离心泵性能测定实验分析报告.docx

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离心泵性能测定实验分析报告

离心泵性能测定实验

一、实验目的：

1、了解离心泵的构造，掌握其操作和调节方法；

2、测量离心泵在恒定转数下的特性曲线，并确定其最佳工作范围；

3、测量管路特性曲线及双泵并联时特性曲线；

4、了解工作点的含义及确定方法；

5、测定孔板流量计孔流系数C0与雷诺数Re的关系（选做）。

二、基本原理：

1、离心泵特性曲线测定

离心泵的特征方程是从理论上对离心泵中液体质点的运动情况进行分析研究后，得出的离心泵压头与流量的关系。

离心泵的性能受到泵的内部结构、叶轮形式和转数的影响，故在实际工作中，其内部流动的规律比较复杂，实际压头要小于理论压头。

因此，离心泵的扬程尚不能从理论上作出精确的计算，需要实验测定。

在一定转数下，泵的扬程、功率、效率与其流量之间的关系，即为特性曲线。

泵的扬程可由进、出口间的能量衡算求得：

He=H压力表+H真空表+H0[m]

其中：

H真空表，H压力表分别为离心泵进出口的压力[m]；

H0为两测压口间的垂直距离，H0=0.3m。

N轴=N电机•η电机•η传动[kw]

其中：

η电机—电机效率，取0.9；

η传动—传动装置的效率，取1.0；

[kw]

因此，泵的总效率为：

2、孔板流量计孔流系数的测定

孔板流量计孔板孔径处的流速u0可以简化为：

u0=C0（2gh）1/2

根据u0和S0，即可算出流体的体积流量Vs为：

Vs=u0S0=C0S0（2gh）1/2

或：

Vs=C0S0（2△p/ρ）1/2

式中Vs——流体的体积流量，m3/s；

△p——孔板压差，Pa；

S0——孔口面积，m2；

ρ——流体的密度，kg/m3；

C0——孔流系数。

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，具体数值由实验确定。

当d0/d1一定，雷诺数Re超过某个数值后，C0就接近于定值。

通常工业上定型的孔板流量计都在C0为常数的流动条件下使用。

三、实验流程与操作：

1、流程说明：

水箱内的清水，自泵的吸入口进入离心泵，在泵壳内获得能量后，由出口排出，流经孔板流量计和流量调节阀后，返回水箱，循环使用。

同时，在流程中还安装了涡轮流量计，以其为标准，可以对孔板流量计的孔流系数进行校正。

本实验过程中，需测定液体的流量、离心泵进口和出口处的压力、以及电机的功率；另外，为了便于查取物性数据，还需测量水的温度。

图一、离心泵流程图

1水箱2离心泵3涡轮流量计

4孔板流量计d=21mm5流量调节阀

2、操作说明：

⑴先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，然后按下“离心泵”按钮，开启离心泵；

⑵测定离心泵特性曲线，在恒定转数下用流量调节阀5调节流量进行实验，用涡轮流量计4计量流量，测取10组以上数据。

为了保证实验的完整性，应测取零流量时的数据；

⑶测定管路特性曲线，先将流量调节阀5固定在某一开度，利用变频器改变电机的频率，用以改变流量，用涡轮流量计4计量流量，测取8组以上数据（在实验过程中，变频仪的最大输出频率最好不要超过50Hz，以免损坏离心泵和电机）；

