一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置的制作方法

本实用新型涉及管道清洗技术领域，特别涉及一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置。

背景技术：

水流长年的通过给水管道，会在给水管道内壁上逐渐形成不规则的环状混合物-“生长环”。生长环是由沉淀物、锈蚀物、黏垢及生物膜相互结合而成的，当管网内水流速度、水压突然变化或水流方向突然改变时，生长环外层松软状态的污垢会脱落，造成短时间的水质恶化，甚至出现“红水”或“黑水”等水质事故，同时造成水中有机物、微生物、重金属等含量升高。另外，生长环随着管道使用年限的增加而不断增厚，管道的实际管径减小，过水断面减小，水头损失增大，通水能力显著降低，进而增大了给水能耗及漏水率。目前的管道清洗方法中，气水脉冲管道清洗法是一种清洗效果好、耗水量低、清洗效率高的管道清洗方法。气水脉冲管道清洗法是利用空气压缩设备产生高压气体，利用气水脉冲发生装置将高压气体以一定的频率充入管道内，在管内形成气-水脉冲，高压气流的高动量迅速转化成水流的冲量，在管内形成弹状流冲击生长环，并在生长环上产生气蚀效应，使生长环脱落，并随着高速气-水两相流排出管外，整个过程是一个复杂的多相流过程，因此，需要对气水脉冲管道清洗过程进行试验与记录，从而得出不同管材、不同管径、管壁腐蚀度不同的管道的气水脉冲管道清洗情况，而目前市场上还没有任何一款针对气水脉冲管道清洗过程试验与记录的装置。

因此，管道清洗领域急需一种适应性强、直观、重复性好、组装方便、再现性好、易于处理、方便可靠的气水脉冲管道清洗试验与记录装置。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置，技术方案如下：

一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置，包括：循环供水装置、高压供气装置、气水脉冲发生装置、冲洗管、数据采集装置、图像采集装置，所述循环供水装置与所述冲洗管相连，所述冲洗管上设置有进气喷嘴、压差传感器、流量计和压力变送器，所述压差传感器、流量计以及压力变送器分别通过信号线与所述数据采集装置相连，所述气水脉冲发生装置的一端用高压气管连接所述高压供气装置，另一端通过高压气管与所述冲洗管相连，所述图像采集装置包括：照明系统、高速摄像机和图像采集卡，其中，高速摄像机对冲洗管中的两相流态进行拍摄。

作为优选，循环供水装置包括：水箱和水泵，所述水箱通过水管与所述水泵相连，所述水泵与冲洗管通过水管连通，所述水泵

与冲洗管之间的水管上设置有压力调节阀和第一压力表。

作为优选，压差传感器、流量计和压力变送器数量为多个。

作为优选，数据采集装置包括以信号线相连的数据采集卡和信号调理电路板。

作为优选，信号调理板上设置有线材，用于与压差传感器、流量计和压力变送器相连。

作为优选，高压供气装置包括：空气压缩机和储气罐，所述空气压缩机与所述储气罐以高压气管相连，所述储气罐一端的高压气管上设置有逆止阀和第二压力表。

作为优选，气水脉冲发生装置包括：气水脉冲发生器、气水脉冲控制仪，所述气水脉冲发生器与所述气水脉冲控制仪之间以信号线和高压气管相连，所述气水脉冲控制仪通过高压气管与冲洗管的进气喷嘴连接，所述进气喷嘴一端的气管上设置有第二逆止阀，所述气水脉冲控制仪一端的高压气管上设置有转子流量计。

作为优选，还包括计算机，所述图像采集装置和数据采集装置分别与所述计算机通过信号线相连，具体的，图像采集装置中的图像采集卡与计算机相连，数据采集装置中的数据采集卡与计算机相连。

作为优选，冲洗管与所述水管和所述进气喷嘴之间都是以螺纹连接的。

作为优选，冲洗管为有机玻璃管。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型能够测量不同管材、不同管径、管壁腐蚀度不同的管道的气水脉冲管道清洗情况，具有更加广泛的适用性。

