抽采管路上孔板流量计安装位置

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北京化工大学化工原理实验流体阻力实验北京化工大学化工原理实验报告实验名称流体阻力实验班级姓名学号序号同组人设备型号实验日期一、实验摘要本实验使用UPRSⅢ型第4套实验设备，通过测量不同流速下水流经不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的压头损失来测定不同管路、局部件的雷诺数与摩擦系数曲线。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素，验证在湍流区内λ与雷诺数Re和相对粗糙度的函数。该实验结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。关键词摩擦系数，局部阻力系数，雷诺数，相对粗糙度二、实验目的1、测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。2、测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。3、测量层流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。4、验证在湍流区内摩擦阻力系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度的函数5、将所得光滑管的λ-Re方程与Blasius方程相比较。三、实验原理1、直管摩擦阻力不可压缩流体在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流作用产生摩擦阻力。此外，流体经过突然扩大、弯头等管件时，由于运动速度方向突然变化，也会产生局部阻力。利用量纲分析的方法，流体流动阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关，可表示为引入无量纲数群雷诺数相对粗糙度长径比从而得到令，则可得阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可通过实验测得。（1）式中直管阻力J/kg，被测管长m，被测管内径m，平均流速m/s，摩擦阻力系数。根据机械能衡算方程，实验测量（2）对于水平无变径直管道，结合式（1）与式（2）可得摩擦系数测量当流体在管径为d的圆形管中流动时选取两个截面，用U形压差计测出这两个截面的压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。通过改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样便能得到某一相对粗糙度下的关系。由前人经验，当在范围内时，其关系满足Blasius关系式，在层流范围内满足线性关系，见表1。表1摩擦阻力系数与雷诺数关系400011858804000Re临界点临界点以上水力光滑管\粗糙管\2、局部阻力（3）将局部阻力系数，平均流速u，代入方程即可确定局部阻力。式中与局部结构关系见表2表2局部阻力系数与局部结构关系（Re4000）结构突扩管截止阀球阀常数常数对于水平放置条件，根据式（1）（3）可得局部阻力系数计算式为（无变径）和（有变径）式中，p1p2为上下游截面压强差，u1u2为平均流速，ρ为密度四、实验流程与设备图1流体阻力实验带控制点工艺流程1-水箱；2-水泵；3-涡轮流量计；4-主管路切换阀；5-层流管；6-截止阀；7-球阀；8-不锈钢管；9-镀锌钢管；10-突扩管；11-流量调节阀（闸阀）12-层流管流量阀（针阀）13-变频仪实验介质水（循环使用）研究对象不锈钢管，l1.500m,d0.021m;镀锌管，l1.500m,d0.021m;突扩管，l10.020m,d10.016,l20.280m,d20.042;截止阀，DN20,d0.021m;球阀，DN20,d0.021m;层流管，l1.500m,d0.003m;仪器仪表涡轮流量计，LWGY-25型，0.610m3/h,精确度等级0.5；温度计，Pt100,0200℃,精度等级0.2压差传感器，WNK3051型,-20100kPa,精度等级0.2显示仪表AI-708等，精度等级0.1。变频仪西门子MM420型。其他计算机数据采集和处理，380VAC220VAC五、实验操作1、准备1）打开电脑，启动“流体阻力实验”软件。2）连接数据线，并按照要求正确安装相应驱动。2）按下控制柜绿色按钮开启控制柜，至实验结束再按下红色按钮关闭。4）开泵，关闭流量调节阀，按变频器上的绿色按钮开启泵，降频至25Hz。5）主管路排气全开流量调节阀、压差传感器排气阀，再关闭流量调节阀约10秒。6）测压管线排气打开全部测压阀、压差传感器排气阀，查看Δp孔板。