133.化工原理实验讲义

化工原理实验讲义化工原理实验讲义 过程装备与控制工程系过程装备与控制工程系 郑郑 州州 轻轻 工工 业业 学学 院院 二零零四年九月二零零四年九月 前前 言言 化工原理课程是化工类及食品、 生物工程类各专业一门非常重 要的技术基础课，在基础课和专业课之间起着承上启下的桥梁作 用。课程特点是工程性、实践性强。实验是教学过程中一个重要 的实践环节。通过实验使学生更深入地理解、掌握化工单元过程 的规律性和基础理论，较为直观地树立起工程思想和观念，以期 达到强化工程意识、培养科学实验能力的目的。 本实验讲义是在原化工原理实验讲义的基础上，根据新 增实验设备的情况进行了修改补充。内容包括：第一部分，实验 基础知识；第二部分，实验部分；第三部分，测量仪表和测量方 法。 第一部分：主要介绍了进行化工原理实验应树立的科学态度、 实验数据测取和处理的常用方法，希望学生在实验之前认真自学。 第二部分：对原讲义某些实验的实验方法、实验原理、实验 装置、操作说明、数据记录表格及数据处理表格进行了修改、补 充，增加了一定量的思考题。 第三部分：主要介绍了常用参量的测量方法和原理，以使学 生对实验过程中参数的测量有更全面了解，要求在各实验之前充 分预习。 由于编写时间仓促，错误和不妥之处再所难免，欢迎指正。 编者 2004 年 9 月 1 实验一实验一 流体流动形态的观察与测定（雷诺实验）流体流动形态的观察与测定（雷诺实验） 一、实验目的：一、实验目的： 1、实际观察流体在管内作层流、湍流流动时的流动形态，并观察 层流和湍流时的速度分布形式。 2、确立雷诺准数与层流和湍流的联系，并测出临界雷诺准数的大 小。 3、初步掌握流动形态对化工过程的影响。 二、实验原理的说明：二、实验原理的说明： 1、液体作滞流流动时，其质点作直线运动，且互相平行；湍流时 质点紊乱地向各个方向作不规则运动，但流体的主体向一定的方 向流动。 2、利用少量的带色指示液加入透明的玻璃管中，即通过指示液的 流动形态来确定管道中流体的流动形态。 3、雷诺准数是确定流体流动类型的准数。若流体在圆形管子内流 动，则雷诺准数用下式表示。 = = s dVdu S Re 式中：d管子内径m； s管子的横截面积m2； u管内流速m/s； 流体密度kg/m3； 流体粘度Pas； Vs流体的流量m3/s 对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数（Re) 仅与流速有关。改变流量，即可改变流速，也可改变流动的形态。 当流体的流动形态由层流转变为过渡流或湍流时，其雷诺准数即 为临界雷诺准数；而其流速即是临界流速。当管内流速高于临界 值时，即有可能转变为湍流。 三、设备及流程说明三、设备及流程说明 实验装置如图所示，图中大槽为水槽，试验时水即由此进入 玻璃管(玻璃管系观察流体流动的形态和层流时导管中流速分布之 用)。槽内之水由自来水管供给，水量由阀A调节，槽内设有进水 稳流袭置及溢流箱。用以维持平稳而又恒定的液面，多余之水由 溢流管排入水沟。 试验时打开阀C， 水即由高位槽进入玻璃管， 经转子流量计后， 排向排水管，可用C阀调节水量，流量由转子流量计测出。 2 高位墨水瓶供贮存墨水之用，墨水由此经阀B流入玻璃管， 阀B即墨水量的调节阀。 四、实验步骤四、实验步骤 1、检查水箱5中是否有水，高位墨水瓶中是否有沉淀；转子流量 计中转子是否在下部，针孔有无堵塞。在测试时，必须保证有溢 流现象 2、观摩层流、湍流流动形态和层流、湍流时的速度分布。 打开阀门C，并打开墨水液阀门B，此时从针头中即可流出 红色的指示液。当指示液呈一条直线向下流出时，即表明流动状 态是层流。逐渐开大阀门C，当流量增大到一定值时，原来表现出 直线状的指示液，会变成不稳定的曲线状或散乱现象。此时流动 状态即为湍流。 关闭阀门B和阀门C，然后将阀门B突然打开一段时间， 使玻璃管上端充满红色的指示液， 然后关闭阀门B， 而打开阀门C， 则指示液向下流动，同时其前部呈抛物线状，或者较平的曲线状。 抛物线即为层流时的速度分布，较平的曲线状，即为湍流时的速 度分布。观察完毕后，关上阀门B和阀门C。 3、测定临界雷诺准数 测定水箱液面较平静时的临界雷诺准数Re1。使水箱中充满水， 图 21 雷诺实验装置流程图 1、墨水瓶；2、进水稳流装置；3、溢流箱；4、溢流管； 5、高位水槽；6、排水管；7、转子流量计；8、观察玻璃管； 3 然后关闭阀门A。放置一段时间后(即水面无波动时)，开启阀门C 和B(注意：B阀门不可开得太大)。开始测试和记录指示液由直线 到散乱状的流量值，并要注意记录指示液由直线转变成曲线状时 的值 ，重新打开阀门B 测试工作和数据记录。 流形时， 应逐渐开大阀门C， 以保证管内流 溢流即可，不可过大，以免 ，将管道中的有色液体排空，并冲洗干净。 、数据整理、数据整理 _； 管 子 内 径_mm； 水 温 _C 序号 3/s /s 计算雷诺数 根据Re判断的流型实际观察的流型 。然后关闭阀门B和C。 测定在水箱中液位不变的情况下的临界雷诺准数Re1。 ，开 启阀门A，使水箱中充满水。并保持溢流。