2、冲洗管上设置1个或多个压力变送器、压差变送器、流量计，对管道内两相流压力、压降和流量情况进行测量，可操作性更高。

3、水管与冲洗管使用螺纹连接，进气喷嘴置于冲洗管内，与冲洗管通过螺纹连接，便于拆卸，能够实现多次重复试验，可重复性好，数据更加真实。

4、通过在信号调理电路板上焊接线材，可直接将压力变送器、压差传感器、流量计与信号调理电路板相连，组装更加方便，避免了因线路过多导致的接错、缠绕等事故的发生。

5、在储气罐和进气喷嘴一端的气管上都安装逆止阀，防止水逆流进储气罐，更加安全。

6、本实用新型能通过数据采集卡将管道清洗过程中的压力、压降、流量信号传递给计算机，在计算记上能直观的看到压力、流量变化曲线，并且直接储存到Excel表格，为后期数据处理提供便利，并且能够有效的防止数据丢失，具有很好的可追溯性，通过摄像机拍摄清洗时管道内两相流情况，更加直观，便捷。

7、储气罐上设置有压力表，能够实时观察进气的压力状态，更加安全、可靠、便利。

8、水泵和冲洗管之间设置有压力调节阀，可以通过调节压力调节阀的开度控制进水流量和压力。

9、本装置采用压力变送器、压差传感器测量冲洗管内两相流压力、压差数据，量程为0-0.2Mpa，精度等级为0.2％，数据采集装置设置的采取频率为10000Hz，数据存储频率为100Hz，即每秒得到10000组测量记录，每秒存储100组，并可以显示实时压力曲线。

10、冲洗管采用有机玻璃，有机玻璃管是透明的，可以用肉眼直观的观察管道内两相流的情况。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型：

图1是本实用新型一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置的结构示意图；

图2是弹状流物理模型；

图3微元流体受力图。

其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

循环供水装置1，高压供气装置2，气水脉冲发生装置3，冲洗管4，数据采集装置5，图像采集装置6，计算机7，水箱11，水泵12，压力调节阀13，第一压力表14，空气压缩机21，储气罐22，逆止阀23，第二压力表24，气水脉冲发生器31，气水脉冲控制仪32，压力变送器41，压差传感器42、流量计43，进气喷嘴44，数据采集卡52，信号调理电路板51，照明系统61，高速摄像机62，图像采集卡63。

具体实施方式

本实用新型的核心为提供一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置，解决了管道清洗领域急需一种适应性强、直观、重复性好、组装方便、再现性好、易于处理、方便可靠的气水脉冲管道清洗试验与记录装置的问题。

为了使本实用新型技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

实施例1：

图1是本实用新型一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置的6大系统结构示意图。

如图1所示，本实用新型提供了一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置，包括：循环供水装置1、高压供气装置2、气水脉冲发生装置3、冲洗管4、数据采集装置5、图像采集装置6；所述循环供水装置1与所述冲洗管4相连，所述冲洗管4上设置有进气喷嘴44、压差传感器42、流量计43和压力变送器41，所述压差传感器42、流量计43以及压力变送器41分别通过信号线与所述数据采集装置5相连，所述气水脉冲发生装置3的一端用高压气管连接所述高压供气装置2，另一端通过高压气管与所述冲洗管4相连，所述图像采集装置6包括：照明系统61、高速摄像机62和图像采集卡63，其中，高速摄像机62对冲洗管4中的两相流态进行拍摄。

图2是本实用新型一种气水脉冲管道清洗试验与记录装置的结构示意图。

如图2所示，循环供水装置1包括：水箱11和水泵12，所述水箱11通过水管与所述水泵12相连，所述水泵12与冲洗管4通过水管连通于a点，所述水泵12与冲洗管4之间的水管上设置有压力调节阀13和第一压力表14。