7）再次打开传感器排气阀，10秒后关闭，重复多次至零点不变，记录Δp孔板。2、不锈钢管实验1）重复准备过程的7）并记录Δp孔板。2）打开不锈钢管测量管路切换阀，测压阀。3）打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过变频器调节，记录数据。3、镀锌管实验1）重复准备过程的7）并记录Δp孔板。2）打开镀锌管测量管路切换阀，测压阀。关闭其他切换阀、测压阀。3）打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过变频器调节，记录数据。4、球阀、截止阀实验1）重复准备过程的7）并记录Δp孔板。2）打开球阀、截止阀测量管路切换阀。关闭其他切换阀、测压阀。3）打开球阀两端的测压阀。4）打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过变频器调节，记录数据。5）关闭球阀两端测压阀，开启截止阀两端测压阀，重复上述过程，记录数据。5、层流管实验1）重复准备过程的7）并记录Δp孔板。2）降低水泵频率。3）关闭其他切换阀、测压阀。全开层流管流量阀。4）调节层流管路出口阀，改变管路压降，用量桶测量一定时间内流出的液体量，并记录其重量。6、结束实验，关闭全部阀门，通过变频器关泵，关闭控制柜。六、实验数据表格及计算举例1、湍流不锈钢管数据表ΔP0/kPal/md/mε/mm0.081.5000.02050.02序号水流量qv/m3h-1管路压降Δp/kPa水温度t/℃水密度ρ/kgm-3水粘度μ/Pas水流速u/ms-1雷诺数Re摩擦系数λλblasius10.600.3719.5998.21.005E-030.51102870.0310.03120.850.6219.5998.21.005E-030.72145730.0290.02931.000.8019.5998.21.005E-030.84171450.0280.02841.311.2519.5998.21.005E-031.10224590.0260.02651.581.7219.5998.21.005E-031.33270880.0250.02561.982.5419.5998.21.005E-031.67339460.0240.02372.543.9419.5998.21.005E-032.14435470.0230.02283.005.2619.6998.21.005E-032.53514340.0220.02194.059.0619.6998.21.005E-033.41694350.0210.019104.9813.2819.7998.21.005E-034.19853800.0210.019116.0118.6820.0998.21.005E-035.061030390.0200.018127.3027.0220.2998.21.005E-036.151251550.0200.017计算示例以第一组为例1）流速2）雷诺数3）摩擦系数4）理论摩擦系数2、湍流镀锌管数据表ΔP0/kPal/md/mε/mm0.071.5000.02200.10序号水流量qv/m3h-1管路压降Δp/kPa水温度t/℃水密度ρ/kgm-3水粘度μ/Pas水流速u/ms-1雷诺数Re摩擦系数λλblasius10.590.3321.0998.21.005E-030.4394260.0410.03220.780.4821.1998.21.005E-030.57124610.0370.03030.950.6621.2998.21.005E-030.69151770.0360.02841.291.0521.2998.21.005E-030.94206080.0320.02651.601.5021.2998.21.005E-031.17255610.0310.02561.962.1221.2998.21.005E-031.43313120.0290.02472.483.2021.2998.21.005E-031.81396190.0280.02283.024.5521.4998.21.005E-032.21482460.0270.02194.007.5321.6998.21.005E-032.92639020.0260.020104.9611.2321.9998.21.005E-033.63792390.0250.019115.9515.7222.0998.21.005E-034.35950550.0240.018127.2723.0822.5998.21.005E-035.321161420.0240.017计算示例以第一组为例1）流速2）雷诺数3）摩擦系数4）理论摩擦系数3、湍流突扩管数据表ΔP0/kPal1/md1/ml2/md2/mε/mm0.050.0200.01600.2800.04200.02序号水流量qv/m3h-1局部压降Δp2-1/kPa水温度t/℃水密