过程流体机械实验指导书1106.docx
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过程流体机械实验指导书1106
过程流体机械实验指导书
主编张慧敏龚德利
实验课程:
过程流体机械
适用专业:
过程装备与控制工程
上海应用技术学院
2013年6月
目录
实验一活塞式压缩机排气量测试实验……………………………………2
实验二活塞式压缩机示功图测试……………………………………………8
实验三离心泵特性曲线测试实验……………………………………………13
实验四离心泵汽蚀特性实验…………………………………………………20
活塞式压缩机排气量测试实验
一、实验目的
1、了解往复式一级V型移动式空气压缩机的结构、使用方法、维护、测量仪器等有一个初步的了解。
2、学习测量压缩机排气量的基本方法,分析不同排气压力时压缩机排气量、排气系数的变化。
3、学习测量压缩机的轴功率,并计算比功率。
二、实验原理和系统
1.排气量的测定
活塞式压缩机的排气量指单位时间内在额定转速下,最后一级排出的气量换算到吸入状态时的容积流量,以m3/min,m3/h表示。
测量方法有孔板法和喷嘴法或气体流量计。
本实验是按照GB/T3853-1998国家标准《容积式压缩机验收试验》,采用喷嘴法及气体流量计。
喷嘴法是一种间接测量方法,利用流体在流经排气管道的喷嘴时,截面在出口处局部收缩,流速增加,静压力降低,因而在节流装置前后产生压差,流动介质的流量越大,产生的压差越大,通过测量压差即可算出流量值。
压缩机排气量的测量装置如图1所示,实验用压缩机采用V—0.6/7型风冷移动式单级空气压缩机,其它还有储气罐、压力调节阀、喷嘴节流装置等。
喷嘴节流装置由低压箱、喷嘴、U形压差计或陶瓷式压力传感器、玻璃温度计或热敏电阻温度传感器组成。
气流流过压力调节阀后会出现旋涡,为了稳定气流安装了有多孔隔板和井字形格板的低压箱,用以疏导来流,低压箱尺寸、要求见图2。
为了精确测定喷嘴前后的压差。
在测孔圆周方向用了交角为90º的.U形压差计(也装了压力传感器,可将压力值通过转换以电流信号输出),测孔管不应突出低压箱内壁。
由于喷嘴前温度沿低压箱截面分布不均匀,温度计插入深度为1/2~1/3低压箱直径,同一截面用2~4个测孔,温度计管身与低压箱管壁绝缘。
喷嘴结构如图2,喷嘴尺寸按表1选取。
气体流量计为直接测量法,实验使用的压缩机采用W-1.25/8,见图3。
2.轴功率的测量
在动力用空压机中,通常用单位排气量所消耗的轴功率即比功率来衡量压缩机的经济性。
压缩机轴功率的测定可用机械测功器,也可用瓦特表等方法测量电机的输入功率,再考虑电机功率与传动效率即可得到轴功率。
本实验采用瓦特表测量。
三、实验装置
1、本实验的装置系统,如图1、2所示。
空气通过滤清器被吸入压缩机气缸进行压缩,压力从P1s升到P1d,进入储气罐内。
(1)温度测量
采用玻璃温度计或热敏电阻温度传感器。
(2)压力测量
大气压力采用YM3型空盒气压表,单位为mmHg柱。
其余压力可使用常用压力测量表(单位为105Pa)或陶瓷压力传感器以电流的形式输出。
图1排气量测试装置
图2标准喷嘴尺寸
表1喷嘴尺寸
图3W-1.25/8型压缩机装置
(3)功率测量
由于驱动压缩机的动力源系三相交流异步电动机功率也较小,因此直接用UFPW301-B三相功率变送器,输出4~20mA的信号(对应0~6Kw),通过计算机显示转换后的功率值。
(4)转速测量
压缩机主轴的转速测量采用接触测试方法。
采用HT-441型手持式数字转速表,直接显示出每分钟的转速n。
四、数据整理及公式
1.压缩机实测排气量
压缩机流经喷嘴的气量换算到进气状态的容积流量Q0
Q0=1129×10-8cd2T0(H/P0/T1)1/2m3/min
