Основные параметры машин для подачи жидкостей и газов

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 19.09.2024

Транспортировка жидкостей всегда занимала существенное место в человеческой деятельности. Первым средством, применявшимся для доставки воды по назначению, была лохань или ведро. Чтобы поднять воду со дна колодца, применялись веревка и примитивный ворот.

История создания первых насосов уходит в далекое прошлое.

Первый насос для тушения пожаров изобретенный древнегреческим механиком Ктесибийем, был описан в 1 в. до н.э. древнегреческим ученым Героном. Деревянный насос с проходным поршнем для подъема воды из колодцев, вероятно, применялся еще раньше.

Простейшие типы насосов (поршневых) были известны и применялись еще во времена Аристотеля (IV веке до нашей эры). Водоподъемные машины, приводившиеся в действие силой людей и животных, применялись в Египте за несколько тысячелетий до нашей эры.

Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позднее. Изобретение воздушного поршневого насоса связано с именем германского физика Отто Герике (1640 г.).

Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на некоторую высоту под действием центробежной силы самой воды (рис 1.).

Рис. 1. Простейший вид насоса

Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом (США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846г.

Исследования Андревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако, весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г. Немного позже знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Во второй половине 18 века в Англии Вилькинсон запатентовал двухцилиндровый поршневой компрессор и в то же время Уатт изготовил воздуходувную машину с паровым приводом. Многоступенчатый компрессор с межступенными охладителями был предложен в 1849 г. Ратеном (Германия).

В России в 1832 г. инженер А.А.Саблуков предложил конструкцию центробежного вентилятора для проветривания шахт и заводских помещений и указал простой способ его расчета.

Широкому распространению центробежных машин в промышленности сопутствовало и развитие их теории. Основное уравнение центробежного насоса непосредственно следует из теоретической работы члена Петербургской Академии наук Л.Эйлера.

Теоретические работы О.Рейнольдса, Прандтля и выдающиеся научные труды Н.Е.Жуковского привели к созданию современной научной основы насосостроения.

Исключительно большое значение для развития насосостроения имела деятельность Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), организованного Жуковским в 1918 г.

Среди деятелей этой области техники, известных своими фундаментальными исследованиями, могут быть названы: И.И.Куколевский, Г.Ф.Проскура, А.А.Ломакин, С.С.Руднев, М.Н.Френкель, К.П.Селезнев и др.

Из печатных изданий последнего времени особый интерес представляет труд инженера-консультанта американской корпорации "Вортигтон" Карассика и инженера Картера "Центробежные насосы", переведенный на несколько языков.

На Украине насосы изготовляют на нескольких предприятиях, наиболее крупными из которых являются Сумской и Бердянский машиностроительные заводы.

Основными величинами, характеризующими работу машин, являются подача, напор и давление ими развиваемое.

♦ Подача: = количество жидкости (газа), перемещаемое машиной в единицу времени.

Объемная подача Q [м 3 /с] и производные (м 3 /час, тыс. м 3 /сут, млн. м 3 /год,…).

Массовая подача М [кг/с]

М = ρQ где ρ – плотность среды, [кг/м 3 ].

♦ Массовая подача постоянна по всей длине проточной части машины если нет утечек (М_вых М_вх).

! Подача насоса, вентилятора, воздуходувки, компрессора зависит от размеров и скорости движения его рабочих органов и свойств трубопроводной системы, в которую он включен (!)

где р_н и р_к – давление на входе и выходе насоса (начальное и конечное), [Па];

ρ – плотность подаваемой среды, [кг/м 3 ];

С_н и С_к – средние скорости потока на входе и выходе, [м/с];

z_н и z_к – высоты расположения центров входного и выходного сечений

Тот же ГОСТ устанавливает связь напора и давления:

Следовательно, напор, создаваемый насосом:

Чаще всего приростом скоростного напора можно пренебречь по сравнению с пьезометрическим и геометрическим. Тогда

♦ Величину напора можно рассматривать как высоту столба жидкости, к потоку которой он относится. ♦

♦ Удельная полезная работа (L_п): = работа, совершаемая машиной над единицей массы перемещаемой жидкости / газа (например, над 1 кг)

♦ Удельная работа (L): = работа, подводимая на вал машины для приведения ее в действие, отнесенная к единице массы перемещаемой жидкости (газа).

Для компрессоров L вычисляется по особым формулам в зависимости от вида термодинамического процесса, протекающего в компрессоре (см. ниже).