此时 和阀门C，重复上面的 五、操作注意事项：五、操作注意事项： 1、当测定水面平静时的临界雷诺值Re1时，由于水箱不进水，水 箱中的液位逐渐下降，流量也会随时间的推移而逐渐减小。因此 当需固定某一流量观察 量稳定在某一数值 2、开自进水阀时，要控制在保持少量 水箱液面剧烈波动而影响测试数据。 3、实验完毕后 六六 设 备 编 号_ _o 流量 m 流速 m 1 2 3 4 液 面 平 静 5 1 2 3 4 保 持 溢 流 5 七、思考题七、思考题 1、影响流动形态的因素有哪些? 2、如果管子是不透明的，不能用直接观察来判断管中流动形态， 看法对否?在什么条件下， 你认为可以用什么方法来到断管中的流动形态? 3、有人说可以只用流速来判断管中流动形态，流速低于某一具体 数值时是层流， 否则是湍流， 你认为这种 4 可以只由流速的数值来判断流动形态? 4、层流和湍流流动的本质区别是什么? 6、实验过程中，哪些因素对实验结果有影响? 5、雷诺数的物理意义是什么? 5 实验二实验二 柏努利方程实验柏努利方程实验 一、实验目的一、实验目的 1、熟悉流体流动中各种能量和压头的概念及其相互转换关系，在 此基础上，掌握柏努利方程； 2、观察流速变化的规律； 3、观察各项压头变化的规律。 二、实验装置二、实验装置 实验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、循环水泵 等组成。活动测压头的小管端部封闭。管身开有小孔，小孔位置 与玻璃管中心线平齐，小管又与测压管相通，转动活动测压头就 可以测量动、静压头。 管路分成四段，由大小不同的两种规格的玻璃管所组成，管段 2的内径约为24mm，其余部分的内径约为13mm。第四段的位置 比第三段低5cm，准确的数值标注在设备上，阀A供调节流量之 用。 图 21 柏努利方程实验装置流程图 1、3、4玻璃管(内径约为 13mm)；2玻璃管(内径约为 24mm)：5溢流管； 6测压管；7活动测压头；8溢流装置；9水槽；10马达；11 一循环水泵 三、三、基本原理基本原理 1、流体在流动时具有三种机械能，即位能、动能和静压能。 这三种能量是可以相互转换的，当管路条件改变时(如位置高低， 6 管径大小等)，它们便会自行转化，如果是粘度为0的理想流体， 因为不存在摩擦和碰撞而产生机械能的损失，因此同一管路的任 何二 间因摩擦和碰撞转化成了热能的机械能。因此，在进行 机械 上的小孔(即测压孔的中心线)与水流方向垂直时，测 压管 的液位高度即为测压孔处液体的动 压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度 则为 个截面上，位压头、静压头、动压头三者总和之差 失 验方法验方法 度H2； 开度，将测压孔旋转至与水流垂直方向，观察液 变化，记录各测压管的液位高度H4。 备编号_；水温_ _；d2_；d3_；d4_。 个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械 能的总和是相等的。 2、对实际流体而言，因存在内摩擦，流动过程中总有一部分 机械能因摩擦和碰撞而损失，即转化成为热能。对转化为热能的 机械能，在管路中是不能恢复的。这样，对实际流体来说，两截 面上的机械能的总和也是不相等的。两者的差值就是流体在这两 个截面之 能的计算时；就必须将这部分损失的机械能加到第二个截面 上去。 3、上述几种机械能都可用测压管中的一段液体柱的高度来表 示，当测压管 内液位高度(从测压孔算起)即为静压头，它反映测压点处液体 压强大小。 当测压孔由与水流方向垂直方位转为正对水流方向时，测压 管内液位将因此上升，所增加 静压头与动压头之和。 测压孔处液体的位压头由测压孔的几何高度决定。 4、任何两 即为压头损，它表示液体流经这二个截面之间时机械能的损失。 四、实四、实 1、关闭A阀，旋转测压头，观察并记录各测压管中心液位高度 H1。 2、开动循环水泵，开阀A至一定大小，将测压孔转到正对水流方 向，观察记录各测压管的液位高 3、不改变测压孔位置，继续开大阀A，观察测压管的液位变化， 并记录各测压管液位高度H3； 4、不改变阀A的 位 五、记录表格：五、记录表格： 设 管径d1_ 表 1.压头测量 7 测压点操作 序 号 压头 mmO1 2 3 4 阀 测压孔与轴线方向 H2A 1 2 H1 H2 关 开 任意 正对水流 3 H3 H4 再开大 保持不 变 正对水流 与水流垂直 4 计算 体积流量测量 算 表 2 流量测定与流速 流速计 位置按所测体积 算平均流速 按所测动压头 算点速度 1 点2 2 序号 体积（mm3）时间（s） 平均 点3 六、思考题六、思考题 1、关闭A阀，旋转测压头，液位高度有无变化?这一高度（H1） 压孔正对水流方向时， 各测压管的液位高度H2的物理意义 义是什么? 流方向垂直，为什么各测压 两 的 ，1、3 系统的总阻力损失如何变化静压头如何变化? 10、对于未知流体，利用本实验装置能否判断流动型态?若可以， 如何判断? 的物理意义是什么? 2、P4=P3是否正确? 3、 在测 是什么?测压孔与水流垂直时，各测压管液位高度的物理意义是什 么？ 