过程装备实验指导书修改讲解.docx
《过程装备实验指导书修改讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程装备实验指导书修改讲解.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
过程装备实验指导书修改讲解
过程装备实验指导书
陕西科技大学机电工程学院
2009年6月
实验一YSP-15型民用液化石油气钢瓶应力测量实验
一、实验目的:
了解钢瓶制造质量及应力分布情况并与理论计算值进行比较。
二、实验理论依据:
圆筒处采用无力矩理论,而椭圆封头圆弧与直线过渡部分采用有力矩理论进行分析及计算。
三、实验仪器及设备：
实验用YSP-15型民用液化石油气钢瓶l个
手动试压泵1台
JDY-Ⅲ型静态电阻应变仪2台
四、实验原理:
1、应力应变测量特点:
压力容器可分为厚壁容器和薄壁容器。
按照工艺要求设计制造的压力容器,其筒壁或封头上安装或焊有各种接管、支座、人孔、吊环等等。
这些零部件的存在,使得某些部位的应力分布变得相当复杂。
为确保结构的安全运行,就必须对这些部位进行必要的应力分析。
除了一些很简单的结构可以进行理论分析外,目前用于对压力容器进行应力分析的主要手段有:
实验应力分析方法及有限元计算方法。
实验应力分析的方法较多,但目前应用广泛的有两种:
光弹性方法和电阻应变法。
其中又以电阻应变法应用得最为广泛。
它不仅可用于模型的应力测量,还可用于实际结构的应力测量,以及常温、高温及低温下的应力测量,另外还用于动态应力及高压液下的应力测量。
电阻应变法精度高、数据处理简单,但只能测量结构或模型表面的应力,而且用于电阻应变片有一定的栅长,只能测量栅长范围内的平均应变。
2、电阻应变法测量的基本原理及方法:
电阻应变法是用电阻应变片测定零部件或结构指定部位的表面应变,再根据应力应变关系式,确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。
其基本原理是:
将电阻应变片（简称应变片）固定在被测构件上,当构件变形时,应变片的电阻值发生相应的变化。
通过电阻应变仪,可将应变片中的阻值变化测量出来并以正比于应变值的模拟电信号输出,最后就可用记录仪记录。
电阻应变法测量可以用关系式表示为
式中ε—应变仪测得的应变值；
/R—应变片阻值随构件变形而发生的相对变化；
F—比例系数,常称之为应变片因子。
在实际应用中，F和R的值是由应变片制造商提供的，使用者要根据被测的输入量情况确定
。
对于使用电阻型应变片来说，这是一个基本步骤。
典型的应变片常数是F=2.0,
＝120
。
在本实验中应变仪能够检测到1微应变的变化，应变片因子为2.08，因此需要设定应变仪的校正值为10000/2.08＝4807。
如果测量时主方向可以断定,得到
由此可得，一个双向应力状态,当主方向已知时,只要用两个工作片,沿两个主方向粘贴,测得两向主应变ε1、ε2后,就能算出双向主应力。
3、电阻应变法测量时应注意的问题:
压力容器用电阻应变法进行引力分析除与一般材料力学实验引力分析具有某些相似之处外,还有一些明显的特点。
一是所需测量的点通常很多;其次是往往需要反复多次加、卸载；最后,进行实际结构的应力分析时,需要在现场进行。
因此,就必须有效地处理温度漂移、长导线修正及多点测量的问题。
a、温度影响变化时,应变片的本身电阻值会发生变化。
另外,温度变化也会造成结构材料的膨胀或收缩。
当应变片阻丝材料的线膨胀系数与构件材料不同时,阻丝就会受到附加的变形,从而造成电阻值的变化。
在常温应变测量中,常利用电桥原理,采用温度补偿块法消除温度变化的影响。
所谓温度补偿块法是将一个与测量应变仪相同（型号、电阻值和灵敏系数均相同）的应变仪,粘贴在与测点材料相同的小块上,实验时将该小块放在测点附近,使其温度与现测点温度相同。
