一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置的製作方法

2023-09-19 09:02:05 2

專利名稱：一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及高分子聚合物溶液的流動減阻特性研究領域，特別涉及了一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置。
背景技術：
在流體中加入少量的添加劑就可以使得其摩擦阻力大幅度減小，這一現象被稱為添加劑減阻。自添加劑減阻發現以來，經過多年研究，已成功應用到石油開採及輸運、農田灌溉、船舶航運、工程消防、洩洪排澇以及醫學工程等領域內。目前，在全球能源危機，倡導節能減排的大環境下，減阻劑的工程應用研究將越來越受關注。目前發現的減阻劑主要可分為表面活性劑和高分子聚合物。雖然大多數表面活性劑減阻性能良好、抗降解性好，但是由於本身的化學性質，這使得其很難應用於一些特殊領域。而高分子聚合物由於自身的優點，特別是天然高分子聚合物，近來得到廣大科研工作者的廣泛重視。針對不同應用領域，通過高分子聚合物減阻特性的實驗研究，尋找性能最佳的減阻劑，顯得尤為重要。在現有的高分子聚合物溶液的減阻特性實驗中，採用單管路閉式循環迴路系統進行實驗，忽略了不同管徑對於減阻特性的影響，雖然有些實驗裝置考慮到這一問題，但採用更換管路的方法，增加了實驗操作的複雜性，提高了實驗臺的搭建成本，而由於多次的拆卸，會降低實驗設備的精確度和穩定性，對實驗結果的準確性產生很大影響。此外，現有實驗裝置都只能研究在湍流狀態下，流體中加入添加劑後的減阻特性，很少有實驗涉及到添加劑對於流態轉捩的影響，而這一現象對於添加劑減阻機理的研究也是至關重要的。國內減阻特性實驗裝置，大多很少考慮到管徑效應對於減阻特性的影響，如專利號:CN200910022073.X和CN200710117757.9，均只採用單管路閉式循環迴路，忽略了對不同管徑下添加劑減阻特性的實驗研究。此外，這些實驗裝置無一例外只研究了湍流狀態下的添加劑減阻特性，忽略了添加劑對於流態從層流向湍流的轉捩的影響。

發明內容
針對上述技術缺陷，本發明的目的在於提供一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，能夠滿足在不更換管路的前提下，在多種不同管徑中進行減阻特性實驗，且能夠在同一個實驗裝置中，使得流體流態平穩的從層流過渡到湍流。為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案予以實現:
一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，包括儲液裝置、動力裝置、穩壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統，所述儲液裝置包括儲液箱和接水盒，儲液箱和接水盒由出液管連接，所述動力裝置包括離心泵和變頻器，離心泵和儲液箱通過第一進液管連接，所述穩壓裝置包括進液箱以及設置在進液箱上的第一閥門、第二閥門和壓力表，進液箱和離心泵通過第二進液管連接，所述進液箱上的第二閥門通過回流管與儲液箱連接，所述測試裝置包括測試管、差壓變送器、流量計以及數據採集處理器，流量計設置在第二進液管上並與變頻器連接，差壓變送器與流量計和數據採集處理器電路相連，所述差壓變送器與測試管相連，所述測試管由三根不同管徑的有機玻璃管並聯布置。本發明的進一步改進和特點在於:
所述儲液箱內部由溢流板分隔成左右兩個腔室，兩個腔室的下部均設置了放空閥；所述接水盒內部分為三個部分:左右兩邊為排水槽，中間為測量槽，這三個部分的下部均由管路與出液管連通，所述出液管伸入到儲液箱的右腔室中。所述進液箱內部設置有溢流擋板和整流柵，所述第二進液管伸入進液箱。所述測試管的每根有機玻璃管分為四段:入口穩定段、檢測段、出流段和尾段，入口穩定段與墨水盒通過毛細管連通，檢測段與差壓變送器相連，出流段設置有閥門，尾段後部接軟管。所述數據採集處理器為計算機。流量計實時傳輸流量數據給變頻器，由變頻器控制離心泵的轉速來調節管路流量。本發明的具體措施和效果說明如下:
本發明的實驗方法，是在一個液體循環系統中，在測試管段加裝差壓變送器，通過計算機檢測:⑴相同減阻劑濃度不同流量下差壓變送器讀數；⑵相同流量不同減阻劑濃度下差壓變送器讀數；⑶相同減阻劑濃度相同流量不同剪切時間下差壓變送器讀數，並將其與相同條件下對照液體檢測的差壓變送器讀數進行對比，以此來評價減阻劑的減阻特性。實驗過程中，首先由流量計實時傳送流量數據給變頻器，通過變頻器來調節離心泵的轉速，從而控制管道中的溶液流量，計算機採集流量計和差壓變送器的數據，經過特定程序轉換，得出減阻劑的減阻特性。測試迴路設計中，在流體進入到測試段前，要先進入進液箱，使進入測試管的流體不會產生較大的波動。在流體從第二進液管進入到進液箱時，由於流速很大，衝擊也很大，這種情況下會對測試管的穩定性造成一定的影響。