化工原理離心泵性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和改革

朱秋實(shí)，陳菲菲，薛靜文，郜楚楚，劉書群，王慧，劉理華

（淮北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽淮北235000）

離心泵性能實(shí)驗(yàn)是化工原理實(shí)驗(yàn)課程的重要部分，離心泵實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與《化工原理（上冊(cè)）》教材的流體流動(dòng)和流體輸送機(jī)械理論相結(jié)合。該實(shí)驗(yàn)是對(duì)離心泵理論的驗(yàn)證，使學(xué)生熟悉離心泵的構(gòu)造、主要特性和一些基本實(shí)驗(yàn)操作，提高其在未來工作中對(duì)設(shè)備的感知能力、工藝設(shè)備研發(fā)能力和將成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力。

與其他基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)不同，離心泵性能實(shí)驗(yàn)是化工專業(yè)的重要設(shè)備實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)：①研究工程問題。通過離心泵性能實(shí)驗(yàn)的操作，使學(xué)生深入思考管路因素，引出化工生產(chǎn)中的一系列工程問題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將工程實(shí)際問題作為研究對(duì)象，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。②分析設(shè)備結(jié)構(gòu)和特性。在教學(xué)中講解設(shè)備比工藝過程要困難得多，學(xué)生需要對(duì)設(shè)備有直觀的感性認(rèn)識(shí)，才能更加深刻理解設(shè)備的工作原理、性能參數(shù)和操作過程。

新工科背景下，為培養(yǎng)學(xué)生成為綜合應(yīng)用型人才，確定離心泵性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求：①掌握流體流動(dòng)和輸送機(jī)械的全面知識(shí)體系；②了解現(xiàn)階段化工廠離心泵的構(gòu)造、特性和基本操作情況；③提高理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力，將化工原理、物理化學(xué)和化工制圖等專業(yè)課程的理論內(nèi)容貫通，結(jié)合實(shí)際操作進(jìn)一步思考離心泵的理論問題；④研究實(shí)驗(yàn)步驟，給學(xué)生提供自行設(shè)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)的空間和機(jī)會(huì)。

1 離心泵性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)

1.1 實(shí)驗(yàn)部分

首先，讓同學(xué)們結(jié)合預(yù)習(xí)情況，熟悉離心泵性能實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）及流程；其次，講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和意義。在講解過程中，通過提問或者討論的形式和同學(xué)們進(jìn)行互動(dòng)，也可檢驗(yàn)其實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的情況；最后，演示實(shí)驗(yàn)操作。

①實(shí)驗(yàn)前的檢查和準(zhǔn)備，如檢查水槽內(nèi)的水是否保持在一定的液位，應(yīng)在水箱2/3 的位置；②離心泵的注水，打開流量調(diào)節(jié)閥和注水閥，泵殼內(nèi)應(yīng)注滿被輸送的液體；③啟動(dòng)離心泵的方法和步驟；④測(cè)量時(shí)記錄不同條件下的壓力、流量、功率和頻率等各表數(shù)值；⑤正確關(guān)泵；⑥注意定期清洗水箱，以免污圬過多。

圖1 離心泵實(shí)驗(yàn)儀裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Excel對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1-2]，輸入下列公式計(jì)算離心泵的揚(yáng)程H、軸功率、有效功率和效率，結(jié)果列于表1。

（1）泵的揚(yáng)程H：

式中：p出和p入分別為壓力表和真空表（負(fù)值）測(cè)得的讀數(shù)，Pa；(z出-z入)為壓力表與真空表測(cè)壓口之間的垂直高度之差，m；u出和u入分別為泵進(jìn)、出口管內(nèi)的流速，m/s；ρ為輸送液體的密度，kg/m3。

（2）泵的軸功率P：功率表測(cè)得的功率為電動(dòng)機(jī)的輸入功率。

泵的軸功率=電動(dòng)機(jī)的輸出功率

電動(dòng)機(jī)的輸出功率＝電動(dòng)機(jī)的輸入功率×電動(dòng)機(jī)的效率（60%），kW

（3）泵的效率η：

式中：η 為泵的效率，%；P 為泵的軸功率，kW；Pe為泵的有效功率，kW；He為泵的壓頭，m；qV為泵的流量，m3/s；ρ為水的密度，kg/m3。

表1 離心泵性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果（t 水=20℃）

圖2 離心泵的特性曲線

（4）利用origin 軟件[3-4]繪制離心泵的特性曲線（He-qv，N-qv，η-qv）見圖2。

2 離心泵性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法

2.1 開展線上實(shí)驗(yàn)資源，豐富實(shí)驗(yàn)課的預(yù)習(xí)

離心泵是一種應(yīng)用廣泛的流體輸送設(shè)備，掌握其構(gòu)造、性能、操作過程和原理對(duì)化工生產(chǎn)十分重要。接觸工程設(shè)備如果不預(yù)習(xí)就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)無從下手，因此學(xué)生應(yīng)該認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。首先，通過實(shí)驗(yàn)教材和線上相關(guān)的離心泵工作視頻材料，學(xué)生認(rèn)真填寫預(yù)習(xí)報(bào)告，熟悉離心泵實(shí)驗(yàn)的目的、要求和步驟，了解離心泵的構(gòu)造和操作方法；其次，在實(shí)驗(yàn)講解時(shí)，教師可以插入提問來檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，提高學(xué)生預(yù)習(xí)的積極性；最后，學(xué)生通過預(yù)習(xí)可以結(jié)合相關(guān)化工原理離心泵的理論知識(shí)，分析和預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)特性參數(shù)的變化。

