化工原理实验_离心泵

北 京 化 工 大 学

实 验 报 告

课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2014年12月10日 班 级：材料1204 姓 名： 曲政 同 组 人： 李乾坤、李子新、张辰阳 学 号 ： 2012012481

离心泵性能实验

一、实验摘要

离心泵的性能参数取决于泵的内部结构,叶轮形式和转速。通过对离心泵内部流体质点运动的理论分析,可得出理论压头和流量的关系。但实际流体流经泵时,不可避免的造成一定的能量损失.在本实验中,将直接测定其参数间的关系,并绘出离心泵的三条He-q v .Pa-q v 和η-q v 特征曲线。

流量系数Co 的数值只能通过实验求得。Co 主要取决于管路流动的雷诺数Re 和面积比m 等。对于测压方式，结构尺寸，加工状况等均以确定的标准孔板，流量系数Co 只与雷诺数Re 有关。

本实验选用水作为实验的研究对象。

关键词：离心泵特性曲线 泵的有效功率和效率 孔流系数C 0

二、实验目的及任务

1、了解离心泵的构造，掌握其操作和调节方法。

2、测定离心泵在恒定转速下的特性曲线，并确定泵的最佳工作范围。

3、熟悉孔板流量计的构造、性能及安装方法。

4、测定孔板流量计的孔流系数。

5、测定管路特性曲线。

三、实验原理

1.离心泵特性曲线测定

离心泵的性能参数取决于泵的内部结构、叶轮形式及转速。其中理论压头与流量的关系，可通过对泵内液体质点运动的理论分析得到。由于流体流经泵时可能会产生能量损失，如摩擦损失、环流损失等，因此，实际压头比理论压头小，因此，通常采用实验的方法，直接测定其参数间的关系，并将测绘出的He-q v .Pa-q v 和η-q v 三条曲线称为离心泵的性能曲线。另外，根据这些曲线也可以求出泵的最佳工作区间，作为选泵的依据。

⑴泵的扬程He

He=H 压力表+H 真空表+H 0

式中 H 压力表------泵出口处的压力，m ; H 真空表------泵入口处的真空度，m ;

H 0------压力表和真空表测压口之间的垂直距离，H0=0.2m 。

在计算中：

0p p He H g

ρ+=

+压力表真空表

式中 p 压力表——泵出口处的表压，Pa ；（实验读取的数据单位为k Pa ）

p 真空表——泵入口处的真空度，Pa ；(实验读取的数据单位为k Pa ）

0H ——两个压力表之间的垂直距离，H0=0.2m 。

⑵泵的有效功率和效率

由于泵在运转过程中存在种种能量损失，使泵的实际压头和流量较理论值为低，而输入泵的功率又比理论值为高，所以泵的总效率为

Pa Pe η=

102

v q He Pe ρ

=

式中 Pe --------泵的有效功率，kw ;

Pa --------泵的轴功率，kw ；

v q --------流量，3/m s ;

He -------扬程，m ；

ρ--------液体密度，3/kg m 。

由泵轴输入的离心泵的功率Pa 为

Pa P ηη=电电转

式中 P 电

-------电机的输入功率，kW ； η电-------电机效率，取0.9；

η转-------传动装置的传动效率，一般取1.0。

在计算中：Pa

0.9P =电

2.孔板流量计孔流系数的测定

图1 孔板流量计的构造原理

在水平管路上装有一块孔板，其两侧接测压管，分别与压差传感器的两端连接，孔板流量计是利用流体通过锐孔的节流作用，使流速增大，压强减小，造成孔板前后的压强差，作为测量的依据。若管路直径为d 1，孔板锐孔直径为d 0,流体流经孔板后形成的缩脉的直径为d 2,流体密度为ρ，孔板前测压导管截面处和缩脉截面处的速度和压强分别为u 1、u 2与p 1、p 2,根据伯努利方程，不考虑能量损失，由于缩脉的位置随流速的变化而变化，故缩脉处截面积S 2难以知道，孔口的面积为已知，且测压口的位置在设备制成之后也不改变，因此，可用孔板孔径处的u 0代替u 2，考虑到流体因局部阻力而在造成的能量损失，用校正系数C 校正后，则有