⑷测定不同转速下的离心泵扬程线，首先固定离心泵电机频率，通过调节流量调节阀5，测定该转速下的离心泵扬程与流量的关系。

然后，再改变频率，再通过调节流量调节阀5，测定此转速下的离心泵扬程与流量的关系。

就可以得到不同转速下离心泵的扬程随流量的变化关系。

⑸进行双泵的并联的实验时，其方法与测量单泵的特性曲线相似，只是流程上有所差异。

首先，将两台离心泵启动，打开离心泵连通阀，使1#设备与2#设备连通，调节1#或2#设备上的流量调节阀进行实验。

其他操作方法与单台泵相同。

此实验只能测定离心泵并联时的扬程与流量的关系，而不能测定离心泵并联时轴功率及效率与流量的关系。

注：

在离心泵实验中，测定管路特性曲线及不同转速下的离心泵扬程线必须使用变频器。

四、报告要求

1、画出离心泵的特性曲线，确定该泵较为适宜的工作范围。

2、绘出管路特性曲线

3、做出C0—Re曲线。

五、思考题

1、根据离心泵的工作原理，分析为什么离心泵启动前要灌泵？

在启动前为何要关闭调节阀？

2、试分析气缚现象与气蚀现象的区别。

3、从你所得的特性曲线中分析，如果要增加该泵的流量范围，你认为可以采取哪些措施？

流体流动阻力实验

一、实验目的：

6、掌握直管摩擦阻力系数的测量方法；

7、掌握突扩管及阀门的局部阻力系数的测定方法；

8、回归光滑管的λ—Re曲线，并与相应的经验公式进行比较；

9、回归层流管的λ—Re曲线，并与相应的经验公式进行比较（选做内容）；

二、基本原理：

不可压缩流体（如水），在圆形直管中作稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大和弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力。

影响流体阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群：

雷诺数：

相对粗糙度：

ε/d

管路长径比：

l/d

可导出：

这样，可通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系：

因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的λ—Re关系。

在湍流区内，λ=f（Re，ε/d），对于光滑管大量实验证明，当Re在3×103至105的范围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即：

对于层流时的摩擦阻力系数，由哈根—泊谡叶公式和范宁公式，对比可得：

三、实验流程与操作：

§1流体阻力实验

1、流程说明：

图1实验流程图

1离心泵2水箱3电磁阀4涡轮流量计5管路切换阀

6稳流罐7测量管线8流量调节阀9层流流量调节阀

离心泵将水箱内的清水打入系统中，经孔板流量计计量后，通过管路切换阀门进入相应的测量管线，在管内的流动压头损失，可由压差传感器（或倒U型压差计）测量。

实验中，可以通过调节流量调节阀测定不同流量下的压头损失。

如图1所示，在设备中有7条横向排布的管线，自上而下分别为：

No1层流管，为φ6×1.7mm的不锈钢管，管长1.2m；

No2球阀与截止阀，为φ27×3.5mm的不锈钢管；

No3光滑管，为φ27×3mm的不锈钢管，管长1.5m；

No4粗糙管，为φ27×2.5mm的镀锌管，管长1.5m；

No5突然扩大管，为φ22×3mm→φ48×3mm的不锈钢管；

No6孔板流量计（涡轮）管线，为φ48×3mm的不锈钢管。

图2管路测压连通器与倒U型压差计示意图

图2为管路测压连通器与倒U型压差计的示意图，其中a1，a2，……，f1，f2，分别与图1中的a1，a2，……，f1，f2相连接，若要测某管路的压降，即打开与其相连的测压管线上的阀门，关闭其他管线上的阀门，则压力传感器测量的压降即为该管路上的压降。

若在流量为0时，压力传感器仪表上显示的数据不为0，则有可能测压管线中有气体存在。

此时可以打开阀门v1，v2排气，直到将管线中的气体排净。

倒U型压差计的排气方法为：

在有流量下

1打开v3，v4，v5，v6，10—15秒；

2关闭v3，v4；

3打开v7，将倒U型压差计中的水排净；

4关闭v5，v6，v7；

5打开v3，v4；

6关闭流量，此时若倒U型压差计中的差值为0，则说明管线中的气已排净。

2、操作说明：

⑴先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，然后开启离心泵；

⑵在实验开始前，系统要先排净气体，使液体连续流动。

首先，将流量切换阀和流量调节阀打开，将管路内的气体排净；然后，开启测量面板上相应的压降切换阀，使倒U型压差计（及压差传感器）与系统相连，将测量管线内的气体排净；最后，关闭流量调节阀，检查倒U型压差计两端的液面。

