化学工程实验报告
C2.离心泵性能的测试
实验者 钱尚宇
学 号 1100011707
装 置 第2套装置
组 别 C2组2号
实验日期 20##-4-22
辅导教师 陈建
合作者 童炳琦
刘禹初
摘要本实验分别通过手动和自动的方法测绘了实验装置中离心泵的特性曲线和管路的特性曲线，并找出装置的工作点坐标，手动测绘的坐标为q=10.6m3/h，H=9.23m，自动测绘的为q=9.7m3/h，H=8.00m。对造成二者差距和有关离心泵性能的部分影响因素进行了简要探讨。
一、实验目的
掌握离心泵的特性，熟悉离心泵的操作，绘制离心泵工作曲线。
熟悉计算机数据采集及过程控制。
了解气蚀现象。
二、
实验原理
离心泵的工作原理是叶轮在电动机带动下旋转，迫使其间的液体旋转，液体在离心力的作用下被甩向外周，获得能量，离开叶轮进入泵壳。泵壳内流道扩大使液体减速，部分动能转化为静压能，同时叶轮中心产生真空，将水从水箱抽至叶轮中心，从而循环工作。离心泵的构造图如图2.1所示。
在泵的出入口侧压处管路的横截面列出伯努利方程：
整理简化后，
(2.1)
离心泵的功率和效率的计算：
泵的轴功率 P
=电动机输入功率（功率表读数）×电动机效率 (2.2)
有效功率Pe
=qvHρg (2.3)
泵的效率η=Pe/P×100% (2.4)
泵的气蚀现象：当泵中心区的低压小于等于输送温度下的液体饱和蒸气压，液体气化产生气泡，流向高压区，在高压作用下又迅速凝结，周围液体快速冲向原气泡的真空，产生巨大的对叶轮和泵壳的冲击力，即为气蚀现象。一定的入口真空度是气蚀的必要条件。
三、
实验条件、流程与装置
3.1 实验装置和流程
实验操作装置流程图如图3.1所示。
3.2 实验操作规程
3.2.1实验前准备：检查并确认储水槽水面没过出水口；压力表和真空表管路上的阀门处于关闭状态；按控制面板上绿色按钮启动装置总电源，预热仪表15min后，记录各初始值。
3.2.2 离心泵特性曲线手动测定实验
3.2.2.1将控制面板右下方的变频调速器调为手动状态：先按
键，PV窗显示(F000)，利用“Ù Ú＜”和 回车键“¿”进行调节，使F010(¿)=0000(¿)，F011(¿)=0000(¿)；再按即可。其中， “＜”改变数字位置，趁小圆点闪烁时用“Ù Ú”调节数字大小。
3.2.2.2 将电动阀阀位调为M状态(涡轮流量表上方数字为流量值；下方为电动阀状态及阀位设定值)。调节步骤为：若显示为A，则按“＜”一次，即变为M；若只显示数字，则可以按 “¿”后，再按“＜”，调为M状态。在M状态下，用 “Ú”将阀位调为M=0。
3.2.2.3 用“Ù Ú＜”调节变频调速器频率为50Hz后，按run键启动离心泵；之后缓慢将M调为100。
3.2.2.4待系统内流体稳定且流量基本不变后，打开压力表和真空表管路上的阀门；记录数据稳定后的泵入口压力、出口压力、电机功率、阀位和温度。通过“ÙÚ”键改变阀门开度，测取15组数据。测取数据的顺行可从最大流量到0，或反之。
3.2.3 管路特性曲线手动测定实验
3.2.3.1 离心泵特性测完后，用流量计显示表上的“Ù Ú”键将流量阀调为M=100，固定不变。
3.2.3.2 用变频调速器上的“Ú＜”调节离心泵电机频率：用“＜”移动小数点位置至数值的个位，用“Ú”改变数值(从50Hz逐渐减小)，按回车键确认。分别记录各频率下的流量、泵入口压力、出口压力和电机功率。每2 Hz测取一次数据。
3.2.3.3 手动实验完成后，用 “Ú”将流量阀位调为M=0，待电动阀阀位%=0时，按调速器面板上的
键一次，离心泵即停转(显示为00.00)；之后关闭压力表和真空表管路上的阀门。
3.2.4 离心泵特性曲线自动测定实验
3.2.4.1 打开计算机后，将变频调速器调为自动状态：先按
键，PV窗显示(F000)，利用“Ù Ú＜”和回车键进行调节，使F010(¿)=0001(¿)，F011(¿)=0002(¿)；再按即可。
3.2.4.2 点击计算机桌面上的离心泵图标，进入系统界面后，将流量调节阀开度调为M=0。之后点“启动离心泵”，待系统稳定后，打开压力表和真空表管路上的阀门。
3.2.4.3 点击“离心泵特定曲线自动采集”后，按对话框要求将流量调为自动，步骤如下：按涡轮流量表上的“＜”，调至“A”后，再按“¿”即可，此时显示0.0)，点击“确定”；输入“50”Hz，确定后，系统会自动采集数据并绘图(流量值自动从0®0.5®1.0®¼®最大)。当流量达到最大时，自动采集结束，点击“结果显示”查看数据表和曲线图，保存实验结果。点“结束当前任务”，在“将流量调为0”对话框，直接点“确定”。
3.2.5管路特性曲线自动测定实验
点击“管路特性曲线自动采集”后， 在“将流量调节阀调至最大开度”对话框中，点“确定”后 (涡轮流量显示表上显示“M 100”)，系统自动采集数据并绘图。采集后的操作同3.2.4.3。
3.2.6 实验结束：点“关闭离心泵”，离心泵停转。将流量调节阀调为M=0，待电动阀阀位为零，电动阀停转后，按控制面板上的红色按钮，关闭电源。关闭计算机。
3.3 实验条件记录
表3-1实验条件记录
四、数据处理
4.1 实验数据记录和计算
表4-1 手动测量离心泵特性曲线（电机频率=50.00Hz）
注：取ρ=997.991kg/m3（21℃时水的密度）
计算示例（后面不再举例）：
取序号一的实验值，
P2-P1=(58.6-1.0)+[31.4-(-0.5)]kPa
=89.5kPa
H=(Z2-Z1)+(P2-P1)/ρg
=0.25m+89.5kPa/(997.991kg/m3*9.801N/kg)
=9.40m
P=0.75kW×60%=0.45kW
Pe=pvHρg
=(10.5m3/h)/(3600s/h)×9.40m×997.991kg/m3×9.801N/kg
=0.268kW
η=Pe/P=0.268/0.45=0.60.