度ρ/kgm-3水粘度μ/Pas水流速u1/ms-1水流速u2/ms-1雷诺数Re1局部阻力系数ζζ理论值12.001.1822.6998.21.005E-032.760.401439330.830.7322.982.6422.6998.21.005E-034.120.598654600.830.7334.004.7622.7998.21.005E-035.530.802878660.820.7344.987.4822.7998.21.005E-036.880.4000118588.820.73计算示例以第一组为例1）流速2）雷诺数3）局部阻力系数4）理论局部阻力系数4、湍流截止阀全开ΔP0/kPad/m0.050.0205序号水流量qv/m3h-1局部压降Δp/kPa水温度t/℃水密度ρ/kgm-3水粘度μ/Pas水流速u/ms-1雷诺数Re局部阻力系数ζ12.0313.8423.1998.21.005E-031.71348039.4623.0029.9023.1998.21.005E-032.53514349.3733.9451.1023.1998.21.005E-033.32675499.29计算示例以第一组为例1）流速2）雷诺数3）局部阻力系数5、湍流球阀（全开）ΔP0/kPad/m0.050.0205序号水流量qv/m3h-1局部压降Δp/kPa水温度t/℃水密度ρ/kgm-3水粘度μ/Pas水流速u/ms-1雷诺数Re局部阻力系数ζ11.981.2323.0998.21.005E-031.67339460.8522.962.5423.0998.21.005E-032.49507480.8033.944.1823.0998.21.005E-033.32675490.75计算示例以第一组为例1）流速2）雷诺数3）局部阻力系数6、层流管数据表ΔP0/kPal/md/m0.051.5000.0030序号水质量/g时间/s管路压降Δp/kPa水温度t/℃水密度ρ/kgm-3水粘度μ/Pas水流量qv/Lh-1水流速u/ms-1雷诺数Re摩擦系数λλ理论值124.060.030.3823.1998.21.005E-031.440.061690.4130.380245.059.970.5823.1998.21.005E-032.700.113160.1880.202386.759.800.9823.1998.21.005E-035.220.216110.0880.105462.229.961.4023.3998.21.005E-037.470.298760.0630.073586.729.951.9423.5998.21.005E-0310.420.4112210.0450.0526124.130.282.9424.0998.21.005E-0314.750.5817290.0340.0377171.330.036.0025.1998.21.005E-0320.540.8124060.0370.027计算示例以第一组为例1）流量2）流速3）雷诺数4）摩擦系数5）理论摩擦系数七、实验结果作图及分析实验结果关系曲线1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析通过实验测出的光滑管（不锈钢管）的关系曲线与Blasius理论得出的曲线在Re临界值之前十分接近，验证了Blasius公式在Re4000至临界值区间上与实际情况吻合得较好。当雷诺数继续增大后，阻力系数逐渐趋近于一个定值，此时实验曲线开始向上偏离理论曲线。对于粗糙管（镀锌管），其关系曲线形态与光滑管大体相似，同等条件下粗糙管的阻力系数比光滑管的大，这表明摩擦阻力系数不仅随雷诺数的变化而变化，其大小还与管道的相对粗糙度有直接关系。此外，粗糙管的关系曲线与理论曲线偏离明显，表明Blasius公式对水力光滑管更加适用，而不适用于粗糙管。2、对层流管的实验结果分析总体上，层流管的数据点在层流区大体落在理论曲线附近，呈线性分布，但随着流速增加，曲线较理论线有向下偏离，这与测量过程中的误差有一定关系，对此可通过延长测量流量的时间并在每次改变流速后多稳定一段时间，让管内流动更趋近于稳态来提高测量的稳定性。3、对突扩管的实验结果分析在突扩管试验中，得出不同流速下（湍流），突扩管的局部阻力系数大体相同，较理论值偏高，这很可能是由于局部件长时间使用后有一定程度的损耗造成的，但对于一定状态下的同一种局部件，其局部阻力基本为定值。4、对球阀与截止阀的实验结果分析从实验数据上看，两种局部件的局部阻力系数随流速的增加略有下降，但幅度不大，相较而言，同种情况下，球阀的局部阻力系数远小于截止阀，这与其结构密切相关，八、思考题1）在测量前为什么要将设备中的空气排尽怎样才能迅速排尽主管路中如存在气体会影响流体流动的连续性，破坏本实验进行的前提条件，测量管路中存在气泡会使测量值出现很大的波动，都将严重影响实验的真实性和准确性，因此必须尽可能排尽。