CN103115849A - 一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置 - Google Patents

一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置 Download PDF

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李昌烽
赵文斌
李明义
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Abstract

本发明公开了一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,包括储液装置、动力装置、稳压装置、测试装置以及连接各装置的管路系统。其中,储液装置包括储液箱和接水盒,储液箱和接水盒由出液管连接,动力装置包括离心泵和变频器,离心泵和储液箱通过进液管连接,稳压装置包括进液箱、阀门和压力表,进液箱和离心泵通过进液管连接,进液箱上的阀门通过回流管与储液箱连接,测试装置包括测试管、差压变送器、流量计以及数据采集处理器,测试管由三根不同管径的有机玻璃管并联布置。本发明的实验装置能够满足在不更换管路的前提下,在多种不同管径中进行减阻特性实验,且能够在同一个实验装置中,使得流体流态平稳的从层流过渡到湍流。

Description

一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置
技术领域
[0001] 本发明涉及高分子聚合物溶液的流动减阻特性研究领域,特别涉及了一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置。
背景技术
[0002] 在流体中加入少量的添加剂就可以使得其摩擦阻力大幅度减小,这一现象被称为添加剂减阻。自添加剂减阻发现以来,经过多年研究,已成功应用到石油开采及输运、农田灌溉、船舶航运、工程消防、泄洪排涝以及医学工程等领域内。目前,在全球能源危机,倡导节能减排的大环境下,减阻剂的工程应用研究将越来越受关注。目前发现的减阻剂主要可分为表面活性剂和高分子聚合物。虽然大多数表面活性剂减阻性能良好、抗降解性好,但是由于本身的化学性质,这使得其很难应用于一些特殊领域。而高分子聚合物由于自身的优点,特别是天然高分子聚合物,近来得到广大科研工作者的广泛重视。针对不同应用领域,通过高分子聚合物减阻特性的实验研究,寻找性能最佳的减阻剂,显得尤为重要。
[0003] 在现有的高分子聚合物溶液的减阻特性实验中,采用单管路闭式循环回路系统进行实验,忽略了不同管径对于减阻特性的影响,虽然有些实验装置考虑到这一问题,但采用更换管路的方法,增加了实验操作的复杂性,提高了实验台的搭建成本,而由于多次的拆卸,会降低实验设备的精确度和稳定性,对实验结果的准确性产生很大影响。此外,现有实验装置都只能研究在湍流状态下,流体中加入添加剂后的减阻特性,很少有实验涉及到添加剂对于流态转捩的影响,而这一现象对于添加剂减阻机理的研究也是至关重要的。
[0004] 国内减阻特性实验装置,大多很少考虑到管径效应对于减阻特性的影响,如专利号:CN200910022073.X和CN200710117757.9,均只采用单管路闭式循环回路,忽略了对不同管径下添加剂减阻特性的实验研究。此外,这些实验装置无一例外只研究了湍流状态下的添加剂减阻特性,忽略了添加剂对于流态从层流向湍流的转捩的影响。
发明内容
[0005] 针对上述技术缺陷,本发明的目的在于提供一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,能够满足在不更换管路的前提下,在多种不同管径中进行减阻特性实验,且能够在同一个实验装置中,使得流体流态平稳的从层流过渡到湍流。
[0006] 为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,包括储液装置、动力装置、稳压装置、测试装置以及连接各装置的管路系统,所述储液装置包括储液箱和接水盒,储液箱和接水盒由出液管连接,所述动力装置包括离心泵和变频器,离心泵和储液箱通过第一进液管连接,所述稳压装置包括进液箱以及设置在进液箱上的第一阀门、第二阀门和压力表,进液箱和离心泵通过第二进液管连接,所述进液箱上的第二阀门通过回流管与储液箱连接,所述测试装置包括测试管、差压变送器、流量计以及数据采集处理器,流量计设置在第二进液管上并与变频器连接,差压变送器与流量计和数据采集处理器电路相连,所述差压变送器与测试管相连,所述测试管由三根不同管径的有机玻璃管并联布置。
[0007] 本发明的进一步改进和特点在于:
所述储液箱内部由溢流板分隔成左右两个腔室,两个腔室的下部均设置了放空阀;所述接水盒内部分为三个部分:左右两边为排水槽,中间为测量槽,这三个部分的下部均由管路与出液管连通,所述出液管伸入到储液箱的右腔室中。
[0008] 所述进液箱内部设置有溢流挡板和整流栅,所述第二进液管伸入进液箱。
[0009] 所述测试管的每根有机玻璃管分为四段:入口稳定段、检测段、出流段和尾段,入口稳定段与墨水盒通过毛细管连通,检测段与差压变送器相连,出流段设置有阀门,尾段后部接软管。
[0010] 所述数据采集处理器为计算机。流量计实时传输流量数据给变频器,由变频器控制离心泵的转速来调节管路流量。
[0011] 本发明的具体措施和效果说明如下:
本发明的实验方法,是在一个液体循环系统中,在测试管段加装差压变送器,通过计算机检测:⑴相同减阻剂浓度不同流量下差压变送器读数;⑵相同流量不同减阻剂浓度下差压变送器读数;⑶相同减阻剂浓度相同流量不同剪切时间下差压变送器读数,并将其与相同条件下对照液体检测的差压变送器读数进行对比,以此来评价减阻剂的减阻特性。
[0012] 实验过程中,首先由流量计实时传送流量数据给变频器,通过变频器来调节离心泵的转速,从而控制管道中的溶液流量,计算机采集流量计和差压变送器的数据,经过特定程序转换,得出减阻剂的减阻特性。
[0013] 测试回路设计中,在流体进入到测试段前,要先进入进液箱,使进入测试管的流体不会产生较大的波动。在流体从第二进液管进入到进液箱时,由于流速很大,冲击也很大,这种情况下会对测试管的稳定性造成一定的影响。本发明在进液箱中设置溢流板和整流栅,并将第二进液管伸入到进液箱中溢流板与整流栅之间,且尽量靠近溢流板,从而降低进液管中流出的高速流体对进液箱中溶液的冲击,以及对布置在进液箱下部的测试管入口处的影响,保证了进入测试管的流体的流速稳定。