把粘贴在小块（以后称为补偿块）上的应变仪（以为补偿应变仪）接在电桥的BC臂上,见下图。
设电桥处于平衡状态,即
当环境温度变化时,由于粘贴在测点的应变片（以后称为工作应变片）和补偿应变片的条件相同,
图1-1桥式电路
它们因温度变化所产生的变化完全相同,如测点没有应变时,注意到补偿应变片的电阻和工作应变片的电阻相同,容易看出电桥四桥臂的电阻值仍满足平衡条件
即温度变化不会破坏电桥的平衡状态。
当测点有应变时,补偿块没有应变,电桥不平衡只是由于测点应变所引起。
这就消除温度变化对应变测量的影响。
b、多点测量应注意的问题在压力容器应力测量中经常遇到大量测点的情况。
为了有效地利用仪器设备,多点测量往往是通过预调平衡箱来完成。
对常用的半桥单片补偿的情况平衡箱切换开关的接触电阻串入桥臂电阻。
当接触不稳定时将带来虚应变及零点漂移。
另外工作片轮流接入桥路而补偿片却长期通电,由此引起温升不同,温度补偿效果较差。
因此当测点是转换后,应等待一段时间,待检流计指针稳定后再读数。
对于导热性较差的构件,应增加补偿片的数目,使得转换工作片的同时亦转换补偿片从而使补偿片亦有机会轮换以利散热。
五、实验方案
由于主应力方向均为己知（经向和环向）,所以每个测点都按经向与环向各贴一片应变片。
由于钢瓶封头与瓶嘴连接处及封头圆弧与直边过渡部分均分别存在开孔及边缘问题,应力梯度较大,为了能实际地反映局部应力的情况,在此两部位应变片布置较密。
圆筒直径部分应力分布均匀,所以布片较稀。
全瓶共布置9个测点18张片。
具体位置见图l-2。
采用单片温度补偿片。
应变仪采用JDY-Ⅲ型静态电阻应变仪四台进行多点测量。
实验中应用的压力表量程为0～2.5MPa,由于一般仪表的设计原则是保证仪表在量程的30％～70％内的准确性，为了保证在实验中读数的准确性，我们在0.75～1.75MPa的范围内进行读数。
为了保证实验安全，最大压力限制在1.6MPa以下。
六、实验过程
排尽钢瓶内气体后,在零表压下调整个个测点的零点（如果记录了零表压下的初始应变值，也可不用调零，应用相对应变来计算），然后用三级压力按下列顺序加压和卸压,测量各点应变值,反复进行三次,取平均值。
加压:
卸压:
七、结果分析
为了便于实验数据与理论计算值进行比较,在由各组测量应变数据计算出相应的应力后,用各级对应压力下的圆筒无力矩理论计算的环向应力进行无量纲化。
即采用下式计算各点的应力增强系数。
轴向：
环向：
式中i=1,2,3。
对应于3级不同的压力；
j=1,2,3,4,5,6,7,8,9,对应于9个不同的测点。
通过应力增强系数，可以比较实测值和理论值之间差异的大小。
八、讨论
（1）将实测值与理论解相比,思考此钢瓶设计是否合理?
为什么?
（2）封头圆弧与直线过渡部分壁厚如何变化?
是否需要采取措施?
钢瓶嘴附近是否需要采取补强措施?
（3）理论上根据环向应力公式和轴向应力公式，环向和纵向的应力比为2：
1，思考：
这能不能说明环向和轴向的应变的大小比值也为2：
1？
应该是多少？
（4）思考如何测量汽水饮料罐（比如铝制罐装的可口可乐）中的内部压力。
（5）思考本实验中有那些因素会引起测量结果的不准确。
九、钢瓶参数
如下图所示：
实际壁厚可以通过超声波测厚仪得到。
壁厚为mm。
椭圆封头形状系数K=0.8（相当于椭圆封头长短轴比a/b=1.67）。
材料为20号钢板。
图1-2钢瓶简图图1-3布片位置及应力分布图
实验数据记录表（环向应变εθij）
实验时间:
年月日时
实验人员:
0
1
2
3
0
0.8MPa
1.0MPa
1.2MPa
升压
卸压
升压
应力
卸压
应力
升压
应力
卸压
应力
升压
应力
卸压
应力
1
2
3
4
5
6
7
8
9
实验数据记录表（轴向应变εφij）
实验时间:
年月日时
实验人员:
0
1
2
3
0
0.8MPa
1.0MPa
1.2MPa
升压
卸压
升压
应力