本实施例中，所述压差传感器42、流量计43以及压力变送器41的数量为多个。

本实施例中，数据采集装置5包括以信号线相连的数据采集卡52和信号调理电路板51。

本实施例中，压差传感器42、流量计43、压力变送器41分别通过信号线与信号调理电路板51连接，信号调理板51上设置有线材，用于与压差传感器42、流量计43、压力变送器41相连。

本实施例中，高压供气装置包括：空气压缩机21和储气罐22，所述空气压缩机21与所述储气罐22以高压气管相连，所述储气罐22一端的高压气管上设置有逆止阀23和第二压力表24。

本实施例中，气水脉冲发生装置3包括：气水脉冲发生器31和气水脉冲控制仪32，所述气水脉冲发生器31与所述气水脉冲控制仪32之间以信号线和高压气管相连，所述气水脉冲控制仪32通过高压气管与冲洗管4的进气喷嘴44连接，所述进气喷嘴44一端的气管上设置有第二逆止阀45，所述气水脉冲控制仪32一端的高压气管上设置有转子流量计33。

本实施例中，图像采集装置6包括：照明系统61、高速摄像机62和图像采集卡63，高速摄像机62通过信号线与图像采集卡63相连，图像采集卡63通过数据线与计算机7相连，高速摄像机62放在要照射的冲洗管段的前面，调好焦距，照明系统61对应的放在该冲洗管段的后面，照射管道，拍摄清洗时管道内两相流情况，视频信号通过图像采集卡63后传输给计算机7显示。

本实施例中，所述冲洗管4与所述水管和所述进气喷嘴44之间都是以螺纹连接的，方便拆卸。

本实施例中，冲洗管4为有机玻璃管，有机玻璃管是透明的，可以用肉眼直观的观察管道内两相流的情况。

实施例2：

在本实用新型工作之前，确保各部件的控制阀门处于关闭状态，同时向水箱中冲入足量的水，打开计算机，开启数据采集界面，调整好摄像机位置，打开照明系统。

接通水泵电源，水箱中的水通过水泵提升进入冲洗管，水泵供水流量可通过水泵前的压力调节阀来控制。

调节水泵前的压力调节阀的开度到一定的流量，待冲洗管内流态稳定后，启动计算机的数据采集界面进行数据的采集，得到不充气时各测压点的压力，打开摄像机记录此时冲洗管中的流态。

接通空气压缩机的电源，按下空气压缩机开关键，高压气体进入储气罐，根据第二压力表的读数来调节储气罐一端的逆止阀来控制气体压力，由气体转子流量计测量气体流量，将压力设定为一定值，当达到设定压力时空气压缩机停止工作，低于设定压力时空气压缩机自动开始工作，气、水在a点混合后进入冲洗管，冲洗管里形成的是气-水两相混合物，空气由冲洗管出口直接排空，水流入水箱进行循环再使用。

设定气水脉冲控制仪的停气时间和充气时间为定值。

启动气水脉冲控制仪，高压气体开始间歇的充入冲洗管中，待冲洗管内流态稳定后，启动计算机的数据采集界面进行数据采集，冲洗管内的流量和测压点压力、压差的数据由流量计、压力变送器及压差传感器通过数据采集装置转化为数字信号，传输至计算机，自动保存为Excel文件，一定时间后关闭数据采集界面，关闭气水脉冲控制仪，此过程同时用摄像机拍摄。

分别调整停气时间和进气时间，重复上一步骤，得到一定气压和一定供水流量下冲洗管中流量、压力、压差数据以及水流流态的变化情况。

关闭水泵，拔掉电源，保持空气压缩机和气水脉冲控制仪工作一段时间，排空冲洗管内的水，水排空后关闭空气压缩机和气水脉冲控制仪，拔掉电源，结束试验。

实施例3：

在本实用新型工作之前，确保各部件的控制阀门处于关闭状态，同时向水箱中冲入足量的水，打开计算机，开启数据采集界面，调整好摄像机位置，打开照明系统。

接通水泵电源，水箱中的水通过水泵提升进入冲洗管，水泵供水流量可通过水泵前的压力调节阀来控制。

调节水泵前的压力调节阀的开度到一定的流量，待冲洗管内流态稳定后，启动计算机的数据采集界面进行数据的采集，得到不充气时各测压点的压力，打开摄像机记录此时冲洗管中的流态。