可通过加大液体流速，并增大排气通道加快排气。2）在不同设备不同温度下测定的数据能否关联在一条曲线上不能，一条关系曲线描述了同一设备在一定时间的阻力系数与通过流体流动状态间的关系，设备的特性不同，其曲线也不同，对同一设备，使用时间不同，也会对其造成一定影响。不同设备的数据不能关联在一起。而同一设备不同温度下测定的可以关联，温度影响流体的黏度与密度，即影响Re值，对设备特性影响不大。3）以水为工作介质测得的关系能否适用于其他类型的牛顿流体为什么可以，牛顿流体具有相似的流动性质，以水测得的关系曲线同样适用于与其相似的牛顿流体，液体密度黏度不同会在雷诺数中体现，而不会影响关系。4）如果同一根不锈钢管按下图三种方式放置，则阻力hf1，hf2，hf3为多少R1,R2,R3是否相等，为什么,,由直管阻力公式，阻力系数、管长、直径、流速均相同，Hf相等，R1R2R3。5）伯努利方程与机械能衡算式有什么关系他们的适用条件是什么机械能衡算适用于所有流体。伯努利方程只适用于定态流动的理想流体，是机械能衡算式的一种导出式。流体阻力演示实验记录表1截面2截面3截面4截面位头（Pa）4000118588静压头（Pa）40001185881600速度头（Pa）4000118588机械能（Pa）40001185882030液体通过管路时存在摩擦阻力，通过不同的管路、管件时所受到的阻力不同。流型不同。-10-
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后段安装的导压管应垂直或倾斜敷设，其倾度不得小于1:12。粘度较高的流体，其倾斜度还应增大。当差压讯号传送距离大于3米时，导压管应分段倾斜，并在各最高点和最低点分别装设集气器和沉降器。为了避免差压讯号传送失真，正负导压管应尽量靠近敷设，严寒地区还应采取防冻措施。可采用电热或蒸气保温，但要防止被测介质过热汽化和在导压管中产生气体造成假差压。
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孔板流量计在工况使用中时常有变形的情况发生，会导致仪表不能准确计量。发生变形的孔板往往是口径较大孔板流量计，测量介质的温度较高，例如过热蒸汽，孔板厚度相对较薄的环室取压的节流装置。
由于我们在加工制造孔板和环室时温度低，一般都是室温，而在实际使用时温度高，因此它们的几何尺寸都发生了显著的变化。由于环室的材质一般为碳钢，线膨胀系数一般以11×10－6℃－1计，而孔板的材质为304不锈钢，线膨胀系数一般以16×10－6℃－1计，所以膨胀系数的差值为5×10－6℃－1。当节流装置投入使用后，与高温流体接触，孔板和环室都相应膨胀，其中孔板外径膨胀的增量要比环室相应部位内径膨胀的增量大，所以，我们在加工制造孔板时，孔板和环室之间必须通过计算留有足够的膨胀间隙。
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当0.45≤β≤0.75时10000≤ReD
5、精度：１级
1、法兰取压、角接取压、D-D/2取压方式分别见图1、图2、图3
2、整体式焊接结构见图4
1、安装时应保证孔板中心、法兰中心、管道中心和垫片同心，不同心度不得超过0.002D/β。
2、孔板的正负压方向，上下游取压法兰应与介质流向相符，取压孔的方位可根据介质不同和变送器的安装情况确定。
3、节流装置与管道连接时，焊接处端面与管道轴线的不垂直度不得大于1°，焊接后内部焊缝应加工处理，使其光滑，无焊巴和焊渣。
4、取压法兰与管道焊接前，应先将管道上的取压孔钻好，其直径与取压法兰上的取压孔径相同，焊接时取压法兰上的取压孔与管道上的取压孔对准。
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ρf——转子材料的密度
转子流量计读取流量直观方便，流体阻力很小，测量精确度较高，对不同流体的适用性广，并能用于腐蚀性流体的测量，且不易发生故障，是普遍采用的一种流量测量仪表。
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Q为体积流量，m3/h;D为流量计内径，mm;v为运动粘度，m2/s。(2)压力损失:选择流量计时，通常可能会对流量计的通径进行适当缩小，以取得较大的流速和合适的流量量程。但是如果缩径过于严重，可能会导致较大的压力损失，能耗会增加，因此在选择流量计的通径时，也需要适当考虑压力损失，尽可能减小压力损失。压力损失△P计算:△P=1.1×10－5ρ·V2?(3)式中，△P为压力损失，kg/m2;ρ为流体密度，kg/m3;V为流速，m/s。(3)背压:测量液体的流量时，要确认工艺管道的压力对于较小的公称通径而言有足够大的背压，避免气穴产生。流量计下游的管道压力应满足:P≥2.7△P+1.3P0(4)式中。
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