若相平，则可以开始实验，若不平，则需要重新排气（如果倒U型压差计液面已调平，但压力传感器不在零点，则可以修改仪表的Sc值，并调零）；

⑶读取数据时，应注意稳定后再读数。

测量局部阻力系数时，各测取3组数据，对于直管，测取10组左右数据，层流管的流量用量筒及秒表测取；

⑷测完一套管路的数据后，关闭流量调节阀，再次检查倒U型压差计的液面是否相平。

然后重复以上步骤，测取其他管路的数据。

⑸装置具有自动补水功能，通过设置水箱液位仪表参数，可将水箱中液位的高度控制在一定范围内，见附录。

四、报告要求

1、在双对数坐标纸上标绘出λ–Re-ε/d的关系曲线。

2、将光滑管的λ–Re关系与Blasius公式进行比较。

3、计算局部阻力系数ξ。

４、在双对数坐标纸上绘出层流时的关系曲线（选做）。

五、思考题P63①②④⑤

1、在测量前为什么要将设备中的空气排净？

怎样才能迅速地排净？

2、在不同社备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的λ–Re数据能否关联在一条曲线上？

3、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？

4、计算实验装置中层流管层流时的最大流速能达到多少？

传热膜系测定实验

一、实验目的

1．掌握传热膜系数的测定方法；

2．测定强化与非强化传热过程中，传热膜系数准数关联式的系数A和指数m、n；

3．测定套管换热器的静压损失与雷诺准数的关系（选做）；

4．通过实验提高对传热膜系数准数关联式的理解，并分析影响传热膜系数的因素，了解工程上强化传热的措施。

二、基本原理

对流传热的核心问题是求算传热膜系数，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：

（4—1）

对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故

（4—2）

本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。

本实验可简化上式，即取n＝0.4（流体被加热）。

这样，上式即变为单变量方程，在两边取对数，即得到直线方程：

（4—3）

在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。

在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A，即：

（4—4）

用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性。

而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。

应用微机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n。

对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。

其准数定义式分别为：

实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。

根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr准数值。

同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu准数值。

牛顿冷却定律：

（4—5）

式中：

α——传热膜系数，[W/m²·℃]；

Q——传热量，[W]；

A——总传热面积[m²]。

Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃]

传热量可由下式求得：

（4—6）

式中：

W——质量流量，[kg/h]；

Cp——流体定压比热，[J/kg·℃]；

t1、t2——流体进、出口温度[℃]；

ρ——定性温度下流体密度，[kg/m³]；

V——流体体积流量，[m³/s]。

三、装置说明与操作

装置说明：

该装置为套管换热器（见下图），空气走内管，蒸汽走环隙，外管1½”玻璃管，内管为25×2mm紫铜管，有效长度为1.25m。

空气进出口温度和壁温分别由铂电阻（Pt100）测量，测壁温的两支铂电阻用导热绝缘胶固定在管外壁，孔板流量计的压差通过压力传感器转换为电信号由表头显示,其单位为kPa。