对于不可压缩流体，根据连续性方程有

经过整理可得

令，则又可以简化为

根据u 0和S 2,，即可算出流体的体积流量V S 为

或

式中 V s -------流体的体积流量，3/m s

p ?------孔板压降，Pa ； S 0--------孔口面积，2m ； ρ--------液体密度，3/kg m ；

C 0--------孔板系数。

孔流系数的大小由孔板锐孔的形状、测压口的位置、孔径与管径比和雷诺数共同决定，具体的数值由实验确定。当d 0/d 1一定，雷诺数Re 超过某个数值后，C 0就接近于定值。通常工业上定型的孔板流量计都在C 0为常数的流动条件下使用。 3.管路特性曲线的测定

处于各个工作点时，管路所需的压头和泵提供的压头是相等的，即

He H =

利用这一原理，可通过测泵的扬程来测管路的压头，以此来作管路特性曲线。

四、实验流程示意图

图2 离心泵特性曲线实验带控制点的工艺流程

1—蓄水池；2—底阀；3、6—压力表；4—离心泵；5—灌泵阀；7—流量调节阀；8—孔板流量计；9—活动接口；10—液位计；11—计量水槽（495 495）mm；12—回流水槽；13—计量槽排水阀

五、实验操作

1．打开主管路的切换阀，关闭流量调节阀6，按变频器7绿色按钮启动泵，固定转速，观察泵口出口压力0.2mpa左右时，即可开始试验。

2.通过调节6，调节流量大小，记录数据，完成泵特性曲线和孔板流量计系数实验。

3.打开全部的支路阀门，流量调节阀们开到最大，通过改变频率，实现流量调节，完成管路特性曲线的测定实验。

4.切换阀门形成泵的联合，频率为50hz，通过调节阀6，改变水流量，完成并立案实验，记录数据。

5.每组测10个数据左右，若基本吻合即可停泵，关闭6做好卫生工作，记录数据，离开实验室。

六、注意事项

1.在测量离心泵的特性曲线数据时要测量零点；

2.读取数据时，压力表不稳定应读取波动的中心位置，液面高度的读取应该在液面稳定后读取；

3.改变活动接口时要迅速；

4.当没有完成灌泵时启动泵会发生气缚现象；

5.当关泵完成后在出口阀全开的情况下启动泵可能会发生烧泵事故。

七、实验数据处理

1.离心泵特性曲线的测定Ⅰ数据记录表及数据处理

泵的特性曲线

h0=0.2m t=24.5℃水的密度ρ=997.65kg/m3 扬程He=H压力表+H真空表+0.2

水的流量出口表压进口表压扬程He N电有效功率轴功率效率

序号qv/m3MH2O MH2O m kw kw kw η

1 8.85 6.7 -3.8 10.7 0.88 0.257278 0.79

2 32.48%

2 7.87 9.

3 -2.9 12.

4 0.86 0.265138 0.774 34.26%

3 6.89 11.5 -2.2 13.9 0.83 0.260201 0.747 34.83%

4 6.26 12.8 -1.8 14.8 0.8 0.251716 0.72 34.96%

5 5.44 14.

6 -1.3 16.1 0.78 0.237958 0.702 33.90%

6 4.59 16.1 -0.8 17.1 0.74 0.213248 0.666 32.02%

7 3.74 17.3 -0.4 17.9 0.7 0.181886 0.63 28.87%

8 2.87 18.5 0 18.7 0.65 0.145814 0.585 24.93%

9 2.07 19.4 0.2 19.8 0.61 0.111355 0.549 20.28%

10 1.05 20.5 0.5 21.2 0.54 0.060478 0.486 12.44%

11 1 21.6 0.6 22.4 0.5 0.060859 0.45 13.52%

以第一组实验数据为例，计算过程如下：

当t水=24.5 ℃，查表得ρ=997.65kg·m-3,

且可以由仪器的读数知道水的流量为q v=8.85 m3·h-1 ,H出口压力表压=6.7 mH20,H入口真空表压=-3.8

mH20，H0=0.20 m.