4、对同一点而言，为什么H1H2?为什么距水槽越远，(HlH2) 的差值越大?这一差值的物理意 5、测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为 什么测压管的液位反而下降? 6、将测压孔由正对水流方向转至与水 管液位下降?下降的液位代表什么压头?1、3点及2、3两点下降 液位是否相等?这一现象说明什么? 7、测压孔与水流方向垂直，在不改变阀A开度的条件下 两点及2、3两点液位计读数的差值表示什么? 8、旋转测压头能否进行流速、流量的测量？简述方法。 9、 阀门A关小， 流体在流动过程中， 沿程各点的机械能如何变化? ?各测压点的 8 实验三实验三 阻力实验阻力实验 一实验目的实验目的： 1、测定流体在直管内流动时摩擦阻力，计算摩擦系数 e R和雷诺准数，并在双对数坐标纸上绘出二者之间的关 系曲线。 2、测定突扩管、弯头及阀门的局部阻力系数。 0 90 3、学习液位计的使用方法。 4*、测定孔板流量计的孔流系数与雷诺数Re的关系。 带*项为教学大纲要求之外项目。 二 基本原理：二 基本原理： 流体在管内流动时，由于流体粘性作用和涡流的影响，会产 生阻力损失，其大小与管长l、管径、流体流速和管道摩擦系 数 du 等有关。记为： g u d l H f 2 2 = （231） 式中：压头损失，m f H l管长，m d管径，m u 流体在管内的流速， s m 摩擦系数，无因次。 由柏努力方程得知：流体在水平直管段做稳定流动时，阻力 损失直接表现为流体的压强降，流体由截面1流到截面2所产生 的阻力损失可由两端分别与这二截面相接的液位计示值测出。 即：R g pP H f = = 21 （232） 9 式中：1截面的静压强，N/ 1 p 2 p2截面的压强，N/ R 两测压截面上液位计读数之差，m。 摩擦因数受到很多因素的影响，主要与流体的流动型态密 切相关，当流体在管内作滞流流动时，可以从理论上推得的计 算式为： e R 64 = （233） 当流体在管内作湍流流动时，由于流动情况复杂，不能完全 用理论分析建立摩擦因素关系式，只能借助因次分析，将诸因素 归并整理为准数关联式，得出如下结论： = d Re , （234） 即为和管壁相对粗糙度 e R d 的函数，其函数的具体关系只 能通过实验方法加以确定。 对照（231） ， （232）式有： g u d l 2 2 R （235） 又因 2 4 d V u s = （236） 将（235）代入（236）得： lV Rdg s 2 52 16 2 = （237） 式中：Vs水的流量，/s 10 又： se V d ddu R 2 4 = （238） 实验过程中，水温变化不大，、可视为常数。改变水的 流量、测定流量和压强降，计算出和的数值，在双对数坐标 纸上绘出 e R 关系曲线。 e R 当流体流经管路局部位置（如进口、出口、弯头、阀门、 三通、突然扩大等管件）时，因流道发生变化而使流体运动的速 度和方向突然发生变化，流体流动受到阻碍和干扰产生涡流，使 内摩擦增加，形成局部阻力。 流体通过某一管件的压头损失可用流体在管路中的速度头倍 数来表示。即： g u H f 2 2 = （239） 式中： f H因局部阻力而损失的压头，m； u 管路中流体速度，m/s； 局部阻力系数，由实验测定。 由柏努力方程得知，当流体流过弯头时有： () g pp g uu ZZH f 12 2 1 2 2 12 2 + += 由于管件的上、下游管径相同，有u； 1 u 2 在管件的上、下游接上压差计，则压差计的读数与压头损 失相等，即RH f = 。则式（239）变为 g u R 2 2 = （2310） R管件上、下游两测压截面上液压计读数之差，m。 由上式可知，如果测得流量和管件的压头损失，即可求得局部阻 11 力系数。在一定的范围内改变流量，分别测出1，2，3，, n。则该管件的局部阻力系数为： n n i i = = 1 三 实验装置三 实验装置 试验装置一：试验装置一： 图图 1 流体阻力与离心泵联合实验流程图流体阻力与离心泵联合实验流程图 1 离心泵 2 水箱放净阀 3 水箱 4、5 切换阀 6 大孔板流量计 7 涡轮流量计 8、9、10、11、12、13 管路开关阀 14 高位槽上水阀 15 高位槽 16 球阀 17 截止阀 18 流量调节阀 19 小孔板流量计 20 层 流管流量调节阀 21 真空表 22 压力表 23 两台泵连通阀 如图1所示，在设备中有8条横向排布的管线，自上而下分别为： No1 层流管，为61.5mm的不锈钢管； No2 球阀与截止阀连接管，为273mm的不锈钢管； No3 光滑管，为273mm的不锈钢管； No4 粗糙管，为272.5mm的镀锌管； No5 突然扩大管，为223mm483.5mm不锈钢管； No6 小孔板流量计管线，为323mm的不锈钢管，孔板孔 径d0=18.2 mm； 12 No7 涡轮流量计管线，用于流体阻力实验； No8 大孔板流量计管线，用于离心泵实验。 