卸压
应力
升压
应力
卸压
应力
升压
应力
卸压
应力
1
2
3
4
5
6
7
8
9
实验二外压容器失稳实验
一、实验目的
1、观察圆筒形试件在外压作用下的失稳过程和失稳破坏后的形态。
2、计算圆筒形试件在失稳破坏时的临界压力，并与试件失稳破坏压力的实测值比较。
3、讨论影响临界压力、波形数的因素。
二、基本原理
在外压作用下的薄壁容器，器壁内的应力还未达到材料的屈服极限时，容器会突然产生压扁或褶皱现象而丧失容器原有形状，此即失稳。
使容器丧失稳定性的外压力称为该容器的临界压力Pcr。
圆筒形容器失去稳定性后的形状呈多边形，其波形数n可能是2、3、4…。
容器承受临界值的外压作用而丧失稳定性，并不是由于壳体的不圆度或材料不均匀等所致，即使壳体的几何形状很规整，材料很均匀，当外压力达到一定数值时，也会产生失稳现象。
当然，壳体不园，材料不均匀能使其失稳的临界压力值降低。
外压薄壁容器失稳的临界压力Pcr的大小取决于容器长度与直径之比（L/D）和容器壁厚与直径之比（S/D）。
圆筒形容器按失稳后的破坏情况可分为三类；
长圆筒──失稳后的波形数为2，Pcr仅与S/D有关，而与L/D无关；
短圆筒──失稳后的波形数＞2的正整数，Pcr仅与S/D及L/D都有关；
刚性圆筒──此圆筒的破坏系由于器壁内的应力超过材料的屈服极限所致。
各圆筒形容器失稳临界压力的计算公式见下表。
圆筒形式
Pcr计算公式
波形数
使用条件
长圆筒
勃莱斯公式
N=2
邵斯威尔公式
短圆筒
米赛斯公式
近似公式
取整数
刚性圆筒
不存在稳定问题，强度校核
上表中各符号含义见下表
序号
符号代号
符号含义
1
Pcr
临界压力，
2
S0
圆筒计算壁厚，
3
D
圆筒中面直径，
4
E
弹性模量，
5
μ
泊松比
6
R
圆筒中面半径，
7
L
圆筒长度，
8
焊缝系数，在计算压应力时，可取1
9
P
操作外压力，
10
σcr
临界应力，
11
材料在操作温度下的屈服极限，
12
e
椭圆度
13
n
波形数
14
［σ压］
材料许用压力，可取
，
15
σ
压应力，
16
t
圆筒壁厚，
17
c
壁厚附加量，
三、实验装置及试件
1、实验装置
本实验使用的装置见下图。
图1外压容器实验简图
1、空气压缩机2、进气阀3、放气阀4、压力表5、试件6、实验钢筒7、支撑座
8、压片9、上法兰10、连接螺钉11、紧固螺栓13、橡胶垫
图2外压容器实验简图
1、真空泵2、抽气阀3、放气阀4、真空表5、支撑杆6、实验支座7、支撑座
8、试件9、连接螺钉10紧固螺栓
实验装置的主体由钢圆筒和平顶盖组成，实验时可将试件装在试件支撑座上，并用橡胶板把试件内外腔分开，试件支撑座的中心开有内孔与大气相通。
实验时将钢圆筒与压力源相接，钢圆筒内的压力就会逐渐升高，试件就处于外压载荷的状态，当压力升到某一值时，试件就会突然发生失稳破坏。
2、试件:
饮料筒坯
⑴材质：
镀锡薄铁皮。
公称尺寸：
直径Φ65.5毫米，长度80毫米，壁厚0.26毫米。
⑵材质：
镀锡薄铁皮。
公称尺寸：
直径Φ53毫米，长度120毫米，壁厚0.28毫米。
⑶材质：
镀锡薄铝皮。
公称尺寸：
直径Φ66毫米，长度103毫米，壁厚0.23毫米。
四、实验步骤
1、在试件的底部写上编号。
2、测量并记录试件的外径和长度；测量时注意防止试件变形。
3、从实验筒上取下支撑座，并安装试件，注意密封圈必须放好。
4、把试件装入实验筒，旋紧螺栓，各螺栓受力要均匀。
5、关闭实验筒的放气阀，开启进气阀。
6、启动压缩机开始实验。
实验时进气阀开启要慢，使实验筒的压力慢慢上升，以免读不准试件的失稳压力。
边升压边注意压力表的指示值，当观察到试件失稳时即停止升压并读出压力表的指示值，此即试件的实测失稳压力并记录。
7、关闭实验筒的进气阀，开启放气阀。
8、按安装相反步骤取下试件，观察并记录试件失稳后的波形数。
9、关闭压缩机。
五、实验报告
