实验四 离心泵特性曲线测定实验

一、实验目的：

1、熟悉离心泵的结构与操作方法，了解压力、流量的测量方法。

2、掌握离心泵特性曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。

二、实验内容：

 1、熟悉离心泵的结构与操作。

2、手动（或计算机自动采集数据和过程控制）测定某型号离心泵在一定转速下，Q（流量）与H（扬程）、N（轴功率）、h（效率）之间的特性曲线。

一、       实验原理：

A、离心泵性能的测定：

离心泵是最常见的液体输送设备。对于一定型号的泵在一定的转速下，离心泵的扬程H、轴功率N及效率η均随流量Q的改变而改变。通常通过实验测出Q-H、Q-N及Q-η关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。本实验中使用的即为测定离心泵特性曲线的装置，具体测定方法如下：

     1、H的测定：

       在泵的吸入口和压出口之间以1N流体为基准列柏努利方程

                     （4-1）

上式中是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力(不包括泵体内部的流动阻力所引起的压头损失)，当所选的两截面很接近泵体时，与柏努利方程中其它项比较，值很小，故可忽略。于是上式变为：

                             （4-2）

        将测得的高差和的值以及计算所得的u_入，u_出代入式4-2即可求得H的值。

    2、 N的测定：

        功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1.0，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：

            泵的轴功率N＝电动机的输出功率，kw   

          电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率。

            泵的轴功率＝功率表的读数×电动机效率，kw。

    3、η的测定

                       ％                                      

                               

式中：η— 泵的效率，％；

          N— 泵的轴功率，kw

          Ne— 泵的有效功率，kw

          H— 泵的压头，m

          Q— 泵的流量，m³/s

          ρ— 水的密度，kg/m³

b、计算机数据采集及自动控制原理

       所谓计算机采集,就是将工程中的某些物理量如温度、压力、流量等通过传感器转化为直流电信号, 这些电信号经过放大转化为 0 - 5 V 的直流电压信号,通过A／D 转换器将直流电压转化为数字量输入计算机,在计算机上编制程序将采集的物理量显示出来或进行计算,画图等.

       信号加工放大器的作用① 将弱电信号转化为 0 - 5 V 的直流电压.② 抑制干扰和降低噪音.

       A／D 转换器,从信号加工放大器输入的0 - 5 V 的直流电信号通常称之为模拟量,其可用无限长的数字来表示,如 3.5281……(∨),计算机及其他数字处理这些模拟量,其只能处理有限长度的量,我们称之为数字量.因此,必须将模拟量转化为数字量,此转换装置称之为模／数转换器即 A／D 转换器.而 D／A 转换器将数字量转化为模拟量.

       自动控制系统由被测系数,调节对象,执行机构,传感器等部件组成.

       根据被测对象的工艺条件确定给定值(在计算机软件内)由计算机通过通讯接口传递给智能仪表。智能仪表对给定值与被测参数进行比较,然后执行机构对被调节对象进行调节和控制,使被测参数测量值与给定值的偏差在允许范围内为止.

二、       实验流程及设备主要技术参数：

1、  实验流程：

          水泵将储水槽中的水抽出,送入实验系统,由出口调节阀控制流量，经涡轮流量计计量流量后经流回储水槽循环使用

2、主要仪器设备一览表：

   流量公式：Q=F/K*3600/1000，其中F为频率数，K为涡轮流量计仪表常数。

泵入口，出口测压点间的距离(Z2-Z1)=0.180米

泵入口，出口管内径d1、d2=0.050米

     

   五、实验操作：

实验前，向储水槽加入蒸馏水，合上电源总开关。

手动操作：离心泵性能特性曲线的测定。

将出口调节阀关到零位。

1、按照变频调速器说明设定（Fn-11为0；Fn-   10为0）后在并设定变频调速器的频率（50）。

2、 启动离心泵；改变流量调节阀的位置，分别记录稳定后各流量下的流量、泵进出口压力和电机输入功率值，测8--10组数据（流量调节阀的位置从零位到最大）。处理数据后可以得到离心泵特性曲线。

