供热管道水力实验装置

1.本实用新型涉及一种管道测试装置，具体涉及一种供热管道水力实验装置，用于测验管道直管段的沿程阻力损失及阀门、管路附件、弯头、三通的局部阻力损失。


背景技术：

2.在暖通系统的总能耗中，流体输配能耗占有相当大的比重。降低暖通系统的输配能耗对于建筑节能工作具有重要意义。暖通系统在运行过程中会因水泵选型过大、水泵出力与管路通流能力不匹配、设计中只注意最不利点必需的资用压头、初调节不彻底、用户用热量发生变化等原因，导致系统实际流量偏离设计值，从而出现水力失调现象，影响系统运行经济性。
3.暖通系统中节能降耗技术的发展与水力实验技术密切相关。尽管随着数学和计算机技术的飞速发展，数值模拟正在被越来越多地采用，物理模拟实验方法仍是获取数据最重要的手段。一个新的流体设备和管件的研制往往需要进行大量的实验，通过实验数据反复改进迭代。在阀门、水泵等流体设备和管件的研制过程中，需要采用流体阻力测定试验台进行大量的流量特性和阻力特性的实验，来掌握其调节特性。此外，流体阻力测定试验台能够模拟不同的水力工况，让学生通过实验直观认识和掌握热网水力工况调节和变化特点并结台理论进行分析计算。
4.自八十年代以来，我国在流体阻力测试技术方面有了较大进展，从一开始的靠人力去观测采集数据到逐渐引入自动化数据采集装置，使设备的自动化程度、测试精度都大幅度提高。
5.因此，现有技术中亟需一种测定数据准确度相对较高、便于操作、并适于教学过程使用的供热管道水力实验装置。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种测定数据准确度相对较高、便于操作、并适于教学过程使用的供热管道水力实验装置。
7.本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种供热管道水力实验装置，包括高位水箱、位于高位水箱下方的低位水箱、位于低位水箱下方的储液水箱及通过管件与测试管段连接的压差计，所述高位水箱连接有第一输水管，所述第一输水管上设置有电磁流量计，所述第一输水管包括横向的入流管段，该入流管段的末端设置有第一快接接头，所述低位水箱连接有第二输水管，所述第二输水管包括横向的出流管段，所述入流管段的轴线与所述出流管段的轴线重合，所述出流管段的始端与所述第一快接接头正对的设置有第二快接接头，所述低位水箱通过回流管与所述储液水箱连接，所述储液水箱通过给水管与所述高位水箱连接，所述给水管上设置有水泵。
8.所述高位水箱内设置有出水头，所述出水头包括球状主体、均匀设置于球状主体外圆周上的一圈进水口及设置于球状主体的底部的出口，所述第一输水管向上伸入所述高
位水箱内与所述出水头的出口连接；所述低位水箱内设置有进水头，所述进水头包括球状主体、均匀设置于球状主体外圆周上的一圈出水口及设置于球状主体的顶部的入口，所述第二输水管向下伸入所述低位水箱内与所述进水头的入口连接，所述低位水箱内设置有第二溢流进水碗，所述第二溢流进水碗位于所述进水头的上方，所述回流管的始端伸入所述低位水箱内与所述第二溢流进水碗的底部出口连接。
9.所述低位水箱的下端设置有电子天平，所述回流管连接有排水管，该排水管设置有排水阀，所述回流管在所述排水管接入处的前后两端分别设置有第二回流阀和第一回流阀。
10.所述高位水箱通过溢流管与所述储液水箱连接，所述高位水箱内设置有第一溢流进水碗，所述第一溢流进水碗位于所述出水头的上方，所述溢流管的始端伸入所述高位水箱内与所述第一溢流进水碗的底部出口连接。
11.所述第一输水管设置有手动调节阀，所述第二输水管设置有出流阀。
12.所述给水管设置有第一给水阀、第二给水阀、第三给水阀和止回阀，所述水泵、所述第一给水阀、所述第二给水阀、所述止回阀均位于所述给水管的始段，所述第二给水阀、所述第一给水阀分别设置于所述水泵的前后两侧，所述止回阀位于所述第二给水阀的前侧，所述第三给水阀设置于所述给水管的末段。
13.所述给水管的始段设置有给水y型过滤器，所述给水y型过滤器位于所述水泵与所述第一给水阀之间。
14.所述高位水箱内设置有浮球阀，所述给水管的末端与所述浮球阀连接。
15.还包括补水管，该补水管与所述给水管连接，所述补水管设置有补水阀，所述补水管通过储液补水管与所述储液水箱连接，所述储液补水管设置有储液补水阀。
16.所述补水管设置有补水y型过滤器。
17.本实用新型的有益效果是：本实用新型能够对管件直管段、流体部件、阀门进行阻力测试，它测定数据准确度相对较高，便于操作，同时测定过程直观易懂，适于教学过程使用。
附图说明
18.图1是本实用新型的整体结构示意图；