接通空气压缩机的电源，按下空气压缩机开关键，高压气体进入储气罐，根据第二压力表的读数来调节储气罐一端的逆止阀来控制气体压力，由气体转子流量计测量气体流量，将压力设定为一定值，当达到设定压力时空气压缩机停止工作，低于设定压力时空气压缩机自动开始工作，气、水在a点混合后进入冲洗管，冲洗管里形成的是气-水两相混合物，空气由冲洗管出口直接排空，水流入水箱进行循环再使用。

设定气水脉冲控制仪的停气时间和充气时间为定值。

启动气水脉冲控制仪，高压气体开始间歇的充入冲洗管中，待冲洗管内流态稳定后，启动计算机的数据采集界面进行数据采集，冲洗管内的流量和测压点压力、压差的数据由流量计、压力变送器及压差传感器通过数据采集装置转化为数字信号，传输至计算机，自动保存为Excel文件，一定时间后关闭数据采集界面，关闭气水脉冲控制仪，此过程同时用摄像机拍摄。

保持水泵一端的压力调节阀的开度不变，即供水流量不变，保持气水脉冲控制仪的停气时间和充气时间不变，依次调节储气罐一端的逆止阀的开度，设定不同的气体压力，重复上一步骤，得到不同气压下冲洗管中流量、压力、压差数据以及水流流态的变化情况。

关闭水泵，拔掉电源，保持空气压缩机和气水脉冲控制仪工作一段时间，排空冲洗管内的水，水排空后关闭空气压缩机和气水脉冲控制仪，拔掉电源，结束试验。

实施例4：

在本实用新型工作与计算机连接，确保各部件的控制阀门处于关闭状态，同时向水箱中冲入足量的水，打开计算机，开启数据采集界面，调整好摄像机位置，打开照明系统。

接通水泵电源，水箱中的水通过水泵提升进入冲洗管，水泵供水流量可通过水泵前的压力调节阀来控制。

调节水泵前的压力调节阀的开度到一定的流量，待冲洗管内流态稳定后，启动计算机的数据采集界面进行数据的采集，得到不充气时各测压点的压力，打开摄像机记录此时冲洗管中的流态。

接通空气压缩机的电源，按下空气压缩机开关键，高压气体进入储气罐，根据第二压力表的读数来调节储气罐一端的逆止阀来控制气体压力，由气体转子流量计测量气体流量，将压力设定为一定值，当达到设定压力时空气压缩机停止工作，低于设定压力时空气压缩机自动开始工作，气、水在a点混合后进入冲洗管，冲洗管里形成的是气-水两相混合物，空气由冲洗管出口直接排空，水流入水箱进行循环再使用。

设定气水脉冲控制仪的停气时间和充气时间为定值。

启动气水脉冲控制仪，高压气体开始间歇的充入冲洗管中，待冲洗管内流态稳定后，启动计算机的数据采集界面进行数据采集，冲洗管内的流量和测压点压力、压差的数据由流量计、压力变送器及压差传感器通过数据采集装置转化为数字信号，传输至计算机，自动保存为Excel文件，一定时间后关闭数据采集界面，关闭气水脉冲控制仪，此过程同时用摄像机拍摄。

保持储气罐一端的逆止阀的开度不变，即供气压力不变，保持气水脉冲控制仪的停气时间和充气时间不变，依次调节水泵一端的压力调节的阀门开度，设定不同的供水流量，重复上一步骤，得到不同供水流量下冲洗管中流量、压力、压差数据以及水流流态的变化情况。

关闭水泵，拔掉电源，保持空气压缩机和气水脉冲控制仪工作一段时间，排空冲洗管内的水，水排空后关闭空气压缩机和气水脉冲控制仪，拔掉电源，结束试验。

本实用新型采用压力变送器、压差传感器测量冲洗管内两相流压力、压差数据，量程为0-0.2Mpa，精度等级为0.2％，数据采集装置设置的采取频率为10000Hz，数据存储频率为100Hz，即每秒得到10000组测量记录，每秒存储100组，并可以显示实时压力曲线。

