CN112697623A - 一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体机械工程领域。技术方案是：一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：包括储水箱、连接在储水箱上部且存放有固体颗粒以便在储水箱中形成固液两相流的第一固体颗粒存储罐、安装在储水箱上并伸入至储水箱内部的搅拌组件、连接在储水箱出口的离心泵组件、用于通入空气的空气通入装置、存放有固体颗粒的第二固体颗粒存储罐、用于提供不同方向流道的试验段弯管以及用于回收固体颗粒的颗粒回收装置。该装置可以研究固液两相、气液两相、固液气三相情况下的弯管磨损情况以及弯管中固液、气液、气固两相及固液气三相流动固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况，为工业装置设计和计算提供理论指导依据。

Description

一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置

技术领域

本发明涉及流体机械工程领域，具体是一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置。

背景技术

管道输送具有运输量大、运输工程小、占地面积少、输送能耗小、安全性能高、连续工作能力强等优点，广泛运用于石油、化工、水利、电力等各行各业。

流体机械内部过流部件及输运管道的磨损是现代工业生产中一种常见的磨损形式，它造成的工业危害和经济损失受到关注度越来越高。在管道输送工艺中，冲蚀磨损是造成管道失效的一种主要形式。比如挖泥船中的管道输送，这是典型的固液两相流的流动过程，泥沙颗粒随水流动的过程中对管道产生的冲蚀磨损，会快速削薄管道的有效厚度，使管道的寿命急剧下降；还有煤粉的气力输送对管道壁面产生的切削，以及输油管道中的固体颗粒等等。颗粒与壁面发生碰撞的过程，会削弱管道的壁厚，从而产生极大的安全隐患，使管道失效，而位于管道连接处的弯头部位磨损更加严重。弯头位置应力强度高，磨损最严重且分布不均匀，经常发生穿孔，所以非常有必要对气液、固液、气固两相以及固液气三相对过流部件以及运输管道的磨损以及固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况进行深入的研究，以便为流体机械过流部件及运输管道冲蚀磨损的预测和预防提供理论依据。

弯管中的流体流动不同于一般直管中的流体流动，呈现出复杂的流动特性。目前已经有许多研究者从不同角度研究了弯管中的磨损情况，但大多研究入手点都在集中在固相参数(浓度、直径、密度等)和液相的流动特性中的一些因素，并且已经有一些较为完善的预测磨损的模型；而且，由于搅拌等一些不可控因素，在工业生产过程中固液两相流动会不可避免的通入一些气泡，但是气泡的存在对弯管的影响还没有深入的研究。

不同的流道方向，如水平-竖直、竖直-水平或者水平-水平，以及不同的管道入口方向都会使管道的流场、磨损位置以及颗粒轨迹不同，因此分析不同的流道方向可以使管道所受的重力对流场的作用最小。

此外，详细认识弯管中固液、气液、气固两相及固液气三相流动的磨损特点以及弯管中固液、气液、气固两相及固液气三相流动中固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况，可以为一些工业装置设计和计算提供理论指导。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹观测的装置，该装置可以研究固液两相、气液两相、固液气三相情况下的弯管磨损情况以及弯管中固液、气液、气固两相及固液气三相流动固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况，为工业装置设计和计算提供理论指导依据。

本发明提供的技术方案是：

一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：包括储水箱、连接在储水箱上部且存放有固体颗粒以便在储水箱中形成固液两相流的第一固体颗粒存储罐、安装在储水箱上并伸入至储水箱内部的搅拌组件、连接在储水箱出口的离心泵组件、用于通入空气的空气通入装置、存放有固体颗粒的第二固体颗粒存储罐、用于提供不同方向流道的试验段弯管以及用于回收固体颗粒的颗粒回收装置；所述储水箱、离心泵组件和试验段弯管通过管道依次连接并形成回路；所述离心泵组件的出口处设置有液体流量计和压力计；所述空气通入装置和第二固体颗粒存储罐分别并联连接在离心泵组件与试验段弯管之间的管道上；所述颗粒回收装置并联连接在试验段弯管与储水箱之间的管道上；所述第二固体颗粒存储罐通过密封盖进行密封，以避免空气进入回路管道。