流程说明：流程说明：离心泵将水箱内的清水打入系统中，经涡轮流量计计 量后，通过管路切换阀门（9、10、11、12、13）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。 操作说明：操作说明： 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，关闭图1中的切换阀4，打 开切换阀5。在实验开始前，系统要先排净气体，使液体连 续流动； 使用倒 U 型压差计测量数据时的系统排气。首先，打开被测 的管路开关阀(图1中的9、10、11、12、13阀门中的一个)， 关闭其它管路开关阀，并将流量调节阀18打开，但流量不要 开太大，将管路内的气体排净；同时，测压管线排气（排气 方法见附1） ，排气之后，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； 使用压力传感器测量数据时的系统排气。首先，打开被测的 管路开关阀(图1中的9、10、11、12、13阀门中的一个)，关 闭其它管路开关阀（排气方法见附1） ，排气之后，关闭 管路开关阀，此时“压降压降”仪表显示为0，则可以开始实验， 否则重新排气。若重复多次，仪表显示均不为0，则需要检测 压力传感器的0点是否准确。具体方法为，将图2中压力传 感器两端连接测压管的螺母松开，使压力传感器两端连接大 气，此时“压降压降”仪表显示仍不为0，则说明压力传感器0 点漂移，需要调节0点。具体调节方法见附录4； 实验中，若用倒 U 型压差计测量数据时，则将管路开关阀打 开，用阀 18 调节水流量。若用压力传感器测量数据时，则将 阀 18 全开，用管路开关阀调节流量。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 组以上数据，层流管的流量用阀门 20 调节， 用量筒及秒表测取； 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。 13 实验装置二： 实验装置二： 图图 2 吸力实验装置流程图吸力实验装置流程图 1水槽；2离心泵；3出口阀；4闸阀；5孔板流量计；6 型压差计；7 直管；8流动摆头；9计量槽；10计量槽标尺；1190o 弯头 流程说明：流程说明：本实验装置如图所示。测量管道有金属管和聚丙烯塑 料管两种。金属管内径为36mm，塑料管内径为36.205mm。测量 道水平放置，长度自测。 用仪表。 2、计量槽的标尺参数为： 标尺参数 直管阻力的管 操作说明：操作说明： 1、了解设备，熟悉流程及所 () m l 303. 0 50 = m 60225 ， 联轴节，视泵是否转动灵活， 将流量调至最大（此时一定要注意观察型 检查数据是否符合要求，停止实验，将装置恢复 即水槽液位每升高1mm，槽内液体的体积增加0.303升。 3、检查泵的轴承润滑情况，用手转动 发现问题要与指导老师联系解决。 4、关闭出口阀3，启动电机，使泵运转，在运转中要注意安全， 防止触电和绞伤。注意电机是否过热，机器声响是否正常。如有 不正常现象，应立即停车，与指导老师研究其原因和处理办法。 5、慢慢开启出口阀， 压差计的指示值） 。 6、通过泵出口阀由大到小调节流量，记录10组不同数据。 7、取完数据后， 14 到实验 三、数三、数 前状态。 据处理：据处理： 根据测得的数据，计算和，在双对数坐标纸上作图，并 与教科书的图线进行比较。 根据测得的数据可）计算阻力系数 e R 用式（2310。 验日期：_;管子内径：_； 差计接头间距_m；水温_ 流量测量 直管压差mH2O 管件压差mH2O 实验记录表实验记录表 实 压 ：_ mm序 号 时间 s 尺初值 mm 尺终值mm侧读数 侧读数 侧读数 侧读数 标标左右左右 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 管件压差局部阻力 时水流 1 实验数据处理结果实验数据处理结果 实测流量 直管压差 mmH2O Re mmH2O 系数 序 号 间 s 量 l 量 m3/s 2 四 思考题四 思考题 1、本实验需要测量哪些参数，各使用什么仪表？ 2、本实验为何使用型压差计，说明其应用场合。 3、为何本实验数据在双对数坐标纸上进行标绘？ 15 4、测局部阻力时，RH f = 推导。 5、 能 否 在 垂 直 管 段 上 完 成关 系 的 测 量 ？ 它流体是否适用？ 附附1：管线排气说明：管线排气说明： 阀，关闭其他管线上的阀门，则压力传感器与倒U型压 的压降。测压管线的排气方法 为 量数据时 时3060秒） ； e R 有何关系？与 RH写出推导过程。 f 6、本实验测量结果对其 图图 3 管路测压连通器与倒管路测压连通器与倒 U 型压差计示意图型压差计示意图 图3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，与它们相连接的阀门，为设备操作面板上的测压切换 阀，若要测某管路的压降，即打开与其相连的测压管线上的测 压切换 差计上测量的压降即为该管路上 ： 用倒U型压差计测 打开v3，v4，v5，v6，1030秒 （层流实验 关闭v3，v4； 打开v7，将倒U型压差计中的水排净； 16 关闭v5，v6，v7； 打开v3，v4，使水进入倒U 型压差计； 若倒U型压差计中的差值为0， v3，v4，v5，v6（3060秒） ； 关闭管路开关阀，此时若“压降压降 关闭流量调节阀18，此时 则说明管线中的气已排净。 