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H真空表------泵入口处的真空度,m;
H0------压力表和真空表测压口之间的垂直距离,H0=0.2m。
在计算中:
图1离心泵工作点原理图
式中p压力表——泵出口处的表压,Pa;
(实验读取的数据单位为kPa)
p真空表——泵入口处的真空度,Pa;
H0——两个压力表之间的垂直距离,H0=0.2m。
2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
式中Ne--------泵的有效功率,kw;
N--------泵的轴功率,kw;
He-------扬程,m;
--------流体密度,kg/m3。
由泵轴输入的离心泵的功率N轴为:
N轴=N电η电η转
式中N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。
2、孔板流量计孔流系数的测定
图2孔板流量计结构示意图
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d1,孔板锐孔直径为d0,流体流经孔板后形成的缩脉的直径为d2,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u1、u2与p1、p2,根据伯努利方程,不考虑能量损失,可得
或
由于缩脉位置随流速变化而变化,缩脉处截面积S2难以知道,孔口的面积已知,且测压口的位置在设备制成后不再改变,因此可用以孔板孔径处u0代替u2,考虑到流体因局部阻力造成的能量损失,用校正系数C校正后,有:
对不可压缩流体,根据连续性方程有:
整理得
令
,则可简化为
根据u0和S2,即可算出流体的体积流量VS为:
式中VS—流体的体积流量,m3/s;
Δp—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、测压头的位置、孔径与管径比和雷诺数共同决定,具体数值由实验测定。
当d0/d1一定时,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。
3、管路的特性曲线
离心泵工作在工作点上时,有
又
测定不同频率下,H与
的值,即可画出管路特性曲线。
三、装置和流程
1、水箱2、离心泵3、涡轮流量计4、管路切换阀
2、5、孔板流量计6、流量调节阀7、变频仪
——水温度/℃;
——水流量/m3·
h-1;
——压降/
——电功率/;
——出口表压/;
——入口表压/
实验介质:
水(循环使用)。
研究对象:
粤华型WB70/055型单级离心泵;
孔板流量计:
锐孔直径d=18.0mm,管道直径d=26.0mm。
仪器仪表:
涡轮流量计,LWGY-25型,0.6~10m3·
h-1,精确度等级0.5;
温度计,Pt100,0~200℃,精度等级0.2;
压差传感器,WNK3051型,-20~100kPa,精确度等级0.2,测势能差Δ;
显示仪表:
AI-708等,精度等级0.1;
变频仪:
西门子MM420型;
天平,0.01g;
量筒等。
控制系统:
控制电柜+电脑+数据采集软件,需380VAC+220VAC
四、实验步骤
1.关流量调节阀,打开除层流管以外的主管路切换阀,按电柜和变频仪绿色按钮启动水泵(本实验泵处于水槽下方,故无需灌泵);
2.固定转速(50或40Hz),通过调节阀改变水量从0到最大(流量梯度参照老师所给预习材料,以下同),记录数据完成泵性能实验;
3.固定调节阀开度(全开、0.75开度、0.5开度),通过变频仪调节水流量从较大(变频仪50Hz)到0.15m3/h左右,完成管路实验;
4.调变频仪为50Hz,关闭流量调节阀,关闭孔板管路以外的主管路切换阀,开孔板引压阀和压差传感阀排气,排气完毕在关闭压差传感器排气阀,手工记录零点ΔP0,最后通过调节阀改变水流量从0.6m3/h到最大,记录数据完成孔板实验;
5.切换阀门形成泵并联组合,频率均为50Hz,通过阀门调节水流量从0到最大,两组共同记录相关数据(功率等于两者之和,流量取平均值),完成并联实验(性能与管路无关,可打开层流管外单的主管路切换阀,实际操作打开比较好);
(不做实验)
6.实验结束,按变频仪红色按钮停泵,关闭流量调节阀、压差传感器排气阀,做好卫工作。
注意事项:
1.泵实验通过阀门改变流量,管路实验通过变频仪改变流量;
2.泵实验流量最小值等于0,管路实验两最小值大于0;
3.任何时刻,流量调节阀全关或全开后,反向旋转1/4圈;
4.两组泵实验和多组管路实验各记入软件同一表格,孔板压降波动到平均时记录;
5.以上实验用计算机采集数据可以多做一些点,便于找到最高效值。
五、实验数据记录及处理
1.离心泵特性Ⅰ实验数据表
序号
水流量qv/m3•h-1
出口表压p2/mH2O
入口表压p1/mH2O
电机功率P电/kW
水温度t/℃
扬程He/mH2O
轴功率Pa/kW
效率η
1
21.8
0.4
0.48
26.2
21.66
0.432
2
21.3
0.3
0.49
21.55
0.441
6.369853
3
1.02
20.7
0.2
0.51
25.9
21.38
0.459
12.90017
4
1.46
20.1
0.54
25.8
21.25
0.486
17.32958
5
2.03
19.3
-0.2
0.57
25.7
20.99
