流體綜合實(shí)驗裝置的改進(jìn)分析說(shuō)明

“化工原理實(shí)驗”作為化工原理課程的重要組成部分,它不僅加深了學(xué)生對化工原理基礎理論的理解及強化了動(dòng)手能力，還通過(guò)實(shí)驗讓學(xué)生掌握實(shí)際工程問(wèn)題的研究方法，提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。而流體流動(dòng)規律作為化工原理的重要基礎，也是實(shí)際單元操作中zui常見(jiàn)的部分，無(wú)庸置疑成為化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的知識。目前，“化工原理實(shí)驗”主要用2 套不同裝置來(lái)完成流體實(shí)驗，即流體阻力測定和離心栗特性曲線(xiàn)測定。實(shí)驗功能單一，流程相似而重復。為了滿(mǎn)足擴大實(shí)驗范圍，加深實(shí)驗深度的需要，依據教學(xué)要求及2 套裝置的共性及，在原有裝置的基礎上做了一系列改進(jìn)。
使原有裝置不僅可以完成“流體阻力測定”和“離心栗特性曲線(xiàn)測定”，還增添了“流量計系數校正”實(shí)驗。這三個(gè)實(shí)驗均屬流體力學(xué)范疇,將三個(gè)實(shí)驗合三為一，不僅節省了實(shí)驗室占地空間與設備經(jīng)費，而且使學(xué)生對流體力學(xué)中管路、流量計、栗之間的更加了解，對系統的掌握流體力學(xué)的知識有積極的幫助作用。
1、實(shí)驗裝置及流程
這套多功能流體實(shí)驗裝置如圖1所示。實(shí)驗以水作為物料，集成了多個(gè)流體力學(xué)的相關(guān)實(shí)驗，即流體阻力實(shí)驗，包括直管（光滑管、粗糙管）阻力的測定，閥門(mén)（球閥、閘閥）、突然擴大局部阻力的測定；孔板流量計校正實(shí)驗;離心泵特性曲線(xiàn)測定;管路特
性曲線(xiàn)測定等。裝置長(cháng)、寬、高總體尺寸為2000mmλ500mm×2000mm。直管測量段長(cháng)度為0.835m ，光滑管內徑為20mm，粗糙管直徑為17mm;局部阻力測定的截止閥為DN12、突擴管為16/41mm?？装辶髁坑嫷男】字睆綖?3mm。栗型號為T(mén)YPEY2-80Mt- 2 ，吸人管直徑20mm，壓出管直徑20mm，兩測壓點(diǎn)間高度差為0.28m。

圖1多功能流體實(shí)驗裝置圖
1.1管路系統的設計
該裝置每套設備各設計一套獨立的管路系統,兩套設備之間有管路相連。管路全部采用內徑為20mm的不銹鋼管（測量段特殊的管路除外），用卡套式接頭相連接。實(shí)驗過(guò)程中可通過(guò)各種閥門(mén)的控制,進(jìn)行實(shí)驗項目的轉換和選擇。做離心栗特性曲線(xiàn)實(shí)驗時(shí)，兩臺獨立的栗可根據需要通過(guò)調整閥門(mén)開(kāi)關(guān)做并聯(lián)連接。
1.2 測試項目的轉換
由于集成了較多測量項目，若項目間轉換方法設計不當，將使整個(gè)管路系統復雜、繁瑣，不易操作。
該裝置設計思路清晰,在局部阻力測定實(shí)驗中利用一個(gè)緩沖罐來(lái)實(shí)現各管路方便快捷的切換。緩沖罐與每個(gè)測壓點(diǎn)用塑料管相連，且有閥門(mén)控制開(kāi)關(guān)。
測量前將被測管路與緩沖罐聯(lián)通,其他管路關(guān)閉，利用緩沖罐進(jìn)行排氣，使待測管路內充滿(mǎn)液體后，聯(lián)通到U型壓差計進(jìn)行測量。
2、實(shí)驗數據和數據處理
2.1 直管阻力測定實(shí)驗
不同流量下的直管阻力測定實(shí)驗數據見(jiàn)表1。