D为喷嘴直径,本实验用d=19.05mm,c为喷嘴系数,由图3及表2决定。
H为喷嘴前后的压力差(mmH2O),P0为实验地点的大气压力(kg/cm2),T0为压缩机吸气绝对温度(K),T1为喷嘴前气体绝对温度(K)。
对用气体流量计的方法则直接读出数据。
2.排气系数
λ=4Q0/(πD2SnZ)
式中:
D=90mm,S=55mm,Z=2,n—压缩机实测转速,rpm。
3.电机输入功率Ne与压缩机轴功率Nz
Nz=Ne·η电机·η传动
此处,η传动=0.97(皮带传动),η电机按GB1032-1985国家标准《三相异步电动机试验方法》确定,本电机效率按0.9选取。
4.比功率q
q=Nz/Q0kw/m3min-1
5.换算到标准状况的排气量、轴功率与比功率
(1)流量的修正
[Q]=Q0[n]/nm3/min
n为实测转速,[n]为额定转速。
(2)轴功率的修正
[Nz]=[P0][n]/(nP0)
[P0]=1.02kg/cm2
(3)比功率的修正
[q]=[Nz]/[Q]kw/m3min-1
(4)排气温度的修正
[Td]=[T0]Td/T0K
[T0]=293.2K,Td为实测排气温度。
五、实验步骤
1、首先熟悉一遍整个实验装置和测试系统。
2、实验人员分工:
控制电源、兼总计时、记录1人
调节排气阀、观察排气压力表1人
观察转速1人
观察出口压力表和温度计1人
控制计算机1人
3、检查电流表、电压表、功率表等接线情况。
4、打开计算机,双击ysj,进入实验程序开始测量,登陆界面如图4,输入姓名、学号,然后进行初始性能参数设置,界面如图5所示。
图4登陆界面
图5初始性能参数设置
5、用手盘动皮带,转动压缩机1~2圈,听有否不正常的金属碰撞声,如正常,关闭排气阀(粗调和微调)、放空阀,检查润滑系统,注意曲轴箱油面高度是否适宜。
合上三相闸刀开关,启动压缩机。
6、当压缩机压力上升至1kg/cm2时,缓缓开启排气阀,通过粗调和微调排气阀使压力始终保持在这个值,记下如图6所示界面所有测试参数。
7、逐渐关小排气阀,通过粗调和微调使其压力每次升高1kg/cm2,待压力稳定后,作一次全面记录,直至最终压力至4kg/cm2为止,共进行4次测量。
8、待全部测试完毕后,逐渐开启排气调节阀,至全开,同时打开放空阀。
9、当压力降至小于0.5kg/cm2即可停止压缩机运转。
六、注意事项
1、在进入实验室前,同学必须充分预习此实验指导书及过程流体机械课程中相关内容。
2、进入实验室后必须遵守实验室规则,听从教师指导,按操作步骤进行,仪表旋钮非经老师允许不得任意拨动。
3、由于压缩机转速、温度都很高,一定要做到安全操作,以防事故发生。
4、观察仪表读数时,一定要力求准确,尤其是首级排气压力由于波动较大,只能按指针摆动幅度取齐平均值。
(注意压力表读数为表压,须加上1kg/cm2化为绝对压力)
5、实验结束后要整理现场,保持整洁。
6、实验数据整理计算,图表绘好后,将实验报告由课代表及时交过程装备实验室批阅,分数将计入期末总成绩。
图6测量界面
压缩机示功图测试
一、实验目的
1、了解往复式两级V型移动式空气压缩机的结构和使用方法。
2、掌握压缩机性能测试的一般方法。
二、实验内容
1、测定压缩机的转速n;各级进排气压力PI1、PI2、PII1、PII2和温度TI1、TI2、TII1、TII2(空压机PI1=Pa、TI1=T0,对本实验去PII1=PI2);电机输入功率N,压缩机示功图(P-V图);以及当天大气压力Pa、室温T0、湿度φ。
2、计算各级压缩机过程多变指数m、压缩机轴功率N。
3、绘制压缩机末级排气温度----排气压力、轴功率----排气压力性能曲线图和示功图,计算指示功率。
三、实验装置
图1示功图测量装置图
1温度传感器2压力传感器3电机功率测量4转速与止点位置传感器