气水两相流中弹状流状态下，高速高压气体阻隔的液弹在管道清洗过程中起主要清洗作用，液弹具有很小的含气量，而且流速很高，可以基于均流模型来推导管道内的压力降，在管流液弹中取一控制体，如图2所示。

根据图2和图3，恒定的一元均匀流动的动量方程：

式中——作用在流体上的合外力(N)；

M——质量流量，即单位时间流过管道质量(kg/s)；

u——均相流体的平均流速(m/s)。

设一元流的表面积为A，为压力pA、-(p+dp)A和摩擦力-dF的合力。则式(1)变为

-Adp-dF＝Mdu (2)

式中ρ——流体的密度(kg/m3)；

p——作用在断面上的压强(N/m2)。

其中摩擦力dF，即总的摩擦剪切力可根据壁面剪切力τ_w及管道的内表面积计算：

dF＝τ_wPdz (3)

对于圆管则dF＝τ_wπDdz

式中P——湿周(m)；

D——管径(m)。

流体与管壁间的剪切力τ_w可由下式计算：

式中J——单位长度管道的沿程水头损失，

式中f——摩擦系数。

气水两相介质的比容v：

式中Q——体积流量(m3/s)；

x——质量含气率；

v_l,v_g——分别为液相、气相的比容；

Mg、Ml——气相和液相的质量流量(kg/s)。

由于则：

液相压缩性很小，dv_l＝0，则：

将(5)、(8)代入(2)整理得：

其中整理得：

上式即为气水两相流均流模型的压力梯度微分方程式，其中f、(v_g-v_l)、都是沿程变化的，所以积分较困难，为了简化计算，作如下假设：

(1)气相介质是不可压缩的，或者在所计算的管道压差下气相介质的比容变化很小，则这一假设在管道不是太长的很多场合是成立的。

(2)f和(v_g-v_l)沿程不变，这在脉冲压力和频率恒定的情况下成立。

根据以上假设，方程(10)简化得：

管道进口z＝0处，x＝0、p＝p1；出口z＝L处，x＝x、p＝p2。

积分得：

当管中没有气体时，x＝0，vg＝0，

式(14)即为计算单相流沿程水头损失的达西公式。

式(12)为基于均相流模型的水平管道气水两相流压降公式，其中第一部分Δp₁称为摩擦压降，第二部分Δp₂称为加速压降。研究发现，摩阻压降是总压降的最重要组成部分，占到总压降的92％-95％。加速压降是由压降低引起的气相膨胀导致的，只与气相含量有关，而与含气量沿管道的变化方式无关，即管道的截面积不变，流体的加速压降非常小，远小于摩擦压降，可以忽略不计。由公式可以看出，充气量增加，即质量含气率x增加，管内气水两相流压降加大，即表示管壁与流体间的剪切力加大。气水脉冲管道清洗法就是在水流中充入高压气体脉冲，使管道内瞬间产生很大的压降，利用造成这个压降的剪切力对管道进行清洗的，因为壁面剪切力不容易检测，而管内两相流压降较容易利用压差传感器测得，因此，要实现对气水脉冲管道清洗过程的控制，就需要掌握气水脉冲管道清洗过程中，不同因素对气液两相流的压降变化的影响。

综上所述，通过实施例2、实施例3以及实施例4试验和记录的数据及流态情况，可以得出不同管材、不同管径、管壁腐蚀度不同的管道在哪些管道供水流量、供气压力、充气和停气时间条件下，气水两相流对管壁的剪切力最大，也就是冲洗效果最好的，凭此可以得到最优的管道供水流量、供气压力、充气和停气时间等参数。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型专利技术的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型专利技术的原理，在不脱离本实用新型技术原理和范围的前提下本实用新型专利技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型专利技术的范围内。本实用新型专利技术要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。