19.图2为局部阻力测试原理图。
20.在图中：1-高位水箱；2-浮球阀；3-出水头；4-第一溢流进水碗；5-低位水箱；6-进水头；7-第二溢流进水碗；8-电磁流量计；9-压差计；10-手动调节阀；11-第一输水管；12-入流管段；13-第一快接接头；14-第二快接接头； 15-第二输水管；16-出流管段；17-出流阀；18-电子天平；19-补水管；20
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补水阀；21-溢流管；22-回流管；23-第一回流阀；24-第二回流阀；25-排水管；26-排水阀；27-储液水箱；28-给水管；29-水泵；30-第一给水阀；31
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第二给水阀；32-第三给水阀；33-给水y型过滤器；34-补水y型过滤器；35
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储液补水管；36-储液补水阀；37-直管测试段；38-突扩测试段；39-突缩测试段；40-三通测试段；41-蝶阀测试段；42-调节阀测试段；43-y型过滤器测试段；44-止回阀。
具体实施方式
21.以下结合附图对本实用新型作详细描述。
22.如图1所示，一种供热管道水力实验装置，包括高位水箱1、位于高位水箱1下方的低位水箱5、位于低位水箱5下方的储液水箱27及通过管件与测试管段连接的压差计9，高位水箱1连接有第一输水管11，第一输水管11上设置有电磁流量计8，第一输水管11包括横向的入流管段12，该入流管段12 的末端设置有第一快接接头13，低位水箱5连接有第二输水管15，第二输水管15包括横向的出流管段16，入流管段12的轴线与出流管段16的轴线重合，出流管段16的始端与第一快接接头13正对的设置有第二快接接头14，低位水箱5通过回流管22与储液水箱27连接，储液水箱27通过给水管28与高位水箱1连接，给水管28上设置有水泵29。
23.本实验台主要用于研究管路阻力损失，包括直管段的沿程阻力损失及阀门、管路附件、弯头、三通的局部阻力损失。参见图1，使用时，可在第一快接接头13与第二快接接头14之间接入直管测试段37、突扩测试段38、突缩测试段39、三通测试段40、蝶阀测试段41、调节阀测试段42或y型过滤器测试段43，通过管件将压差计9与测试管段连接，采用快速接头便于实验者在实验过程中快速更换不同的测试段。
24.工作时，打开水泵29，储液水箱27中的水通过给水管28进入高位水箱1，之后水由第一输水管11流入第一快接接头13与第二快接接头14之间的测试管段，再通过第二输水管15进入低位水箱5，之后通过回流管22再回到储液水箱27，形成循环。在该过程中，通过电磁流量计8、压差计9测定相应数值。
25.高位水箱1内设置有出水头3，出水头3包括球状主体、均匀设置于球状主体外圆周上的一圈进水口及设置于球状主体的底部的出口，第一输水管11 向上伸入高位水箱1内与出水头3的出口连接；低位水箱5内设置有进水头6，进水头6包括球状主体、均匀设置于球状主体外圆周上的一圈出水口及设置于球状主体的顶部的入口，第二输水管15向下伸入低位水箱5内与进水头6的入口连接，低位水箱5内设置有第二溢流进水碗7，第二溢流进水碗7位于进水头6的上方，回流管22的始端伸入低位水箱5内与第二溢流进水碗7的底部出口连接。
26.出水头3、进水头6及第二溢流进水碗7使得第一输水管11、测试管段及第二输水管15内的水流更加平稳，有助于提高测量结果的准确性。高位水箱 1通过溢流管21与储液水箱27连接，高位水箱1内设置有第一溢流进水碗4，第一溢流进水碗4位于出水头3的上方，溢流管21的始端伸入高位水箱1内与第一溢流进水碗4的底部出口连接。
27.第一输水管11设置有手动调节阀10，以调节水流大小，第二输水管15 设置有出流阀17。
28.给水管28设置有第一给水阀30、第二给水阀31、第三给水阀32和止回阀44，水泵29、第一给水阀30、第二给水阀31、止回阀44均位于给水管28 的始段，第二给水阀31、第一给水阀30分别设置于水泵29的前后两侧，止回阀44位于第二给水阀31的前侧，第三给水阀32设置于给水管28的末段，保证在不工作时，给水管28及水泵29中仍有水，以保护水泵29。
29.给水管28的始段设置有给水y型过滤器33，给水y型过滤器33位于水泵29与第一给水阀30之间，以过滤水中杂质。
30.高位水箱1内设置有浮球阀2，给水管28的末端与浮球阀2连接，通过浮球阀2可有效控制高位水箱1内的液位高度。