所述搅拌组件包括安装在储水箱中部上方的搅拌电机、由搅拌电机驱动并竖直伸入至储水箱内的搅拌轴以及固定在搅拌轴上的搅拌桨。

所述离心泵组件包括离心泵、驱动离心泵工作的离心泵电机以及安装在离心泵电机输出轴上的转速扭矩仪。

所述空气通入装置包括空气压缩机以及设置在空气压缩机出口处以检测空气流量的气体流量计。

所述试验段弯管包括水平布置的水平试验段弯管和竖直布置的竖直试验段弯管；所述水平试验段弯管和竖直试验段弯管的出、入口均安装有90度弯头；所述竖直试验段弯管设置成“门”型；所述水平试验段弯管的入口与离心泵出口相连接；所述水平试验段弯管的出口与竖直试验段弯管的入口相连接；所述竖直试验段弯管的出口与储水箱相连接。

所述水平试验段弯管的出口通过分流管道与颗粒回收装置相连接。

所述水平试验段弯管和竖直试验段弯管的弯头处均设置有高速相机，以捕捉管内固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况。

所述颗粒回收装置包括颗粒回收箱以及倾斜设置在颗粒回收箱内部以过滤水分的颗粒过滤网；所述颗粒回收箱的顶部开设有排气口；所述颗粒回收箱的底部开设有排水口；所述颗粒回收箱的侧壁下部开设有便于回收固体颗粒的颗粒回收口。

所述第一固体颗粒存储罐的出口、储水箱的出口、液体流量计的入口、气体流量计的入口以及第二固体颗粒存储罐的出口均设置有调节阀；所述储水箱的入口、气体流量计的出口、竖直试验段弯管的入口和出口、分流管道的入口和出口以及颗粒回收箱的入口均设置有闸阀。

所述试验段弯管采用304不锈钢材料或亚克力材料制成。

本发明的有益效果是：

本发明可以进行固液、气液、气固两相以及固液气三相条件下的弯管磨损实验，并提供了水平-水平、水平-竖直和竖直-水平不同方向的流道，还可通过高速相机对固体颗粒或者气泡的运动轨迹进行捕捉，从而实现多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹观测的观察和研究，便于详细分析弯管多相磨损的特点，为工业装置设计和计算提供理论指导依据。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图。

图2为本发明所述储水箱、第一固体颗粒存储罐以及搅拌组件的主视结构示意图。

图3为本发明所述离心泵组件的主视结构示意图。

图4为本发明所述第二固体颗粒存储罐的主视结构示意图。

图5为本发明所述竖直试验段弯管的立体结构示意图。

图6为本发明所述第二固体颗粒存储罐的主视结构示意图。

图7为本发明所述竖直试验段弯管中四种不同方向的流道模型。

附图标号：

1、储水箱；2、调节阀；3、离心泵组件；3-1、离心泵电机；3-2、转速扭矩仪；3-3、离心泵；4、调节阀；5、液体流量计；6、压力计；7、第二固体颗粒存储罐；7-1、调节阀；7-2、密封盖；8、连接法兰；9、水平试验段弯管；10、闸阀；11、竖直试验段弯管；12、闸阀；13、闸阀；14、闸阀；15、颗粒回收箱；15-1、颗粒过滤网；15-2、颗粒回收口；15-3、排水口；15-4、排气口；16、闸阀；17、空气压缩机；17-1、调节阀；17-2、气体流量计；17-3、闸阀；18、闸阀；19、转速调节器；20、搅拌电机；21、第一固体颗粒存储罐；21-1、调节阀；22、高速相机；23、搅拌轴；24、搅拌桨；25、分流管道。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

为方便描述，以图1所在平面为水平面，竖直面则垂直于图1所在平面。

如图1所示的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，包括储水箱1、第一固体颗粒存储罐21、搅拌组件、离心泵组件3、空气通入装置、第二固体颗粒存储罐7、试验段弯管和颗粒回收装置。所述储水箱、离心泵组件和试验段弯管通过管道依次连接并形成回路(图1中的箭头方向为回路中介质的流动方向)。