        3、把流量调至零位后，停泵。

六、 使用实验设备应注意的事项：

     1. 实验前应检查水槽水位，流量调节阀关闭到零位。

2. 注意变频调速器的使用方法。严格按照实验操作中给出的变频器参数进行调节，在计算机自动控制时不要手动改变变频器的频率。变频器其它参数不要改动。  

七、实验报告要求

1．原始实验数据记录表格

2．写出所测离心泵的类型、规格、设备编号。

3．把原始数据及计算结果用表格列出，并选一组数据作为计算示例。

4．在坐标纸上绘出离心泵特性曲线，并指出这台泵的适宜操作范围及设计点。

5．对实验现象及结果进行讨论并回答思考题。

八、思考题

      1．离心泵为什么可以用阀门开度大小来调节？往复泵是否也可以这样做，为什么？

      2．如泵的转速改变，则相应的Q、H、N、η、是否变化？如何计算？

      3．试从理论上分析，用本次实验的泵输送密度位1200Kg/m3的盐水（忽略粘度的影响），在同一流量下你认为泵的压头是否变化？同一温度下吸入高度是否变化？同一流量下的功率是否变化？

九、 附录    

     1、数据处理方法：

计算举例：

测量频率（流量）138HZ、电机输入功率0.65（Kw）

    泵出口处压强P2=0.132(MPa)、泵入口处压强P1=0.012(MPa)，

    液体温度17.5℃  液体密度ρ=1000.8kg/(m³)  、泵进口高度=0.18米

流量公式：Q=F/K*3600/1000，其中仪表常数K=76.724,  F=138

          Q=138/76.724*3600/1000

           =6.48M³/H

泵的扬程

          

          =14.9（m）

泵的轴功率Ｎ_轴＝Ｎ_电×η_电

                 =650×60％

                 =0.390（Kw）

泵的效率:     

                 =67.5％

附表：实验记录表格

      基本数据：

      室温：                                     大气压强：

第二篇：离心泵性能实验实验报告

北 京 化 工 大 学

实   验   报   告

                                                                                          

课程名称：    化工原理实验                       实验日期：                                              

班    级：                                       姓    名：

同 组 人：

 

离心泵性能试验

一、   摘要

  本实验利用孔板流量计测量离心泵的特性曲线和管路曲线，并且用实验结果也测出了孔板流量计的Co与雷诺数的一一对应关系，验证了孔板流量计的性质，并且后续实验的继续进行是在利用了第一次试验数据的基础上完成的。

关键词：孔板流量计 Co 特性曲线 管路曲线

二、实验目的：

1、熟悉离心泵的结构、性能铭牌及配套电机情况

2、了解孔板流量计的结构、使用及变频器的作用

3学会测绘离心泵的特性曲线和管路特性曲线。

4、掌握最小二乘法回归管路特性方程、扬程方程中的参数A、B

三、实验原理：

1.  离心泵的特性曲线

通常采用试验的方法，直接测定离心泵的性能参数，并且绘成He-Q,H-Q,η-Q三条曲线，称为离心泵的特性曲线。

（1）.泵的扬程

 

上式忽略能量损失，u₁=u₂， ΔZ=H₀=0.85  mH₂O

(2) 泵的效率    /1000 [kW] 

（3）轴功  [kW]