31.还包括补水管19，该补水管19与给水管28连接，补水管19设置有补水阀20，补水管19通过储液补水管35与储液水箱27连接，储液补水管35设置有储液补水阀36。
32.补水管19设置有补水y型过滤器34，以过滤水中杂质。
33.本装置的工作原理为：流体在管内流动时，由于粘性剪切应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的损失包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。
34.当不可压缩流体在圆管内流动时，管路内任意两个界面之间的机械能平衡方程为：
[0035][0036]
式中：z——液体的压头，mh2o
[0037]
p——液体的压强，pa
[0038]
u——流体的平均流速，m/s
[0039]
hf——单位质量的流体因流动阻力所造成的能量损失，即所谓的压头损失，mh2o
[0040]
由于：(1)水作为实验台的流动工质，为不可压缩流体；
[0041]
(2)实验段流动管段水平布置，即z1＝z2；
[0042]
(3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则有u1＝u2。
[0043]
则式1可以简化为：
[0044][0045]
由此可见，由阻力损失造成的能量损失(压头损失)，可由管路系统的两界面之间的压力差来测定。
[0046]
当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失(压头损失)，有如下一般关系式：
[0047][0048]
式中：d——圆形直管的管径，m；
[0049]
l——圆形直管的长度，m；
[0050]
λ——摩擦系数，(无因次)。
[0051]
大量实验研究表明，摩擦系数与流体的密度和粘度、管径d、流速u和管壁粗糙度ε有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和关闭相对粗糙度ε/d存在：
[0052][0053]
的函数关系，即通过实验测得λ和re数据，可以在双对数坐标上绘制出实验曲线。当re＜2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁的相对粗糙度有关。
[0054]
当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的压头损失，有如下关系式：
[0055][0056]
式中：u——连接管件等只管中流体的平均流速，m/s；
[0057]
ζ——局部阻力系数(无因次)。
[0058]
由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。
[0059]
低位水箱5的下端设置有电子天平18，回流管22连接有排水管25，该排水管25设置有排水阀26，回流管22在排水管25接入处的前后两端分别设置有第二回流阀24和第一回流阀23。称重法测流量原理为：当试验台开始运行，各管段内流体流动稳定时，关闭流入储液水箱27的第二回流阀24，打开流入称重水桶的排水阀26，同时打开计时器开始计时。待称重水桶盛满或到达设计称重时间时，停止计时，并同时关闭排水阀26，打开第二回流阀24，使水流入储液水箱27中。
[0060]
记录称重水桶与称重水桶内介质的初始重量m1，称重结束之后总重量m2，以及称重时间t，即可用如下公式，计算出管内流量：
[0061][0062]
其中：qv——体积流量；
[0063]
qm——质量流量；
[0064]
ε——修正系数
[0065]
流量与流速的关系为：
[0066]qv
＝uπr2，r——管段半径，mm
[0067]
称重法测的流量值相比电磁流量计8测定的流量值更加准确。
[0068]
从增加实验段可变流速范围的角度考虑，应尽量减少第一输水管11和第二输水管15的摩擦阻力损失，第一输水管11和第二输水管15的材质选用upvc 管，选用较大管径。同时，还应考虑第一输水管11、第二输水管15与可替换测试管段之间的变径连接的方便程度。综合考虑，选定第一输水管11、第二输水管15的管径为dn50。采用第一快接接头13、第二快接接头14快速连接头，以提高实验灵活性，便于操作，测试管段可替换，使本实用新型能对不同管材和管径的直管段沿程阻力和各类局部阻力损失进行测试。水管快接接头为现有设备，在此不作赘述。
[0069]