可以求得He= H出口压力表压+ H入口真空表压+ H0=6.7-(-3.8)+0.20=10.7mH20

N轴=N电·η电·η转=0.88×0.9×1=0.792 kw

N e=错误！未找到引用源。=8.85/3600×10.7×997.65／102=0.257278 kw

η=错误！未找到引用源。=0.25728/0.792×100%=32.48%

2.孔流系数的标定数据记录表及数据处理

C0-Re关系

序号qvm3/h Δp kpa 流速m/s Re C0实验值

1 6.8

2 47.17 3.31 97506.26 0.7658

2 6.06 37.1 2.94 86640.46 0.7673

3 5.22 27.6 2.53 74630.89 0.7663

4 4.34 19.82 2.11 62049.44 0.7518

5 3.6

6 13.94 1.78 52327.41 0.7560

6 2.88 8.64 1.40 41175.6

7 0.7556

7 2.03 4.86 0.99 29023.13 0.7102

8 1.33 2.2 0.65 19015.15 0.6915

9 0.88 0.96 0.43 12581.45 0.6927

以第1组实验数据为例，计算过程如下：

当t水=23.6 ℃，查表得ρ=997.30kg·m-3,μ=0.9142 mPa·s

且可以由仪器的读数知道水的流量为q v= 6.82 m3·h-1

小孔孔径d0=18.0 mm,管道直径d=27.0 mm

可以知道流体在管道中的流速为：u=错误！未找到引用源。==3.31 m/s

雷诺数Re=错误！未找到引用源。=97506.26且由实验数据孔板流量计的压降为Δp=37.24

kPa知

孔流系数实验值C0=错误！未找到引用源。=0.7658

3.离心泵特性曲线的测定Ⅱ数据记录表及数据处理

管路的特性曲线

h0=0.2m t=25.7℃水的密度ρ=996.78kg/m3 扬程He=H压力表+H真空表+0.2 水的流量出口表压进口表压扬程He N电有效功率轴功率效率

频率qv/m3MH2O MH2O m kw kw kw η%

50 6.63 12 -2.1 14.3 0.82 0.257 0.738 34.87

45 6 9.8 -1.6 11.6 0.66 0.189 0.594 31.81

40 5.32 7.9 -1.2 9.3 0.51 0.134 0.459 29.26

35 4.65 6.2 -0.8 7.2 0.38 0.091 0.342 26.57

30 4.02 4.7 -0.5 5.4 0.3 0.059 0.27 21.82

25 3.29 3.4 -0.2 3.8 0.24 0.034 0.216 15.71

20 2.61 2.3 0.1 2.6 0.19 0.018 0.171 10.77

15 1.94 1.5 0.3 2 0.15 0.011 0.135 7.80

以第一组实验数据为例，计算过程如下：

当t水=25.7 ℃，查表得ρ=996.78kg·m-3,

且可以由仪器的读数知道水的流量为q v=6.63 m3·h-1,H出口压力表压=12 mH20,H入口真空表压=-2.1mH20，

H0=0.20 m.

可以求得He= H出口压力表压+ H入口真空表压+ H0=12-(-2.1)+0.20=14.3 mH20

N轴=N电·η电·η转=0.82×0.9×1=0.738 kw

N e=错误！未找到引用源。=6.63/3600×14.3×996.78／102=0.257 kw

η=错误！未找到引用源。=34.87%错误！未找到引用源。

结果分析:

由图一可以看出

（1）在离心泵处于恒定转速的情况下，随着流量的增加，离心泵的扬程H e逐渐下降，且在

大流量范围内下降更快，当流量为0时，空载扬程即最大扬程为22.60m；离心泵的轴功率

Pa（N轴）随流量的增加而逐渐增大，且几乎呈现正比的形式；随着流量的增大，离心泵的

效率先增大后减小，有最大值，即最高效率点，其流量范围大概是5~5.5 m3/h，也是离心泵

单独工作时的最适宜工作范围。

（2）从图中可大致读出，效率最大为0.430，此时流量约为5.70 m3/h，扬程15.40m，轴功

率0.50kw，为最佳工作点。在流量略小于或等于最大效率所对应的流量范围为该离心泵适

宜工作的范围。

（3）图中均采用二次曲线拟合，可以看出拟合效果较好，所测点均匀分布在拟合曲线两侧，无偏离较远的点。

有图二与图一的对比可以看出

离心泵在处于不同转速的情况下，离心泵工作时始终是随着流量的增加，离心泵的扬程H e 逐渐下降，且在大流量范围内下降更快。但是，当电机的频率降低时，离心泵的转速降低，在相同的流量下，其扬程小于高转速的条件下的扬程，符合理论。

误差分析：

1）仪器的读数存在不同程度的波动，如进出口表压和电功率等，故读数将引起主观误差。2）整个数据处理的过程中由于保留有效数字和公式的差别将引起一定的误差。

3）由于整个过程中水的温度一直在变化，而计算公式是在恒定温度下得到的理想公式，故可能与实验结果产生一定的误差。

4）我们所用到的很多数据是在理想情况下或额定情况下得到的，而实际操作中可能并不能很好地满足这些的数据，但是计算时却必须用到此类数据，故得到的结果可能不是非常理想。