2.孔板流量计的Co测定

   变形得：

对于不可压缩流体   

  ==/

3.管路特性曲线

四、实验流程

仪表箱装有泵开关按钮及功率表、流量计数字显示仪表。

图1、离心泵实验流程

五、实验操作

1、灌泵。先开灌泵阀，再开排气阀至有水流出，最后关闭两阀门；

2、启动水泵。先关闭流量调节阀门，再按控制电柜绿色按钮，最后按变频器绿色按钮启动泵，频率自动升到50 Hz；

3、测泵特性。固定频率(50Hz≈2900r/min），改变阀门开度，调节水流量从0到最大，记录孔板压降（液位、时间）等相关数据，本组数据可同时测定孔流系数。

4、测管路特性。固定阀门开度，按变频器“△”或“▽”键改变电源频率，调节水流量从小到大，只记录孔板压降、进出口表压即可；

5、实验范围，最小值可能是零点，也可能大于零，最大值可能受设备等所限，结合目标与实际做好规划；

6、实验布点，一般小流量比大流量密集，最高效率点和曲线拐点附近密集，曲线点一般不少于10组；

六、实验数据处理

以第二组数据为例，计算过程如下：

t_水=10℃，查表得ρ= 999.7kg/m3

t_水=20℃，查表得ρ= 998.2kg/m3

用内插法可得t_水=17.5℃，ρ=998.6kg/m3

扬程

He=0.85+（0.200+0.006）*1000000/(998.6*9.81)=21.88m

水流量Q=0.495*0.495*0.111/60*3600=1.63m³/h

轴功率N轴=0.9*0.50=0.450

有效功率=HQρg/1000=21.88*1.63*998.6*9.81/(1000*3600)=0.097

效率=0.097/0.450=0.216

以第一组数据为例，计算过程如下：

t_水=10℃，查表得ρ= 999.7kg/m3 μ=1.350mPa.s

t_水=20℃，查表得ρ= 998.2kg/m3 μ=1.005mPa.s

用内插法可得t_水=17.5℃，ρ=998.6kg/m3  μ=1.091mPa.s

水流速度v=1.63/3600/(0.785*0.042^2)=0.33m/s

雷诺数Re=0.042*998.2*0.33*1000/1.091=12570

孔板速度uo=1.63/3600/(0.785*0.0242^2)= 0.98m/s;

Co=0.98/(2*0.8*1000/998.2)^0.5=0.78

以第二组数据为例，计算过程如下：

t_水=10℃，查表得ρ= 999.7kg/m3

t_水=20℃，查表得ρ= 998.2kg/m3

用内插法可得t_水=17.5℃，ρ=998.6kg/m3

扬程

He=0.85+（0.062+0.005）*1000000/(998.6*9.81)=7.69m

水流量Q=0.71*0.785*0.0242^2*(2*0.8*1000/998.6)^0.5=1.49m3?h-1

轴功率N轴=0.9*0.20=0.180

有效功率=HQρg/1000=7.69*1.43*998.6*9.81/(1000*3600)=0.097

效率=0.097/0.180=0.157

以第一组数据为例，计算过程如下：

t_水=10℃，查表得ρ= 999.7kg/m3

t_水=20℃，查表得ρ= 998.2kg/m3

用内插法可得t_水=17.5℃，ρ=998.6kg/m3

以第一组数据为例：

水流量Q=0.785*0.0242^2*0.9*(2*1.6*1000/998.2)^0.5*3600=2.67m³/h

需要的能量H=0.85+(0.195+0.006)*1000000/998.6/9.81=21.37m

以第一组数据为例，计算过程如下：

t_水=10℃，查表得ρ= 999.7kg/m3

t_水=20℃，查表得ρ= 998.2kg/m3

用内插法可得t_水=17.5℃，ρ=998.6kg/m3

以第一组数据为例：

水流量Q=0.785*0.0242^2*0.9*(2*25.9*1000/998.6)^0.5*3600=10.73m³/h

需要的能量H=0.85+(0.046+0.019)*1000000/998.6/9.81=7.49m

七、实验结果作图及分析：

离心泵特性曲线1

离心泵特性曲线2

Co-Re曲线

管路特性曲线

结果分析：

1.从图中可以看出，随着流体流量的增加，扬程呈现下降的趋势；而轴功率呈现上升的趋势。

2.随着流体流量的增加，泵的总效率呈现先增大后减小的趋势，存在着最大功率。由效率曲线得知，在流量约为4.8时，达到了最大效率。

3.查阅资料得知，离心泵的优先工作范围在最佳效率点流量的70﹪~120﹪，所以由此确定离心泵的最佳工作范围是3.4~5.8 。

4. 孔流系数C0随雷诺数 的变化逐渐减小，但是依然有幅度，依据理论当雷诺数达到一定程度后后孔板系数会趋于定值，因为达到了完全湍流。实验可能因为出现误差而使得结果和理论有偏差，考虑到我们做实验的过程，我们在测量流量时，选取的时间范围过小，容易产生误差。