用压力传感器测量数据时 关闭流量调节阀18，打开 将流量调节阀门开到最大； 关闭v3，v4，v5，v6。 ”仪表显示为0，则说明 述步骤，重新排气。 附 2：实验数据采集系统的运行与使用 附 2：实验数据采集系统的运行与使用 管线中的气已排净，否则，按上 图 4 图 4 当系统安装完毕后，启动程序，此时屏幕上会出现图 4: 会出现一窗口，要求用户输入： 若用户第一次使用此软件， 不锈钢管的 管长管长， 管径管径； 镀锌钢管的 管长管长， 管径管径； 层流管的确 管长管长， 管径管径； 突然扩大管的小管径小管径，大管径；大管径； 小孔板的 孔径孔径，连接管径连接管径。 这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不 17 需要 2-层 由于在此实验中，水泵开关由变频仪控制，而变频仪既可以 手动开关，也可以由计算机控制开关，图中一红一绿两个开 修改，则不用再输入这些数据了。 1、 数据采集 1、 数据采集 当选择数据采集项后，程序会要用户输入要保存数据的文件 名，当用户输入文件名后，程序进入主画面，即流体阻力实验的 流程图（见图 5） ，在图中有 9 个数字显示框，分别为: 1-水温， 流管压降，3-球阀压降，4-截止阀压降，5-不锈钢管压降， 6-镀锌管压降， 7-突然扩大压降， 8-孔板压降， 9 涡轮流量计读数。 关为 按钮关水泵。 的压降 数据 图 5 图 5 变频仪开关，当变频仪选择由计算机控制时，用鼠标点击绿 色按钮开水泵，点击红色 在画面上方有一排菜单栏， 分别为: “记录数据“，“改变频率” ， “查看数据“，“退出“。 其中，初始时， “记录数据”与“查看数据”两项不可操作， 当选择了要测量的管子或阀门后，此两项才能使用。 当要测量某管时，用鼠标点击此管前的阀门，使其由红变绿， 此时，该管相应的压降数据框中显出数据。如：要测量不锈钢管 的数据，则点击阀门 V3，数据框 5 中显示出此时不锈钢管 。若要测量镀锌管的数据，则点击阀门 V2，数据框 6 中显示 出镀锌管的压降数据，而其他管的数据框中则显示空。 18 当点击阀门 V4 时，球阀的压降数据框中显示数据，说明此时 测量的是球阀的数据，若要测量截止阀的数据，则需要在阀门 V4 被选中的情况下，点击截止阀的数据框 4，则测量的数据由球阀改 变到 计时，同时，按钮改为“停止计时” ，当按此 出现一询问框，要求用户输入在计时期间计量的 水量 新的数据存 改变频率（当有变频器时，才能使用此功能） 当用户选则此功能后，屏幕中会出现图 6 截止阀。同样，此时点击球阀的数据框 3，则测量的数据由截 止阀改变到球阀。 若要测量层流管的数据，点击阀门 V5，由于层流管的流量很 小，不能用孔板流量计计量，需要用量桶与秒表计量流量，此时 屏幕的最右侧出现一“开始计时”的按钮，点击此按钮，其下方 出现一计时器，开始 按钮时，屏幕中 ，单位为 ml。 记录数据 当数据稳定后，点击“记录数据”按钮，将当前最 入前面选定的数据文件中。 “确定” ， 当变频器处于 “远 控制模式”时，即可通过计算机改变离心泵的电机频率，从 离心泵转速的目的。 查看数据 选此功能时，出现一下拉菜单（见图 7） ，分别为“实验数 图 6 图 6 此时用户选择所需的电机频率并点 程 而达到改变 图 7 图 7 据”及“实验结果” 。当选择“实验数据”时，画面中出现一 19 列表框，将前面所有记录的数据全部列出来，供用户查看，若 用户对某一组数据不满意， 可以删除。 当选择 “实验结果” 时， 若做管路阻力实验，则屏幕中出现一 Re-双对数坐标系，将 实验结果绘出。 若做局部阻力实验， 则计算出局部阻力 退出 程序退出采集回到主菜单。 当用户在图 4 画面中选择“实验结果“，程序会要求用户输入 数据文件名，之后屏幕中出现图 7： 用户的 系数。 选此按钮时， 2、实验结果 2、实验结果 图 8图 8 击此数据行，然后选择“删除” ，可删除 此组 阻力” ， “突 双对数坐标系中绘出不锈钢管不锈钢管， 镀锌管镀锌管及层流管层流管的 Re-关系。若选择其它几项，则列出所选项的 局部阻力系数。 选择“打开文件” ，屏幕中出现一询问框，要求用户输入要打 开的数据文件名。 点击“查看数据” ，出现一下拉菜单（见图 9） ，分别为“不锈 钢管数据” ， “镀锌管数据” ， “突然扩大管数据” ， “层流管数据” ， “球阀数据” ， “截止阀数据” 。选择任意一项，屏幕中出现一个列 表， 将用户要查看的数据文件中的数据列于表内 （见图 10） 。 此时， 若发现某组数据不好，点 数据。若要打印数据，点击“打印数据” ，则可在打印机中打 出此表中的全部数据。 点击 “实验结果” ， 出现一下拉菜单， 分别为 “管路 然扩大局部阻力” ， “球阀局部阻力” ， “截止阀局部阻力” 。