[0014] 本装置在层流状态时,进入进液箱的溶液只有一部分会流入测试管,另一部分将流过溢流板,沿着回流管回到储液箱中,因此,布置在进液管上的流量计此时所测得的流量值不能作为实验数据,为了测量流过测试管的准确流量值,在测试管之后布置接水盒,其又细分为左右两个排水槽,中间一个测量槽,其下部均有管路与出液管连接,测量槽上标有刻度值,其下部管路上设置一个阀门,关闭阀门,将测试管的DE段摆动到测量槽,秒表计时,则可以测的一定时间内流过测试管的流量。测试结束,将DE段摆动到接水盒左右任意一侧的排水槽,溶液从排水槽沿着出液管流入储液箱。打开测量槽下部的阀门,排出溶液。
[0015] 液体在连续的循环剪切下温度会不断升高,而温度对于添加剂的减阻性能有一定的影响,因此,实验过程中应尽量避免温度的变化。而本发明在储液箱中设置了溢流挡板,将储液箱分为左右两个腔室,将出液管伸入到右腔室中,这样可以让刚刚回流的温度较高的液体先停留在右腔室内,而不是直接进入储液箱的整体溶液中,这样就可以使正常温度的溶液被离心泵吸入,进行下一次循环,而回流的较高温度溶液也有时间降低温度。
附图说明[0016] 图1为本发明一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置示意图。
[0017] 图2为测试管示意图。
[0018] 图3为储液箱示意图。
[0019] 图4为进液箱不意图。
[0020] 图5为接水盒示意图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0022] 对照图1,一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,包括:储液装置、动力装置、稳压装置、测试装置以及连接各装置的管路系统。所述储液装置包括储液箱I和接水盒20,储液箱I和接水盒20由出液管21连接,所述动力装置包括离心泵6和变频器5,离心泵6和储液箱I通过第一进液管4连接,所述稳压装置包括一个进液箱11以及设置在进液箱11上的第一阀门10、第二阀门14和压力表15,进液箱11和离心泵6通过第二进液管8连接,进液箱11和储液箱I通过回流管9连接,所述测试装置包括测试管16、差压变送器18、流量计7以及数据采集处理器,流量计7设置在第二进液管8上,所述测试管16由三根不同管径的有机玻璃管并联布置。本实例中,第一进液管4、第二进液管8和回流管9的管径均为25mm。
[0023] 对照图2,连通进液箱11和接水盒20的测试管16,由三根不同管径的有机玻璃管并联组成。本实例中,其管径分别为:1#管5mm, 2#管IOmm, 3#管20mm。为保证溶液充分发展,入口稳定段长度应满足L彡138D,因此三根管子测试段又细分为:1#管AB段0.7m, BC段 2m,CD 段 0.3m, DE 段 2m ;2# 管 AB 段 1.5m, BC 段 2m,CD 段 0.3m, DE 段 1.2m ;3# 管 AB 段
2.8m, BC段2m,⑶段0.lm, DE段0.1m,三根管子的测试段总长均为5m。其中AB段为入口稳定段,BC段为检测段,CE段为出流段。其中DE段后部接软管,可以左右摆动,保证使用接水盒20测量流量。
[0024] 对照图3,储液箱I设计为立方体,尺寸为60cmX50cmX80cm。溢流板2布置在储液箱I中部,距左侧30cm处,高度为50cm,出液管21伸入到储液箱I右腔室的高度为溢流板高度的80%。在储液箱底部设置放空阀3,方便排出溶液,清洗装置。
[0025] 对照图4,进液箱11设计为立方体,尺寸为35CmX50CmX50Cm,溢流板高度为45cm,把进液管8伸入到恒压水箱11内部,溢流板12和整流栅13之间,伸入长度为溢流板12高度的70%。
[0026] 对照图5,接水盒20设计为立方体,尺寸为40cmX50cmX20cm,接水盒20内部分为三个部分:左右两边为排水槽22,尺寸为40cmX15cmX 20cm,下部排水管无需安装阀门。中间为测量槽23,尺寸为40CmX20CmX20Cm,下部排水管需安装阀门,且尽量靠近测量槽23底部,测量槽23壁面需标定刻度,以便测量流量。图示接水盒20上方三根管子下部为软管,可以左右摆动。
[0027] 采用本装置进行实验的具体过程:
层流状态:
配制好一定浓度减阻剂溶液,加入储液箱I中。同时打开第一阀门10和第二阀门14,溶液由离心泵6提供动力,从储液箱I经第一进液管4和第二进液管8,进入进液箱11中,溶液开始溢流之后,选择并联的三根管子中的任意一根,打开其上的阀门19,溶液流经测试管16,经接水盒20,出液管21,最终回到储液箱1,其中进液箱溢流的溶液,将通过管路回到储液箱I。循环稳定一段时间后,开始进行实验。通过调节阀门19的开度,来调节流量,读取差压变送器18测得的数据,并用秒表计时,摆动软管DE到接水盒20中部的测量槽23,测量流量,测量结束后,摆动软管到接水盒20左右任意一侧的排水槽22,使溶液从排水槽22沿着出液管21排入储液箱I。在实验过程中,可通过墨水盒17向测试管16注入墨水来观测流体从层流向湍流的转捩。在此实验状态下,进液箱11为一个恒压水箱,调节阀门可以有效平稳的控制测试管16中液体的流速,使得流体流态平稳的从层流向湍流转捩。
[0028] 湍流状态:
流态从层流过渡到湍流之后,进液箱11已不足以提供足够的流量,使流态达到更高雷诺数,此时关闭第一阀门10和阀门19,溶液由离心泵6提供动力经进液管,进入进液箱11中,当溶液充满进液箱11,保证进液箱11中的气体排尽之后,关闭第二阀门14,选择并联的三根管子中的任意一根,调节其上的阀门19,溶液流经测试管16,经接水盒20和出液管21,最终回到储液箱I。循环稳定一段时间后,开始实验。流量计7将所测数据实时的传输到变频器5,通过变频器5来调节离心泵6的转速,从而控制流量,计算机采集流量计7和差压变送器18的数据,经过特定程序转换,得出减阻剂的减阻特性。
[0029] 当一种管径的实验结束之后,只需要关闭相应管路的阀门19,打开另一根管路上的阀门19,便可以进行另一种管径的减阻特性实验。
[0030] 储液箱I底部设计了放空阀3,方便在实验结束之后排出溶液,清洗装置。
[0031] 采用本实例所示的高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置进行实验。真正做到了一个装置多种用途,既可以满足不同管径的快速切换,又可以使实验从一个很小的雷诺数开始,清晰的观察流态从层流到湍流的转捩,本实例适用雷诺数范围为O < Re< 50000 (定义Re=Kd/ F,K为管道内平均流速,d是管道直径,F为溶液的运动粘度)。