1.4.2. Мощность и КПД

Как известно, мощность: = работа, совершаемая в единицу времени. Работу машины, перемещающей жидкость (газ) можно представить как подъем среды весом G_c на высоту Н (равную напору, создаваемому этой машиной).

т.к. Н: = энергия единицы веса, то полный прирост энергии = G · H

; – полезная мощность [Вт].

С другой стороны, вспоминая, что L_п = gH

♦ Мощность, подводимую на вал машины, называют мощностью насоса (вентилятора,…) – N. Очевидно, что N > N_п. Чем меньше (N – N_п), тем совершеннее машина.

♦ Эффективность использования машиной энергии, к ней подводимой, оценивают величиной КПД машины:

т.е. КПД машины: = отношение полезной мощности к мощности машины.

Величина η зависит от многих факторов:

– тип, размер, конструкция машины;

– род перемещаемой жидкости;

– режим работы машины;

– характеристика сети, на которую машина работает.

♦ Для оценки энергетической эффективности установки в целом, состоящей из насоса (вентилятора,…) и двигателя (например, электродвигателя) пользуются понятием КПД установки η_у

где N_эл – электрическая мощность, подводимая к двигателю.

1.4.3. Высота всасывания насосов

Движение жидкости по всасывающему трубопроводу и подвод ее к рабочему колесу осуществляется за счет разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном резервуаре (р_о) и в потоке у входа в рабочее колесо (р_вс).

Рассмотрим 3 возможные схемы установки центробежного насоса:

1. Забор жидкости из открытого резервуара. Уровень свободной поверхности жидкости – ниже оси рабочего насоса.

Уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 1-1

2. Забор жидкости из открытого резервуара. Уровень свободной поверхности выше оси рабочего колеса.

В данном случае H_s: = подпор.

H_s↑ → р_вс↑ и при достаточном подпоре H_s будет р_вс > р_ат на всех режимах.

3. Откачка жидкости из замкнутого резервуара.

В отличие от предыдущего случая давление над свободной поверхностью жидкости р_о может быть больше, меньше или равно р_ат, а может изменяться во времени

! Высота всасывания насоса: = важнейший параметр для проектирования насосных станций. Параметр H_s, определяя положение насоса относительно уровня свободной поверхности жидкости, определяет тем самым глубину заложения фундамента машинного здания. С точки зрения уменьшения объема земляной выемки и облегчения конструкции машинного здания а следовательно, капитальных затрат на строительство НС, выгодным является H_s↑.

♦ ! При снижении давления во всасывающем патрубке ниже определенной величины происходит явление, называемое кавитация.

Кавитация: = нарушение сплошности потока, которое происходит там, где р < р_крит. Это сопровождается образованием пузырьков, наполненных парами жидкости или газа, выделяющегося из растворенного состояния. При дальнейшем р↓ пузырьки растут, сливаются в большие пузыри, эти пузыри уходят в область повышенного давления (нагнетания) где “схлопываются”. Т.о. в потоке жидкости через насос имеется “кавитационная зона”. В практических приложениях считается, что р_крит. = р_нас. (давление насыщения = f(t°), например при t = 100° C р_нас = 1 ата)

Для увеличения допустимой высоты всасывания необходимо:

H_s↑ → р_вс↓ Существует – допустимая высота всасы-

U↑ → р_вс↓ вания, т.е. такая высота всасывания, при кото-

Часто используются понятия:

Геометрическая, приведенная и вакуумметрическая высота всасывания

H_s Геометрическая высота всасывания: = расстояние по вертикали от нижнего уровня воды до:

– оси насоса (горизонтальный насос);

– горизонтальной оси спирального отвода (вертикальный насос со спи-

– середины входных кромок лопастей рабочего колеса (вертикальный

насос с лопастным отводом).

(При подводе воды к центробежному насосу под напором H_s < 0)

Н_в.п. Приведенная высота всасывания: = сумма геометрической высоты всасывания и гидравлического сопротивления во всасывающей трубе насоса

Н_вак. Вакуумметрическая высота всасывания: = показания вакуумметра, выраженное в м столба подаваемой жидкости.

Машины для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называют вентиляторами, газодувками и компрессорами. Причем они характеризуются степенью повышения давления e - отношение давления на выходе из машины к давлению на ее входе. Основная суть из действия, как и насосов, заключается в превращении работы двигателя в кинетическую и потенциальную энергию потока жидкости или газа.