孔板流量计的孔径d0=20mm。

蒸汽发生器的加热功率为1500w（额定电压220v）。

操作要点：

1、实验开始前，先熟悉配电箱各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮；

2、检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在1/2—2/3；

图一、套管式换热器实验设备流程图

1、蒸汽发生器2、蒸汽管3、补水口4、补水阀5、排水阀

6、套管换热器7、放气阀8、冷凝水回流管9、空气流量调节阀

10、压力（压差）传感器11、孔板流量计12、空气管13、风机

3、打开总电源开关及仪表开关；

4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，打开排放不凝气阀门（有一点开度即可）；

5、待蒸汽产生后，开启风机（风机阀门不要长时间关闭），将空气流量控制在某一定值。

待进出口温度、壁温稳定后，记录进出口温度、壁温和压差（压力）读数。

改变空气流量（8—10次），重复实验，记录数据；

6、强化传热，在上述实验完成后，将强化元件插入铜管中，再改变空气流量（4-5次）并记录数据；

7、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。

注意事项：

1、蒸汽发生器液位一定不要太低，以免烧损加热器；

2、风机不要在出口阀关闭下长时间运行；

3、不凝气排放阀在实验过程中应始终微开；

4、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板流量计压差可在30—300mmH2O之间调节；

5、切记每改变一个流量后，应等到数据稳定后再测取数据。

四、报告要求

4、在双对数坐标系中绘出Nu/Pr0.4—Re的关系图。

5、整理出流体在圆管内做强制湍流流动的传热膜系数半经验关联式。

6、将实验所得到的半经验关联式和公认的关联式进行比较。

五、思考题

1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？

为什么？

2、管内空气流速对传热膜系数有何影响？

当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？

为什么？

3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？

附录一孔板流量计的计算公式与参数

1．孔板流量计计算公式

V=C1RC2

V：

流量，单位m3/h

R：

孔板压差，单位kPa

2．孔板流量计参数

C1=26.8

C2=0.54

氧解吸实验

一、实验目的及任务：

1、熟悉填料塔的构造与操作。

2、观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。

3、掌握总传质系数Kxa的测定方法并分析影响因素。

4、学习气液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。

5、两种不同填料的传质性能比较（选做）。

二、基本原理：

图1填料层压降–空塔气速关系示意图

本装置先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），送入解吸塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数Kxa，并进行关联，得到Kxa=ALa·Vb的关联式，同时对四种不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。

本实验引入了计算机在线数据采集技术，加快了数据记录与处理的速度。

1、填料塔流体力学特性：

气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。

在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.8～2的直线（图中aa线）。

当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降也正比于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。

随气速的增加，出现载点（图1中c点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡（图中cd段）。

到液泛点

（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。

2、传质实验：

填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。

在填料塔中，两相传质主要是在填料有效湿表面上进行，需要计算完成一定吸收任务所需填料高度，其计算方法有：

传质系数法、传质单元法和等板高度法。

本实验是对富氧水进行解吸。

由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，因此可以用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。

整理得到相应的传质速率方式为：

其中

相关的填料层高度的基本计算式为：

即

其中

，

式中：

GA—单位时间内氧的解吸量[Kmol/h]

Kxa—总体积传质系数[Kmol/m3•h•Δx]

VP—填料层体积[m3]

Δxm—液相对数平均浓度差

x1—液相进塔时的摩尔分率（塔顶）

xe1—与出塔气相y1平衡的液相摩尔分率（塔顶）

x2—液相出塔的摩尔分率（塔底）

xe2—与进塔气相y2平衡的液相摩尔分率（塔底）

Z—填料层高度[m]

Ω—塔截面积[m2]

L—解吸液流量[Kmol/h]

HOL—以液相为推动力的传质单元高度

NOL—以液相为推动力的传质单元数

由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中于液膜中，即Kx=kx,由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数Kxa，应增大液相的湍动程度。

在y—x图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，本实验中还是一条平行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。

备注：

本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分率而不用摩尔比，这是因为在y—x图中，平衡线为直线，操作线也是直线，计算比较简单。

三、装置说明与操作：

1．基本数据：

解吸塔径Φ=0.1m，吸收塔径Φ=0.032m，填料层高度0.8m（陶瓷拉西环、陶瓷波纹板、金属波纹丝网填料）和0.83m（金属θ环）。

填料参数：

瓷拉西环

金属θ环

12×12×1.3[mm]

10×10×0.1[mm]

at=403[m2/m3]

at—540[m-1]

ε=0.764[m3/m3]

ε—0.97

at/ε=903[m2/m3]

2．实验流程：

图2是氧气吸收解吸装置流程图。

氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.03～0.04[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，与水并流吸收。

含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。

空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17计量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾气从塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐19排出。

自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱。

由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。

空气流量计前装有计前表压计23。

为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。

在解吸塔入口设有入口采出阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。

两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。

图2、氧气吸收与解吸实验流程图

1、氧气钢瓶9、吸收塔17、空气转子流量计

2、氧减压阀10、水流量调节阀18、解吸塔

3、氧压力表11、水转子流量计19、液位平衡罐

4、氧缓冲罐12、富氧水取样阀20、贫氧水取样阀

5、氧压力表13、风机21、温度计

6、安全阀14、空气缓冲罐22、压差计

7、氧气流量调节阀15、温度计23、流量计前表压计

8、氧转子流量计16、空气流量调节阀24、防水倒灌阀

3．操作要点

①、流体力学性能测定

（1）测定干填料压降时，塔内填料务必事先吹干。

（2）测定湿填料压降

a.测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。

b.实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不容易找到。

密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。

稍稍增加气量，再取一、两个点即可。

注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。

（3）注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。

②、传质实验

（1）氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.03～0.04[Mpa],不要过高，并注意减压阀使用方法。