本發明在進液箱中設置溢流板和整流柵，並將第二進液管伸入到進液箱中溢流板與整流柵之間，且儘量靠近溢流板，從而降低進液管中流出的高速流體對進液箱中溶液的衝擊，以及對布置在進液箱下部的測試管入口處的影響，保證了進入測試管的流體的流速穩定。本裝置在層流狀態時，進入進液箱的溶液只有一部分會流入測試管，另一部分將流過溢流板，沿著回流管回到儲液箱中，因此，布置在進液管上的流量計此時所測得的流量值不能作為實驗數據，為了測量流過測試管的準確流量值，在測試管之後布置接水盒，其又細分為左右兩個排水槽，中間一個測量槽，其下部均有管路與出液管連接，測量槽上標有刻度值，其下部管路上設置一個閥門，關閉閥門，將測試管的DE段擺動到測量槽，秒表計時，則可以測的一定時間內流過測試管的流量。測試結束，將DE段擺動到接水盒左右任意一側的排水槽，溶液從排水槽沿著出液管流入儲液箱。打開測量槽下部的閥門，排出溶液。液體在連續的循環剪切下溫度會不斷升高，而溫度對於添加劑的減阻性能有一定的影響，因此，實驗過程中應儘量避免溫度的變化。而本發明在儲液箱中設置了溢流擋板，將儲液箱分為左右兩個腔室，將出液管伸入到右腔室中，這樣可以讓剛剛回流的溫度較高的液體先停留在右腔室內，而不是直接進入儲液箱的整體溶液中，這樣就可以使正常溫度的溶液被離心泵吸入，進行下一次循環，而回流的較高溫度溶液也有時間降低溫度。


圖1為本發明一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置示意圖。圖2為測試管示意圖。圖3為儲液箱示意圖。圖4為進液箱不意圖。圖5為接水盒示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細的說明。對照圖1，一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，包括:儲液裝置、動力裝置、穩壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統。所述儲液裝置包括儲液箱I和接水盒20，儲液箱I和接水盒20由出液管21連接，所述動力裝置包括離心泵6和變頻器5，離心泵6和儲液箱I通過第一進液管4連接，所述穩壓裝置包括一個進液箱11以及設置在進液箱11上的第一閥門10、第二閥門14和壓力表15，進液箱11和離心泵6通過第二進液管8連接，進液箱11和儲液箱I通過回流管9連接，所述測試裝置包括測試管16、差壓變送器18、流量計7以及數據採集處理器，流量計7設置在第二進液管8上，所述測試管16由三根不同管徑的有機玻璃管並聯布置。本實例中，第一進液管4、第二進液管8和回流管9的管徑均為25mm。對照圖2，連通進液箱11和接水盒20的測試管16，由三根不同管徑的有機玻璃管並聯組成。本實例中，其管徑分別為:1#管5mm, 2#管IOmm, 3#管20mm。為保證溶液充分發展，入口穩定段長度應滿足L彡138D，因此三根管子測試段又細分為: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,三根管子的測試段總長均為5m。其中AB段為入口穩定段，BC段為檢測段，CE段為出流段。其中DE段後部接軟管，可以左右擺動，保證使用接水盒20測量流量。對照圖3，儲液箱I設計為立方體，尺寸為60cmX50cmX80cm。溢流板2布置在儲液箱I中部，距左側30cm處，高度為50cm，出液管21伸入到儲液箱I右腔室的高度為溢流板高度的80%。在儲液箱底部設置放空閥3，方便排出溶液，清洗裝置。對照圖4，進液箱11設計為立方體，尺寸為35CmX50CmX50Cm，溢流板高度為45cm，把進液管8伸入到恆壓水箱11內部，溢流板12和整流柵13之間，伸入長度為溢流板12高度的70%。對照圖5，接水盒20設計為立方體，尺寸為40cmX50cmX20cm，接水盒20內部分為三個部分:左右兩邊為排水槽22，尺寸為40cmX15cmX 20cm，下部排水管無需安裝閥門。中間為測量槽23，尺寸為40CmX20CmX20Cm，下部排水管需安裝閥門，且儘量靠近測量槽23底部，測量槽23壁面需標定刻度，以便測量流量。圖示接水盒20上方三根管子下部為軟管，可以左右擺動。採用本裝置進行實驗的具體過程:
層流狀態:
配製好一定濃度減阻劑溶液，加入儲液箱I中。同時打開第一閥門10和第二閥門14，溶液由離心泵6提供動力，從儲液箱I經第一進液管4和第二進液管8，進入進液箱11中，溶液開始溢流之後，選擇並聯的三根管子中的任意一根，打開其上的閥門19，溶液流經測試管16，經接水盒20，出液管21，最終回到儲液箱1，其中進液箱溢流的溶液，將通過管路回到儲液箱I。循環穩定一段時間後，開始進行實驗。通過調節閥門19的開度，來調節流量，讀取差壓變送器18測得的數據，並用秒表計時，擺動軟管DE到接水盒20中部的測量槽23，測量流量，測量結束後，擺動軟管到接水盒20左右任意一側的排水槽22，使溶液從排水槽22沿著出液管21排入儲液箱I。在實驗過程中，可通過墨水盒17向測試管16注入墨水來觀測流體從層流向湍流的轉捩。在此實驗狀態下，進液箱11為一個恆壓水箱，調節閥門可以有效平穩的控制測試管16中液體的流速，使得流體流態平穩的從層流向湍流轉捩。湍流狀態:
流態從層流過渡到湍流之後，進液箱11已不足以提供足夠的流量，使流態達到更高雷諾數，此時關閉第一閥門10和閥門19，溶液由離心泵6提供動力經進液管，進入進液箱11中，當溶液充滿進液箱11，保證進液箱11中的氣體排盡之後，關閉第二閥門14，選擇並聯的三根管子中的任意一根，調節其上的閥門19，溶液流經測試管16，經接水盒20和出液管21，最終回到儲液箱I。循環穩定一段時間後，開始實驗。流量計7將所測數據實時的傳輸到變頻器5，通過變頻器5來調節離心泵6的轉速，從而控制流量，計算機採集流量計7和差壓變送器18的數據，經過特定程序轉換，得出減阻劑的減阻特性。當一種管徑的實驗結束之後，只需要關閉相應管路的閥門19，打開另一根管路上的閥門19，便可以進行另一種管徑的減阻特性實驗。儲液箱I底部設計了放空閥3，方便在實驗結束之後排出溶液，清洗裝置。採用本實例所示的高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置進行實驗。真正做到了一個裝置多種用途，既可以滿足不同管徑的快速切換，又可以使實驗從一個很小的雷諾數開始，清晰的觀察流態從層流到湍流的轉捩，本實例適用雷諾數範圍為O < Re< 50000 (定義Re=Kd/ F，K為管道內平均流速，d是管道直徑，F為溶液的運動粘度)。
權利要求
1.一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，包括儲液裝置、動力裝置、穩壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統，其特徵在於，所述儲液裝置包括儲液箱(I)和接水盒(20)，儲液箱(I)和接水盒(20)由出液管(21)連接，所述動力裝置包括離心泵(6)和變頻器(5)，離心泵(6)和儲液箱(I)通過第一進液管(4)連接，所述穩壓裝置包括進液箱(11)以及設置在進液箱(11)上的第一閥門(10)、第二閥門(14)和壓力表(15)，進液箱(11)和離心泵(6)通過第二進液管(8)連接，所述進液箱(11)上的第二閥門(14)通過回流管(9)與儲液箱(I)連接，所述測試裝置包括測試管(16)、差壓變送器(18)、流量計(7)以及數據採集處理器，流量計(7)設置在第二進液管(8)上並與變頻器(5)連接，差壓變送器(18)與流量計(7)和數據採集處理器電路相連，所述差壓變送器(18)與測試管(16)相連，所述測試管(16)由三根不同管徑的有機玻璃管並聯布置。
2.根據權利要求1所述的一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，其特徵在於，所述儲液箱(I)內部由溢流板(2)分隔成左右兩個腔室，兩個腔室的下部均設置了放空閥(3);所述接水盒(20)內部分為三個部分:左右兩邊為排水槽，中間為測量槽，這三個部分的下部均由管路與出液管(21)連通，所述出液管(21)伸入到儲液箱(I)的右腔室中。
3.根據權利要求1所述的一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，其特徵在於，所述進液箱(11)內部設置有溢流擋板(12)和整流柵(13)，所述第二進液管(8)伸入進液箱(11)。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，其特徵在於，所述測試管(16)的每根有機玻璃管分為四段:入口穩定段、檢測段、出流段和尾段，入口穩定段與墨水盒(17)通過毛細管連通，檢測段與差壓變送器(18)相連，出流段設置有閥門(19 )，尾段後部接軟管。
全文摘要
本發明公開了一種高分子聚合物溶液的全流態減阻特性實驗裝置，包括儲液裝置、動力裝置、穩壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統。其中，儲液裝置包括儲液箱和接水盒，儲液箱和接水盒由出液管連接，動力裝置包括離心泵和變頻器，離心泵和儲液箱通過進液管連接，穩壓裝置包括進液箱、閥門和壓力表，進液箱和離心泵通過進液管連接，進液箱上的閥門通過回流管與儲液箱連接，測試裝置包括測試管、差壓變送器、流量計以及數據採集處理器，測試管由三根不同管徑的有機玻璃管並聯布置。本發明的實驗裝置能夠滿足在不更換管路的前提下，在多種不同管徑中進行減阻特性實驗，且能夠在同一個實驗裝置中，使得流體流態平穩的從層流過渡到湍流。
文檔編號G01N11/08GK103115849SQ20131001988
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者禹燕飛, 李昌烽, 趙文斌, 李明義, 郭付軍, 侯金亮 申請人:江蘇大學