1、实验数据记录表。
2、计算试件的临界压力及波形数，并与实测值比较。
3、分析讨论实验结果。
实验三离心泵性能实验
一、实验内容：
1、测定离心泵扬程－流量关系，并绘制曲线。
2、掌握离心泵串、并联工作特性。
3、掌握泵汽蚀余量及其测定方法。
二、实验装置：
离心泵综合实验台（LBZ-12）结构如下图1所示。
三、实验台使用说明：
1、实验前准备：
1）对实验装置做必要的检查。
2）打开阀17、22、19，水箱注满水，计量水箱添少量水。
3）打开阀4，对泵I“灌泵”，泵II无进水阀，自然“灌泵”。
4）实验时，每测一组数据，关闭泵，调节泵的流量，不要让泵连续不停的工作，以免泵因为发热而出现抱轴事故。
2、泵I运转：
1）关闭阀11、10、14，点动泵I启动按钮，确认泵无卡阻现象。
2）按下泵I的启动按钮，然后缓慢打开阀11，观察水量、表12、9指示变化。
3、泵II运转：
（与上步骤类似，必须关闭阀4、10、11、14，启动缓慢打开阀14）
4、两泵并联：
1）关闭阀10，打开阀4对泵I进行“灌泵”。
2）关闭阀11、14，启动泵I、泵II。
3）缓慢同步打开阀11、14。
5、两泵串联：
1）关闭阀4、14、11、10。
2）启动泵II，缓慢打开阀10。
3）启动泵I，缓慢打开阀11。
6、汽蚀操作：
1）关闭阀4、10、11、14启动泵II。
2）缓慢打开阀14，分别选择三个流量，记录工况。
关闭阀门17、19、22等待比较长的时间，观察汽蚀现象出现。
3）记录出现汽蚀时真空表的压力，再等待一段时间，观察真空表读数有何变化，直到泵出现震动为止。
四、实验步骤：
1、泵特性曲线H-qv测量及数据记录
A.泵I测定进口流量调节时泵的性能：
1）启动泵I，阀门11全开，利用阀门4的开度调节流量。
2）从阀门4关闭状态到完全打开分为6个工况，逐一做起。
3）关闭阀门17、22，由流入计量水箱的水量和时间，计算流量（L/s）。
4）记录每个工况下的表12、9读数P12、P9（Pa）。
B.泵II测定出口流量调节时泵的性能：
1）关闭泵I，关闭阀门4、10、11。
2）启动泵II，利用阀门14的开度调节流量。
3）从阀门14关闭状态到完全打开分为6个工况，逐一做起。
4）关闭阀门17、22，由流入计量水箱的水量和时间，计算流量（L/s）。
5）记录每个工况下的表13、8读数P13、P8（Pa）。
2、泵的并联特性
1）关闭阀10，打开阀4对泵I进行“灌泵”。
2）关闭阀10、11、14，打开阀17、22，启动泵I、泵II。
3）缓慢开启开阀11、14，记录此时表12、9、13、8的读数（Pa）和流量（L/s）。
3、泵串联特性
1）关闭阀4、14、11、10，打开阀门17、22。
2）启动泵II，打开阀10，启动泵I，开启阀10、阀11。
3）记录此时表12、9、13、8的读数（Pa）和流量（L/s）。
观察及计算：
H串=HI+HII。
4、汽蚀余量（NPSHr）实验
1）关闭阀4、10、11、17、19、22，启动泵II。
2）通过阀14调节流量，试验3种工况。
3）每种工况下，待比较长的时间，观察汽蚀现象出现（表13指针剧烈振动）。
4）记录此时表13、8的读数P12r、P8r（Pa）。
汽蚀余量NPSHr：
在临界汽蚀条件下，
（m），而
≈0
简化得：
。
式中，Pa—环境大气压；Pv—环境温度下水的饱和蒸汽压；c0、D0—泵II进口流体速度、管道直径。
五、实验数据记录：
水银密度ρ=________Kg/m3水密度ρ=________Kg/m3、孔板尺寸D=______mm、d=_______mm。
●单泵特性曲线H-qv测量及数据记录
A.泵I测定进口流量调节泵的性能：
：
泵进口阀门尺寸________in（英寸）泵出口阀门尺寸________in（英寸）
参数
进口阀开圈数
1
2
4
6
8
全开
压力
出口P12i（Pa）