2.2 豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在教學(xué)上，不僅要對(duì)化工原理的離心泵原理進(jìn)行講解，而且要將知識(shí)與化工廠實(shí)際流體輸送工藝過程相結(jié)合，向橫向和縱向拓寬學(xué)生的知識(shí)面，加深學(xué)生對(duì)工藝過程的理解，如流體的性質(zhì)、流體流動(dòng)的基本規(guī)律和阻力等理論知識(shí)，此外，對(duì)比實(shí)驗(yàn)室和工廠傳輸裝置的不同，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握不同類型的傳輸設(shè)備，如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)和真空泵等，以滿足各種生產(chǎn)需求。

2.3 加強(qiáng)問卷調(diào)查，增加師生交流

在實(shí)驗(yàn)開始前提問，既可以檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，也可了解學(xué)生課前存在的問題。在實(shí)驗(yàn)期間提問，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)知識(shí)不足，對(duì)其進(jìn)行思路引導(dǎo)，一邊實(shí)驗(yàn)一邊思考，鍛煉和提高學(xué)生的觀察、操作、分析和解決問題的能力，并對(duì)同學(xué)的疑問進(jìn)行交流解答。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)放實(shí)驗(yàn)問卷，收集學(xué)生對(duì)離心泵性能實(shí)驗(yàn)課程的感想和意見，了解學(xué)生對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)課程的建議，還可以不定期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化工設(shè)備和工藝過程的認(rèn)知，促進(jìn)課程的不斷改革[5-6]。

2.4 實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐性

化工原理實(shí)驗(yàn)不能離開實(shí)踐[7-8]。在實(shí)驗(yàn)中，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和已有的理論知識(shí)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)改變離心泵的頻率或流體的類型等，考查離心泵性能曲線的各自變化情況。此外，增加實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)驗(yàn)，根據(jù)教師的科研成果和學(xué)校的實(shí)際情況開設(shè)一些與流體輸送設(shè)備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生思考的積極性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新，如將離心泵性能、管路流體阻力、流體流動(dòng)形態(tài)的實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，進(jìn)一步考查化工原理流體流動(dòng)理論和實(shí)踐的結(jié)合能力。

2.5 實(shí)驗(yàn)成績(jī)

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)可以由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)考試四部分組成，其中，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生的一種基礎(chǔ)訓(xùn)練，可以為科技論文的寫作打下良好的基礎(chǔ)。首先，在實(shí)驗(yàn)教材中強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作方式和要求；其次，教師在評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)要嚴(yán)格把關(guān)，需具體指出報(bào)告存在的問題，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析和討論的水平和能力。

2.6 課時(shí)安排

化工原理9個(gè)實(shí)驗(yàn)，一共36學(xué)時(shí)。在周六可以增加開放實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)感興趣的相關(guān)化工設(shè)備和工藝實(shí)驗(yàn)，提高其開展科研工作的能力，用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐操作，并為其將來做好畢業(yè)論文打好基礎(chǔ)。

2.7 重視實(shí)驗(yàn)與其他學(xué)科知識(shí)的聯(lián)系

化工原理實(shí)驗(yàn)課程與化工專業(yè)其他學(xué)科理論密切相關(guān)，如學(xué)生可以通過化工原理課程中的流體流動(dòng)和輸送設(shè)備理論，理解離心泵性能實(shí)驗(yàn)原理和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作；利用化工制圖課程中裝備圖和工藝流程圖的讀圖和畫圖方法，掌握實(shí)驗(yàn)工藝流程和離心泵結(jié)構(gòu)；同時(shí)計(jì)算機(jī)課程中的office 軟件可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得所需數(shù)據(jù)，然后再用origin軟件繪制所需實(shí)驗(yàn)用圖，即檢驗(yàn)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用能力[3-4]。

2.8 化工仿真實(shí)驗(yàn)的輔助

為了更好地掌握離心泵的主要特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求不斷調(diào)整操作參數(shù)，確定離心泵特性曲線，因此，仿真實(shí)驗(yàn)特別重要。在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生既可以直觀地了解實(shí)驗(yàn)全部工藝過程，也可以進(jìn)行反復(fù)操作練習(xí)，并及時(shí)對(duì)錯(cuò)誤操作進(jìn)行糾正，大大提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)于教師實(shí)驗(yàn)課的講解也起到了事半功倍的效果。化工實(shí)驗(yàn)仿真使得實(shí)驗(yàn)更加生動(dòng)活潑，不僅可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，而且鍛煉其分析和解決實(shí)驗(yàn)問題的能力，努力培養(yǎng)學(xué)生成為綜合性人才。

2.9 建立化工教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的一體網(wǎng)站

網(wǎng)絡(luò)是傳遞和交流信息的有力平臺(tái)[9-10]。利用計(jì)算機(jī)建立化工教學(xué)網(wǎng)站，教師可以相互交流和分享化工理論課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的、內(nèi)容、方法以及化工實(shí)驗(yàn)相關(guān)視頻，提升自身的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)也可以登錄化工教學(xué)網(wǎng)站，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材里面的內(nèi)容，預(yù)覽相關(guān)設(shè)備圖片和實(shí)驗(yàn)視頻，提高預(yù)習(xí)效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)的積極性。

3 結(jié)束語

離心泵性能實(shí)驗(yàn)與工廠的工程實(shí)際操作緊密相關(guān)，要注重實(shí)際工程技術(shù)的教學(xué)特色，充分利用線上和仿真實(shí)驗(yàn)資源，提高預(yù)習(xí)效果，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，重視實(shí)驗(yàn)與其他學(xué)科知識(shí)的聯(lián)系，加強(qiáng)問卷調(diào)查，增加師生交流，建立化工教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的一體網(wǎng)站，提高化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，完成化工綜合人才培養(yǎng)目標(biāo)，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作，擁有扎實(shí)的化工理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)和提升自己的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和綜合能力，為后續(xù)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)提供有力幫助。