Вентилятор – машина, перемещающая газовую среду при степени повышения давления до 1,15.

Газодувка – машина, работающая при 1,15 £ e £ 3. Она искусственно не охлаждается из-за незначительно нагрева газа.

Компрессор сжимает газ при e > 3 и имеет обычно искусственное (чаще водяное) охлаждение камер, где происходит сжатие газа.

Насосы по принципу действия подразделяются на два основных класса: динамические и объемные.

В объемных насосах энергия передается жидкой среде в рабочих камерах, в которых рабочее пространство с жидкостью периодически меняет объем. Т.е. подача жидкости происходит с перерывами. Камера попеременно сообщается с входом и выходом насоса. Для этого класса типичными являются поршневой и роторный насос.

В динамических насосах превращение работы двигателя потоку жидкости происходит под влиянием сил, действующих на жидкость в рабочих полостях, постоянно соединенных с выходом и входом насоса. В отличие от объемных машин здесь поток перекачиваемой жидкости непрерывен.

Типичным представителем таких машин является центробежный насос.

Упрощенная и краткая классификация машин для подачи жидкостей и газов на основе конструктивных признаков и свойств перемещаемой среды приведена ниже на рисунке.

2. Основные понятия и законы движения жидкостей и газов.

Т.к. насосы, вентиляторы и компрессоры предназначены для приведения в движение жидкостей и газов, то ознакомимся с основными законами движения таких сред. Они необходимы для понимания принципов работы указанных технических устройств. Кроме того, знание технических деталей необходимы для проведения расчетов по их проектированию насосы, вентиляторы и компрессоры, при выборе технических показателей при установке на промышленных объектах.

Из курса физики известны три закона Ньютона. Зная и умея применять их на практике, можно решить любую задачу о движении твердого тела или материальной точки. Но в отличие от таких объектов жидкости и газы обладают свойством текучести, что привносит существенные математические сложности при описании их движения.

Законы Ньютона фундаментальны, они в целом справедливы к любым объектам. Но применительно к текучим средам (сплошным средам) обретают другую математическую форму. Дело в том, что в сплошной среде сколь угодно малая частица тесно взаимодействует с другими такими же частицами, которых очень много.

Перечислим основные физические понятия, которые нам понадобятся в дальнейшем.

В механике сплошных сред не рассматривается каждая материальная частица (атом или молекула), ее масса и объем. Вместо них сразу берется множество частиц, которое называют частицей среды. Ее конкретные размеры не имеют значения, главное, чтобы внутри частицы среды такие параметры, как плотность, давление, температура и т.д. оставались неизменными по пространству. Так что частица среды характеризуется не массой, например, плотностью r, кг/м 3 .

Вязкость и напряжения.

Внутри сплошных сред (твердых тел, гелей, жидкостей и газов, насыпных масс и т.д.) при их деформации присутствует внутреннее трение. Поясним его природу на примере жидкости. Пусть между двумя достаточно большими квадратными пластинами размером и площадью S = L*L (рис. 1) имеется тонкий слой Dy жидкости (Dy/L V, то окажется, что это возможно только при приложении к этой пластине определенной силы F_c. Причем, повторяя опыт с различными размерами пластин, толщинами слоя и разновидностями жидкости, обнаружим, что

· вместе с пластиной в движение приходит и жидкость между пластинами, причем ее скорость распределяется неравномерно по толщине слоя Dy;

· в непосредственной близости к нижней неподвижной пластине скорость жидкости равна нулю, а вблизи верхней пластины равна V;

· величина прилагаемой силы F_c зависит от площади пластин, скорости V и природы жидкости.

Таким образом, в результате множества опытов убеждаемся, что

где новая константа n характеризует свойство жидкости, она называется кинематической вязкостью. Произведение nr = m получило название динамической вязкости.

Вместо силы удобно ввести удельную величину t = F_c/L 2 = F_c/S, называемую касательным напряжением. Тогда результаты опытов можно подытожить зависимостью

Здесь отношение V/Dy на самом деле является производной скорости жидкости dv/dy, поэтому более строгая математическая формулировка полученного результата выглядит как

Эта формула носит название закона трения Ньютона. Ее правая часть имеет размерность давления. В механике сплошных сред такие величины называются касательными напряжениями. Такие напряжения существуют между любыми, движущимися с различными скоростями слоями жидкости. Касательные напряжения выражают силы внутреннего трения в сплошных средах.