进口P9i（Pa）
扬程
Hi（m）
计量流量
体积（L）
时间（s）
Q1（L/s）
孔板流量计流量
ΔP（mmHg）
压差ΔP（Pa）
理论流量Q
流量系数（C0）
B.泵II测定出口流量调节时泵的性能：
泵出口阀门尺寸________in（英寸）进口管道尺寸________in（英寸）
参数
出口阀开圈数
1
2
3
4
5
全开
压力
出口P13i（Pa）
进口P8i（Pa）
扬程
Hi（m）
计量流量
体积（L）
时间（s）
Q1（L/s）
孔板流量计流量
ΔP（mmHg）
压差ΔP（Pa）
理论流量Q
流量系数（C0）
●泵串、并联数据记录：
A.并联
项目
P12（Pa）
P9（Pa）
P13（Pa）
P8（Pa）
体积（L）
时间（s）
流量Q
1
2
3
4
5
B.串联
项目
P12（Pa）
P9（Pa）
扬程1（m）
P13（Pa）
P8（Pa）
扬程2（m）
总扬程（m）
体积（L）
时间（s）
流量Q
1
2
3
4
5
●汽蚀实验数据记录：
1
2
3
4
平均
压力
P13i（Pa）
压力
P8i（Pa）
汽蚀余量
NPSHr（m）
六、数据分析
1.以流量为横坐标、扬程为纵坐标，分别绘制泵I进口流量调节、泵II出口流量调节的流量－扬程曲线。
2.分析串联工作时各阀门对总流量、总扬程的影响。
3.分析并联工作时各阀门对总流量、总扬程的影响。
实验四风机性能实验
一、实验目的：
1、熟悉风机性能测定装置的结构与基本原理。
2、掌握利用实验装置测定风机特性的实验方法。
3、通过实验得出被测风机的气动性能。
4、通过实验验证进口节流调节、变频调节流量的原理和实践。
二、实验装置：
根据国家《通风机空气动力性能实验方法》标准，本实验装置采用进气实验方法。
装置主要分三部分（见图1）。
实验风管主要由测试管路，节流网、整流栅等组成。
空气流过风管时，利用集流器和风管测出空气流量和进入风机的静压Pest1，整流栅主要是使流入风机的气流均匀。
节流网起节流调节作用，在节流网位置上均匀的加一些小纸片可以改变进入风机的空气流量，从而调节出口流量，这就是进口节流调节。
调节变频器频率，改变风机转速调节流量，这就是变频流量调节。
实验时关心的是出口空气流量，通过实验要测得进口面积和流量的关系、频率和流量的关系。
用变频器测量电机电流和电压，就可以得出功率。
三、实验步骤：
1、将压力计（倾斜管压力计）通过联通管与试验风管的侧压力孔相连接，在连接前检查测压管路有无漏气现象，应保证无漏气。
记录下实验相关参数：
节流纸片面积、风机进口面积、风机出口面积，当地大气压、室温。
2、先进行进口节流调节实验，启动变频器，将频率调整至50HZ。
3、待风机转速达到稳定后，记录进口静压，同时用测速管测取出口中心风速。
4、在节流网上逐个加入节流纸片，每次2个，重复步骤3，直至加满纸片。
5、停止变频器输出，取出各个纸片，进行变频流量调节实验。
6、将变频器输出频率调整为5HZ，待风机转速大到稳定后，记录进口静压，同时用测速管测取出口中心风速。
7、依次增加变频器输出频率，每次增加5HZ，直至增加至50HZ，待风机转速大到稳定后，记录进口静压，同时用测速管测取出口中心风速。
四、实验数据记录
风机性能测定实验记录表
被测风机型号：
额定流量：
m3/h，折合m3/s
额定出口全压：
Pa
额定转速rpm额定功率KW
变频器型号：
、
变频器额定功率：
KW
风机尺寸：
进口直径D1=mm、
出口面积A2=a×b=mm2、
纸片面积：
a×b=mm2大气压力：
KPa、
室温：
℃。
（一）进口节流调节（工频50HZ）
1.按照进口速度公式计算
纸片
个数
进口面积S
进口差压△P
进口风速
V
进口流量Q1
出口功率P1
变频器输出
输出电功率
风机效率
（mm2）
Pa
m/s
m3/s
W
电压（V）
电流（A）
W
％
0
2
4
6
8
10
升级会员 