若选择 “管路阻力” ，则在 图 9图 9 点击“实验结果” ，出现一下拉菜单（见图 11） ，分别为“管 20 路阻力” ， “突然扩大局部阻力” ， “球阀局部阻力” ， “截止阀局部 阻力” 。若选择“管路阻力” ，则在双对数坐标系中绘出不锈钢管不锈钢管， 锌管锌管及层流管层流管的 Re-关系（见图 12） 。若选择其它几项，则列 出所选项的局部阻力系数（见图 13） 。 镀镀 图 10 图 10 图 11 图 11 21 图 12 图 12 图 13 图 13 22 图 14 在图 12 中，有一菜单栏，分别为“打印” ， “结果” ， “退出” 。 当选择“打印”功能时，则从打印机中打印当前屏幕中的图形， 此时，打印机必须接在计算机上，并处于开启状态，否则可能会 出现程序不正常退出的错误。当选择“结果”时，出现一列表框， 将计算结果列于表中（见图 14） 。若选择“退出” ，则退回到图 8 状态。 3、 修改参数 3、 修改参数 第一次运行此软件时，既已经将参数输入了，一般情况下，不 用选择此项，只有在参数丢失或参数改变时，需要重新输入参数 时，才使用此功能。 4、退出 用户在图 4 画面中选“退出“时，即结束程序的运行。 附录附录3 孔板流量计的计算公式与参数，测压口间距孔板流量计的计算公式与参数，测压口间距 1孔板流量计计算公式 V=C1 RC2 V：流量，单位m3/h R：孔板压差，单位 kPa 2孔板流量计参数 C1=1.4 23 C2=0.5 3测压口间距 0.3 米 附录四：ADS808A 型压力传感器的调节 附录四：ADS808A 型压力传感器的调节 打开压力传感器的后盖可以看到两个小调节钮，分别为“零 点” ， “满度” 。若发现传感器零点漂移，则可对照仪表，调节“零 点”钮，将仪表显示值调节到 0。 若满度漂移，则需要提供一稳定压力，如10kPa的压力，然后调 节“满度”钮，将仪表显示值调节到10kPa即可。 24 实验四 离心泵特性曲线的测定实验 实验四 离心泵特性曲线的测定实验 一、实验目的一、实验目的 1、了解离心泵的构造、掌握其操作和调节方法； 2、测定单级离心泵在一定转速时的特性曲线，并确定其最佳工作 范围； 3*、掌握管路特性曲线的测量方法； 4*、测定双泵并联时的特性曲线； 5*、了解工作点的含义及确定方法。 带*项为教学大纲要求之外内容。 二、基本原理二、基本原理 泵是输送液体的常用机械，在生产中选用一台既能满足生产 任务， 又经济合理的离心泵， 总是根据生产的要求 （流量和压头） ， 参照泵的性能来决定的。如果要正确地选择和使用离心泵，就必 须掌握离心泵的流量（Q）变化时，泵的压头（H），功率（） 和效率（ N ），以及允许吸上真空度的变化规律，即曲 线,曲线, S HQH QNQ曲线,曲线，离心泵的特性曲线是由 实验测得的。本实验只测定曲线，N曲线， QHS QHQQ曲线。 1.送液能力送液能力Q的测定的测定 在一定转速下，用出口阀来调节离心泵的送液能力。实验装 置（ 实验装 置（2）用涡轮流量瞬时指示仪进行测定。即： f Q=或 f Q=6 . 3 (米3/ 时) 式中：流量瞬时指示仪示值（赫） f 流量系数（1/升） 本装置 5 档 =68.90 10 档 =70.53 实验装置（实验装置（1）中流量的测量采用大孔板流量计测量，其流量计算 25 公式为： V=C1 RC2 式中V流量，单位m3/h； R孔板压差，单位 kPa； C1=1.4； C2=0.5； 测压口间距为0.3 米。 2.压头压头H的测定的测定 在进口真空表和出口压力表两测压点截面间列出柏努利方 程： +=+ fe h uP gzW uP gz 22 2 22 2 2 11 1 由于两测压点之间的管路很短，摩擦阻力损失可忽略不计， 两侧的管径看作一致，即可导出： 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。 或 ()OmH P PH 2 1 2 10 6 .735 += 式中：进口测压点真空表示值 1 P()mmHg 2 P出口测压点压力表示值() 2 cmKgf 3.轴功率的测定轴功率的测定 N N是电机传给泵的轴功率，SI制中用下式计算： nMnMN=1047. 0 60 2 ( )W 式中：M转矩 ()mN n转速（l/分） 泵行业习惯上用工程单位制，功率计算式是： 7 .937100060 81. 92PLn PLnN= = ()Kw 式中：P测力臂上所加的砝码质量()Kg 26 L测力臂长( )m，本实验装置（实验装置（2）( )mL4869. 0= 则： 20007 .973 4869. 0Pn PnN= ()Kw 或采用功率表直接测出电机输入的电功率N电机，再根据电机 效率计算出泵的轴功率N，即： N = N电机电机传动 kw 其中：电机电机效率，取 0.9； 传动传动装置的效率，本实验装置（1）本实验装置（1）取 1.0； 4.效率效率的计算的计算 泵的效率是泵的有效功率与轴功率之比。有效功率是液体由 泵得到的实际功率，SI制中： gQHNe= ( )W 式中：-流量Q()sm3 H-扬程( )m -液体密度() 3 mKg %100 102 %100= 轴轴 N QH N Ne 离心泵的特性曲线是在某指定转速下的特性曲线，当实验时 的转速（n）与指定转速（）有差异时，应将实验结果换算为指 定转速下的数值： 1 n n n QQ 1 1 =； 2 1 1 = n n HH； 3 1 1 = n n NN 三、实验装置流程三、实验装置流程 1、实验装置（实验装置（1） ：） ： 流程说明：流程说明：如图1，No8为为大孔板流量计管线，用于离心泵实验。 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。本实验过程中，需测定液体的流量、离心泵进口和出口处 27 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。流量的测定，使用图1中的大孔板与压力传感器 共同完成，压差在仪表柜上的“水流量”表上读取。 操作说明：操作说明： 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； 系统排气，打开管路切换阀 8，关闭其它管路切换阀，打开流 量调节阀 18，排净系统中的气体。打开面板中水流量倒 U 型 压差计下的排气阀，排净测压系统中的气体； 测定离心泵特性曲线， 在恒定转速下用流量调节阀18调节流 量进行实验，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； 图图 1 流体阻力与离心泵联合实验流程图流体阻力与离心泵联合实验流程图 1 离心泵 2 水箱放净阀 3 水箱 4、5 切换阀 6 大孔板流量计 7 涡轮流量计 8、9、10、11、12、13 管路开关阀 14 高位槽上水阀 15 高位槽 16 球阀 17 截止阀 18 流量调节阀 19 小孔板流量计 20 层流管流量调节阀 21 真空表 22 压力表 23 两台泵连通阀 测定管路特性曲线，先将流量调节阀 18 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，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） ； 28 就可以得到不同转 ，而 并联时轴功率及效率与流量的关系。 （2） ：（2） ： 口阀排除泵内空气。 3、开启出口阀和进口阀，使泵正常运转。 出口阀控制流量， 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 18，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 18，测 定此转速下的离心泵扬程与流量的关系。 速下离心泵的扬程随流量的变化关系。 进行双泵的并联的实验时（1#、2#并联走 2#设备的流程，3#、 4#并联走 4#设备的流程） ，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，将 1# 或 3#设备的球阀 4、5 关闭（见图 1） ，打开离心泵连通阀 23， 使 1#设备与 2#设备连通（3#设备与 4#设备连通）调节 2#或 4#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 不能测定离心泵 2、实验装置2、实验装置 操作说明：操作说明： 图 2 离心泵特性曲线测定实验装置流程图 1、马达天平测功机；2、 2 1 1 BA-6 型离心泵；3、出口阀；4、真空表； 5、压力表；6、转量计显示仪表； 速表；7、涡轮流量变送器；8、涡轮流 9、计量槽；10、水槽；11、进口阀 1、关闭泵进口阀，向泵体内注水，并打开出 2、关闭出口阀，开启电源开关，使泵运转。 4、 开启测试仪表电源， 在泵的最大流量范围内用 29 取10组数据。 仪表时，应拨至中间档，防止流量过大而损坏仪表。 、与 、 、与 、 流量计仪表示值 5、关闭泵的出口阀，关闭电源开关、停车。 注意：注意： （1）开泵和停泵时，都应将马达-天平测功器上的砝码盘去掉，以 免甩掉。 （2）开启测试 四 表 四 表1 数据记录数据记录整理整理 实验记录实验记录 序 号 出口压力 P2(kgf/cm2) 口真空度 P1(mmHg) f（赫兹）或压差（kpa）档次 转速 n（1/分） 平荷重 p（克） 进天 1 2 3 4 5 6 7 8 表表2、实整理结、实整理结 流量 Q(m3/h) 压头 H(m) 功率 N(kW) 效率 (%) 转速 n（r/min） 测数据测数据果果 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 表表3、实测数据换算到指定转速、实测数据换算到指定转速n=/分）下的值分）下的值 2900（转（转 30 序 号 流量 Q(m3/h) 压头 H(m) 功率 N(kW) 效率 (%) 转速 n（r/min） 1 2 3 4 5 6 7 8 五、实验报告五、实验报告 在普通坐标纸上标绘离心泵在指定转速n=2900（转/分）下的 、QH N QQ。 量计、孔板流量计的测量原理。 ？