5. ①由管路特性曲线可看出，随着流体流量的增加，管路的压头呈现递增的趋势。

②管路特性方程表明，管路中流体的流量与所需补加能量的关系。由图可分析，第四个开度对应的曲线阻力损失较大，第一个开度对应的曲线阻力损失较小。由此，可得出结论：低阻管路系统的特性曲线较为平坦，高阻管路的特性曲线较为陡峭。所以，可判断，为减少能量损失，在管路中，应尽量减少不必要的阀门等器件。

八、思考题

1、离心泵启动前为何要灌泵，且要关闭流量调节阀？这跟“气蚀”有关系吗？

答：离心泵启动前未冲液，则泵内存有空气，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽然启动了离心泵但是不能输送液体。这是气缚现象，和气蚀无关。

2、通过阀门由小到大改变流量时，泵出口压力表和入口压力表的读数有什么变化规律？

答：当阀门由小到大改变流量时，出口表压逐渐减小，入口则逐渐变大。

3、用实验中的离心泵分别输送20℃下的水和乙醇，泵的特性曲线和安装高度有什么变化？管路特性曲线是否有变化？

答：当输送液体变化时，离心泵的特性曲线H-Q曲线不变，因此两者泵的特性曲线不变。对于管路特性曲线有H=A+BQ2,由于ρ水>ρ乙醇，A=△Z+△P/ρg  而对于特定的管路系统B相同，因此乙醇相对应的管路的特性曲线可由水相对应曲线向上平移一段距离后得到。又Pv水<Pv乙醇，Hg允=（Po-Pv）/ρg-(NPSH)r-∑hf  ,，，∑hf=λ(l+le)u2/(2dg)  对于固定的离心泵，流量一定时，（NPSH）r和∑hf一定，因此水泵的安装高度高于乙醇泵的安装高度。

4、在流体阻力实验中，想用孔板流量计代替涡轮流量计测流量。已知不锈钢管道尺寸Ф32×3mm，流量范围0.6～6m³/h，使用的离心泵与本实验相同。请设计一款孔板流量计，确定孔口尺寸和压差范围。

答：u=q/(0.785*0.026^2),Re=0.026*998.2*u/105.34*100000=7738~77380由书本上的图可以差得，在这个雷诺数范围内，要使得孔板系数趋于一个定值，应该控制A0/A1=0.1,从而可以求出孔板直径为10mm左右。

5、用最小二乘法回归阀门1/4开度条件下，管路特性方程H=A+Bq_v²中的参数A、B，检验相关性。要求手工计算并写出过程。

最小二乘法：B=[(n*Σq2*He-Σq2ΣHe)]/[(n*ΣQ4-(ΣQ2)2)]；A=He平均-B*Q2平均

带入公式可得：B=2.5034    A=3.2935  得管路特性方程H=3.2935+2.5034 q_v²

相关性检验：r=[Σ(q^{^2}-q^{^2}品均)(H-H品均)]/[Σ(q^{^2}-q^{^2}品均)^{^2}Σ(H-H品均)^{^2}]^0.5=0.99897

由于相关系数r接近于1，证明相关性良好，且将q^2带入公式得到H也于实验结果相符。

6、借助软件确定50Hz条件下（1）泵的近似扬程方程H_e=A+Bq_v²中的参数，（2）双泵并联、串联操作，用1/4阀门开度的管路输送常温水，流量分别是多少？泵的效率如何？

答:（1）计算同第5题，拟合结果为He=-0.2148q_v²+22.4633,且由第5题知管路特性方程H=3.2935+2.5034 q_v²

（2并联时He=-0.2148*(q_v/2)²+22.4633,联立求解得到流量q_v=2.74；

    串联时He=2*(-0.2148* q_v²+22.4633),联立求解得到流量q_v=3.77。