0.513
22.55199
6
2.51
18.6
-0.4
0.6
25.6
20.78
26.22481
7
3.02
18
-0.7
0.63
25.5
20.79
0.567
30.06306
8
3.51
17.2
-0.9
0.66
20.48
0.594
32.86398
9
3.97
16.5
-1.2
0.68
25.3
20.36
0.612
35.86251
10
4.5
15.6
-1.6
0.72
20.18
0.648
38.05247
11
4.97
14.7
-1.9
0.74
25.2
19.86
0.666
40.2493
参数:
ΔZ=0.2mH2O,d1=0.027m,d2=0.018m,t=25.7oC,ρ=996.775kg/m3
表1:
离心泵特性Ⅰ实验数据表
计算过程如下:
t=20oC时,ρ=998.2kg/m3,t=30oC时,ρ=995.7kg/m3;
内插法得:
t=(25.2+26.2)/2=25.7oC时,ρ=996.775kg/m3
以第二组数据为例:
N轴=N电η电η转=0.48*0.9*1=0.432KW
作图:
特征曲线
图中结果分析:
1,由泵的特性曲线得,扬程He随着流量的增大而减小,且呈2次方的关系;
由于仪器存在一定问题,测量难免存在一定误差。
2,分析效率曲线可知,该泵的最大效率为40%左右,此时的流量为4.97m3/h。
3,由泵的轴功率曲线,可以观察出,在流量为0时,仍有一定的功率存在,并且随着流量的增加迅速增加。
所以在启动泵时,应该关闭出口阀,避免启动时轴功率过大对电机造成损伤。
4,泵的效率提高时,相应的扬程会减小,这是设备的固有矛盾,根据不同的工艺需求和生产任务,应选择合适的工作区间保证泵的高效运作,必要时可以调节泵的工作曲线或更换离心泵。
3、管路特性曲线的测定:
频率/Hz
水流量/m3•h-1
水温度t/℃
出口流速u2/m•s-1
入口流速u1/m•s-1
需要能量H/mH2O
50
2.2
26
19.1
-0.3
2.402733
1.06788133
19.900356
45
2.02
15.5
2.206145754
0.98050922
16.151048
40.03
1.86
12.4
-0.1
2.031401536
0.90284513
12.910167
34.98
1.64
9.5
1.791128236
0.79605699
9.8626686
30
1.41
7.1
0.1
1.539933422
0.68441485
7.3201679
24.99
1.18
1.288738609
0.57277272
5.1841531
20.04
0.96
3.3
1.048465309
0.46598458
3.355225
14.96
0.65
1.9
0.709898386
0.31551039
1.8259096
10.04
0.42
0.9
0.458703573
0.20386825
0.8105924
0.16
0.174744218
0.0776641
0.2012489
参数:
ΔZ=0.2mH2O,d1=0.027m,d2=0.018m,T=25.9oC,ρ=996.7kg/m3
t=20oC时,ρ=998.2kg/m3,t=30oC时,ρ=995.7kg/m3;
t=(26.0+25.9)/2=25.95oC时,ρ=996.7kg/m3
管路特性曲线
1、管路的特性曲线为,由上图可知H与Q成二次方关系(曲线为抛物线),该式成立;
2、比较这条曲线,可得在同样的频率下,关小阀门,H增大;
3、H随流量的增加而增大,当流量为0时,H为一定值,这是由管路的固有势能损失决定的。
六、思考题
1.根据泵的工作原理,在启动前为何要关闭调节阀6?
答:
离心泵启动流量最小时,启动电流最小,有利于降低泵启动电流,而漩涡泵属于容积式泵,若启动时出口阀没有关闭,泵出口压力会很高,严重时回打坏选涡轮泵的叶轮。
2、当改变流量调节阀开度时,压力表和真空表的读数按什么规律变化?
当改变流量调节阀开度,流量增加,由柏努力方程可推知,压力表和真空表的读数都逐渐减小。
3、用孔板流量计测流量时,应根据什么选择孔口尺寸和压差计的量程?
应根据测量所要求的精度值和能量损失的要求,以及使孔流系数C0不随雷诺数Re改变这三个方面来选择孔口尺寸和压差计的量程。
4、试分析气缚现象与汽蚀现象的区别。
泵在运转时,吸入管路和泵的轴心常处于负压状态,若管路及轴封密封不良,则因漏入空气而使泵内流体的平均密度下降。
若平均密度下降严重,泵将无法吸上液体,此成为气缚现象;
而汽蚀现象是指泵的安装位置过高,使叶轮进口处的压强降至液体的饱和蒸汽压,引起液体部分气化的现象,汽蚀现象会使泵体振动并发生噪声,流量、扬程和效率都明显下降,严重时甚至吸不上液体还会对金属材料发生腐蚀现象,在这种情况下导致叶片过早损坏。
5.根据什么条件来选择离心泵?
1.先根据所输送的液体及操作条件来确定泵的类型;
2.根据所要求的流量与压头确定泵的型号;
3.若被输送的液体的粘度与密度与水相差较大时,应核算泵的特性参数:
流量、压头和轴功率。
七、参考资料:
1、杨祖荣主编.化工原理实验.北京:
化学工业出版社,2003
2、丁忠伟,刘丽英,刘伟.化工原理.北京:
化学工业出版社,2014
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- 特性 曲线