 4 排水阀 11 U 型管进水阀 12 压力传感器 26 U 型管放空阀 27 U 型 管 该装置两个转子流量计并联连接 根据流量大小选择不同量程的流量计测量 流量 差压变送器与倒置 U 型管亦是并联连接 用于测量压差 小流量时用 型管 压差计测量 大流量时用差压变送器测量 应在最大流量和最小流量之间进行 实验操作 一般测取 15 20 组数据 注 在测大流量的压差时应关闭 U 型管的进出水阀 29 31 防止水利用 U 型管 形成回路影响实验数据 3 粗糙管阻力测定 关闭光滑管阀 将粗糙管阀全开 从小流量到最大流量 测取 15 20 组数 据 8 4 测取水箱水温 待数据测量完毕 关闭流量调节阀 停泵 5 粗糙管 局部阻力测量方法同前 2 2 流量计 离心泵性能测定 流量计 离心泵性能测定 1 检查流量调节阀 32 压力表 4 的开关及真空表 3 的开关是否关闭 应关闭 2 启动离心泵 缓慢打开调节阀 32 至全开 待系统内流体稳定 即系统内 已没有气体 打开压力表和真空表的开关 方可测取数据 3 用阀门 32 调节流量 从流量为零至最大或流量从最大到零 测取 10 15 组数据 同时记录涡轮流量计频率 文丘里流量计的压差 泵入口压强 泵出 口压强 功率表读数 并记录水温 4 实验结束后 关闭流量调节阀 停泵 切断电源 3 3 管路特性的测量 管路特性的测量 1 测量管路特性曲线测定时 先置流量调节阀 32 为某一开度 调节离心泵 电机频率 调节范围 50 20Hz 测取 8 10 组数据 同时记录电机频率 泵 入口压强 泵出口压强 流量计读数 并记录水温 2 实验结束后 关闭流量调节阀 停泵 切断电源 六 实验注意事项六 实验注意事项 1 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书 待熟悉其性能和使用方法后再进行 使用操作 2 启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前 都必须检查所 有流量调节阀是否关闭 3 启动离心泵后 注意离心泵的转向 反转时要调整 380V 电源接电顺序 使之 正转运行 4 利用压力传感器测量大流量下 P 时 应切断空气 水倒置 型玻璃管的阀 门否则将影响测量数值的准确 5 在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可 记录数据 6 若之前较长时间未做实验 启动离心泵时应先盘轴转动 否则易烧坏电机 7 该装置电路采用五线三相制配电 实验设备应良好接地 9 8 启动离心泵前 必须关闭流量调节阀 关闭压力表和真空表的开关 以免损 坏测量仪表 9 实验水质要清洁 以免影响涡轮流量计运行 七 附数据处理过程举例 七 附数据处理过程举例 1 光滑管小流量数据 以表 3 第 16 组数据为例 Q 40 L h h 25 H2O 实验水温 13 2 粘度 1 23 10 3 Pa s 密度t 998 95 kg m3 管内流速 m s 22 0 008 0 4 1000 3600 40 4 2 2 d Q u 阻力降 244 Pa 1000 2581 9 95 998 hgPf 雷诺数 1 437 103 3 1023 1 95 99822 0008 0 Re ud 阻力系数 4 7 10 2 22 22 0 244 1 68595 998 008 022 u P L d f 2 粗糙管 大流量数据 以表 4 第 8 组数据为例 Q 300 L h P 17 7 kPa 实验水温 13 2 t 粘度 1 23 10 3 Pa s 密度 998 95 kg m3 管内流速 1 06 m s 2 201 0 4 1000 3600 300 4 d Q u 阻力降 17 7 1000 17700 Pa f P 雷诺数 8 622 103 3 1023 1 95 99806 1 01 0 Re ud 阻力系数 0 164 22 06 1 00651 7 191 993 01 0 22 u P L d f 3 局部阻力实验数据 以表 5 第 2 组数据为例 Q 800 L h 近端压差 37 2 kPa 远端压差 37 7 kPa 10 管内流速 m s 258 1 0015 0 4 1000 3600 800 4 2 2 d Q u 局部阻力 2 Pb Pb Pa Pa 2 37 2 37 7 f P 1000 36700 Pa 局部阻力系数 4 46 258 1 36700 91 993 22 22 u Pf 4 流量计性能测定 以表 8 第 5 组数据为例 涡轮流量计 m3 h 流量计压差 23 5kpa 实验水温 33 1 S V3 7 t 粘度 0 75 10 3 Pa s 密度 994 25 kg m3 m s 397 1 043 0 4 3600 7 3 2 u 7 86 104 du Re 3 1075 0 994 25397 1 043 0 P CA 2 Q 0 P A C 2 Q 0 0 994 25 1000 5 232 02 0 02 0 4 3600 7 3 0 942 5 离心泵性能的测定 1 H 的测定 以表 6 第 1 组数据为例 涡轮流量计读数 功率表读数 0 75kw 12 11 3 hmQ 压力表 0 04Mpa 泵入口真空表 0 008Mpa 实验水温 33 1 粘度 0 75 10 3 Pa s 密度 994 25 kg m3 t g uu g PP ZZH 2 22 入出 入出 入出 11 5 2 m 81 925 994 1000000 04 0008 0 23 0 H 450 450 0 6075 0 WkwN 电机效率功率表读数 156 102 25 99410003600 12 112 5 102 W HQ Ne N Ne 48 34 438 156 5 5 管路特性的测定 管路特性的测定 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 管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系 若将 