如图2所示，所述储水箱用于存放液相介质(本实施例中液相介质采用水)；所述第一固体颗粒存储罐连接在储水箱上部且存放有固体颗粒，以便与储水箱中的液相介质混合形成固液两相流；第一固体颗粒存储罐上方设置成敞口。所述搅拌组件安装在储水箱上并伸入至储水箱内部，以便对固液两相流进行搅拌混合；搅拌组件包括搅拌电机20、搅拌轴23、转速调节器19和搅拌桨24。所述搅拌电机安装在储水箱中部上方；作为优选，搅拌电机采用变频电机；所述搅拌轴由搅拌电机驱动并竖直伸入至储水箱内；所述转速调节器与搅拌电机相连接，以调节搅拌电机的输出转速；所述搅拌桨固定在搅拌轴上。

所述离心泵组件连接在储水箱的出口，并且离心泵组件的出口处设置有液体流量计5和压力计6，以检测回路中流量和压力的变化。如图3所示，所述离心泵组件包括离心泵3-3、离心泵电机3-1和转速扭矩仪3-2；所述离心泵电机为离心泵提供动力，以驱动离心泵工作；作为优选，离心泵电机采用变频电机；所述转速扭矩仪安装在变频电机输出轴上，用于检测离心泵电机的输出转速和输出扭矩。

所述空气通入装置和第二固体颗粒存储罐分别并联连接在离心泵组件与试验段弯管之间的管道上。所述空气通入装置用于向回路中通入空气；空气通入装置包括空气压缩机15和气体流量计17-2；所述气体流量计设置在空气压缩机的出口处，以检测空气流量的变化。如图4所示，所述第二固体颗粒存储罐中存放有固体颗粒，以便向回路管道中加入固相介质；第二固体颗粒存储罐通过密封盖7-2进行密封，以避免空气进入回路管道，影响实验结果。由于第二固体颗粒存储罐设置在离心泵组件的出口端，使得第二固体颗粒存储罐中的固体颗粒进入回路时不经过离心泵，从而提高装置的使用寿命和回路管道中流动参数的准确性。

如图1、图5、图7所示，所述试验段弯管用于提供不同方向的流道，包括水平布置的水平试验段弯管9和竖直布置的竖直试验段弯管11；其中，水平试验段弯管用于提供水平-水平方向的流道，竖直试验段弯管用于提供水平-竖直和竖直-水平方向的流道(图7中的箭头为介质在竖直试验段弯管中的流动方向)。所述水平试验段弯管和竖直试验段弯管的出、入口均安装有90度弯头，弯头通过连接法兰8与回路管道进行连接；所述竖直试验段弯管设置成“门”型；所述水平试验段弯管的入口与离心泵的出口相连接；所述水平试验段弯管的出口与竖直试验段弯管的入口相连接；所述竖直试验段弯管的出口与储水箱相连接。实验时，若只需要研究弯管的磨损情况，试验段弯管可采用304不锈钢材料；若需要观测固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况，试验段弯管可采用透明亚克力材料；若需要观测磨损区域情况，可在亚克力材料的试验段弯管内壁均匀涂抹一层油漆。

所述水平试验段弯管的出口通过分流管道25与颗粒回收装置相连接。实验时，通过选择合适的闸阀开启，可使回路管道中的输送介质只通过水平试验段弯管或同时通过两种试验段弯管，从而对输送介质在不同方向流道的磨损情况和运动轨迹进行测试。

所述水平试验段弯管和竖直试验段弯管的弯头处均设置有高速相机22(本实施例中的高速相机共设置有8个)，以捕捉固体颗粒或者气泡在管道中的运动轨迹情况。

如图1、图6所示，所述颗粒回收装置并联连接在试验段弯管与储水箱之间的管道上，用于回收固体颗粒；颗粒回收装置包括颗粒回收箱15和颗粒过滤网15-1。所述颗粒过滤网倾斜设置在颗粒回收箱内部，以过滤水分，便于固体颗粒的回收；所述颗粒回收箱的顶部开设有排气口15-4；所述颗粒回收箱的底部开设有排水口15-3；所述颗粒回收箱的侧壁下部开设有颗粒回收口15-2，以便对固体颗粒进行回收；明显地，颗粒回收口设置在颗粒过滤网倾斜向下的一侧。

