離心泵性能實驗設備綜合改造及實踐

馬菊蓮

(西安石油大學 機械工程學院, 陜西 西安　710065)

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離心泵性能實驗設備綜合改造及實踐

馬菊蓮

(西安石油大學 機械工程學院, 陜西 西安710065)

因原有實驗裝置使用年限太久、儀器設備老化、技術落后等原因已不能滿足實驗教學改革和發展的要求,通過對離心泵性能實驗設備的綜合改造,提高其綜合性、操作性、多樣性及比較性,實現了手動測量和自動測量的一體化操作設備,實現了單泵測量、雙泵串聯和雙泵并聯的多種測量模式。通過幾年實踐表明,改造后的實驗設備滿足了實驗教學和科研的要求。

離心泵性能； 設備改造； 教學實驗

提高實驗教學水平,離不開先進完善的實驗教學條件,其中實驗設備的更新改造尤為重要[1]。過程流體機械課程是我校過程裝備與控制工程專業精品課程,其中的離心泵性能實驗是該課程實踐教學中的必做實驗。原有實驗裝置由于使用年限太久,儀器設備老化、技術陳舊落后,使用功能不全,測量誤差太大,實驗內容和實驗效果不盡如人意,已越來越不能適應實驗教學改革和發展。為此,我們在總結了原實驗裝置的優缺點后,結合理論和實驗教學的要求,對實驗設備進行了更新和綜合改造[2]。

1　實驗原理

在化工生產過程中為液體提供能量的設備型式有許多種,最常用的是離心泵[1],而離心泵性能測試(即特性曲線測定)是化工生產中合理選擇離心泵類型、規格的重要依據,也是判定泵工作狀況是否適宜的標準[3]。

離心泵特性曲線是指在一定的型號和恒定轉速下揚程H、軸功率N及效率η與流量Q之間的關系曲線,它是流體在泵內流動規律的外部表現形式。由于離心泵的結構和流體本身的非理想性以及流體在流動過程中的種種阻力損失,至今為止,還沒有能用數學方法描述這一特性曲線，只能依靠實驗測定[4]。所以離心泵特性曲線的測定實驗就成了化工流體機械課程中非常重要的一個實驗。

1.1揚程的測定

取離心泵的進口和出口壓力表處出、入兩個截面，列出機械能換算方程，即以單位重量為基準柏努利方程為

(1)

(2)

式中:H為揚程；Z出和Z入分別為泵出口截面和入口截面壓力表安裝高度，m;p入和p出分別泵入口和出口截面壓力，Pa；u入和u出分別為泵入口和出口處的流速，m/s;ρ為流體密度，kg/m3[5];g為重力加速度，m/s2；Hf入-出為兩截面間管道中流動阻力引起的壓頭損失，m。

由于兩截面間管較短、管徑相等，通常可忽略Hf入-出,速度平方差也可忽略，于是(1)式變為

(3)

將測得的Z出、Z入和p出、p入的值即可求得H的值。

1.2功率的測定

功率表測得的功率為電動機的輸入功率。因泵由電動機直接帶動,傳動效率可視為1.0,所以電動機的輸出功率等于泵的軸功率。

1.3泵效率的測定

(4)

2　設備改造

2.1設備改造背景

根據離心泵特性曲線測定實驗原理的要求,該實驗需測量離心泵轉速、管路流量、泵進出口壓力及轉矩等參數。利用原用實驗設備，學生通過管路上的閥門調節流量大小,通過流量計、轉速表、壓力表、砝碼平衡力測轉矩機構等測得數據,然后再通過公式計算其相應的揚程、功率及效率值,繪制單泵工作時的性能特性曲線。這樣的實驗設備條件,每完成一組實驗,需要很長的實驗時間,實驗效率太低,同時因儀器設備老化、精度差及人為因素等引起的測量誤差也較大,使得實驗效果不佳[6]。 另外 原用的實驗教學設備的實驗類型和方式較單一,實驗類型以驗證性和演示性實驗為主,缺乏綜合性、創新性實驗,不利于學生綜合實踐能力和創新能力的培養。

2.2設備改造目標

新的離心泵性能實驗裝置是大型流體機械實驗系統的一個實驗單元,和其他單元共用水源和動力系統。改造設計時為克服舊設備的一系列缺陷,按照科學合理、安全實用、經濟節約、綜合性強、手動操作與自動控制并存的設計思想和原則[4]，將流體機械設備的工藝流程和先進的自動化控制系統緊密結合在一起，既要滿足將離心泵性能實驗改造為綜合性實驗的設備要求,又要滿足學生課程設計和畢業設計實驗的要求以及相關科學研究實驗的需要[7]。

2.3新實驗裝置簡介及特點

新實驗裝置主要組成:1 L的不銹鋼水箱1臺,立式懸臂式離心泵2臺,電動閥2個,流量計2個,變頻控制柜1臺,pcl控制柜1個,電腦1臺,閥門、變送器和壓力表以及管路若干。實驗裝置見圖1。

圖1　現離心泵性能測定實驗裝置

新實驗裝置特點:新設備綜合性強,自動化程度高,測量精度高,具體體現在以下幾方面:

(1) 采集方式多樣化。實驗中的壓力、流量、轉速等參數既可以通過相應儀表等配件直接讀取,也可以采用測量精度較高的傳感器進行數據采集并將信號傳輸到計算機,通過相應的軟件顯示在實驗操作界面,并自動保存在規定的文件夾。

(2) 控制方式多樣化。管路流量大小可以通過調節電動閥的開度大小和變頻控制離心泵轉速大小兩種調節方式來實現；電動閥開度大小也可以通過就地控制和遠程自動控制兩種方式來實現。離心泵啟停和轉速大小同樣可實現就地控制和遠程自動控制兩種控制方式。實現了就地控制和遠程控制、手動測量和自動測量相結合的測試手段。

(3) 計算方式多樣化。泵的揚程、泵的軸功率、泵的效率既可以通過手動測量相關數據,并計算結果；也可以通過自動測量采集數據,通過計算機軟件進行處理,并顯示在計算機界面上,自動保存和打印

(4) 曲線繪圖多樣化。H-Q、N-Q及η-Q關系曲線既可以通過手動測量相關數據并計算,然后繪制其曲線；也可以通過自動測量采集數據,通過計算機軟件進行處理 ,并通過計算機自動繪制生成各種曲線。

(5) 實驗選擇項目多樣化。新改進的實驗設備,通過改變管路流向,可選擇做單泵的性能曲線、也能做雙泵并聯特性曲線和雙泵串聯的特性曲線,還能做管路特性曲線,增加了實驗設備的綜合性能。其實驗系統流程圖如圖2所示,實驗操作界面見圖3。

圖2　現實驗系統流程圖

圖3　現實驗操作界面

(6) 可拆卸。為了拓展實驗范圍,將泵兩端管路設計成可拆卸,便于更換不同型號的離心泵進行實驗研究[8]。

2.4新設備的實踐體會

由于實驗設備的改進,采用了先進的測試手段,實現了實驗數據自動采集和處理系統,減少了實驗中機械的重復操作步驟及人為操作誤差,大大節約了實驗操作時間,提高了實驗效率和精度[9],這樣就可以使學生在有限的時間內,快速、方便直觀地測量出更多不同工況下離心泵的特性曲線,并對其進行比較分析,從中得出結論,并用所學理論知識去解釋這些不同和變化。同時還可以將手動測量數據與自動測量數據比較,進行誤差分析等[10 ]。

另外,實驗中所需參數都能進行手動控制和測量,能進行自動控制和測量,既能做單泵的性能曲線，也能做雙泵并聯和雙泵串聯的特性曲線,還能做管路特性曲線,這樣大大提高了實驗設備的綜合性能,有利于綜合性實驗的開設。綜合性實驗因其內容較多、實驗數據也多、涉及知識廣、實現方法多樣,實驗過程中出錯現象和異常現象也多[10]，這樣有利于鍛煉學生思維的主動性和發散性,加深學生對所學知識的全面了解,同時提高了學生綜合分析問題和解決問題的能力,使實驗教學效果得到顯著提高[11-12]。

3　結語

通過對離心泵性能實驗設備的綜合改造,提高了該實驗設備的綜合性、操作性、多樣性及比較性。實現了手動測量和自動測量一體化設備,以及單泵、雙泵串聯和雙泵并聯的多種測量模式。滿足了過程裝備與控制工程專業的實驗教學和科研的要求,經過幾屆學生的教學實踐教學,效果良好[13]。

References)

[1] 單立志,王銳.污泥比阻實驗設備的改造[J]. 實驗技術與管理,2006,23(8):62-64.

[2] 馬菊蓮. 大型綜合性流體機械與設備系統實驗裝置研制[J]. 實驗技術與管理,2011,28(3):195-197.

[3] 李云，姜培正.過程流體機械[M].北京:化學工業出版社,2008.

[4] 管來霞.化工設備與機械[M].北京:化學工業出版社,2010.

[5] 張克危.流體機械原理[M].北京:機械工業出版社,2010.

[6] 陳煒,張其平.重新認識與組織實驗教學[J].實驗室研究與探索,2011,30(10):357-359.

[7] 郭偉鋒.實驗室環境下創新能力培養的協同觀[J].實驗室研究與探索,2009,28(10):14-16.

[8] 馬菊蓮. 過程設備設計基礎實驗教學的改革與實踐[J]. 實驗技術與管理,2009,26(10):135-137.

[9] 陳爽.應用型人才培養模式的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):36-38.

[10] 馬菊蓮. 研制大型綜合性實驗設備 創建良好的實驗教學條件[J]. 高校實驗室工作研究,2009(1):67-69.

[11] 鄭家茂,熊宏齊. 圍繞研究型大學人才培養,建設開放創新的實踐教學體系[J].高等工程教育研究,2008(3):94-98.

[12] 杜龍,許書克.淺析大學生創新性實驗計劃項目[J].實驗室研究與探索,2012,31(2):83-84.

[13] 韓學軍,王偉.QCS003B型液壓實驗臺的改造[J].實驗科學與技術,2008,6(10):151-153.

Comprehensive improvement and practice of centrifugal pump performance test equipment

Ma Julian

(School of Mechanical Engineering ,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Because the original experimental device used for fixed number of year is too long,aging equipment,technological backwardness and so on, it has been unable to meet the requirements of experimental teaching reform and the development in colleges and universities. Through the comprehensive transformation of the centrifugal pump performance test equipment, this article improves the comprehensiveness, operability, diversity and comparability. The manual measurement and automatic measurement of the integrated operation of equipment can realize to achieve the measurement of single pump,double pump series and parallel double pumps of various measurement modes. Through several years of practice, it can meet the requirements of experimental teaching and scientific research in colleges and universities.

centrifugal pump performance; improvement of equipment; teaching experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.023

2016-03-08修改日期：2016-05-18

馬菊蓮(1964—)，女，陜西鳳翔，本科，高級工程師，主要從事過程裝備與控制工程實驗教學和研究.E-mail： majl@Xsyu.edu.cn

G484;TH311

B

1002-4956(2016)10-0090-03