化工原理离心泵性能实验的教学和改革

朱秋实，陈菲菲，薛静文，郜楚楚，刘书群，王慧，刘理华

（淮北师范大学化学与材料科学学院，安徽淮北235000）

离心泵性能实验是化工原理实验课程的重要部分，离心泵实验教学应与《化工原理（上册）》教材的流体流动和流体输送机械理论相结合。该实验是对离心泵理论的验证，使学生熟悉离心泵的构造、主要特性和一些基本实验操作，提高其在未来工作中对设备的感知能力、工艺设备研发能力和将成果转化为生产力的能力。

与其他基础化学实验的特点不同，离心泵性能实验是化工专业的重要设备实验，其实验教学特点：①研究工程问题。通过离心泵性能实验的操作，使学生深入思考管路因素，引出化工生产中的一系列工程问题。在实验教学中将工程实际问题作为研究对象，提高学生分析和解决问题的能力。②分析设备结构和特性。在教学中讲解设备比工艺过程要困难得多，学生需要对设备有直观的感性认识，才能更加深刻理解设备的工作原理、性能参数和操作过程。

新工科背景下，为培养学生成为综合应用型人才，确定离心泵性能实验教学要求：①掌握流体流动和输送机械的全面知识体系；②了解现阶段化工厂离心泵的构造、特性和基本操作情况；③提高理论和实践相结合的能力，将化工原理、物理化学和化工制图等专业课程的理论内容贯通，结合实际操作进一步思考离心泵的理论问题；④研究实验步骤，给学生提供自行设计部分实验的空间和机会。

1 离心泵性能实验的教学

1.1 实验部分

首先，让同学们结合预习情况，熟悉离心泵性能实验装置（图1）及流程；其次，讲解实验目的、原理和意义。在讲解过程中，通过提问或者讨论的形式和同学们进行互动，也可检验其实验预习的情况；最后，演示实验操作。

①实验前的检查和准备，如检查水槽内的水是否保持在一定的液位，应在水箱2/3 的位置；②离心泵的注水，打开流量调节阀和注水阀，泵壳内应注满被输送的液体；③启动离心泵的方法和步骤；④测量时记录不同条件下的压力、流量、功率和频率等各表数值；⑤正确关泵；⑥注意定期清洗水箱，以免污圬过多。

图1 离心泵实验仪装置图

1.2 实验结果

利用Excel对实验数据进行处理[1-2]，输入下列公式计算离心泵的扬程H、轴功率、有效功率和效率，结果列于表1。

（1）泵的扬程H：

式中：p出和p入分别为压力表和真空表（负值）测得的读数，Pa；(z出-z入)为压力表与真空表测压口之间的垂直高度之差，m；u出和u入分别为泵进、出口管内的流速，m/s；ρ为输送液体的密度，kg/m3。

（2）泵的轴功率P：功率表测得的功率为电动机的输入功率。

泵的轴功率=电动机的输出功率

电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率（60%），kW

（3）泵的效率η：

式中：η 为泵的效率，%；P 为泵的轴功率，kW；Pe为泵的有效功率，kW；He为泵的压头，m；qV为泵的流量，m3/s；ρ为水的密度，kg/m3。

表1 离心泵性能实验结果（t 水=20℃）

图2 离心泵的特性曲线

（4）利用origin 软件[3-4]绘制离心泵的特性曲线（He-qv，N-qv，η-qv）见图2。

2 离心泵性能实验教学改革方法

2.1 开展线上实验资源，丰富实验课的预习

离心泵是一种应用广泛的流体输送设备，掌握其构造、性能、操作过程和原理对化工生产十分重要。接触工程设备如果不预习就会对实验无从下手，因此学生应该认真预习实验。首先，通过实验教材和线上相关的离心泵工作视频材料，学生认真填写预习报告，熟悉离心泵实验的目的、要求和步骤，了解离心泵的构造和操作方法；其次，在实验讲解时，教师可以插入提问来检验学生的预习情况，提高学生预习的积极性；最后，学生通过预习可以结合相关化工原理离心泵的理论知识，分析和预计实验特性参数的变化。