所述第一固体颗粒存储罐的出口、储水箱的出口、液体流量计的入口、气体流量计的入口以及第二固体颗粒存储罐的出口均设置有调节阀(优选球阀)；所述储水箱的入口、气体流量计的出口、竖直试验段弯管的入口和出口、分流管道的入口和出口以及颗粒回收箱的入口均设置有闸阀。

本实施例的工作方式如下：

试验段弯管采用304不锈钢材料来研究弯管的磨损情况：

当需要研究固液两相情况下对弯管的磨损情况时，关闭气体流量计出口的闸阀17-3，调节第一固体颗粒存储罐出口的调节阀21-1的开度，来控制固体颗粒进入储水箱的数量，开启搅拌电机并带动搅拌桨进行搅拌，使固体颗粒与液相介质充分混合，开启液体流量计入口的调节阀4，调节回路流量。通过对竖直试验段弯管出、入口的闸阀10、12以及分流管道出、入口的闸阀13、14进行选择性开启，可对不同方向流道的弯管磨损情况进行测试。关闭颗粒回收箱入口的闸阀16，开启储水箱入口的闸阀18，使固液两相流动进行循环。

当需要研究气液两相情况下对弯管的磨损情况时，关闭第一固体颗粒存储罐和第二固体颗粒存储罐出口处的调节阀21-1、7-1，开启液体流量计入口的调节阀4调节回路流量，开启气体流量计出口的闸阀17-3，通过调节气体流量计入口的调节阀17-1开度，来控制进入回路管道的空气通入量。通过对竖直试验段弯管出、入口的闸阀10、12以及分流管道出、入口的闸阀13、14进行选择性开启，可对不同方向流道的弯管磨损情况进行测试。关闭颗粒回收箱入口的闸阀16，开启储水箱入口的闸阀18，使气液两相流动进行循环，管道内的空气在进入第一固体颗粒存储罐时从上方敞口溢出。

当需要研究气固两相情况下对弯管的磨损情况时，关闭第一固体颗粒存储罐出口的调节阀21-1、储水箱出口的调节阀2、液体流量计出口的调节阀4，开启气体流量计出口的闸阀17-3，通过调节气体流量计入口的调节阀17-1开度来控制空气的通入量；开启第二固体颗粒存储罐出口的调节阀7-1，通过对调节阀7-1的开度进行调节，来控制固体颗粒进入回路管道的加入量。通过对竖直试验段弯管出、入口的闸阀10、12以及分流管道出、入口的闸阀13、14进行选择性开启，可对不同方向流道的弯管磨损情况进行测试。关闭储水箱入口的闸阀18，开启颗粒回收箱入口的闸阀16，使气固两相进入颗粒回收箱，固体颗粒在颗粒回收口处进行回收，气体则通过排气口排出。

当需要研究固液气三相情况下对弯管的磨损情况时，调节第一固体颗粒存储罐出口的调节阀21-1开度，来控制固体颗粒进入储水箱的数量，开启搅拌电机带动搅拌桨进行搅拌，使固体颗粒与液相介质充分混合，之后开启液体流量计入口的调节阀4调节回路流量；开启气体流量计出口的闸阀17-3，通过调节气体流量计入口的调节阀17-1开度，来控制进入回路管道的空气通入量。通过对竖直试验段弯管出、入口的闸阀10、12以及分流管道出、入口的闸阀13、14进行选择性开启，可对不同方向流道的弯管磨损情况进行测试。关闭颗粒回收箱入口的闸阀16，开启储水箱入口的闸阀18，使固液两相流动进行循环，管道内的空气在进入第一固体颗粒存储罐时从上方敞口溢出。