入流管段12的长度与出流管段16的长度相等，入流管段12的长度、出流管段16的长度均要大于被测管段的管径的50倍，以保证测试管段流体的流态充分发展。
[0070]
被测管段的长度根据被测管段在0.2-3m/s平均流速下的管段压力降进行计算，需能够保证在测试管段压力的压力降大于u型管式压差计9的最小量程范围，以保证测量结果的准确性。
[0071]
普通u型管式压力计的读数误差通常在
±
10pa至
±
15pa(≈1-1.5mmh2o) 左右。因此，两个液柱的两次读取的误差通常在20-30pa范围内，取平均值 25pa。则u型管式压力计精度测量范围(即被测压力)确定，在u型管压力计的工作液确定后，测量范围越大，被测压力越高，测量精度就越高。反之，测量范围越小，被测压力越低，测量精度就越低。当被测压力低于200pa时，其测量误差将大于10％以上。
[0072]
在低流速状态下(0.2m/s)，不同测试管段的沿程阻力普遍在30-60pa，若通过加长管段提高低流速状态下的测量精度，则需要被测管段的长度达到3m左右，考虑到入流管段12和出流管段16也需要一定长度保证流体的测量精度，则替换被测管段的总长度将达到5m以上。
[0073]
一方面，管段过长，给管段的加工、安装都造成不便。另一方面，实验台的总资用压头在3.3-3.6m左右，测试管段过长，会造成系统的可用压力不足，无法达到需要的测试流速。
[0074]
因此，考虑在低流速工况下，使用倾斜式微压计(如yyt-2000b型)对管段压力差进行测量。倾斜式微压计能够通过调节微压计的倾斜度来获得不同的测量范围，其倾斜其最小分度值能够达到0.2mmh2o，最小量程为0-50mmh2o，其精度能够达到0.5级。因此，在最小量程的测量误差为
±
0.25mmh2o。即对于测试管段，其最小测量范围达到5mmh2o时，测量精度能够达到95％以上。
[0075]
局部阻力测试管段，能够对y型过滤器、蝶阀、流量调节阀、球阀、闸阀、突扩、突缩、弯头、三通等常见阀门及管路附件的阻力进行测试。局部阻力以流量调节阀为例，局部阻力测试原理如下：
[0076]
参加图2，阀门的局部阻力损失测试管段，其中：l2a＝l2b，l2c＝l2d。对1、 4两断面列能量平衡方程式，可求得阀门的局部压力损失及2(lb+lc)长度上的沿程水头损失，以h
w1
表之，则：
[0077][0078]
对2、3两断面列能量平衡方程式，可求得阀门的局部水头损失及(lb+lc) 长度上的沿程水头损失，以h
w2
表之，则
[0079][0080]
阀门的局部阻力损失h1应为：
[0081]
hf＝2δh
2-δh1[0082]
亦即
[0083]
则阀门的局部水头损失系数为：
[0084][0085]
式中v为管道的平均流速。
[0086]
从减少沿程阻力，提高测试流量范围的角度考虑局部阻力测试管段选用 dn15的有机玻璃圆管作为测试管。
[0087]
水泵29的扬程需要能够达到高位水箱1的顶部，考虑20％的设计裕量，选定水泵29的扬程5米。水泵29的设计流量需要能够达到测试管段内的最大流量，以满足水箱液位恒定的要求。选定水泵29流量为5m3/h。
[0088]
根据《gb/t 17612-1998封闭管道中液体流量的测量》中的动态称重法来测量测试管路中的流量。为方便测量，电子天平18选用精密分析电子天平。综合考虑，选用量程25kg，分度值0.1g的电子天平。
[0089]
电磁流量计8主要用于大流量情况下的流量测量，以及教学生用动态称重法对流量计的读数进行校正。通常，可使用质量流量计、涡轮流量计，能够获得较高的测量精度。但是，这些类流量计会造成一定的局阻力损失，并且测量流速范围有限。考虑到本实验台的可用压头有限，并且测试流量范围较大，此处选用dn50的电磁流量计。进口电磁流量计(西门子、恒河、e+h等)能够达到0.2级以上的测量精度，也可安装国产流量计，并使用动态称重法对流量计进行校正。
[0090]
高位水箱1连接的水管分别有给水管28、溢流管21、补水管19及第一输水管11。其中，高位水箱1中与第一输水管11连接的出水头3尽量处于水箱中心位置。低位水箱5内部分别连接有第二输水管15和回流管22，为避免影响回流段水面稳定，第二输水管15连接的进水头6尽量接近低位水箱5的底部。出水头3、进水头6采用渐阔结构，渐阔管周围开有直径为25mm的孔，以保证水箱内水位平稳，保证测试结果准确。
[0091]
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本实用新型的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。