为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀24，或先通入氧气后通水。

（2）传质实验操作条件选取

水喷淋密度取10～15[m3/m2•h]，空塔气速0.5～0.8[m/s]氧气入塔流量为0.01～0.02[m3/h]，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在≤19.9[ppm]。

（3）塔顶和塔底液相氧浓度测定：

分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水，用测氧仪分析各自氧的含量。

（测氧仪的使用见附录）

（4）实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀2及调节阀8。

检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。

四、报告要求

1、计算并确定于填料及一定喷淋量下的湿填料在不同空塔气速下，lg△P与lgu的关系曲线，并找出泛点与载点。

2、计算实验条件下（一定喷淋量、一定空塔气速）的液相体积总传质系数Kxa及液相总传质单元高度HOL。

五、思考题

1、阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征。

2、工业上，吸收在低温、加压下进行，而解析在高温、常压下进行，为什么？

3、为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？

附录一孔板流量计的计算公式与参数

2．孔板流量计计算公式

①空气：

V=A1RA2

V：

流量，单位m3/h

R：

孔板压差，单位kPa

②孔板流量计参数

金属θ环填料塔：

A1=18.5；A2=0.48

陶瓷拉西环填料塔：

A1=20.4；A2=0.424

附录二：

溶氧仪使用说明书

标定：

1、确定标定室海绵湿润，将探头插入标定室；

2、打开仪器，预热15～20分钟；

3、同时按“▲”和“▼”两键，进入标定菜单；

4、按“Mode”键至“%”显示在屏幕右侧，然后按“←┛”键；

5、输入海拔高度（1代表100英尺），按“←┛”键；

6、主屏幕读数稳定后，再按“←┛”键；

7、输入盐度（0～70ppt，若为淡水，输入0即可）,先按“←┛”键，再按“Mode”键至mg/l显示在屏幕右侧，完成标定。

测量：

1、开启磁力搅拌器，液体流速约16cm/s；

2、将探头插入待测液中，液面超过不锈钢段5mm；

3、读数稳定后，记录数据。

注意事项：

1、维护电极，清洗探头，更换电解液等；

2、不用时将探头放入海绵标定室/保存室

精馏实验

一、实验目的：

1、测定精馏塔在全回流条件下的全塔效率与单板效率；

2、测定精馏塔在部分回流条件下的全塔效率；

3、测定精馏塔在全回流条件下塔体浓度（温度）分布；

4、测定再沸器的传热膜系数（选做）。

二、基本原理：

在板式精馏塔中，由塔釜产生的蒸汽沿塔逐板上升与来自塔顶逐板下降的回流液，在塔板上实现多次接触，进行传热与传质，使混合液达到一定程度的分离。

回流是精馏操作得以实现的基础。

塔顶回流量与采出量之比，称为回流比。

回流比是精馏操作的重要参数之一，其大小影响着精馏操作的分离效果和能耗。

回流比存在两种极限情况：

最小回流比和全回流。

板效率是体现塔板性能及操作状况的主要参数，有两种定义方法：

1、总板效率E

N

E=——

Ne

2、单板效率Eml

xn-1-xn

Eml=——————

xn-1-xn*

总板效率与单板效率的数值通常由实验测定。

单板效率是评价塔板性能优劣的重要数据，物系性质、板型及操作负荷是影响单板效率的重要因素。

总板效率反映全塔各塔板的平均分离效果，常用于板式塔设计中。

三、装置及流程：

1、简介：

本装置精馏塔为筛板塔，共有12块塔板。

塔身的结构尺寸为：

塔