化工原理試驗報告

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管路設(shè)計與安裝

一、試驗?zāi)康募盎疽?/p>

1．試驗?zāi)康?/p>

(1)綜合運用流體力學(xué)基本原理與操作技能，設(shè)計并安裝“流量計校核〞與“突然擴大、縮小局部

阻力系數(shù)的測定〞兩個試驗裝置；

(2)把握常用工具的使用方法，學(xué)習(xí)管路的組裝、試壓、沖洗及拆除操作方法；(3)學(xué)習(xí)管路系統(tǒng)的運行測試及停車方法。2．對化工管路裝拆的基本要求:

(1)化工管路布置的一般要求：在管路布置及安裝時，主要考慮安裝、檢修、操作的便利及安全，同時盡可能減少基建費用，并根據(jù)生產(chǎn)的特點、設(shè)備的布置、材料的性質(zhì)等加以綜合考慮。

①化工管路安裝時，各種管線應(yīng)成平行鋪設(shè)，便于共用管架，要盡量走直線，少拐彎，少交

叉，以儉約管材，減小阻力，同時力求做到整齊美觀；

②為便于操作及安裝檢修，并列管路上的零件與閥門位置應(yīng)錯開安裝；

③管子安裝應(yīng)橫平豎直，水平管其偏差不大于15mm/10m，垂直管其偏差不大于

10mm/10m；

④管路安裝完畢后，應(yīng)按規(guī)定進行強度和嚴(yán)密度試驗；

⑤管路離地面的高度以便于檢修為準(zhǔn),但通過人行道時,最低點離地面不得小于2m。(2)常見管件及閥門、流量計的安裝要求：

①轉(zhuǎn)子流量計是用來測量管系中流體流量的，其安裝有嚴(yán)格的要求。它必需垂直安裝在管系

中，若有傾斜，會影響測量的確鑿性，嚴(yán)重時會使轉(zhuǎn)子升不上來。轉(zhuǎn)子流量計前后各應(yīng)有相應(yīng)的直管段，前段應(yīng)有15～20d的直管段，后段應(yīng)有5d左右的直管段（d為管子內(nèi)徑），以保證流量的穩(wěn)定。

②閥門的裝拆：截止閥結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)理流量，但阻力較大。安裝時，應(yīng)使流體從閥盤的

下部向上滾動，目的是減小阻力，開啟更省力。在關(guān)閉狀態(tài)下閥桿、填料函部不與介質(zhì)接觸,以免閥桿等受腐蝕。閘閥密封性能好，流體阻力小，但不適用輸送含有晶體和懸浮溶物的液體管路中。

③活動接頭是管系中常見的管件，在閉合管系時，它應(yīng)是最終安裝，拆除管系時，應(yīng)首先從

活動接頭動手。

(3)泵的管路布置總的原則是保證良好的吸入條件與檢修便利

①為增加泵的允許吸上高度,吸入管路應(yīng)盡量短而直,減少阻力,吸入管路的直徑不應(yīng)小于泵

吸入口直徑.

②在泵的上方不布置管路,有利于泵的檢修.

3、對指導(dǎo)教師的要求

(1)指導(dǎo)教師對實訓(xùn)重點進行相應(yīng)的講解，給學(xué)生進行分組；

(2)組織學(xué)生觀看有關(guān)化工管路方面的教學(xué)錄像，使學(xué)生對化工管路有一定感性認(rèn)識；

(3)每個實訓(xùn)小組根據(jù)老師提供的管系圖列出設(shè)備、管件、儀表等清單，領(lǐng)取相應(yīng)的材料工具等；

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(4)組裝管路，各小組根據(jù)管系圖的要求組裝管線；組裝時應(yīng)先定好設(shè)備位置，再組裝管線，具體來講，應(yīng)先定好離心泵、高位槽等,然后進行配管。

(5)對照管系圖，檢查各管件、閥門是否安裝確鑿；

(6)對管道進行水沖洗及水壓試驗，壓力保持4公斤力(表壓)以上，檢查各連接處密封性能如何；(7)對管道系統(tǒng)試運行及停車操作。開車時，應(yīng)先灌泵，再開電機，然后再開出口閥門。停車時應(yīng)先關(guān)出口閥，后停電機。

(8)正確把握管線的拆除。應(yīng)先拆儀表、活接頭、閥門等,再拆管件及附件。(9)管線拆除后，對照設(shè)備、儀表清單,完好歸還儀表、管件、工具及易耗品等。

