基于計算機軟件的化工原理實驗數據處理方法探究

王玉清 王子蒙 蘭大為 丁 健 赫文秀

（內蒙古科技大學化學與化工學院，內蒙古 包頭 014010）

化工原理實驗以化工單元操作原理、設備等為主要內容，將理論知識與化工生產實踐緊密結合，具有顯著的工程特點[1]。與化學實驗相比，化工原理實驗操作較簡單，但是數據處理方面涉及較多概念、公式、圖表，計算起來較復雜。學生往往采用手工計算，不僅費時費力，而且處理結果易受人為因素影響，波動較大，數據準確性差。因此大多數學生對煩雜的實驗數據處理過程都存在排斥心理，不利于改善化工原理實驗教學的效果[2]。

Microsoft Excel是Office軟件的一個控件，具有強大的數據計算和繪圖分析功能，可方便地繪制各種專業圖表，并能提供豐富的函數。在化工計算中可以很好地代替煩雜的手工重復計算和繪制曲線。另外，Origin軟件也是廣泛應用于科研領域的一類數據分析和數據制圖軟件，不僅具有強大的數據繪圖功能，還提供了多種曲線的擬合方法[3]。該文結合化工原理實驗中離心泵單泵和雙泵串、并聯性能測定實驗中的數據處理，介紹離心泵單泵和雙泵串、并聯實驗裝置與方法，并利用Microsoft Excel和Origin軟件研究離心泵性能測定實驗數據處理方法，總結實驗規律。

1 離心泵性能測定實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

該實驗裝置共配備2臺同型號離心泵，可以進行單泵和雙泵串、并聯性能測定實驗，利用渦輪流量計控制并顯示流量。離心泵型號為WB70/055。真空表測壓位置管內徑d入=0.042m，壓強表測壓位置管內徑d出=0.042m。真空表與壓強表測壓口間的垂直距離h0=0.47m，實驗管路d=0.042m，電機效率為60%。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗步驟

調節管路，做好相應的實驗準備，通過改變出口閥門開度，調節渦輪流量計流量。測取從最大開度開始，改變閥門開度，從閥門全開至微開，每次改變開度時，流量間隔為1m3/h。當流量穩定時，記錄流量、壓力表、真空表和功率表等讀數，直至流量降至最小為止。

1.2.2 實驗設計

采用Microsoft excel軟件對原始數據進行匯總整理并計算，利用Origin軟件繪制離心泵特性曲線散點圖，運用多種擬合方法分析雙泵串、并聯與單泵性能測定實驗結果，并總結實驗規律。

1.3 性能參數計算

離心泵性能測量實驗是選取一個固定型號的泵，使離心泵在設定轉速下運轉，通過調節管路閥，改變管道內流體的流量，測定不同流量下的揚程、電機功率和效率等參數值，即H-Q、N-Q、η-Q間的關系。其中，H、N、η的求算方法如下。

1.3.1 揚程H的求算

在離心泵的吸入口和排出口間列伯努利方程，可得公式（1）。

式中：Z出、Z入—泵進口、出口高度，m；P出、P入—離心泵進口、出口表壓，MPa；u—水的流速，m/s；ρ—水密度，kg/m3。

將實驗中測得的（Z出、Z入）、（P出、P入）的值以及計算所得的u入、u出代入公式（1），求出H值。

1.3.2 泵的軸功率N的求算

實驗裝置中的功率表測量功率為電機的輸入功率。由于離心泵是由電機直接驅動的，因此傳動效率可視為1，電機的輸出功率也就等于泵的軸功率。求算過程如下：泵軸功率N=電機輸出功率，kW；電機輸出功率=電機輸入功率×電機效率；泵軸功率N=功率表讀數×電機效率，kW。

1.3.3 η的求算

η的求算如公式（2）～公式（3）所示。

式中：Z出、Z入—泵進口、出口高度，m；P出、P入—離心泵進口、出口表壓，MPa；η—電機效率；N—泵的軸功率，kW；Ne—泵的有效功率，kW；H—泵的揚程，m；u—水的流速，m/s；Q—水流量，m3/s；ρ—水密度，kg/m3。

最后根據測量和計算結果，選取適當方法繪制出離心泵的特性曲線。

2 結果與分析

雖然離心泵性能測量實驗的操作過程比較簡單，但實驗需要測量的數據較多，計算過程也比較復雜，因此合理選擇計算機軟件是幫助學生高效、準確完成數據處理的關鍵。該文實驗采用Microsoft Excel軟件進行數據計算，利用Origin軟件繪制離心泵特性曲線散點圖，并對結果進行擬合。