1.本实验的装置系统,如图1、2所示。
实验用压缩机采用V—0.3/10型风冷移动式二级空气压缩机和W-1.25/8型风冷一级压缩空压机。
对V—0.3/10型压缩机,空气自滤清器吸入第一级气缸进行压缩后(压力从PI1升到PI2),在中间冷却气内进行风冷(有压缩机主轴上的皮带轮鼓风),然后进入第二级气缸再次进行压缩,压力从PII1上升到PII2,进入贮罐内。
对W-1.25/8型风冷一级压缩空压机(图3),通过一级压缩后直接进入储气罐。
2.温度、湿度测量:
采用玻璃温度计、温度变送器和湿度计。
3.压力测量:
大气压力采用YM3型空盒气压表,单位为mmHg柱。
其余压力全部使用常用压力测量表和压力变送器。
4.功率测量:
由于驱动压缩机的动力源系三相交流异步电动机,因功率也较小,可直接用UFPW301-B型三相功率变送器测量。
输入的轴功率按下式计算
(kw)
式中η包括电机和传动效率,可近似地取0.8。
5.转速测量:
压缩机主轴的转速测量采用无接触测试方法。
在压缩机飞轮上用金属箔片分成若干等分,然后通过HT-441型光电传感器,直接显示出每分钟的转速n,或将光电传感器信号直接送入微机处理,显示出每分钟的转速n。
6.示功图测量:
本实验中的示功图测量采用如下方法进行:
●压力信号通过压电传感变送器测量,用微机板卡或单片微机采集,每转采集数据≥360个。
●行程位置信号,通过光电传感器检测止点位置,来确定压力与位移的关系。
●将上述两个数据在上位机上叠加后,即可显示示功图,如图2。
为了使图形尽可能的稳定,上述测试仪器均采用稳压电源,并使整个测试系统单一接地。
测试的示功图是第一级或末级气缸示功图。
7.多变指数m:
根据各级气缸进出口的压力和温度,可求出各级气缸在压缩过程中的多变指数m的近似值。
计算公式如下:
四、实验步骤
1、首先熟悉整个实验装置和测试系统。
2、人员分工:
控制电源、兼总计时、记录1人
调节排气阀、观察排气压力表1人
观察转速1人
观察第一级出口压力表和温度计1人
观察第二级进口温度,出口温度,大气参数1人
测试示功图计算机界面操作1人
图2示功图的操作界面及其显示
3、打开示功图测试软件,在实验者的位置写入学生姓名,点击串口启动,开始实验。
4、用手盘动皮带,转动压缩机1~2圈,听有否不正常的金属碰撞声,如正常,关闭排气阀,启动压缩机。
若要记录启动时的示功图情况,此时点击开始记录,待数据稳定后可保存图片,然后暂停纪录。
同时可回放已记录数据,若发现数据问题,可重新记录数据。
5、待末级压力上升至0.2Mpa时,缓缓开启排气阀,调节压力,使其始终保持在0.2Mpa,并计时开始,当运转20分钟后,记下所有测试参数。
6、此后每次压力升高0.1Mpa,待压力稳定后运转10分钟,再作一次全面记录,直至最终压力至0.7Mpa为止,共进行6次测量。
7、在做上述实验时,要注意观察示功图是否正常,若不正常应及时找出原因,排除故障,若正常应将数据保存下来。
8、待全部测试完毕后,即可停止压缩机运转,拉下闸刀开关。
9、将图打印,计算指示功率。
五、注意事项
1、在进入实验室前,应充分复习实验指导书,及过程流体机械课程中相关内容。
2、进入实验室后必须遵守实验室规则,听从教师指导,按操作步骤进行操作,仪表旋钮非经老师允许不得任意拨动。
3、由于压缩机转速、温度都很高,一定要做到安全操作,以防事故发生。
4、观察仪表读数时,一定要力求准确,尤其是首级排气压力由于波动较大,要等数据稳定后再记录。
(注意压力表读数为表压,绝对压力须加上1kg/cm2)
5、实验结束后要整理现场,保持整洁。
6、实验数据整理计算,图表绘好后,将实验报告由课代表及时交过程装备实验室批阅。
离心泵特性曲线测试实验
一、实验目的
1.通过实验掌握离心泵特性曲线的测试方法。
