化工流動過程綜合實驗

1、化工流動過程綜合實驗、實驗目的：1. 學習直管摩擦阻力 Pf ,直管摩擦系數 的測定方法。2. 掌握直管摩擦系數 與雷諾數 Re 和相對粗糙度之間的關系及其變化規(guī)律。3. 掌握局部摩擦阻力 Pf ,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 Re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 Pf 和局部阻

2、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(jié)閥某一開度下管路特性曲線。三、實驗原理 :1. 直管摩擦系數 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 f （Re, / d ） ，對一定 的相對粗糙度而言， f（Re）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：hfP1 P2Pf1）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）hfflud2整理（ 1）（2）兩式得2dlPf2u2）（3）duRe（4）式中：d 管徑， m；Pf 直管阻力引起的壓強降， Pa；l 管長， m

3、；u 流速， m / s ；流體的密度， kg / m 3；流體的粘度， Ns / m 2。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 和粘度 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 Pf 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 ，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 與 Re的關系曲線。 2局部阻力系數 的測定式中：Pfu2 2 Pfhf2f 2u2局部阻力系數，無因次；Pf 局部阻力引起的壓強降， Pa；hf 局部阻力引起的能量損失， Jkg 。圖-1

4、 局部阻力測量取壓口布置圖局部阻力引起的壓強降 Pf 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 bbc，則Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc在 aa之間列柏努利方程式 PaPa =2Pf ，a b+2Pf，ab+Pf（5）在 bb之間列柏努利方程式： P bPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf=Pf，a b+Pf ，ab+P f（6）聯立式（5） 和（6） ，則： Pf 2（PbPb）（PaPa）為了實驗方便，稱 （PbPb）為近點壓差，稱 （P a Pa）

5、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及效率均隨流量 Q而改變。通常通過實驗測出 HQ、NQ及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P入 u2入P出 u2入Z入入 H Z出 出Hf入 出g 2gg 2g（7）P出 P入 u2出 u2 入H Z出 Z入出 入 出 入 Hf入 出出 入 g 2gf入 出（8）上式中 H f入 出 是泵的吸入口和壓出

6、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， H f入 出 值很小，故可忽略。于是上式變?yōu)椋篐 Z出 Z 入 P出 P入gu2出u2入2g（9）將測得的 Z出 Z入 和 P出 P入 值以及計算所得的 u入,u出代入上式，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Ne10)Ne HQ g HQ (Kw)1000 10211)式

7、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/m34. 管路特性曲線 :當離心泵安裝在特定的管路系統(tǒng)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(tǒng)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

8、的壓頭 H 計算同上。5. 流量計性能測定 : 流體通過節(jié)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：VsC0A0 2(P上P下 )12)式中： VS 被測流體 （ 水） 的體積流量， m/s ；C0 流量系數，無因次；A0 流量計節(jié)流孔截面積， m2；P上 P下 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， kgm3用渦輪流量計作為標準流量計來測量流量 VS。，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 Vs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 CRe 關系曲線四、實驗裝置的基本情況1. 實

9、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 流體阻力

10、測量：水泵 2 將儲水槽 1 中的水抽出，送入實驗系統(tǒng)，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 P可根據其數值大小分別采用變送器 12 或空氣水倒 置型管來測量。 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(tǒng)，流體經渦輪流量計 13計量，用流 量調節(jié)閥 32 調節(jié)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。 管路特性測量：用流量調節(jié)閥 32 調節(jié)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

11、主要技術參數：表-1 實驗設備主要技術參數序號名稱規(guī)格材料1玻璃轉子流量計LZB25 1001000 （L/h ）LZB10 10100 （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=0.028m7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=0.042m8渦輪流量計型號 LWY-40 測量范圍 0 20m3/h9變頻器型號 N2-401-

12、H 規(guī)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=0.23m3. 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

13、力測定： 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(tǒng)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(jié)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

14、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 (12mm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(tǒng)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 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 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 1520 組數據。注：在測大流量的壓

15、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 1520 組數 據。(4) 測取水箱水溫。待數據測量完畢，關閉流量調節(jié)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(jié)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(jié)閥 32 至全開。待系統(tǒng)內流體穩(wěn)定，即系統(tǒng)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(jié)流量，從流量為零至最大或流量從最大到零，測取 10

16、 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(jié)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(jié)閥32 為某一開度，調節(jié)離心泵電機頻率（調節(jié)范圍 5020Hz），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(jié)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

17、量調節(jié)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(jié)一個流量之后應待流量和直管壓降的數據穩(wěn)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(jié)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

18、3第 16組數據為例 ） Q40（Lh） h 25（ H2O）實驗水溫 t =13.2 粘度 1.23 10-3 （Pa.s）密度 998.95（kgm3）管內流速Q 40/3600/1000u 2 0.22( m/s)2 ( /4) 0.0082( d )4阻力降Pfg h 998.95 9.81 25 /1000 =244(Pa)d u 0.008 0.22 998.95 3雷諾數Re 31.437 1031.23 10 32dPf2 0.008 244 -2阻力系數2 2 4.7 10 L u2998.95 1.685 0.2222. 粗糙管、大流量數據 （ 以表 4 第 8 組數據為例