此外，為加深學(xué)生對常見閥門、設(shè)備等的了解。了解其結(jié)構(gòu)及工作原理，加深對理論知識的理解。通過上述操作，學(xué)生動手努力得到提高,為以后走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

二、試驗內(nèi)容

1．流量計校核

(1)找出孔板流量計的流量和壓差計讀數(shù)之間的關(guān)系曲線。

(2)測定孔板測量計的孔流系數(shù)，并給出C0-Re的關(guān)系曲線。2.突然擴大、縮小局部阻力系數(shù)的測定(1)測定突然擴大局部阻力系數(shù)(2)測定突然縮小局部阻力系數(shù)

三、試驗原理

（一）流量計校核

流體流量測量是化工廠及試驗室的常見操作，在連續(xù)化裝置中，常采用孔板流量計、文丘里流量計來測量流量，不管是購置定型流量計（特別在適用一段時間之后）或是自行設(shè)計加工的流量計，在使用之前，必需對其進行校核試驗以獲得實用的流量計參數(shù)（主要是孔流系數(shù)Co），因此，流量計校核試驗具有廣泛的實用性。

設(shè)計一水平管道，在管道中安裝孔板流量計，流量與孔板流量計前后的壓差有如下關(guān)系：Vs?Aouo?CoAo孔流系數(shù)：

2(pa?pb)??CoAo2gR(?A??)?

C0?式中

Vs—體積流量，m3/s；

A0Vs

2?P/?Co—孔板流量計的孔流系數(shù)，無因次；Ao—孔口面積，m2；R—U型管壓差計的讀數(shù)，m;

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?A—壓差計內(nèi)指示液密度，kg/m3；?—被測流體密度，kg/m3；

孔流系數(shù)的數(shù)值，往往要受到流量計本身的結(jié)構(gòu)和加工精度，以及流體性質(zhì)、溫度、壓力等因素的影響，因此在現(xiàn)場使用這類流量計往往需對流量計進行校核，即測定不同流量下的壓差計讀數(shù)，直接繪成曲線，或求得Co與Re之間的關(guān)系曲線，以備使用時查校。（二）突然擴大、縮小局部阻力系數(shù)的測定1．局部阻力產(chǎn)生的原因

各種工業(yè)管道都安裝一些閥門、彎頭、三通等配件,用以控制和調(diào)理管內(nèi)的流體滾動。流體經(jīng)過這類配件時，由于邊壁或流量的改變，均勻流在這一局部地區(qū)遭到破壞，引起流速的大小、方向或分布的變化,由此產(chǎn)生的能量損失稱為局部損失,習(xí)慣上也稱為局部阻力。概括起來，局部阻力有四種類型:渦流損失、加速損失、轉(zhuǎn)向損失和撞擊損失。2．過流截面突然縮小

當(dāng)流體從過流截面突然縮小的流體通道向前滾動時,總有部分流體與壁面發(fā)生碰撞而改變方向。碰撞的結(jié)果就要產(chǎn)生能量損失，此即撞擊損失。受到壁面阻礙的流體，屬于外主流的部分要折向中心方向滾動，就是說，這些流體具有垂直于管道軸線的速度分量,因而會發(fā)生實際過流截面的“頸縮〞現(xiàn)象，直到流體的速度完全平行于管軸。在這個過程中，外主流的滾動方向又發(fā)生改變，使垂直于管軸的速度分量消失了，這是外主流與中心主流進行動量交換的結(jié)果。在進行這種動量交換時，要消耗掉一部分能量，這就是流體的轉(zhuǎn)向損失。在區(qū)域有多個渦流區(qū)存在，這種渦流區(qū)之所以能維持運動，是由于通過動量交換從主流得到了能量供應(yīng)，這部分能量消耗在渦流內(nèi)部和渦流與壁面的摩擦上，最終變成熱。這種損失稱為渦流損失。最終一項為哪一項流體的加速度損失，流體經(jīng)過一個速度降低、壓力升高的過程，即減速擴壓的滾動過程。該過程會發(fā)生能量損失，這個損失是由流體的加速、減速過程引起的，故稱加速損失。

上述分析的四種能量損失都只發(fā)生在局部,故是局部阻力。而實際上，流體滾動中還存在沿程摩擦,由此而產(chǎn)生沿程阻力,盡管沿程阻力較小,但為了提高實測確切度,必需想方法消除它的影響。3．過流截面突然擴大

