管路設計與安裝
一、實驗目的及基本要求
1．實驗目的
(1) 綜合運用流體力學基本原理與操作技能，設計並安裝「流量計校核」與「突然擴大、縮小區域性阻力係數的測定」兩個實驗裝置；
(2) 掌握常用工具的使用方法，學習管路的組裝、試壓、沖洗及拆除操作方法；
(3) 學習管路系統的執行測試及停車方法。
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、操作的方便及安全，同時盡可能減少基建費用，並根據生產的特點、裝置的布置、材料的性質等加以綜合考慮。
① 化工管路安裝時，各種管線應成平行鋪設，便於共用管架，要盡量走直線，少拐彎，少交叉，以節約管材，減小阻力，同時力求做到整齊美觀；
② 為便於操作及安裝檢修，並列管路上的零件與閥門位置應錯開安裝；
③ 管子安裝應橫平豎直， 水平管其偏差不大於15mm/10m，垂直管其偏差不大於10mm/10m；
④ 管路安裝完畢後，應按規定進行強度和嚴密度試驗；
⑤ 管路離地面的高度以便於檢修為準,但通過行人路時,最低點離地面不得小於2m。
(2) 常見管件及閥門、流量計的安裝要求：
① 轉子流量計是用來測量管系中流體流量的，其安裝有嚴格的要求。它必須垂直安裝在管系中，若有傾斜，會影響測量的準確性，嚴重時會使轉子公升不上來。轉子流量計前後各應有相應的直管段，前段應有15～20d 的直管段，後段應有5d 左右的直管段（d 為管子內徑），以保證流量的穩定。
② 閥門的裝拆：截止閥結構簡單，易於調節流量，但阻力較大。安裝時，應使流體從閥盤的下部向上流動，目的是減小阻力，開啟更省力。
在關閉狀態下閥杆、填料函部不與介質接觸,以免閥桿等受腐蝕。閘閥密封效能好，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，它應是最後安裝，拆除管系時，應首先從活動接頭動手。
(3) 幫浦的管路布置總的原則是保證良好的吸入條件與檢修方便
① 為增加幫浦的允許吸上高度, 吸入管路應盡量短而直,減少阻力, 吸入管路的直徑不應小於幫浦吸入口直徑.
② 在幫浦的上方不布置管路,有利於幫浦的檢修.
3、對指導教師的要求
(1) 指導教師對實訓重點進行相應的講解，給學生進行分組；
(2) 組織學生**有關化工管路方面的教學錄影，使學生對化工管路有一定感性認識；
(3) 每個實訓小組根據老師提供的管系圖列出裝置、管件、儀表等清單，領取相應的材料工具等；
(4) 組裝管路，各小組根據管系圖的要求組裝管線；組裝時應先定好裝置位置，再組裝管線，具體來講，應先定好離心幫浦、高位槽等,然後進行配管。
(5) 對照管系圖，檢查各管件、閥門是否安裝準確；
(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，檢查各連線處密封效能如何；
(7) 對管道系統試執行及停車操作。開車時，應先灌幫浦，再開電機，然後再開出口閥門。停車時應先關出口閥，後停電機。
(8) 正確掌握管線的拆除。應先拆儀表、活接頭、閥門等,再拆管件及附件。
(9) 管線拆除後，對照裝置、儀表清單,完好歸還儀表、管件、工具及易耗品等。
此外，為加深學生對常見閥門、裝置等的了解。了解其結構及工作原理，加深對理論知識的理解。通過上述操作，學生動手努力得到提高,為以後走上工作崗位打下良好的基礎。
二、實驗內容
1．流量計校核
(1) 找出孔板流量計的流量和壓差計讀數之間的關係曲線。
(2) 測定孔板測量計的孔流係數，並給出c0-re的關係曲線。
2. 突然擴大、縮小區域性阻力係數的測定
(1) 測定突然擴大區域性阻力係數
(2) 測定突然縮小區域性阻力係數
三、實驗原理
（一）流量計校核
流體流量測量是化工廠及實驗室的常見操作，在連續化裝置中，常採用孔板流量計、文丘里流量計來測量流量，不管是購置定型流量計（尤其在適用一段時間之後）或是自行設計加工的流量計，在使用之前，必須對其進行校核實驗以獲得實用的流量計引數（主要是孔流係數co），因此，流量計校核實驗具有廣泛的實用性。
設計一水平管道，在管道中安裝孔板流量計，流量與孔板流量計前後的壓差有如下關係：
孔流係數：
式中 vs—體積流量，m3/s；
co—孔板流量計的孔流係數，無因次；
ao—孔口面積，m2；
r—u型管壓差計的讀數，m;
a—壓差計內指示液密度，kg/m3；
— 被測流體密度，kg/m3；
孔流係數的數值，往往要受到流量計本身的結構和加工精度，以及流體性質、溫度、壓力等因素的影響，因此在現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，直接繪成曲線，或求得co與re之間的關係曲線，以備使用時查校。
（二）突然擴大、縮小區域性阻力係數的測定
1．區域性阻力產生的原因
各種工業管道都安裝一些閥門、彎頭、三通等配件, 用以控制和調節管內的流體流動。 流體經過這類配件時，由於邊壁或流量的改變，均勻流在這一區域性地區遭到破壞，引起流速的大小、方向或分布的變化, 由此產生的能量損失稱為區域性損失, 習慣上也稱為區域性阻力。概括起來，區域性阻力有四種型別:
渦流損失、加速損失、轉向損失和撞擊損失。
2．過流截面突然縮小
當流體從過流截面突然縮小的流體通道向前流動時, 總有部分流體與壁面發生碰撞而改變方向。碰撞的結果就要產生能量損失，此即撞擊損失。受到壁面阻礙的流體，屬於外主流的部分要折向中心方向流動，就是說，這些流體具有垂直於管道軸線的速度分量, 因而會發生實際過流截面的「頸縮」現象，直到流體的速度完全平行於管軸。
在這個過程中，外主流的流動方向又發生改變，使垂直於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，這就是流體的轉向損失。在區域有多個渦流區存在，這種渦流區之所以能維持運動，是由於通過動量交換從主流得到了能量**，這部分能量消耗在渦流內部和渦流與壁面的摩擦上，最後變成熱。
這種損失稱為渦流損失。最後一項是流體的加速度損失，流體經過乙個速度降低、壓力公升高的過程，即減速擴壓的流動過程。該過程會發生能量損失，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生在區域性, 故是區域性阻力。而實際上，流體流動中還存在沿程摩擦, 由此而產生沿程阻力, 儘管沿程阻力較小, 但為了提高實測精確度,必須想辦法消除它的影響。
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, 但由於水流存在慣性, 故水流不能突然擴充套件到整個大斷面上, 而是有乙個漸擴的過程, 從而在粗管的邊壁處產生大量漩渦，形成主流區與漩渦區, 造成一定的渦流損失。另一方面, 水流從小截面流入大截面後, 原來的速度分布曲線產生變形, 經過一段流程的調整之後，速度分布恢復到新的正常狀態。在這一速度分布的調整過程中, 速度梯度大於正常情況時的速度梯度, 因而增加了水流的內摩擦力, 使水流的能量損失增加。
這兩部分損失即渦漩損失與內摩擦力損失是構成突然擴大管中區域性損失的主導因素; 兩者相比, 後者顯得相當小, 所以突擴管的區域性損失主要表現為渦漩損失。突然擴大的圓管中, 區域性損失計算公式的推導, 可依據水力學三個基本方程: 能量方程、動量方程及連續性方程。
當小截面的面積較小時，可能造成不對稱的渦流區，即主流偏於某一側而其它區域全部被渦流所佔據。實際上，流體流動過程中, 同樣存在沿程阻力。
計算區域性阻力損失通常有以下兩種方法：
1. 區域性阻力係數法：
或式中: ζ——區域性阻力係數，無因次，一般由實驗測定。
2. 當量長度法：
式中：——當量長度，流體流過區域性的阻力，看成相當於流體流經一段與其具有相同直徑且長度為的直管的阻力，一般由實驗測定。
四、實驗裝置
實驗裝置及流程如圖1所示，水從水箱依次通過離心幫浦、出口調節閥、孔板流量計或收縮管、轉子流量計後，迴圈回到水箱。
圖1. 管路設計與安裝實驗裝置流程與部件
主要技術引數：
主管路內徑：25mm，截面積為a1=490.9 mm2；收縮管內徑20mm，截面積為a2=314.
2 mm2；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型管壓差計內指示液位四氯化碳ccl4，其密度為a=1594kg/m3。
五、實驗步驟
１. 將ａ管路安裝在主管路的a、b點之間，用螺栓和螺母將連線法蘭緊固，然後將孔板流量計的兩個測壓口與壓差變送器的兩介面相連，順序對正。
２. 開啟離心幫浦電動機，調節出口閥門，檢漏，如不漏液，開始實驗，從小到大改變流量十次，同時記錄轉子流量計讀數和控制櫃上連線孔板流量計的壓差計讀數。測定完畢，關閉出口閥門，關閉離心幫浦電動機。
３. 將ａ管路卸下，把ｂ管路安裝在主管路的a、b點之間，將測量突然擴大區域性和突然縮小區域性的四個取壓口與u型管壓差計連線好(c-c』,d-d』,e-e』,f-f』相連線)。
４. 開啟離心幫浦電動機，調節出口閥門，檢漏，如不漏液，開始實驗，將連線管路ｃ、ｄ、ｅ、ｆ介面處的管路內的空氣排光，改變流量３次，分別記錄兩個u型管壓差計及轉子流量計讀數。
５. 關閉出口閥門，關閉離心幫浦電動機。開啟出口閥門，將管內水放掉，然後卸下b管，放在原處。
[注意事項]：
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討論，思路明確，避免返工；
3． 根據實驗內容要求，寫出實驗步驟；
4． 實驗中需測資料應列成**形式；
5． 實驗結束應檢查水、電是否關閉。
6．離心幫浦使用注意事項：
①離心幫浦啟動前，一般要灌水排氣，本裝置因為水幫浦位置比水箱液面低，水會自動流入幫浦內，故可省去這一操作。如果水位太低，可能發生氣縛現象，幫浦發出雜訊，管路內無水流量。
②離心幫浦必須在出口閥關閉情況下啟動，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衝擊過大將壓差計中的水銀衝跑。
③啟動前應檢查水幫浦是否轉動靈活，注意勿使人接觸電機或水幫浦，合閘時，動作要堅決，避免接觸不好。
④啟動後應觀察水幫浦壓力表指標是否轉動，如仍在零點，應停車檢查，如果一切正常，可緩緩開啟出口閥，不使水幫浦長時間在出口閥關閉下運轉。
⑤停車時，應先關出口閥，然後拉開電閘。
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