Движение жидкости или газа может быть вызвано или внешними силами, или перепадом давления между различными участками среды, или ими вместе одновременно. Но, как правило, в движущейся среде всегда существует перепад давления. В механике сплошных сред касательные напряжения и давление объединяются в одну общую величину – тензор напряжений T:

Здесь p - давление, s_xy, s_xz, … - касательные напряжения. С одной из них мы уже ознакомились выше. Если взять частицу жидкости в виде куба, то по нормали к граням куба будут действовать давление, а вдоль граней - касательные напряжения. Согласно третьему закону Ньютона действие равно противодействию. Т.к. касательные напряжения, в сущности, силы (трения), то s_xy = s_yx, s_xz = s_zx, s_yz = s_zy. Т.е. элементы, симметрично расположенные относительно главной диагонали, равны между собой.

При отсутствии утечек массовая подача одинакова для всех сечений проточной полости машины независимо от рода перекачиваемой среды. Объемная подача практически одинакова по всей длине проточной полости только в насосах и приблизительно одинакова в вентиляторах. В компрессорах вследствие существенного повышения давления происходит уменьшение удельного объема газа, и объемная подача по длине проточной полости падает.

В расчетах принято принимать подачу компрессоров при условии всасывания или при нормальных условиях, т.е. при параметрах среды

Т – 293 К, Р – 100 кПа, r = 1,2 кг/м 3 .

Давление насоса – это прирост удельной энергии, который насос передает объему жидкости, которую перекачивает, Па.

где Р_к и Р_н – соответственно давления на входе в насос и на выходе из насоса, Па; - плотность среды, кг/м 3 ; С_н и С_к – средние скорости потока на входе и выходе, м/с; Z_н и Z_к – высоты расположения центров входного и выходного сечений насоса.

Напор (или приращение удельной энергии жидкости). В инженерной практике, связанной с гидромашинами, широкое распространение имеет такое понятие, как напор машины, обозначаемый буквой Н и измеряемый в линейных единицах. Напор можно представить как высоту, на которую способна подняться жидкость за счет полученной в насосе энергии.

Напор Н является удельной энергией, т.е. отношением полной энергии, получаемой жидкостью в насосе, к величине ее силы тяжести.

Государственный стандарт устанавливает понятие напора как величины, связанной с давлением соотношением Н = Р/ g ,м.

Напор, развиваемый вентиляторами, выражают иногда условно в миллиметрах водяного столба. Напор в 1 мм. вод. ст. эквивалентен давлению 9,81 Па.

Важной величиной, характеризующей насосы и вентиляторы с энергетической стороны, является их полезная удельная работа Э_уд = .

Частота вращения (n). Под частотой вращения понимают число циклов (оборотов) в единицу времени. В качестве единицы времени в системе СИ принята (с - ).

Мощность и К.П.Д. Если через гидромашину в секунду проходит жидкость с массой Q_м, то весь поток получит запас энергии, равный:

Величина N_п носит название полезной мощности. Эту мощность большинство авторов называют полезной, а также гидравлической или мощностью в поднятии жидкости.

Отношение полезной мощности к мощности на валу называется КПД насоса и определяется по формуле: % (5)

КПД учитывает гидравлические, объемные и механические потери.

Отношение действительного напора к идеальному оценивают гидравлическим КПД, который выражает эффективность силового взаимодействия потока жидкости с рабочим органом насоса.

Значение гидравлического КПД находится в пределах 0,7…0,93.

Объемный КПД насоса – отношение действительной подачи к идеальной. (7)

Он учитывает утечки воды через неплотности сальников и зазоры в насосе. Объемный КПД современных насосов в зависимости от геометрических размеров рабочих органов изменяется в пределах 0,9…0,95.

Механический КПД учитывает потери на трение наружной поверхности колеса о жидкую среду, а также потери на трение в подшипниках и сальниках. (8)

Механический КПД современных насосов лежит в диапазоне 0,9…0,98.

Вводя значения всех КПД, получим (9)

В любой насосной установке мощность в различных ее узлах не одинакова. На рис 3 представлена схема трансформации мощности при работе насоса.

Рис. 3 схема трансформации мощности при работе насоса.

Обычно приводом для насоса является электродвигатель, который потребляет из электросети электрическую мощность N_Э. Эта мощность в электродвигателе преобразуется в механическую мощность на валу N_вал. С учетом потерь мощности в электродвигателе N_вал = N_Э. _э. Мощность на валу передается потоку жидкости, проходящему через насос N_п.

Читайте также: