離心泵性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合改造及實(shí)踐

馬菊蓮

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安　710065)

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離心泵性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合改造及實(shí)踐

馬菊蓮

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安710065)

因原有實(shí)驗(yàn)裝置使用年限太久、儀器設(shè)備老化、技術(shù)落后等原因已不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展的要求,通過對(duì)離心泵性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綜合改造,提高其綜合性、操作性、多樣性及比較性,實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量的一體化操作設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了單泵測(cè)量、雙泵串聯(lián)和雙泵并聯(lián)的多種測(cè)量模式。通過幾年實(shí)踐表明,改造后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的要求。

離心泵性能； 設(shè)備改造； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)

提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平,離不開先進(jìn)完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件,其中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新改造尤為重要[1]。過程流體機(jī)械課程是我校過程裝備與控制工程專業(yè)精品課程,其中的離心泵性能實(shí)驗(yàn)是該課程實(shí)踐教學(xué)中的必做實(shí)驗(yàn)。原有實(shí)驗(yàn)裝置由于使用年限太久,儀器設(shè)備老化、技術(shù)陳舊落后,使用功能不全,測(cè)量誤差太大,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)效果不盡如人意,已越來越不能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展。為此,我們?cè)诳偨Y(jié)了原實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后,結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了更新和綜合改造[2]。

1　實(shí)驗(yàn)原理

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

離心泵特性曲線是指在一定的型號(hào)和恒定轉(zhuǎn)速下?lián)P程H、軸功率N及效率η與流量Q之間的關(guān)系曲線,它是流體在泵內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的外部表現(xiàn)形式。由于離心泵的結(jié)構(gòu)和流體本身的非理想性以及流體在流動(dòng)過程中的種種阻力損失,至今為止,還沒有能用數(shù)學(xué)方法描述這一特性曲線，只能依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定[4]。所以離心泵特性曲線的測(cè)定實(shí)驗(yàn)就成了化工流體機(jī)械課程中非常重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

1.1揚(yáng)程的測(cè)定

取離心泵的進(jìn)口和出口壓力表處出、入兩個(gè)截面，列出機(jī)械能換算方程，即以單位重量為基準(zhǔn)柏努利方程為

(1)

(2)

式中:H為揚(yáng)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(dòng)阻力引起的壓頭損失，m。

由于兩截面間管較短、管徑相等，通?？珊雎訦f入-出,速度平方差也可忽略，于是(1)式變?yōu)?/p>

(3)

將測(cè)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(cè)定

功率表測(cè)得的功率為電動(dòng)機(jī)的輸入功率。因泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng),傳動(dòng)效率可視為1.0,所以電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于泵的軸功率。

1.3泵效率的測(cè)定

(4)

2　設(shè)備改造

2.1設(shè)備改造背景

根據(jù)離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理的要求,該實(shí)驗(yàn)需測(cè)量離心泵轉(zhuǎn)速、管路流量、泵進(jìn)出口壓力及轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。利用原用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生通過管路上的閥門調(diào)節(jié)流量大小,通過流量計(jì)、轉(zhuǎn)速表、壓力表、砝碼平衡力測(cè)轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)等測(cè)得數(shù)據(jù),然后再通過公式計(jì)算其相應(yīng)的揚(yáng)程、功率及效率值,繪制單泵工作時(shí)的性能特性曲線。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件,每完成一組實(shí)驗(yàn),需要很長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間,實(shí)驗(yàn)效率太低,同時(shí)因儀器設(shè)備老化、精度差及人為因素等引起的測(cè)量誤差也較大,使得實(shí)驗(yàn)效果不佳[6]。 另外 原用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)類型和方式較單一,實(shí)驗(yàn)類型以驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)為主,缺乏綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.2設(shè)備改造目標(biāo)

新的離心泵性能實(shí)驗(yàn)裝置是大型流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元,和其他單元共用水源和動(dòng)力系統(tǒng)。改造設(shè)計(jì)時(shí)為克服舊設(shè)備的一系列缺陷,按照科學(xué)合理、安全實(shí)用、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、綜合性強(qiáng)、手動(dòng)操作與自動(dòng)控制并存的設(shè)計(jì)思想和原則[4]，將流體機(jī)械設(shè)備的工藝流程和先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，既要滿足將離心泵性能實(shí)驗(yàn)改造為綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)備要求,又要滿足學(xué)生課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求以及相關(guān)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)的需要[7]。

2.3新實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

新實(shí)驗(yàn)裝置主要組成:1 L的不銹鋼水箱1臺(tái),立式懸臂式離心泵2臺(tái),電動(dòng)閥2個(gè),流量計(jì)2個(gè),變頻控制柜1臺(tái),pcl控制柜1個(gè),電腦1臺(tái),閥門、變送器和壓力表以及管路若干。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1　現(xiàn)離心泵性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置

新實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn):新設(shè)備綜合性強(qiáng),自動(dòng)化程度高,測(cè)量精度高,具體體現(xiàn)在以下幾方面:

(1) 采集方式多樣化。實(shí)驗(yàn)中的壓力、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)既可以通過相應(yīng)儀表等配件直接讀取,也可以采用測(cè)量精度較高的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),通過相應(yīng)的軟件顯示在實(shí)驗(yàn)操作界面,并自動(dòng)保存在規(guī)定的文件夾。

(2) 控制方式多樣化。管路流量大小可以通過調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開度大小和變頻控制離心泵轉(zhuǎn)速大小兩種調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)；電動(dòng)閥開度大小也可以通過就地控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種方式來實(shí)現(xiàn)。離心泵啟停和轉(zhuǎn)速大小同樣可實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種控制方式。實(shí)現(xiàn)了就地控制和遠(yuǎn)程控制、手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量相結(jié)合的測(cè)試手段。

(3) 計(jì)算方式多樣化。泵的揚(yáng)程、泵的軸功率、泵的效率既可以通過手動(dòng)測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù),并計(jì)算結(jié)果；也可以通過自動(dòng)測(cè)量采集數(shù)據(jù),通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理,并顯示在計(jì)算機(jī)界面上,自動(dòng)保存和打印

(4) 曲線繪圖多樣化。H-Q、N-Q及η-Q關(guān)系曲線既可以通過手動(dòng)測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)并計(jì)算,然后繪制其曲線；也可以通過自動(dòng)測(cè)量采集數(shù)據(jù),通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理 ,并通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制生成各種曲線。

(5) 實(shí)驗(yàn)選擇項(xiàng)目多樣化。新改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)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(lián)特性曲線和雙泵串聯(lián)的特性曲線,還能做管路特性曲線,增加了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綜合性能。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖如圖2所示,實(shí)驗(yàn)操作界面見圖3。

圖2　現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

圖3　現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作界面

(6) 可拆卸。為了拓展實(shí)驗(yàn)范圍,將泵兩端管路設(shè)計(jì)成可拆卸,便于更換不同型號(hào)的離心泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[8]。

2.4新設(shè)備的實(shí)踐體會(huì)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn),采用了先進(jìn)的測(cè)試手段,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理系統(tǒng),減少了實(shí)驗(yàn)中機(jī)械的重復(fù)操作步驟及人為操作誤差,大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間,提高了實(shí)驗(yàn)效率和精度[9],這樣就可以使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi),快速、方便直觀地測(cè)量出更多不同工況下離心泵的特性曲線,并對(duì)其進(jìn)行比較分析,從中得出結(jié)論,并用所學(xué)理論知識(shí)去解釋這些不同和變化。同時(shí)還可以將手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)與自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)比較,進(jìn)行誤差分析等[10 ]。

另外,實(shí)驗(yàn)中所需參數(shù)都能進(jìn)行手動(dòng)控制和測(cè)量,能進(jìn)行自動(dòng)控制和測(cè)量,既能做單泵的性能曲線，也能做雙泵并聯(lián)和雙泵串聯(lián)的特性曲線,還能做管路特性曲線,這樣大大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綜合性能,有利于綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)。綜合性實(shí)驗(yàn)因其內(nèi)容較多、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也多、涉及知識(shí)廣、實(shí)現(xiàn)方法多樣,實(shí)驗(yàn)過程中出錯(cuò)現(xiàn)象和異?，F(xiàn)象也多[10]，這樣有利于鍛煉學(xué)生思維的主動(dòng)性和發(fā)散性,加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的全面了解,同時(shí)提高了學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到顯著提高[11-12]。

3　結(jié)語

通過對(duì)離心泵性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綜合改造,提高了該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綜合性、操作性、多樣性及比較性。實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量一體化設(shè)備,以及單泵、雙泵串聯(lián)和雙泵并聯(lián)的多種測(cè)量模式。滿足了過程裝備與控制工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的要求,經(jīng)過幾屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐教學(xué),效果良好[13]。

References)

[1] 單立志,王銳.污泥比阻實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改造[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(8):62-64.

[2] 馬菊蓮. 大型綜合性流體機(jī)械與設(shè)備系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置研制[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(3):195-197.

[3] 李云，姜培正.過程流體機(jī)械[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[4] 管來霞.化工設(shè)備與機(jī)械[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[5] 張克危.流體機(jī)械原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[6] 陳煒,張其平.重新認(rèn)識(shí)與組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(10):357-359.

[7] 郭偉鋒.實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下創(chuàng)新能力培養(yǎng)的協(xié)同觀[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(10):14-16.

[8] 馬菊蓮. 過程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(10):135-137.

[9] 陳爽.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(8):36-38.

[10] 馬菊蓮. 研制大型綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)備 創(chuàng)建良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件[J]. 高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2009(1):67-69.

[11] 鄭家茂,熊宏齊. 圍繞研究型大學(xué)人才培養(yǎng),建設(shè)開放創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)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(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(2):83-84.

[13] 韓學(xué)軍,王偉.QCS003B型液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的改造[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),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(jí)工程師，主要從事過程裝備與控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究.E-mail： majl@Xsyu.edu.cn

G484;TH311

B

1002-4956(2016)10-0090-03