如何正确开车、实验及停车？ 1、正确进行实验的步骤是什么? ？ 为合理？哪些点较为 5、离心泵的安装高度指什么？有无限制？ 通过进口阀进行调节？ 、 正常工作的离心泵，在进口处设置阀门是否合理？为什么？ 六、思考题六、思考题 预习思考题： 1、本实验需要测量哪些参数？各使用什么仪表？ 2、简述涡轮流 3、实验开始前，需要做哪些准备 报告讨论题： 2、离心泵的流量调节原理是什么？调节方法有哪些？各有什么 优缺点 3、离心泵的特性曲线测试条件是什么？条件改变，曲线如何变 化？ 4、要测得完整的性能曲线，测点如何分布较 关键？ 6、 离心泵启动前为什么必须灌泵排气？离心泵的送液能力能否 7 31 附一：实验数据采集系统的运行与使用附一：实验数据采集系统的运行与使用 当系统安装完毕后，启动程序，此时屏幕上会出现图 3。 m） 。 实验界面（见图 4） ， 图中有 5 个数字显示框，分别为: 1-孔板压降，2-水温，3-泵 入口压力，5-电机功率。 采集 采集 当点击此菜单时， 出现一下拉菜单，“单泵实验” ，“双泵并联” 。 当选择“单泵实验”时，又会出一个子菜单， “泵特性 图 3 图 3 若用户第一次使用此软件，会出现一窗口，要求用户输入： 孔板流量计的参数 C1，C2；测压口间距（ 这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不 需要修改，则不用再输入这些数据了。 当选择数据采集项后，程序会要求用户输入要保存数据的文 件名，当用户输入文件名后，程序进入单泵 在 出口压力，4-泵 2、 数据2、 数据 在画面上方有一排菜单栏，分别为: “实验选择” ， “实验操 作” ， “记录数据“，“查看数据“， “另存数据” ，“退出“。 实验选择 实验选择 32 图 4 单泵实验 图 4 单泵实验 图 5 双泵并联 图 5 双泵并联 曲线” ， “管路特性曲线” ， “扬程曲线” 。用户可以根据自己想 做的实验进行选择。 （注： “管路特性曲线”与“扬程曲线”实验 33 必须在有变频器时才能进行） 。 当选择 “双泵并联” 时， 屏幕出现双泵并联实验界面 （见图 5） ， 1-孔板压差，2-水温，3-泵出口压力，4-泵入口压力，此时可以 进行双泵并联实验。 双泵并联时只能做测定离心泵并联扬程和流量关系曲线的实 验。 注意：注意：当进行并联实验时，必须将两套设备的通讯插头全插 在同一台计算机 全插 在同一台计算机上，而且用于计量流量的那套实验装置的通讯插 头要插在串口 1（即 COM1）上，另一套装置的插头插在串口 2（即 COM2）上，不插或插反，都无法进行实验。所以做并联实验时， 所用的计算机必须是有 2 个通讯口的。 实验操作实验操作（当有变频器时，才能使用此功能） 当点击此项时，会出现一下拉菜单（见图 6） ， “改变频 图 6 图 6 率” ， “开关水泵” 。由于除泵特性曲线泵特性曲线实验外，其他实验都需要改 变离心泵电机频率进行实验，所以，当使用计算机在线采集数据 时，除了做离心泵的特性曲线实验外，都必须使用计算机调节泵 的电机频率，否则不能进行计算机数据采集。 当选择“开关水泵”时，屏幕中会出现一组按钮（见图 7） ， 其中，红色的为关水泵按钮，绿色的为开水泵按钮。 图 7 图 7 当选择“改变频率”时，屏幕中会出现一频率调节框（见图 8） ，要求用户调节频率，之后计算机通过通讯系统，调节安装在 34 设备上的变频仪的频率值，并通过变频仪调节离心泵电机的频率， 以达到实验的要求。当进行双泵串、并联实验时， 图 8 图 8 计算机将同时调节两套设备上的变频仪，并调节到同一个频率值 上。 记录数据 记录数据 当数据稳定后，点击“记录数据”按钮，将当前最新的数据 存入前面选定的数据文件中。 查看数据 查看数据 选此功能时，出现一下拉菜单（见图 9） ，分别为“实验数据” 及“实验结果” 。当选择“实验数据”时，画面中出现一列表框， 将前面所有记录的数据全部列出来，供用户查看，若用户对某一 组数据不满意，可以删除。当选择“实验结果”时，则在坐标系 中将用户的实验结果绘出。 图 9 图 9 退出 退出 选此按钮时，程序退出采集回到图 3 画面。 2、实验结果 2、实验结果 当用户在图 3 画面中选择“实验结果“，屏幕中出现图 10： 35 图 10 图 10 点击“数据查看” ，出现一下拉菜单（见图 11） ，分别为“离 图 11 图 11 心泵特性” ， “管路特性” ， “单泵扬程” ， “双泵并联扬程” 。选择任 意一项，屏幕中出现一个列表（见图 12） ，将用户要查看的数据文 件中的原始数据列于表内。此时，若发现某组数据不好，点击此 数据行，然后选择“删除” ，可删除此组数据。若要打印数据，点 击“打印数据” ，则可在打印机中打出此表中的全部数据。 图 12 图 12 点击“实验结果” ，出现一下拉菜单（见图 13） ，分别为“离 心泵特性曲线” ， “管路特性曲线” ， “单泵扬程线” ， “双泵并联扬 程线” ， “扬程比较” 。当选择前 4 项时，计算机会在坐标系中绘出 相应的实验结果（见图 14） 。当选择“扬程比较”时，计算机会在 同一坐