過流截面突然擴大時，水流從小斷面流入大斷面,過流斷面突然擴大,但由于水流存在慣性,故水流不能突然擴展到整個大斷面上,而是有一個漸擴的過程,從而在粗管的邊壁處產(chǎn)生大量漩渦，形成主流區(qū)與漩渦區(qū),造成一定的渦流損失。另一方面,水流從小截面流入大截面后,原來的速度分布曲線產(chǎn)生變形,經(jīng)過一段流程的調(diào)整之后，速度分布恢復(fù)到新的正常狀態(tài)。在這一速度分布的調(diào)整過程中,速度梯度大于正常狀況時的速度梯度,因而增加了水流的內(nèi)摩擦力,使水流的能量損失增加。這兩部分損失即渦漩損失與內(nèi)摩擦力損失是構(gòu)成突然擴大管中局部損失的主導(dǎo)因素;兩者相比,后者顯得相當(dāng)小,所以突擴管的局部損失主要表現(xiàn)為渦漩損失。突然擴大的圓管中,局部損失計算公式的推導(dǎo),可依據(jù)水力學(xué)三個基本方程:能量方程、動量方程及連續(xù)性方程。當(dāng)小截面的面積較小時，可能造成不對稱的渦流區(qū)，即主流偏于某一側(cè)而其它區(qū)域全部被渦流所占據(jù)。實際上，流體滾動過程中,同樣存在沿程阻力。計算局部阻力損失尋常有以下兩種方法：1.局部阻力系數(shù)法：

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hf?u2???

2或?Pf?????u22

式中:ζ——局部阻力系數(shù)，無因次，一般由試驗測定。2.當(dāng)量長度法：

leu2hf=λ

d2?式中：le——當(dāng)量長度，流體流過局部的阻力，看成相當(dāng)于流體流經(jīng)一段與其具有一致直徑且長度為le的直管的阻力，一般由試驗測定。

四、試驗裝置

試驗裝置及流程如圖1所示，水從水箱依次通過離心泵、出口調(diào)理閥、孔板流量計或收縮管、轉(zhuǎn)子流量計后，循環(huán)回到水箱。

Bf'Ahafgedce'd'c'b

圖1.管路設(shè)計與安裝試驗裝置流程與部件

主要技術(shù)參數(shù)：

主管路內(nèi)徑：25mm，截面積為A1=490.9mm2；收縮管內(nèi)徑20mm，截面積為A2=314.2mm2；孔板的孔徑：15.128mm，截面積為Ao=179.7mm2。收縮比A2/A1=0.640；Ao/A1=0.366。U型管壓差計內(nèi)指示液位四氯化碳CCl4，其密度為?A=1594kg/m3。

五、試驗步驟

１.將Ａ管路安裝在主管路的a、b點之間，用螺栓和螺母將連接法蘭緊固，然后將孔板流量計的

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兩個測壓口與壓差變送器的兩接口相連，順序?qū)φ?/p>

２.開啟離心泵電動機，調(diào)理出口閥門，檢漏，如不漏液，開始試驗，從小到大改變流量十次，同時記錄轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)和控制柜上連接孔板流量計的壓差計讀數(shù)。測定完畢，關(guān)閉出口閥門，關(guān)閉離心泵電動機。

３.將Ａ管路卸下，把Ｂ管路安裝在主管路的a、b點之間，將測量突然擴大局部和突然縮小局部的四個取壓口與U型管壓差計連接好(c-c’,d-d’,e-e’,f-f’相連接)。

４.開啟離心泵電動機，調(diào)理出口閥門，檢漏，如不漏液，開始試驗，將連接納路Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ接口處的管路內(nèi)的空氣排光，改變流量３次，分別記錄兩個U型管壓差計及轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)。

５.關(guān)閉出口閥門，關(guān)閉離心泵電動機。開啟出口閥門，將管內(nèi)水放掉，然后卸下B管，放在原處。[本卷須知]：

1．安裝過程一定注意人身安全，避免碰傷、擦傷、砸傷；2．安裝之前一定要充分探討，思路明確，避免返工；3．根據(jù)試驗內(nèi)容要求，寫出試驗步驟；4．試驗中需測數(shù)據(jù)應(yīng)列成表格形式；5．試驗終止應(yīng)檢查水、電是否關(guān)閉。6．離心泵使用本卷須知：

①離心泵啟動前，一般要灌水排氣，本設(shè)備由于水泵位置比水箱液面低，水會自動流入泵內(nèi)，故可省去這一操作。假使水位太低，可能發(fā)生氣縛現(xiàn)象，泵發(fā)出噪聲，管路內(nèi)無水流量。