泵的特性曲线与管路特性曲线绘制在同一坐标图上 两曲线交点即为泵在该管 路的工作点 因此 如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线 求出泵的特 性曲线一样 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 计算方法同上 附 实验数据表附 实验数据表 表 3 流体阻力实验数据记录 光滑管内径 8mm 管长 1 682m 液体温度 34 2 液体密度 993 91kg m 液体粘度 0 73mPa S 直管压差 P 序号 流量 l h kPa mmH2o P Pa 流速 u m s Re 1100098 6 986005 53602230 03054 290081 4 814004 98542010 03113 3800 64 5 645004 42481780 03122 4700 50 6 506003 87421560 03199 5600 39 1 391003 32361340 03364 12 6500 28 5 285002 76301110 03531 7400 19 0 190002 21240890 03678 8300 11 4 114001 66180670 03924 9260 8 7 87001 44156580 03987 10220 6 6 66001 22132490 04224 11180 4 8 48001 00108400 04589 12140 3 4 34000 7784310 05373 13100 161 15700 5560220 04863 1490 136 13260 5054200 05071 1580 111 10820 4448180 05238 1670 83 8090 3942160 05116 1760 58 5660 3336130 04866 1850 41 4000 2830110 04953 1940 23 2240 2224090 04342 2030 16 1560 1718070 05369 2120 10 980 1112040 07551 2210 4 390 066020 12081 表 4 流体阻力实验数据记录 直管内径 10mm 管长 1 70m 液体温度 34 2 液体密度 993 91kg m 液体粘度 0 73mPa S 直管压差 P 序号 流量 l h kPa mmH2o P Pa 流速 u m s Re 11000133 3 1333003 54481780 126 2900111 4 1114003 18433610 130 3800 87 7 877002 83385430 130 4700 69 2 692002 48337250 134 5600 52 9 529002 12289070 139 6500 38 8 388001 77240890 147 7400 26 3 263001 42192710 155 8300 15 6 156001 06144540 164 9260 12 1 121000 92125260 169 10220 9 0 90000 78105990 176 11180 6 5 65000 6486720 190 12140 4 9 49000 5067450 236 13100 249 24280 3548180 230 1490 212 20670 3243360 241 1580 180 17550 2838540 259 1670 135 13160 2533720 254 13 1760 100 9750 2128910 256 1850 81 7900 1824090 299 1940 56 5460 1419270 323 2030 38 3710 1114450 389 2120 19 1850 079640 438 2210 7 680 044820 645 表 5 局部阻力实验数据表 序号 Q l h 近端压差远端压差 u m s 局部阻力压差阻力系数 11000 58 5 59 31 573 5770046 7 280037 237 71 258 3670046 4 表 6 离心泵性能测定实验数据记录 液体温度 33 1 液体密度 994 25kg m 泵进出口高度 0 23 米 序 号 入口压力 P1 MPa 出口压力 P2 MPa 电机功率 kw 流量 Q m3 h 压头 h m 泵轴功率 N w 10 0080 040 75 11 125 245034 488 20 0070 0750 8 10 238 648049 873 30 0060 0940 79 9 3110 547455 783 40 0040 1130 77 8 2012 246258 790 50 0020 1280 74 7 3013 644460 396 600 1440 71 6 2815 042659 886 700 1670 66 5 1917 439661 614 800 170 61 4 2117 736655 035 900 180 55 3 3118 733050 777 1000 1890 51 2 5319 630643 922 1100 1980 45 1 4720 527030 284 1200 2040 41 0 7221 124616 768 13 0 2130 38 0 0022 12280 000 表 7 离心泵管路特性曲线 液体温度 33 1 液体密度 994 25kg m 泵进出口高度 0 23 米 14 序号 电机频率 Hz 入口压力 P1 MPa 出口压力 P2 MPa 流量 Q m3 h 压头 h m 1500 0080 043 11 135 46 2480 0080 041 10 925 25 3460 0070 041 10 645 15 4440 0070 032 10 294 23 5420 0060 029 9 933 82 6400 0050 026 9 483 41 7380 0040 023 9 013 00 8360 0040 02 8 552 69 9340 0030 017 8 072 28