Claims (4)

1.一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,包括储液装置、动力装置、稳压装置、测试装置以及连接各装置的管路系统,其特征在于,所述储液装置包括储液箱(I)和接水盒(20),储液箱(I)和接水盒(20)由出液管(21)连接,所述动力装置包括离心泵(6)和变频器(5),离心泵(6)和储液箱(I)通过第一进液管(4)连接,所述稳压装置包括进液箱(11)以及设置在进液箱(11)上的第一阀门(10)、第二阀门(14)和压力表(15),进液箱(11)和离心泵(6)通过第二进液管(8)连接,所述进液箱(11)上的第二阀门(14)通过回流管(9)与储液箱(I)连接,所述测试装置包括测试管(16)、差压变送器(18)、流量计(7)以及数据采集处理器,流量计(7)设置在第二进液管(8)上并与变频器(5)连接,差压变送器(18)与流量计(7)和数据采集处理器电路相连,所述差压变送器(18)与测试管(16)相连,所述测试管(16)由三根不同管径的有机玻璃管并联布置。
2.根据权利要求1所述的一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,其特征在于,所述储液箱(I)内部由溢流板(2)分隔成左右两个腔室,两个腔室的下部均设置了放空阀(3);所述接水盒(20)内部分为三个部分:左右两边为排水槽,中间为测量槽,这三个部分的下部均由管路与出液管(21)连通,所述出液管(21)伸入到储液箱(I)的右腔室中。
3.根据权利要求1所述的一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,其特征在于,所述进液箱(11)内部设置有溢流挡板(12)和整流栅(13),所述第二进液管(8)伸入进液箱(11)。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种高分子聚合物溶液的全流态减阻特性实验装置,其特征在于,所述测试管(16)的每根有机玻璃管分为四段:入口稳定段、检测段、出流段和尾段,入口稳定段与墨水盒(17)通过毛细管连通,检测段与差压变送器(18)相连,出流段设置有阀门(19 ),尾段后部接软管。
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