②離心泵必需在出口閥關(guān)閉狀況下啟動，這樣可以防止因啟動電流太大燒毀電機，也可以防止因啟動時水流沖擊過大將壓差計中的水銀沖跑。

③啟動前應(yīng)檢查水泵是否轉(zhuǎn)動靈活，注意勿使人接觸電機或水泵，合閘時，動作要堅決，避免接觸不好。

④啟動后應(yīng)觀測水泵壓力表指針是否轉(zhuǎn)動，如仍在零點，應(yīng)停車檢查，假使一切正常，可緩緩開啟出口閥，不使水泵長時間在出口閥關(guān)閉下運轉(zhuǎn)。

⑤停車時，應(yīng)先關(guān)出口閥，然后拉開電閘。

六、數(shù)據(jù)處理

1．孔板流量計校核

計算孔板流量計的孔流系數(shù)C0，整理出雷諾系數(shù)Re與孔流系數(shù)C0之間的關(guān)系曲線。所需物性數(shù)據(jù)為：管徑：25mm液體水的密度：1000Kg/m3黏度：0.001Pa.s計算過程如下：

以第1組數(shù)據(jù)為例管內(nèi)平均流速u?4?Vh4?1.1??0.622m/s

3600???d23600???0.0252雷諾準(zhǔn)數(shù)Re?0.025?0.622?1000/0.001?15562

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則孔流系數(shù)C0?VsA02?P/??1.1/3600179.7?10?2?6?10/1000?63?0.49

試驗測定與數(shù)據(jù)處理結(jié)果列于表1中。

表1.孔板流量計的測定數(shù)據(jù)與處理結(jié)果序號1234567891011水流量Vh（m3/h）1.11.582.022.553.053.623.934.304.815.185.48水流速u(m/s)0.6220.8941.141.441.732.052.222.432.722.933.10雷諾準(zhǔn)數(shù)孔板前后壓降（Kpa）610152129394553677787Re?du?/?1556222350285003600043250512505550060750680007325077500孔流系數(shù)C00.490.5460.5700.6080.6190.6340.6400.6450.6420.6450.642計算得到的co與Re的關(guān)系曲線示于圖2中。與課本上的圖1-33有所不同，原因未知。

0.660.640.620.60流量系數(shù)Co0.580.560.540.520.500.4810000Ao/A1=0.366Re

圖2.試驗測定孔板流量計co與Re的關(guān)系

2．突然擴大、縮小局部阻力系數(shù)的測定

U型管壓差計中指示液為液體四氯化碳，其密度為?A?1595Kg/m，液位高度差為R。由于流體在突縮與突擴過程中，動能有所改變，所以應(yīng)列機械能衡算方程求局部阻力損失。所選截面即為取壓口的位置。

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12342'1'3'4'

圖3.突縮與突擴管路機械能衡算截面示意圖

在1-1’與2-2’截面之間列機械能衡算式

p12u12p2u2????h'f?2?2p1?p2?(?A??)gR1

2u2h??1

2'f將上述三式聯(lián)立，可得：

2?2?(?A??)gR1u12?u2?1?2???

?2?u2?在3-3’與4-4’截面之間列機械能衡算式

p322u3p4u4????h\f?2?2p3?p4?(?A??)gR2

2u3h??2

2\f將上述三式聯(lián)立，可得：

22??u42?(?A??)gR2u3?2?2???

?2?u3?突縮與突擴局部阻力公式中流速u以小管中的速度為準(zhǔn)。主管路內(nèi)徑：25mm，截面積為A1=490.9mm2；收縮管內(nèi)徑20mm，截面積為A2=314.2mm2。收縮比A2/A1=0.640。計算步驟如下：以第一組數(shù)據(jù)為例突然縮小R=0.242m管路中平均流速u1?V2.00??1.13m/s?6A1490.9?10?36007

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小管中流速u2?則

V2.00??1.76m/s?6A2314.2?10?36002?2?(?A??)gR1u12?u22?(1595?1000)?9.81?0.2421.132?1.762??1?2????????0.323

?2?1.762?10002u2??突然擴大R=0.042m

管路中平均流速u4?u1?1.13m/s小管中流速u3?u2?1.76m/s則

22??u42?(?A??)gR2u32?(1595?1000)?9.81?0.0421.762?1.132??2?2???????0.7462??2?1.76?10002u3??試驗測定數(shù)據(jù)與計算結(jié)果列于表2中。

表2.管道突然擴大(20—25mm)與突然縮小(25—20mm)對應(yīng)的U型管壓差計讀數(shù)：轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)V(m3/h)2.003.013.883.探討

根據(jù)課本中的圖1-28，收縮比A2/A1=0.640時，?1約等于0.20，?2約等于0.13。