其中，上述对不同方向流道的弯管磨损情况进行测试时，相应的闸阀开启和关闭情况如下：

若只研究水平试验段弯管的磨损情况，可以选择关闭竖直试验段弯管出、入口的闸阀10、12，同时开启分流管道出、入口的闸阀13、14；若需研究竖直试验段弯管的磨损情况，可以选择开启竖直试验段弯管出、入口的闸阀10、12，同时关闭分流管道出、入口的闸阀13、14。

该装置还可以研究不同工况和重力方向下弯管内固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况，只需要将试验段弯管换成透明亚克力材料，然后利用高速相机捕捉不同重力方向试验段弯管内固体颗粒或者气泡的运动轨迹即可；若需要观测磨损区域，可以在透明亚克力材料的弯管内壁均匀涂抹一层带颜色的油漆，从而清楚观察弯管内的磨损情况。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：包括储水箱(1)、连接在储水箱上部且存放有固体颗粒以便在储水箱中形成固液两相流的第一固体颗粒存储罐(21)、安装在储水箱上并伸入至储水箱内部的搅拌组件(3)、连接在储水箱出口的离心泵组件、用于通入空气的空气通入装置、存放有固体颗粒的第二固体颗粒存储罐(7)、用于提供不同方向流道的试验段弯管以及用于回收固体颗粒的颗粒回收装置；所述储水箱、离心泵组件和试验段弯管通过管道依次连接并形成回路；所述离心泵组件的出口处设置有液体流量计(5)和压力计(6)；所述空气通入装置和第二固体颗粒存储罐分别并联连接在离心泵组件与试验段弯管之间的管道上；所述颗粒回收装置并联连接在试验段弯管与储水箱之间的管道上；所述第二固体颗粒存储罐通过密封盖(7-2)进行密封，以避免空气进入回路管道。

2.根据权利要求1所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述搅拌组件包括安装在储水箱中部上方的搅拌电机(20)、由搅拌电机驱动并竖直伸入至储水箱内的搅拌轴(23)以及固定在搅拌轴上的搅拌桨(24)。

3.根据权利要求2所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述离心泵组件包括离心泵(3-3)、驱动离心泵工作的离心泵电机(3-1)以及安装在离心泵电机输出轴上的转速扭矩仪(3-2)。

4.根据权利要求3所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述空气通入装置包括空气压缩机(17)以及设置在空气压缩机出口处以检测空气流量的气体流量计(17-2)。

5.根据权利要求4所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述试验段弯管包括水平布置的水平试验段弯管(9)和竖直布置的竖直试验段弯管(11)；所述水平试验段弯管和竖直试验段弯管的出、入口均安装有90度弯头；所述竖直试验段弯管设置成“门”型；所述水平试验段弯管的入口与离心泵出口相连接；所述水平试验段弯管的出口与竖直试验段弯管的入口相连接；所述竖直试验段弯管的出口与储水箱相连接。

6.根据权利要求5所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述水平试验段弯管的出口通过分流管道(25)与颗粒回收装置相连接。

7.根据权利要求6所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述水平试验段弯管和竖直试验段弯管的弯头处均设置有高速相机(22)，以捕捉管内固体颗粒或者气泡的运动轨迹情况。

8.根据权利要求7所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述颗粒回收装置包括颗粒回收箱(15)以及倾斜设置在颗粒回收箱内部以过滤水分的颗粒过滤网(15-1)；所述颗粒回收箱的顶部开设有排气口(15-4)；所述颗粒回收箱的底部开设有排水口(15-3)；所述颗粒回收箱的侧壁下部开设有便于回收固体颗粒的颗粒回收口(15-2)。

9.根据权利要求8所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述第一固体颗粒存储罐的出口、储水箱的出口、液体流量计的入口、气体流量计的入口以及第二固体颗粒存储罐的出口均设置有调节阀；所述储水箱的入口、气体流量计的出口、竖直试验段弯管的入口和出口、分流管道的入口和出口以及颗粒回收箱的入口均设置有闸阀。

10.根据权利要求9所述的研究多种工况下弯管磨损情况和颗粒运动轨迹的装置，其特征在于：所述试验段弯管采用304不锈钢材料或亚克力材料制成。

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