表4-2 手动测量管路特性曲线（M=100）
表4-3自动测量离心泵特性曲线（表格来自计算机，下同，电机频率=50.00Hz）
表4-4 自动测量管路特性曲线(M=100) 表4-5 自动测量管路特性曲线(M=50)
4.2 手动测定特性曲线
使用Origin 8.0作图，分别作出离心泵H-q、P-q、η-q曲线和管路η-q曲线，绘图参考文献[3]。拟合曲线方程略。
图4.1 手动测定离心泵特性曲线（电机频率=50.00Hz）
图4.2 手动测定管路特性曲线（M=100）含离心泵H-q曲线
根据H1（离心泵）-q和H2（管路）-q曲线拟合方程计算得工作点位置（两曲线交点）坐标为q=10.6m3/h，H=9.23m（计算过程略）。
4.3 自动测定特性曲线
图4.3 自动测定离心泵特性曲线（电机频率=50.00Hz）
图4.4 自动测定管路特性曲线（左边M=100右边 M=50）含离心泵H-q曲线
观察M=100的自动采集管路特性曲线和离心泵H-q曲线，从图上确定交点（工作点）坐标为q=9.7m3/h，H=8.00m。
五、实验讨论和思考题
由于本实验没有需要通过计算得出的确切数值结论，不作误差分析。
笔者发现，手动采集和自动采集特性曲线所求出的工作点坐标相差较多，主要体现在离心泵的H-q曲线的差别（手动采集曲线在q较大时的H较高）。笔者猜想，由于手动采集和自动采集操作方式、平衡时间等都有所不同以及手动测绘中的实验人员读数误差，再加上不了解自动采集方式的曲线拟合方式，因此误差的可能来源很多，无法详细分析。
离心泵的正常特性曲线包括H-q、P-q和η-q曲线三种（思考题第二题）。H一般随q的增大（阀位的增大）而降低，主要是由于阀位增大时，泵的出口处受到流量增大的影响较明显，压强下降快，因此根据H的计算公式，H随q增大而下降。
P（轴功率）随流量增大而上升（流量较大时需要维持工作的能量也较多），所以离心泵在启动和关闭时都要求M=0以保护电机。
η随q呈现先上升后下降的趋势，说明在一定转速下，离心泵存在最高效率点。
关于工作点，是指离心泵的H-q曲线和管路的H-q曲线相交的点，在该点上离心泵提供的扬程与管路所需外加功相等，此时离心泵所提供的压头全部被充分利用（在忽略阻力损耗等因素的前提下），达到离心泵在该管路中所能提供的最大流量。因此该交点被称为离心泵在此管路中的最佳工作点。[4]
气蚀（思考题第一题）是什么已经在前面的实验原理中提及，一定的入口真空度是气蚀产生的必要条件。所以，安装泵入口调节阀从而可以根据需要任意调节泵入口的真空度，可以人为地造成和控制气蚀现象的发生。
六、实验结论
本实验分别通过手动和自动的方法测绘了实验装置中离心泵的特性曲线和管路的特性曲线，并找出装置的工作点坐标，手动测绘的坐标为q=10.6m3/h，H=9.23m，自动测绘的为q=9.7m3/h，H=8.00m，二者有一定的差距。本实验主要目的是学习和了解有关离心泵性能的评估以及计算机处理数据的过程，一定程度地理解了离心泵性能的影响因素。
七、参考文献
[1] 北京大学 南京大学 南开大学 三校化工基础与实验教学组. 化工基础实验. 北京大学出版社, 2004.
[2] 温瑞媛, 严世强, 江洪, 翟茂林. 化学工程基础. 北京大学出版社, 2002.
[3] 陈国奋等. 福建师大福清分校学报. 2012, 113: 62-68.
[4] 崔丹等. 黑龙江大学自然科学学报. 1998, 15(1): 92-95, 116.