离心泵特性曲线实验报告
一.实验目的
1、熟悉离心泵的构造和操作
2、掌握离心泵在一定转速下特性曲线的测定方法
3、学习工业上流量、功率、转速、压力和温度等参数的测量方法,使学生了解涡轮流量计、电动调节阀以及相关仪表的原理和操作。
二, 基本原理
离心泵的主要性能参数有流量Q、压头H、效率和轴功率N,在一定转速下,离心泵的送液能力(流量)可以通过调节出口阀门使之从零至最大值间变化。而且,当期流量变化时,泵的压头、功率、及效率也随之变化。因此要正确选择和使用离心泵,就必须掌握流量变化时,其压头、功率、和效率的变化规律、即查明离心泵的特性曲线。
用实验方法测出某离心泵在一定转速下的Q、H、n、N,并做出H-Q、n-Q、N-Q曲线,称为该离心泵的特性曲线。
1、扬程(压头)H(m)
分别取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2截面,列柏努利方程得:
因两截面间的管长很短,通常可忽略阻力损失项Hf,流速的平方差也很小故可忽略,则:
+H0
式中 ρ:流体密度,kg/m3;
p1、p2:分别为泵进、出口的压强,Pa;
u1、u2:分别为泵进、出口的流速,m/s;
z1、z2:分别为真空表、压力表的安装高度,m。
由上式可知,由真空表和压力表上的读数及两表的安装高度差,就可算出泵的扬程。
2、轴功率N(W)
N= N电η电 =0.95N电
其中,N电为泵的轴功率,η电为电机功率。
3、效率η(%)
泵的效率η是泵的有效功率与轴功率的比值。反映泵的水力损失、容积损失和机械损失的大小。泵的有效功率Ne可用下式计算:
故泵的效率为
4、泵转速改变时的换算
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是,实际上感应电动机在转矩改变时,其转速会有变化,这样随着流量Q的变化,多个实验点的转速n将有所差异,因此在绘制特性曲线之前,须将实测数据换算为某一定转速n¢下(可取离心泵的额定转速)的数据。换算关系如下:
流量
扬程
轴功率
效率
三, 实验装置流程示意图
图2-1 流体流动阻力与泵性能综合实验流程
1-水箱;2-离心泵;3-温度传感器;4-泵进口压力传感器;5-灌泵口; 6-泵出口压力传感器;7-涡轮流量计;8-转速传感器;9-电动调节阀; 10-旁路闸阀;11-泵出口调节阀。
四, 实验步骤及注意事项
(一) 实验步骤
1. 实验准备
(1) 实验用水准备:清洗水箱,并加装实验用水
(2) 离心泵排气:通过灌泵漏斗给离心泵灌水,排除泵内气体
2. 实验开始
(1) 仪表自检情况,打开泵进口阀,关闭出口阀,试开离心泵,检查电机运转时声音是否正常,离心泵运转的方向是否正确。
(2) 开启离心泵,当泵的转速达到额定转速后打开出口阀。
(3) 实验时,通过组态软件或仪表逐渐改变出口流量调节阀的开度,使泵出口流量从30逐渐增大到90,每次增加5。在每一个流量下,待系统稳定流动30s后,读取相应数据。离心泵特性实验主要获取的实验数据为:流量Q,泵进口压力P1,泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n,及流体温度t和测压点高度差H0(H0=0.15m)。
(4) 实验结束,先关闭出口流量调节阀,再停泵。然后记录下离心泵的型号,额定流量、额定转速、扬程和功率等。
(二) 注意事项
(1) 一般每次实验前,均需对泵进行灌泵操作,以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养,防止叶轮被固体颗粒损坏。
(2) 泵运转过程中,勿碰触泵主轴部分,因其高速转动,可能会缠绕并伤害身体接触部位。
(3) 不要在出口阀关闭状态下长时间使泵运转,一般不超过三分钟,否则泵中液体循环温度升高,易生气泡,使泵抽空。
五, 数据处理
表4-1 离心泵特性测定实验原始数据记录表
表4-2 离心泵特性测定实验数据处理表
处理步骤;(以第一组为例)
(1) +H0=[231.1-(-5.1)]/9.81ρ+0.15
查表得t1=20℃时,ρ1=998.2kg/m3
t2=20℃时,ρ2=995.7kg/m3
则ρ=ρ2+(ρ1-ρ2)(t-t2)/(t1-t2)
=995.7+(998.2-995.7)(27.2-30)/(20-30)
=996.4(kg/m3)
所以H=24.31m
(2) N= N电η电 =0.95N电=0.95x0.51=0.48(kw)
若实验时的转速与指定转速(n=2850 r/min)有差异时,应将实验结果按式(4-8)、式(4-9)、式(4-10)和式(4-10)换算为指定转速的数据,如表4-2 所示。
(3) 因为离心泵的特性曲线是某型号泵在指示转速下的H’-Q’、N’-Q’、η’-Q’线。如下图所示:
六, 实验结果分析与讨论
分析实验结果,判断泵最佳工作范围。(略)
针对结果做出合理地解释(略)
七, 思考题
1、试从所测实验数据分析,离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门?
答:减小泵的启动功率,从而达到保护电机的目的。
2、启动离心泵之前为什么要引水灌泵?如果灌泵后依然启动不起来,你认为可能的原因是什么?
答:(1)防止气缚现象的发生 (2)水管中还有空气没有排除
3、为什么用泵的出口阀门调节流量?这种方法有什么优缺点?还有其他方法调节流量?
优点:操作简单,但是难以达到对流量的精细控制。
4、泵启动后,出口阀如果打不开,压力表读数是否会逐渐上升?为什么?
答:不会,因为水不能运输上去
5、正常工作的离心泵,在其进口管路上安装阀门是否合理?为什么?
答:不合理。容易产生节流损失产生压损压力降低,易造成汽蚀的发生
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+Bqv2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 qv2
相关性检验:r=[Σ(q^2-q^2品均)(H-H品均)]/[Σ(q^2-q^2品均)^2Σ(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He=A+Bqv2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=-0.2148qv2+22.4633,且由第5题知管路特性方程H=3.2935+2.5034 qv2
(2并联时He=-0.2148*(qv/2)2+22.4633,联立求解得到流量qv=2.74;
串联时He=2*(-0.2148* qv2+22.4633),联立求解得到流量qv=3.77。
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