2.1 基于Excel軟件進行數據處理與分析

單泵實驗記錄和數據處理結果見表1，雙泵串聯實驗記錄和數據處理結果見表2，雙泵并聯實驗結果見表3。可以看出，數據較多，計算煩雜，人工處理比較耗時。將與該文實驗相關的公式（1）～公式（3）編輯入Microsoft Excel軟件內，可得到單泵、雙泵串聯、并聯性能測定的實驗參數H、N、η。從表1可以看出，隨著出口閥開度的增大，流量逐漸增加，離心泵入口壓力逐漸增加，出口壓力逐漸降低，功率先增加、后下降，揚程逐漸下降，軸功率先增加、后下降，效率先增加、后下降。當流量達到6.22m3/h時，單泵效率最優，為55.10%。

表1 單泵實驗記錄和數據處理結果（t=24.6℃）

表2 雙泵串聯實驗記錄和數據處理結果（t=25.9℃）

表3 雙泵并聯實驗結果（t=28.1℃）

在實際生產中，當單臺離心泵不能滿足輸送任務要求時，可將幾臺離心泵加以組合。離心泵的組合方式原則上有2種，即串聯和并聯。當2臺型號相同的泵串聯工作時，每臺泵的壓頭和流量也是相同的。理論上，在同一流量下，串聯泵的壓頭為單臺泵的2倍。但是從表2可以看出，在實際操作中，因為串聯后的管路流量增大，阻力損失也隨之增大，所以串聯后的揚程與單泵工作揚程相比不可能成倍增加，2臺泵串聯的總壓頭低于單臺泵壓頭的2倍。另外，2臺泵串聯后，隨著流量增加，軸功率仍是先增加、后下降，為單泵軸功率的2倍，效率也是先增加、后下降。當流量為5.48m3/h時，雙泵串聯效率最優，為53.35%。

當2臺型號相同的離心泵并聯操作時，2臺泵的流量和壓頭相同。理論上，在同一壓頭下，2臺并聯泵的流量等于單臺泵的2倍。如表3所示，在實際操作中，由于流量增大，因此管路流動阻力增加，與表1相比，在壓頭接近的情況下，2臺泵并聯后的總流量低于單臺泵流量的2倍。另外，2臺泵并聯后，隨著流量增加，軸功率仍是先增加、后下降，為單泵軸功率的2倍，效率也是先增加、后下降。當流量為11.24m3/h時，雙泵并聯效率最優，為55.60%。

2.2 基于Origin軟件進行數據處理與分析

將表1～表3中的計算結果導入Origin軟件中進行圖像繪制。為了便于分析實驗結果，繪制完特性曲線后，使用Origin軟件進行數據擬合。根據不同的實驗結果，Origin軟件有多種數據擬合方式，如線性擬合和非線性擬合。線性擬合主要包括簡單線性擬合、多項式擬合和函數擬合。非線性擬合借助Origin提供的多種非線性擬合函數或者用戶自定義函數進行數據擬合。該文實驗主要應用Origin軟件進行多項式擬合。在擬合過程中分別選用一階、二階和三階多項式擬合，擬合結果相關系數R2值見表4。

表4 多項式擬合結果指標R2值對比

由表4可以看出，擬合函數的選擇至關重要。隨著擬合階數變大，R2值逐漸增大，擬合的精度逐漸提高，二階和三階的擬合精度明顯優于一階。和二階相比，三階的擬合精度也有根本改善，R2值均大于0.9，擬合結果良好，因此最終選用三階多項式對單泵、雙泵串聯和并聯特性曲線實驗數據進行擬合。如圖1～圖3所示，使用三階多項式擬合法處理離心泵串、并聯性能測定實驗數據，得到的H-Q、N-Q、η-Q特性曲線規律性較好，能較好地摒棄因阻力損失造成的偶然誤差。圖1直觀地反映出隨著流量增加，壓頭逐漸減少，軸功率和效率先增加、后下降。從圖2可以看出，與單泵相比，雙泵串聯后，流量基本不變，壓頭增加不到2倍，與理論規律相符。從圖3可以看出，雙泵并聯后，壓頭基本不變，流量增加不到2倍，也符合理論規律。通過三階多項式擬合可以清楚地看到各性能參數隨流量的變化規律。

圖1 單泵特性曲線

圖2 雙泵串聯特性曲線

圖3 雙泵并聯特性曲線

3 結論

使用Microsoft Excel和Origin處理離心泵串、并聯性能測定實驗數據，操作簡便快捷，學生容易掌握，有利于提升學生學習效率，有效提高學生的綜合應用能力和科學研究素養。

使用三階多項式擬合法處理離心泵串、并聯性能測定實驗數據，得到的H-Q、N-Q、η-Q特性曲線規律性較好，能較好地摒棄因阻力損失造成的偶然誤差。

應用Origin軟件進行多項式擬合時，采用了3種不同的函數，即3種處理方法，有利于學生體會數據處理方法的重要性，提高分析問題、解決問題的能力。