專利名稱：動量傳遞綜合實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種《化工原理》課程演示實驗、驗證實驗和綜合性設(shè)計型 實驗的裝置，尤其涉及一種將流體流動狀況及相關(guān)知識點真實全面地展示給 實驗操作者的動量傳遞綜合實驗裝置。
背景技術(shù)：
《化工原理》課程主要研究化工單元操作的原理、關(guān)鍵設(shè)備及其基本設(shè) 計計算和應(yīng)用的一門課程，單元操作的內(nèi)在規(guī)律可以歸納為"三傳一反"，其
中三傳即"動量傳遞"，"熱量傳遞"，"質(zhì)量傳遞"；"一反"是指"化學(xué)反應(yīng)"， 而"熱量傳遞"，"質(zhì)量傳遞"，"化學(xué)反應(yīng)"都是以"動量傳遞"為前提的， 流體流動就是流體的"動量傳遞"，也就是說，沒有流體流動，就不可能存在 化工生產(chǎn)過程中的傳熱和傳質(zhì)。因此流體流動在化工單元操作中具有重要的 地位。由于《化工原理》中流體流動一章涉及較多的概念及公式，為有利于 初學(xué)者盡快系統(tǒng)掌握本章的知識體系，課程教學(xué)過程中設(shè)計了較多的演示實 驗、驗證實驗和綜合性設(shè)計型實驗，使得實驗設(shè)備繁雜而功能卻較為單一， 這種實驗設(shè)備的現(xiàn)狀不僅加大了設(shè)備的投入、降低了設(shè)備的使用率，同時還 將各知識點割裂開來，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，也不利于我國目前高等教育實踐 教學(xué)環(huán)節(jié)的發(fā)展。為此，結(jié)合目前實驗設(shè)備的現(xiàn)狀和多年的教學(xué)實踐，設(shè)計 制作了 "動量傳遞綜合實驗裝置"。將流體流動狀況及相關(guān)知識點真實全面地 展示給實驗操作者，使學(xué)生易于理解和掌握流體力學(xué)中一些常用的基本概念 和規(guī)律，以期收到較好的教學(xué)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將流體流動所涉及的眾多實驗項目集成在一套 設(shè)備中，可以將流體流動狀況及相關(guān)知識點真實全面地展示給實驗操作者的 動量傳遞綜合實驗裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種動量傳遞綜合實驗裝置，包括裝置支架，其特征在于裝置支架 的上部安裝有高位槽，高位槽的下部連接出水管，出水管上連接有轉(zhuǎn)子流量 計，轉(zhuǎn)子流量計的后端連接有細(xì)測量管，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢
托管，細(xì)測量管的后端連接有粗測量管，粗測量管的兩端的壁面上開孔并連 接有畢托管，粗測量管的中部的壁面上開孔并連接有示蹤劑導(dǎo)管，示蹤劑導(dǎo) 管的下端帶有毛細(xì)玻璃管，示蹤劑導(dǎo)管的上面連接有示蹤劑控制閥和示蹤劑 細(xì)口瓶；粗測量管的后端另連接有細(xì)測量管，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接 有畢托管，細(xì)測量管的后端連接有向下傾斜的測量管，向下傾斜的測量管的 后端另連接有細(xì)測量管和流量調(diào)節(jié)閥，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢托 管，細(xì)測量管的后端連接有測量管回水管路，測量管回水管路與位于裝置下 部的低位槽連接；上述的畢托管安裝在背板上，背板安裝在裝置支架上，每 支畢托管的旁邊帶有標(biāo)尺；低位槽與離心泵入口管路連接，離心泵通過離心 泵出口管路與高位槽連接；本裝置還包括裝置電器控制電路和溫度測量電路， 背板上安裝有水溫測量指示。
根據(jù)所述的動量傳遞綜合實驗裝置，其特征在于所述的高位槽內(nèi)垂直 焊接有二個隔板，將槽分為左側(cè)1/4、中部1/4與右側(cè)2/4三部分，左側(cè)為 溢流槽，中部為進水槽，右側(cè)為出水槽；左側(cè)的隔板高度大于右側(cè)的隔板， 進水槽的頂部水平焊一個高位槽孔板，出水槽的頂部也水平焊一個高位槽孔 板，溢流槽底部設(shè)置有溢流槽底部出水管，溢流槽底部出水管與低位槽連接， 低位槽的中部設(shè)置有低位槽隔板。
根據(jù)所述的動量傳遞綜合實驗裝置，其特征在于所述的離心泵帶有離 心泵出口回水管路，出口回水管路上設(shè)置有離心泵出口回水流量調(diào)節(jié)閥。
根據(jù)所述的動量傳遞綜合實驗裝置，其特征在于裝置設(shè)置有操作臺面， 操作臺面與所述的背板固定連接；操作臺面下裝有所述的低位槽、離心泵、 裝置電器控制電路和溫度測量電路，操作臺面下帶有裝置箱門，裝置的底部 設(shè)置有腳輪。
本發(fā)明最大的優(yōu)點是簡單、直觀、操作安全易行。本發(fā)明不僅能夠?qū)⒘?體流動狀況及相關(guān)知識點真實全面地展示給實驗操作者，用儀器講解，使學(xué) 生易于理解和掌握流體力學(xué)中一些常用的基本概念和規(guī)律，同時還將本章涉 及的多數(shù)實驗，比如雷諾實驗、柏奴隸實驗、流體阻力實驗、流體連續(xù)性、 流速流量的測量等集成在一套設(shè)備中，大大提高設(shè)備的利用率，降低了設(shè)備 的投資，鍛煉學(xué)生的綜合實踐能力，并通過本裝置開展設(shè)計型實驗的教學(xué)任 務(wù)。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖。
圖3為本發(fā)明的原理圖。
圖4為圖3中的A部放大圖。
圖5為本發(fā)明中電器控制和溫度測量原理圖。
附圖中1、高位槽孔板；2、高位槽；3、隔板；4、轉(zhuǎn)子流量計；5、離 心泵出口管路；6、溢流槽底部出水管；7、細(xì)測量管；8、粗測量管；9、電 源開關(guān)；10、低位槽；11、低位槽隔板；12、離心泵出口回水流量調(diào)節(jié)閥； 13、離心泵；14、腳輪；15、測量管回水管路、16、裝置箱門；17、流量調(diào) 節(jié)閥；18、水溫測量指示；19、向下傾斜的測量管；20、示蹤劑導(dǎo)管；21、 示蹤劑控制閥；22示蹤劑細(xì)口瓶；23、背板；24、標(biāo)尺；25、畢托管；26、
裝置支架；27、操作臺面；28、毛細(xì)玻璃管。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明
本發(fā)明如圖l、圖2、圖3所示，包括裝置支架26 (參見圖2)，裝置 支架26的上部安裝有高位槽2 (參見圖1)，高位槽2內(nèi)垂直焊接有二個隔板 3，將槽分為左側(cè)1/4、中部l/4與右側(cè)2/4三部分，左側(cè)為溢流槽，中部為 進水槽，右側(cè)為出水槽；左側(cè)的隔板高度大于右側(cè)的隔板，進水槽的頂部水 平焊一個高位槽孔板l，出水槽的頂部也水平焊一個高位槽孔板l，溢流槽底 部設(shè)置有溢流槽底部出水管6，溢流槽底部出水管6與低位槽10連接，低位 槽10的中部設(shè)置有低位槽隔板11。
高位槽2的出水槽的下部連接出水管，出水管上連接有轉(zhuǎn)子流量計4， 轉(zhuǎn)子流量計4的后端連接有細(xì)測量管7，細(xì)測量管7的壁面上開孔并連接有 兩個畢托管25 (己有技術(shù))，畢托管的旁邊帶有標(biāo)尺24。細(xì)測量管7的后端 連接有粗測量管8，粗測量管8的兩端的壁面上開孔并連接有畢托管25,粗 測量管8的中部的壁面上開孔并連接有示蹤劑導(dǎo)管20，示蹤劑導(dǎo)管20的下 端帶有毛細(xì)玻璃管28 (參見圖4)，示蹤劑導(dǎo)管20的上面連接有示蹤劑控制 閥21和示蹤劑細(xì)口瓶22。
粗測量管8的后端連接有細(xì)測量管，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢
托管，細(xì)測量管的后端連接有向下傾斜的測量管19，向下傾斜的測量管19 的后端連接有細(xì)測量管和流量調(diào)節(jié)閥17，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢 托管，細(xì)測量管的后端連接有測量管回水管路15，測量管回水管路15與位 于裝置下部的低位槽IO連接。
上述的畢托管安裝在背板23上，背板23安裝在裝置支架26上，每支畢 托管的旁邊帶有標(biāo)尺24。
低位槽10與離心泵13的入口管路連接，離心泵13通過離心泵出口管路 5與高位槽2連接。本裝置還包括裝置電器控制電路和溫度測量電路(見圖5 )， 背板23上安裝有水溫測量指示18 (見圖1)。
離心泵13帶有離心泵出口回水管路，出口回水管路上設(shè)置有離心泵出口 回水流量調(diào)節(jié)閥12。
本裝置設(shè)置有操作臺面27 (見圖2)，操作臺面27與所述的背板23固定 連接。操作臺面27下安裝有所述的低位槽10 (見圖1)、離心泵(13)、裝置 電器控制電路和溫度測量電路(見圖5)，操作臺面27下帶有裝置箱門16， 裝置的底部設(shè)置有腳輪14。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和制作方法-
本裝置由高位槽，低位槽，離心泵，流量調(diào)節(jié)及測量，背板，畢托管， 操作臺面，溫度測量系統(tǒng)，可移動腳輪與其他管路等幾個主要部分組成。
高位槽采用厚度為1. Omm的不銹鋼板制作，長寬高為40X25X50cm的敞 口水箱。箱內(nèi)垂直焊二隔板，將箱分為1/4, 1/4與2/4三部分，前者為溢流 槽，中部為進水槽，后者為出水槽；箱內(nèi)頂部水平悍二層孔板，孔板采用厚 度為l.O腿的不銹鋼板制作，長寬為10X25cm及20X25cm，孔徑為5ran均 勻分布在板上，主要作用是梳流，減少流體穩(wěn)定時間。當(dāng)進水管流出的水超 過孔板高度，水就從溢流槽底部出水管排入低位槽，出水槽下部出水管接有 小流量轉(zhuǎn)子流量計，用于出水流量測量。接管尺寸為標(biāo)準(zhǔn)1/4英寸，壁厚1.5mm 不銹鋼管。高位槽由角鋼焊成的，支架支撐并與管路、背板和操作臺面一體 化設(shè)計，高位槽內(nèi)設(shè)有液位高度標(biāo)尺。
背板由厚度為l.Omm不銹鋼板制作，由加強筋支承，與操作臺面一體化 設(shè)計，背板上安裝有用于各測量點壓力及動壓頭測量的畢托管，離地面223cm。
操作臺面選用厚度為20mm高密度壓合板制作，長寬為1,8X0.8 m，臺
面下設(shè)置離心泵及附屬管路、低位槽、控制電路、回水管路等，臺面上開有 通過相應(yīng)管路的圓孔，并采用框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以利于設(shè)備安裝、維護。 移動腳輪安裝在臺面框架底部，以便于設(shè)備移動。
離心泵出口管路、入口管路及連接高位槽溢流槽到低位槽的出水管均采
用不銹鋼管，尺寸為標(biāo)準(zhǔn)1/4英寸、壁厚1. 5,的不銹鋼管，并在回流管路 和高位槽入口管路上各安裝一個手動流量調(diào)節(jié)閥，閥門采用1/4英寸銅質(zhì)閘 閥。
測量部分采用的是硬質(zhì)透明的塑料管，測量塑料管部分又有兩部分組成: 一部分是內(nèi)徑5on、壁厚2.5mm、長度100cm的硬質(zhì)透明的塑料管，另一部分 是內(nèi)徑2.5cm，壁厚1.5mm長度各30cm的硬質(zhì)透明的塑料管，用異徑管件相 連。在水平放置的透明塑料管的上部垂直豎立了 12支直徑為lcm的畢托管(玻 璃管，已有技術(shù))，每支高度85cm，每支玻璃管旁有標(biāo)尺，作靜壓力及沖壓 力測量用(壓頭測量)。測量管路上共設(shè)有六對畢托管用于壓頭的測量，每個 測量點左側(cè)畢托管用于靜壓頭的測量，每個測量點右側(cè)畢托管的下端聯(lián)結(jié)毛 細(xì)管，彎頭方向正對著水流方向用于沖壓頭的測量。
在示蹤劑導(dǎo)管玻璃管的上部連接一個示蹤劑細(xì)口瓶，內(nèi)盛藍(lán)(紅)墨水， 玻璃管下端聯(lián)結(jié)一毛細(xì)玻璃管，其彎頭方向與水流方向一致，示蹤劑由于重 力作用由毛細(xì)玻璃管流出，以指示流體的流動型態(tài)，示蹤劑流量由細(xì)口瓶下 部的快開閥控制。
本發(fā)明的功能及測量原理
1 、驗證流體靜力學(xué)基本方程
靜態(tài)液位測量原理均遵循流體靜力學(xué)基本方程z,+p"(^產(chǎn)Z2+p2/(化)。當(dāng) 高位槽溢流管有水流出時，關(guān)閉回流管路上的流量調(diào)節(jié)閥17，就會發(fā)現(xiàn)第l 第10支(從左向右數(shù)，以下同)畢托管4~10的液位高相等，即為高位槽中 水槽的液位高度，我們以水平管軸線作為基準(zhǔn)水平面，則Zl=Z2...=Zlc，依據(jù)
流體靜立學(xué)基本方程則得p4=p5....=Pl()=p，高位槽壓力p=pQ+/^，而pG=pa=l [大 氣壓]，式中p,g均為常數(shù)，所以114=115....=111()=11(高位槽)。
2、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動
穩(wěn)定流動打開高位槽的進水管，并始終保證溢流管有水流出，此時打 開出水閥，固定閥門開度觀察轉(zhuǎn)子流量計的流量指示，可見出水閥開啟度不變，則流量、流速等物性參數(shù)也不隨時間變化而變化，我們稱此時的流動狀 態(tài)為穩(wěn)定流動。
不穩(wěn)定流動關(guān)閉高位槽的進水管，打開出水閥，固定閥門開度，此時 觀察到隨著時間的推移轉(zhuǎn)子流量計的流量指示逐漸降低，即出水管流速愈來 愈慢，最后流速為零，我們稱此時的流動狀態(tài)為不穩(wěn)定流動。
3、 流量與流速的測試
設(shè)轉(zhuǎn)子流量計指示的體積流量為Vs [m3/s]。
若流量用質(zhì)量流量計算，則質(zhì)量流量^ = ^0(>為水的密度)。 某一管截面上的平均流速為"=^" [m/s] (A為與流動方向垂直的管道 截面積m2)。
質(zhì)量流速或質(zhì)量通量以G表示，則G == ^V /」=wp 。
4、 靜壓能與沖壓能的測定
流體穩(wěn)定流動時，第1 12支畢托管插入水平塑料管的下緣，管口與水 流方向平行，所以各畢托管顯示的液位高度是以水柱表示的靜壓能，可以直 接讀取。從左向右數(shù)偶數(shù)編號的畢托管插入水平塑料管的毛細(xì)管口正對著水 流方向，所以畢托管中顯示的水位高度為局部流體動能"^"與靜壓能^W 之和，稱為沖壓能。
5、 連續(xù)性方程
連續(xù)性方程可表述為>^ = Wl^hp = W2^2p ，若流體密度^為常量可寫 為K = "1^1 = 1/2^2或m0r^2)/4二K2(;r^/22)/4 ，得l/2/wi = (di/d2)2 ， 由此式， 我們只要知道測量管的內(nèi)徑山、d2和任意一管的流速，另一管的流速就可以 計算出來。
6 、雷諾實驗的演示
在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，把流量調(diào)節(jié)閥逐步開啟，同時開啟連接示蹤劑導(dǎo)管 的細(xì)口瓶下部的示蹤劑控制閥，作為示蹤劑的墨水就會在重力作用下發(fā)現(xiàn)從 示蹤劑導(dǎo)管下端毛細(xì)管中流出，若示蹤劑軌跡為一條水平線(墨水線)，這說 明此時管道中的水的流動型態(tài)為層流。當(dāng)把示蹤劑控制閥開大，示蹤跡軌跡 不再保持水平而是上下波動，隨閥門開度的增大，波動加劇，說明此時管道 中的水的流動型態(tài)為湍流，以上各種流動型態(tài)可以根據(jù)當(dāng)時的系統(tǒng)參數(shù)即管 徑、流量、流體粘度、流體密度計算雷諾準(zhǔn)數(shù)予以驗證。Re=du P / li
層流或滯流，Re《2000 紊流或湍流，Re》4000 過度狀態(tài)，4000>Re》2000
7、 直管摩擦阻力的測定
若測定水平直管上第1和第8 二個測壓點間的總阻力，根據(jù)柏努利方程: z!+P!/ (+U" (2g) +He=z2+p2/ (w) +u22/2g+Hf
我們以管軸線為基準(zhǔn)水平面，則Z^Z^O又因為d,=d8，根據(jù)連續(xù)性方程 Vsl=Vs8=u d2/4，所以Ul=u8 .無能量加入He=0 ，上式化簡為 Hf=(Pl-p8)/( pghh廣h8=AP/( pg)，即阻力的表現(xiàn)形式為壓強降，又根據(jù)流 體靜力學(xué)方程P^gh ，所以Hf二(p「p8)/( pg)^-h8=AA，即測定第2支畢托 管的液位高度與第8支畢托管的液位高度，二者的差值就是畢托管第1 8支 的總阻力。
8、 局部阻力的測定
通過回流流量調(diào)節(jié)閘閥前后兩各沖壓能測定點間的差值可以得到以壓頭 損失形式表示的閘閥的局部阻力損失，通過改變閥門的開度大小能夠比較直 觀的觀察局部阻力損失與閥門開度之間的關(guān)系。
9 、直管摩擦系數(shù)入與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re之間的關(guān)系
以水平粗管的阻力為例，如前所述 Hf,4~9=入lu2/(d2g)=(p4-p9)/( P g)=h4-h9=Ah
則得A=2gdAh/(lu2)。 HRe=duP/u，而^=~
定性溫度WKti+t2)/2(t^2為實驗前、后水溫)，將管路出口閥從小到大逐
步開啟，記錄10組數(shù)據(jù)(Ah， u)，代入上式分別計算出10組的A與Re， 將其標(biāo)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，用直尺和曲線尺分別連接各點。
權(quán)利要求
1、一種動量傳遞綜合實驗裝置，包括裝置支架(26)，其特征在于裝置支架(26)的上部安裝有高位槽(2)，高位槽(2)的下部連接出水管，出水管上連接有轉(zhuǎn)子流量計(4)，轉(zhuǎn)子流量計(4)的后端連接有細(xì)測量管(7)，細(xì)測量管(7)的壁面上開孔并連接有畢托管(25)，細(xì)測量管(7)的后端連接有粗測量管(8)，粗測量管(8)的兩端的壁面上開孔并連接有畢托管(25)，粗測量管(8)的中部的壁面上開孔并連接有示蹤劑導(dǎo)管(20)，示蹤劑導(dǎo)管(20)的下端帶有毛細(xì)玻璃管(28)，示蹤劑導(dǎo)管(20)的上面連接有示蹤劑控制閥(21)和示蹤劑細(xì)口瓶(22)；粗測量管(8)的后端另連接有細(xì)測量管，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢托管，細(xì)測量管的后端連接有向下傾斜的測量管(19)，向下傾斜的測量管(19)的后端另連接有細(xì)測量管和流量調(diào)節(jié)閥(17)，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢托管，細(xì)測量管的后端連接有測量管回水管路(15)，測量管回水管路(15)與位于裝置下部的低位槽(10)連接；上述的畢托管安裝在背板(23)上，背板(23)安裝在裝置支架(26)上，每支畢托管的旁邊帶有標(biāo)尺(24)；低位槽(10)與離心泵(13)的入口管路連接，離心泵(13)通過離心泵出口管路(5)與高位槽(2)連接；本裝置還包括裝置電器控制電路和溫度測量電路，背板(23)上安裝有水溫測量指示(18)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的動量傳遞綜合實驗裝置，其特征在于所述的 高位槽(2)內(nèi)垂直焊接有二個隔板(3)，將槽分為左側(cè)1/4、中部l/4與右 側(cè)2/4三部分，左側(cè)為溢流槽，中部為進水槽，右側(cè)為出水槽；左側(cè)的隔板 高度大于右側(cè)的隔板，進水槽的頂部水平焊一個高位槽孔板(1)，出水槽的 頂部也水平焊一個高位槽孔板(1)，溢流槽底部設(shè)置有溢流槽底部出水管(6)， 溢流槽底部出水管(6)與低位槽(10)連接，低位槽(10)的中部設(shè)置有低 位槽隔板(11)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動量傳遞綜合實驗裝置，其特征在于所述的 離心泵(13)帶有離心泵出口回水管路，出口回水管路上設(shè)置有離心泵出口 回水流量調(diào)節(jié)閥(12)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的動量傳遞綜合實驗裝置，其特征在于裝置設(shè) 置有操作臺面(27)，操作臺面(27)與所述的背板(23)固定連接；操作臺面(27)下裝有所述的低位槽(10)、離心泵(13)、裝置電器控制電路和溫 度測量電路，操作臺面(27)下帶有裝置箱門(16)，裝置的底部設(shè)置有腳輪 (14)。
全文摘要
一種動量傳遞綜合實驗裝置，在上部裝有高位槽，高位槽的下部連接出水管和轉(zhuǎn)子流量計，其后端連接有細(xì)測量管，細(xì)測量管的壁面上開孔并連接有畢托管。細(xì)測量管的后端連接有粗測量管，粗測量管的上面連接有畢托管和示蹤劑導(dǎo)管。粗測量管的后端連接有細(xì)測量管和向下傾斜的測量管，細(xì)測量管的上面連接有畢托管，細(xì)測量管的后端連接有測量管回水管路，與位于裝置下部的低位槽連接。畢托管安裝在背板上，背板安裝在裝置支架上，畢托管的旁邊帶有標(biāo)尺。低位槽與離心泵連接，離心泵與高位槽連接。本裝置還包括電器控制和溫度測量電路。本裝置可將流體流動所涉及的雷諾、柏奴隸、流體阻力實驗，流體連續(xù)性、流速流量的測量等集成在一套設(shè)備中。
文檔編號G09B25/00GK101201988SQ20071011520
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者偉 徐 申請人:偉 徐