2.了解水泵的结构与操作方法。
3.了解水泵的性能曲线,验证离心泵的理论。
4.熟悉选取水泵时应提供的技术数据,了解离心泵工况点的确定。
5.了解测试设备的原理及流量、压力的控制方法。
二、实验装置介绍
实验装置如图1所示,为开式试验系统,是按照国标GB3216-82设计的。
本测试是在IS50-32-200、IS50-32-125、IBC20-12-125离心泵上进行,整个装置由泵、电机、水箱、进口电动调节阀、出口电动调节阀、进水管、出水管、进口压力传感器、出口压力传感器、涡轮流量计、功率测试仪、转速测量探头、液位计、单片机、微机等组成。
a)IS50-32-200实验装置
1—地基,2—电机功率测试,3—电机,4—测速传感器,5—泵,6—出口压力传感器,7—出口电动调节阀,8—进口压力传感器,9—控制柜,10—蜗轮流量计,11—水箱,12—液位计,13—进口电动调节阀
b)IS50-32-125、IBC20-12-125实验装置
图1离心泵性能测试装置
三、实验原理及计算公式
离心泵性能测试的参数包括流量Q、进口压力P1、出口压力P2、电机输出功率Nm、泵转速n。
离心泵性能曲线包括:
流量Q—扬程H曲线,流量Q—轴功率Nz曲线,流量Q—效率η曲线。
测试时,水经过水箱、进口阀、泵、出口阀、流量计再回到水箱,通过调小出口电动阀,使流量从最大点向零变化,直至出口阀关死,此时扬程由小变大,具体计算公式如下:
(1)
(2)
(3)
式中:
H——扬程,mH2O;
Q——流量,m3/s;
Nz——轴功率,kw;
Nm——电机输入功率,kw;
P1、P2——进出口压力,Pa;
η——泵效率;
Z——压力传感器的垂直位差,m,本装置为0.29m;
d1、d2——进出口直径,m,本装置为0.05m、0.038m;
ηm——电机效率;
ρ——密度,kg/m3;本装置为1000kg/m3;
利用上述公式计算时,离心泵的扬程可通过进出口压力值、泵的进出口尺寸、介质、测压点位置计算出来。
功率计算中,电机的效率可由电机效率曲线查取。
当测试时的转速与泵的额定转速不相等时,须进行修正。
修正公式如下:
额定转速下的流量:
额定转速下的扬程:
额定转速下的轴功率:
四、参数测量方法及控制
1.流量
流量计主要有涡轮流量计、电磁流量计、孔板流量计及水槽式流量计等,本装置采用涡轮流量计。
涡轮流量计主要由壳体、前导向架、轴、叶轮、后导向架、压紧圈和带磁电感应转换器的放大器等组成。
叶轮上均匀分布着叶片,液体流过时冲击叶片使叶片产生旋转。
当被测流体流经过传感器时,传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转,周期性地改变磁电感应转换系统中的磁阻值,使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号。
在一定的流量范围下,叶轮转速与流体流量成正比,即电脉冲数量与流量成正比。
该脉冲信号经放大器放大后,送至模数转换器经转换后输出标准信号或由单片微机直接记录其脉冲频率并转换成流量显示。
在测量范围内,传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比,其比值称为仪表常数,以e表示。
每台传感器经过实际标定测得仪表常数值。
当测出脉冲的频率和某一段时间的脉冲总数N后,分别除以仪表常数e便可求得瞬时流量q和累积流量Q。
即:
q=f/e
Q=N/e
2.压力
压力的测量可通过压力表直接显示,也可通过压力传感器进行测量。
传感器的敏感材料有许多种,主要有以硅材料为主的半导体材料、石英材料、精密陶瓷材料、高分子材料、酶以及新的复合材料等。
这些敏感材料与介质接触时,通过电阻、电容、电感或位移的变化,使相应的输出电流或电压变化,从而获得压力变化值。
本装置采用的传感器敏感材料为精密陶瓷,可将压力的变化转变为陶瓷表面电荷的变化,再经过电容转变为电压的变化,电压的变化与压力的变化成正比,所以该元件测压时线性十分好,其测量范围广,这类传感器线性度为±0.5%,重复和迟滞精度为±0.2%,误差小,反应快。
它须输入24V直流电压,根据压力大小,输出信号为4~20mA的电流,信号送至模数转换器。
3.泵转速
泵转速测量通过在联轴节间安装一有30个均匀小孔的金属薄片以及固定在支架上的光电传感器,将转速信号变成脉冲信号(一转30个脉冲),并同时计时可得频率f(个/s),此信号转换成标准电流输入模数转换器,或由单片微机直接记录其脉冲频率,并转换成转速(n=2f)显示。
4.电机输出功率
电机输出功率的测量基本上有两种方法;可通过天平秤法测电机定子与转子的驱动力矩,从而获得电机的输出功率;或通过测量电机的输入功率及电机的效率曲线,获得电机的输出功率。
本装置采用的是第二种方法。
选用了LW-301B型的有功功率测量仪。
5.电动调节阀
本装置采用西门子带手动的电动调节阀,它包括VVG41.40(VVG41.50)型阀门及SQX62型执行器。
它通过手动或自动输入给执行器的电压信号0~10V来控制阀门开度的大小以改变流体流量的大小,执行器同时又输出4~20MA反馈信号,代表阀体的实际开度大小。
微机通过闭环调节来实现自动调节流量、吸入真空度、保持恒压或恒流操作。
6.控制原理
本装置采用TLC2543多路模数A/D转换器处理来自压力传感器、涡轮流量计、功率测试仪、转速变送器、进出口电动阀等输入信号。
TLC2543是一片具有11路模拟量输入端12位开关电容逐次逼近的模数转换器,该器件有三个控制输入端:
片选(CS)、输入/输出时钟(I/OCLOCK)以及地址输入端(DATAINPUT)。
它还可以通过一个串行的3态输出端(DATAOUT)与单片微机处理器通讯,输出转换结果。
本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压,具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。
开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差,工作温度范围为0~85℃。
TLC2543将选通开关和模数转换器的功能集于一身,大大简化了电路,使微处理器的工作量相应的减小。
数据的采集处理及仪表箱上数据显示通过单片微机完成。
本装置的控制采用大家都熟悉的8位单片微机89C52,其控制测试原理图如图2所示。
图2微机控制原理图
89C52是ATMEL公司继89C51系列之后推出的功能更强、速度更快的高档单片微型计算机系列,更适应用于各种复杂的控制系统、智能化系统。
它与Intel公司的MCS—51系列产品完全兼容(8751、87C51)。
为保证单片微机工作的可靠性、准确性,控制系统选用了美国Xicor公司生产的芯片X25045,它将三种功能:
电压监控、看门狗定时器和EEROM组合在单个芯片之内,既保证了单片微机的正常工作又能存储512字节的设定参数。
单片微机的可靠性还在于电器上通过光电隔离器与输入、输出、通讯等电器隔离,阻止了外部干扰信号进入微机系统内部造成死机失控。
面板的参数显示采用了多片高性能、低价格LED显示驱动器MAX7219。
其接口采用流行的同步串行外设接口(SPI),每一片可同时驱动8位LED(或64只独立LED)。
五、实验步骤
1.将水箱底部的出水阀关闭,打开水箱进水阀,对水箱注水,当水箱液位达到所须值后,关闭水箱进水阀。
2.检查水泵的机械情况,油箱是否有油,泵轴是否转动自如。
3.检查电机及电动调节阀、微机、单片机等电源及接线情况,控制柜面板如图3所示。
控制柜下部的一排按钮用于手动操作,中间面板为恒压或恒流自动操作及特
图3控制柜面板
性参数显示,上部为压力与电流显示。
设置工作状况为手动,检查各个显示值是否正确,打开总电源。
4.关闭离心泵泵体下部的放水阀,调节进出口阀下面的电位器,使泵的出口电动调节阀处于微开状态,完全打开泵的进口阀,使泵内注水。
5.启动电机,打开泵的出口阀,观察水泵是否出水。
待水泵运转正常后,将出口阀开至最大,检查各个仪表的显示是否正常。
6.调节出口阀的电位器,在最大流量与零之间选8~10个工况点,并尽量使两个点之间的流量间距相等。
对每个工况点,应记录进口压力、出口压力、流量、转速、功率的读数。
7.测试完毕后,将出口阀开到微开状态,关闭电机,使泵停止工作。
8.设置控制柜下部的按钮为自动,启动电机,将泵的流量设置为26m3/hr,检查泵出水及各个仪表显示是否正常。
记录进口压力、出口压力、流量、转速、功率的读数。
设置流量以3m3/hr为等差数列,分别依次将流量递减,直至2m3/hr,记录上述数据。
测试完毕后,关闭泵电机。
9.关闭总电源,关闭泵进口阀,打开泵体下部的放水阀。
离心泵汽蚀特性实验
一、实验目的
1.通过实验掌握离心泵汽蚀特性曲线的测试方法。
2.了解水泵的结构与操作方法。
3.了解水泵的汽蚀性能曲线,验证离心泵的理论。
4.熟悉汽蚀数据对选取水泵的影响,加深对汽蚀现象及汽蚀特性的认识。
5.了解测试设备的原理及流量、压力的控制方法。
二、实验装置介绍
本实验装置见离心泵特性曲线测试实验图1。
三、实验原理及计算公式
离心泵汽蚀性能曲线为流量Q——汽蚀余量NPSHc曲线。
测试时,设定8-10个流量,在每个流量下分别调小进口节流阀,测量调节后的扬程,当扬程突然明显下降时,即发生汽蚀,如图2所示,计算扬程下降(2+K/2)H%处的有效汽蚀余量NPSHa,即为必须汽蚀余量NPSHc,K为型式数。
其计算公式如下:
(4)
(5)
式中:
pv——液体工作温度下的汽化压力;
Ho(m)(2+K/2)Ho/100
NPSHao(m)
NPSHc
图2临界汽蚀余量的确定
当所测转速与额定转速不等时,上述参数须进行修正。
额定转速下的流量:
额定转速下的扬程:
额定转速下的轴功率:
额定有效汽蚀余量
允许汽蚀余量
四、实验步骤
1.将水箱底部的出水阀关闭,打开水箱进水伐,对水箱注水,当水箱液位达到所须值后,关闭水箱进水阀。
2.检查水泵的机械情况,油箱是否有油,泵轴是否转动自如。
3.检查电机及电动调节阀、微机、单片机等电源及接线情况,控制柜面板如图3所示。
控制柜下部的一排按钮用于手动操作,中间面板为恒压或恒流自动操作及特性参数显示,上部为压力与电流显示。
设置工作状况为手动,检查各个显示值是否正确,打开总电源。
4.关闭离心泵泵体下部的放水阀,调节进出口阀下面的电位器,使泵的出口电动调节阀处于微开状态,完全打开泵的进口阀,使泵内注水。
5.启动电机,打开泵的出口阀,观察水泵是否出水。
待水泵运转正常后,将出口阀开至最大,检查各个仪表的显示是否正常。
6.调节出口阀的电位器,在最大流量与零之间选6~8个工况点,并尽量使两个点之间的流量间距相等。
对每个固定流量下的工况点,调节进口阀使泵的进口真空度改变,每调节一次进口阀,记录进口压力、出口压力、流量、转速、功率的读数。
当扬程、功率下降时,真空度的调节应多设几个点,以保证临界汽蚀余量的准确确定。
7.测试完毕后,将出口阀开到微开状态,关闭电机,使泵停止工作。
8.设置控制柜下部的按钮为自动,启动电机,将泵的流量设置为23m3/hr,检查泵出水及各个仪表显示是否正常。
设置进口阀开度,使真空度依次递减,记录进口压力、出口压力、流量、转速、功
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