2.2 丰富的实验内容

在教学上，不仅要对化工原理的离心泵原理进行讲解，而且要将知识与化工厂实际流体输送工艺过程相结合，向横向和纵向拓宽学生的知识面，加深学生对工艺过程的理解，如流体的性质、流体流动的基本规律和阻力等理论知识，此外，对比实验室和工厂传输装置的不同，引导学生认识和掌握不同类型的传输设备，如压缩机、鼓风机、通风机和真空泵等，以满足各种生产需求。

2.3 加强问卷调查，增加师生交流

在实验开始前提问，既可以检验学生的预习情况，也可了解学生课前存在的问题。在实验期间提问，可以及时发现学生的实验知识不足，对其进行思路引导，一边实验一边思考，锻炼和提高学生的观察、操作、分析和解决问题的能力，并对同学的疑问进行交流解答。在实验结束后，发放实验问卷，收集学生对离心泵性能实验课程的感想和意见，了解学生对化工原理实验课程的建议，还可以不定期进行实验探讨，加强学生对化工设备和工艺过程的认知，促进课程的不断改革[5-6]。

2.4 实验课的实践性

化工原理实验不能离开实践[7-8]。在实验中，教师可以鼓励学生在完成实验的基础上，根据实验结果和已有的理论知识，强化实验结果，进行部分实验的设计，如设计改变离心泵的频率或流体的类型等，考查离心泵性能曲线的各自变化情况。此外，增加实验室开放实验，根据教师的科研成果和学校的实际情况开设一些与流体输送设备相关的实验，提高学生思考的积极性，促进实验内容的更新，如将离心泵性能、管路流体阻力、流体流动形态的实验相互结合，进一步考查化工原理流体流动理论和实践的结合能力。

2.5 实验成绩

学生的实验成绩可以由实验预习、实验操作、实验报告和实验考试四部分组成，其中，撰写实验报告是学生的一种基础训练，可以为科技论文的写作打下良好的基础。首先，在实验教材中强调实验报告的写作方式和要求；其次，教师在评阅实验报告时要严格把关，需具体指出报告存在的问题，重点考查学生对实验的分析和讨论的水平和能力。

2.6 课时安排

化工原理9个实验，一共36学时。在周六可以增加开放实验室，鼓励学生自行设计感兴趣的相关化工设备和工艺实验，提高其开展科研工作的能力，用理论知识指导实践操作，并为其将来做好毕业论文打好基础。

2.7 重视实验与其他学科知识的联系

化工原理实验课程与化工专业其他学科理论密切相关，如学生可以通过化工原理课程中的流体流动和输送设备理论，理解离心泵性能实验原理和指导实验操作；利用化工制图课程中装备图和工艺流程图的读图和画图方法，掌握实验工艺流程和离心泵结构；同时计算机课程中的office 软件可以对实验数据进行处理，获得所需数据，然后再用origin软件绘制所需实验用图，即检验了学生的计算机软件应用能力[3-4]。

2.8 化工仿真实验的辅助

为了更好地掌握离心泵的主要特性，应根据实际需求不断调整操作参数，确定离心泵特性曲线，因此，仿真实验特别重要。在仿真实验中，学生既可以直观地了解实验全部工艺过程，也可以进行反复操作练习，并及时对错误操作进行纠正，大大提高了学生们的学习兴趣和实验感性认识，对于教师实验课的讲解也起到了事半功倍的效果。化工实验仿真使得实验更加生动活泼，不仅可以提高学生的实验操作能力，而且锻炼其分析和解决实验问题的能力，努力培养学生成为综合性人才。

2.9 建立化工教学和实验的一体网站

网络是传递和交流信息的有力平台[9-10]。利用计算机建立化工教学网站，教师可以相互交流和分享化工理论课和实验教学的目的、内容、方法以及化工实验相关视频，提升自身的教学和实验能力。学生进行实验预习时也可以登录化工教学网站，根据实验教材里面的内容，预览相关设备图片和实验视频，提高预习效果，调动学生做好实验的积极性。

3 结束语

离心泵性能实验与工厂的工程实际操作紧密相关，要注重实际工程技术的教学特色，充分利用线上和仿真实验资源，提高预习效果，丰富实验内容，重视实验与其他学科知识的联系，加强问卷调查，增加师生交流，建立化工教学和实验的一体网站，提高化工实验教学质量，完成化工综合人才培养目标，使学生掌握实验操作，拥有扎实的化工理论基础，培养和提升自己的设计、创新和综合能力，为后续大学生创新创业设计提供有力帮助。