19、 ）Q300（Lh） P 17.7（kPa） 實驗水溫 t =13.2 粘度 1.23 10-3 （Pa.s）密度 998.95 （kgm3）管內流速Q300 / 3600 /1000u 2 1.06 ( m/s)2 ( /4) 0.012(4)d2阻力降Pf 17.7 1000 = 17700 (Pa)雷諾數d u 0.01 1.06 998.95 3 Re 38.622 1031.23 10 32dPf2 0.01 15600阻力系數2 2 = 0.164Lu2993.91 1.7 1.062 = 0.1643. 局部阻力實驗數據 （以表 5 第 2組數據為例 ）Q800（Lh） 近端壓差

20、 37.2 （kPa）遠端壓差 37.7（kPa）管內流速：Q 800/ 3600 /1000u 2 1.258 ( m/s)2 ( /4) 0.00152( d 2)49局部阻力：Pf 2(PbPb)(PaPa) = (237.2-37.7 ) 1000=36700（Pa）2 P f 236700局部阻力系數： 2 2 46.4 u2993.91 1.25824. 流量計性能測定（以表 8 第 5組數據為例）渦輪流量計 VS 7.3 （m 3/h） 流量計壓差： 23.5kpa 實驗水溫 t =33.1 -3粘度 0.75 10-3 (Pa.s)密度 994.25 （kgm3）7.33600

21、 4 0.04321.397 (m/s)Redu0.043 1.397 994.250.75 10-3=7.861042 23.5 1000994.25=0.9425. 離心泵性能的測定（1） H 的測定：（以表 6第1組數據為例）3渦輪流量計讀數： Q 11.12（m3 /h） 功率表讀數： 0.75kw壓力表： 0.04Mpa； 泵入口真空表： 0.008Mpa實驗水溫 t =33.1 粘度 0.7510-3 (Pa.s) 密度 994.25 (kg m3)10(Z出 Z入 )u2出 u2 入2g0.23(0.008 0.04) 1000000994.25 9.815.2m）N 功率表讀數

22、 電機效率 0.75 60% 0.450(kw) 450(W)NeNHQ 5.2 11.12 / 3600 1000 994.25Ne 156(W)102 10215643834.48%5. 管路特性的測定：當離心泵安裝在特定的管路系統(tǒng)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(tǒng)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

23、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 =993.91kg/m 液體粘度=0.73mPa.S）序號流量 (l/h)直管壓差 PP (Pa)流速 u (m/s)Re（kPa）( mmH2o)1100098.6986005.53602230.03054290081.4814004.98542010.03113380064.5645004.42481780.03122470050.6506003.87421560.03199560039.139100

24、3.32361340.0336411650028.5285002.76301110.03531740019.0190002.21240890.03678830011.4114001.66180670.0392492608.787001.44156580.03987102206.666001.22132490.04224111804.848001.00108400.04589121403.434000.7784310.053731310016115700.5560220.04863149013613260.5054200.05071158011110820.4448180.05238167083

25、8090.3942160.051161760585660.3336130.048661850414000.2830110.049531940232240.2224090.043422030161560.1718070.05369212010980.1112040.0755122104390.066020.12081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 =993.91kg/m液體粘度 =0.73mPa.S）序號流量 (l/h)直管壓差 PP (Pa)流速 u (m/s)Re（kPa）( mmH2o)11000133.31333003.

26、54481780.1262900111.41114003.18433610.130380087.7877002.83385430.130470069.2692002.48337250.134560052.9529002.12289070.139650038.8388001.77240890.147740026.3263001.42192710.155830015.6156001.06144540.164926012.1121000.92125260.169102209.090000.78105990.176111806.565000.6486720.190121404.949000.50674

27、50.2361310024924280.3548180.230149021220670.3243360.241158018017550.2838540.259167013513160.2533720.25417601009750.2128910.256121850817900.1824090.2991940565460.1419270.3232030383710.1114450.3892120191850.079640.43822107680.044820.645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 1100058.559.31.5735

28、770046.7280037.237.71.2583670046.4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 =994.25kg/m 、泵進出口高度 =0.23 米）序 號入口壓力 P1(MPa)0.008出口壓力 P2(MPa)0.04電機功率（kw）0.75流量Q3 (m3/h) 11.12壓頭 h(m)5.2泵軸功率N （w） 450 (%)34.488120.0070.0750.810.238.648049.87330.0060.0940.799.3110.547455.78340.0040.1130.778.2012.246258.79050.0020.128

29、0.747.3013.644460.396600.1440.716.2815.042659.886700.1670.665.1917.439661.614800.170.614.2117.736655.035900.180.553.3118.733050.7771000.1890.512.5319.630643.9221100.1980.451.4720.527030.2841200.2040.410.7221.124616.768130.2130.380.0022.12280.000表 7 離心泵管路特性曲線液體溫度 33.1 液體密度=994.25kg/m 泵進出口高度 =0.23 米序號電機頻率Hz50入口壓力 P1 (MPa) 0.008出口壓力 P2 (MPa) 0.043流量 Q 3(m3/h)11.13壓頭 h (m) 5.46113表 8 流量計性能測定實驗數據記錄序號