2、孔流系数标定

图三实验孔流系数与雷诺数的关系图

结果分析:

由图三可以看出

（1）上图为单对数坐标系中的C0与Re关系曲线，曲线在所测Re范围内，当Re较小时

C0仍存在较大的波动，当Re较大时，C0的变化比较小，得到一个较平稳的结果，故可认为在所测Re范围内C0定值，以方程C0=b（b为常数）对该曲线进行拟合，得到C0=0.777，即该孔板流量计的孔流系数为0.777。

（2）对比图三与化工原理书四十九页图1-52标准孔板流量系数图可以得到，实验得到的Re与C0的关系为在面积比一定的情况下，随着Re的增大，C0的值在一定程度上也增大，但是由书上的图可以知道，在面积比一定时，随着Re增大，C0

误差分析：

由上图可以看出，实验点有些波动，可能是由于流量测定不准确（如未等水箱中液面稳定就读数或测量时间不准确）或是压力表读数不准确造成的。

3、管路特性曲线

图四管路特性曲线图

结果分析：

（1）在图4中，分析每一条曲线，可以看出管路所需压头H随流量的增加而增大，且流量越大，增大的速率越快，且曲线几乎呈抛物线形状，说明H与q v呈二次方关系，从管路特性方程中也可以得到同样的结论（H=A+f（q v）=Δz+Kq v2，q v增大，H增大）。同时，在阀门开度一定时，流量的改变是依靠频率的改变来实现的，频率越大，流量也越大。（2）分析这两条曲线，可以看出随着阀门开度增大，管路特性曲线变缓，这是由于阀门开度增大时，其阻力系数减小，流动阻力减小，管路所需压头H减小，特性曲线变缓。（3）对这两条曲线均采用二次拟合，拟合效果较好。

九、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：在同一压头下，泵进、出口的压差却与流体的密度成正比，如果泵启动时，泵体内是空气，而被输送的是液体，则启动后泵产生的压头虽为定值，但因空气密度太小，造成的压差或泵吸入口的真空度很小而不能将液体吸入泵内。因此，离心泵启动前要管泵；关闭流量调节阀门，可以让液体充满泵，排净空气。这是“气缚”现象。

“气蚀”现象是离心泵设计不足或运行工况偏离设计产生的一种不正常状况。叶轮进口处的压力与输送介质的饱和蒸汽压相同时，液体介质就会发生气化，体积骤然膨胀，就会扰乱叶轮进口处液体的流动。气泡随液体进入叶轮被压缩，高压使气泡突然凝结消失，周围的液

体会以极大的速度补充原来的气泡空间，从而产生很大的局部压力，这种压力不断的冲击叶轮表面，就会使叶轮很快损坏。“气蚀”发生时，泵体震动，响声加大，泵的流量、压力明显下降。解决方法是1、选择足够的气蚀余量。2、及时改变不正常的运行工况，如冷却介质，改变入口压力等。

“气缚”现象是指泵启动时泵体内存有气体，由于气体的密度比液体的小得多，叶轮转动时产生的离心力很小，叶轮中心形成的负压很小，不足以将液体引入叶轮中心，也就不能输送介质。解决方法石材用灌泵等方法将气体赶出来。

两者虽然都是由于叶轮附近压力过低造成，但气缚现象不会给泵带来太大损坏，但气蚀现象却会损坏泵。

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：增大阀门开度时，压力表的读数和真空表读数均变小。因为当阀门开度由小变大时，阻力系数δ减小。下游的出口压力表读数减小，上游的入口真空表读数绝对值增大。流量越大，需要推动力即水池面上的大气压强与泵入口处真空度之间的压强差就越大。大气压不变，入口处强压就应该越小，而真空度越大，离心泵的轴功率N是一定的N=电动机输出功率=电动机输入功率×电动机效率，而轴功率N又为：，当N=恒量， Q与H之间关系为：Q↑H ↓而而H↓P↓所以流量增大，出口处压强表的读数变小。

3、用实验中的离心泵分别输送20℃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：水和乙醇的密度和粘度均不同，泵的特性曲线与密度无关，但与粘度有关，粘度越小, 泵特性曲线越高，故乙醇的泵特性曲线比水高；乙醇比水更易汽化，故乙醇的安装高度比水的低；管路特性曲线由管路决定，故不变。

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：t=20o C时，ρ=998.2kg/m3 ,μ=1.004mPa.s

d=32-3×2=26mm=0.026m，

u=q v/A=q V/ 3600/[π×(0.026/2)2] =0.3139~3.139 m/s

Re=duρ/μ=0.026×u×998.2/ (1.004×10-3) =8114.3~81143

取m=0.48，则d0=错误！未找到引用源。*d=0.481/2*0.026=0.01801m，

查《化工原理》教材图1-52，可知C0=0.688

由错误！未找到引用源。得：

△p=(ρ/2)×[V S /(C0×S0)]2=(998.2/2)×[ (q v/ 3600)/0.688×π/4(0.026/2)2]2

=1664.2~166416Pa

则量程为1.664~166.4kPa

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+B q v2中的参数A、B，检验相

关性。要求手工计算并写出过程。

答：记q v2 为x，记H为y，则由管路特性Ⅰ实验数据可得下表：

qv/(m3/h)qv /(m3/s)H/m x= qv^2y=H xy x^2x与x平均值的

差

y与y平均值

的差

x与x平均值的差与y

与y平均值的差的乘

积

x与x平均值的

差的平方

y与y平均值的差

的平方

1.880.0005222220.5

2.7272E-0720.5 5.591E-067.437E-14 1.25285E-078.48 1.06241E-06 1.57E-1471.9104

1.760.0004888918.4

2.3901E-0718.4 4.398E-065.713E-149.1581E-08 6.38 5.84287E-078.387E-1540.7044

1.640.0004555616.2

2.0753E-0716.2

3.362E-06

4.307E-14 6.00995E-08 4.18 2.51216E-073.612E-1517.4724

1.520.0004222214.2 1.7827E-0714.2

2.531E-06

3.178E-14 3.08403E-08 2.18 6.72318E-089.511E-16

4.7524

1.40.000388891

2.4 1.5123E-0712.4 1.875E-062.287E-14

3.80324E-090.38 1.44523E-091.446E-170.1444

1.290.0003583310.6 1.284E-0710.6 1.361E-061.649E-14-1.90285E-08-1.42

2.70205E-08

3.621E-16 2.0164

1.170.0003259.0 1.0563E-079.09.506E-071.116E-14-4.18063E-08-3.02 1.26255E-071.748E-159.1204

1.040.000288897.68.3457E-087.6 6.343E-076.965E-15-6.39745E-08-4.42

2.82767E-074.093E-1519.5364

0.890.00024722 6.2 6.1119E-08 6.2 3.789E-073.736E-15-8.63125E-08-5.82 5.02339E-077.45E-1533.8724

0.780.00021667 5.1 4.6944E-08 5.1 2.394E-072.204E-15-1.00487E-07-6.92 6.95369E-07 1.01E-1447.8864

求和 1.4743E-0699.7 2.132E-052.698E-13 3.60035E-065.241E-14247.416平均值 1.4743E-0712.02

由H=A+B q v2可知y=b0+b1x

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

计算得

错误！未找到引用源。=2.13E-05

错误！未找到引用源。= 1.47E-04

错误！未找到引用源。=2.17E-12

故b0=-8.6595375，b1=126360780

即H=A+B q v2中的参数A=-8.6595375，B= 126360780

相关性检验：错误！未找到引用源。

r=0.9998142

因为十分接近于1，故本次拟合相关性很好。

6、借助软件确定50Hz条件下（1）泵的近似扬程方程H e=A-B q 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）由最小二乘法可以知道当

由H=A-B q v2可知y=b0+b1x

错误！未找到引用源。

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计算得

错误！未找到引用源。=2.13E-05

错误！未找到引用源。= 1.47E-04

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故b0=-8.6595375，b1=126360780

即H=A+B q v2中的参数A=-8.6595375，B= 126360780

相关性检验：错误！未找到引用源。

r=0.9998142

因为十分接近于1，故本次拟合相关性很好。

十、问题、建议等

1、泵工作时的震动对水流平稳性的影响较大，使读数、层流分析不准确，建议不同组装置安放的距离加大，以免互相影响。

2、实验中应尽量保持水的恒温，这样对本实验更有意义，建议使用恒温水槽供水。

3、压力测量读数装置稳定性太差，读数不易，建议更换更方便的装置。