表1 直管阻力測定原始數據表
根據表1得到的數據進(jìn)行處理，得到雷諾數Re與摩擦系數λ值見(jiàn)表2 。

表2 直管阻力測定數據處理結果
依據表2得出的結果，在雙對數坐標上做摩擦系數λ與雷諾數Re的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2 所示。
 

圖2 摩擦系數λ與雷諾數Re的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖2可知，當流體在湍流區流動(dòng)時(shí)（Re>2000時(shí)），摩擦系數λ會(huì )隨著(zhù)雷諾數Re的增大而減小，當雷諾數Re繼續增大時(shí)，摩擦系數λ逐漸趨于平緩,趨近于某一個(gè)極限值，其值不再隨雷諾數Re的變化而改變。該值僅取決于相對粗糙度s/d。λ-Re曲線(xiàn)的變化趨勢基本符合在湍流區直管內摩擦系數λ隨雷諾數Re變化的規律。
2.2 離心泵的特性曲線(xiàn)測定實(shí)驗
不同轉速下離心栗的實(shí)驗數據見(jiàn)表3。
固定離心栗轉速在1050r/min下的實(shí)驗數據見(jiàn)表4 。
由表3得到的相關(guān)數據,計算出離心栗在不同轉速下的揚程H和流量Q的關(guān)系，即管路的特性曲線(xiàn)。由表4得到的相關(guān)數據，計算出離心泵在1050r/min轉速下?lián)P程H和流量Q的關(guān)系，即離心泵的特性曲線(xiàn)。并在直角坐標系上繪制出兩條曲線(xiàn)，如圖3 所示。

表3 不同轉速下泵性能測定原始數據表

表4 固定轉速下泵性能測定原始數據表

圖3 離心泵揚程H與流量Q的關(guān)系曲線(xiàn)
如圖3所示，離心栗的特性曲線(xiàn)是反映該栗的揚程與流量間的關(guān)系。離心栗的揚程H隨流量Q的增大而逐漸下降。當離心栗轉速一定的情況下,在特定的管路中輸送液體時(shí)，管路所需要的壓頭H會(huì )隨液體流量Q的平方而變化。將此關(guān)系標在相應坐標圖中，即是圖3的管路特性曲線(xiàn)。此線(xiàn)表示特定管路中，于固定操作條件下，流體流經(jīng)該管路時(shí)所需要的壓頭與流量的關(guān)系。此線(xiàn)的形狀由管路布局與操作條件來(lái)確定，與栗性能無(wú)關(guān)。將離心泵特性曲線(xiàn)與其所在管路特性曲線(xiàn)繪于同一坐標圖上,兩線(xiàn)的交點(diǎn)為栗在該管路上的工作點(diǎn)。該點(diǎn)所對應的流量和壓頭既能滿(mǎn)足管路系統的要求，又能滿(mǎn)足泵的要求。而在實(shí)際工作中，由于生產(chǎn)任務(wù)的變化和輸送任務(wù)的要求，常常需要改變泵的工作點(diǎn)。一種方法是改變泵的轉速，實(shí)質(zhì)上就是改變泵的特性曲線(xiàn)，這種方法雖然減少了動(dòng)力的消耗，從能量消耗來(lái)看比較合理,但是難以做到流量的連續調節，生產(chǎn)中較少采用。而一般常采用調節管路上的閥門(mén)，即改變管路特性曲線(xiàn)的方法調節流量,這種方法操作更為簡(jiǎn)便,使流量可以連續變化，更適合化工連續生產(chǎn)的特點(diǎn)。
2.3 孔板流量計系數校正實(shí)驗
不同流量下測量孔板流量計的壓差值見(jiàn)表5 。

表5 孔板流量計校正原始數據表
由表5得到的相關(guān)數據,計算出孔板流量計的流量系數Co和雷諾數Re ,見(jiàn)表6 。依據Re 和Ao/A1,的數值，提供的孔板流量計的Co與Re、Ao/A1的關(guān)系曲線(xiàn)。查得Co=0.78,與實(shí)驗
所得基本一致。

表6 孔板流量計校正原始數據處理結果