насосы и вентиляторы. По дисциплине Насосы, вентиляторы и компрессоры
 Скачать 341.69 Kb.
|
|
по дисциплине «Насосы, вентиляторы и компрессоры» Рабочие параметры нагнетателей – подача, давление, (напор), КПД, мощность. 1. Основные параметры нагнетателей 1.1 Подача. Количество жидкости или газа, подаваемого в единицу времени, называется подачей. Различают подачу объемную (Q м3/с) и массовую (G кг/с). Объемная и массовая подачи связаны между собой соотношением  кг/с, (1)где - плотность жидкости или газа, кг/м3. Для полной характеристики различают номинальную подачу Qном – подачу, указанную в техническом паспорте нагнетателя; оптимальную подачу Qопт – подачу в режиме максимального к.п.д. нагнетателя; минимальную подачу Qмин – минимально допустимую подачу нагнетателя по условиям эксплуатации; максимальную подачу Qмакс – максимально допустимую подачу нагнетателя по условиям эксплуатации. Подачу нагнетателя можно рассчитать, измерив разность давления на различных сужающих устройствах, установленных в трубопроводе после нагнетателя: диафрагме, сопле Вентури, трубе Вентури. В общем виде расход вычисляется по формуле  м3/с, (2)где с – коэффициент, характеризующий сужающее устройство; h – перепад давления на сужающем устройстве, который показывает дифференциальный манометр. Подача нагнетателя определяется его размером, скоростью движения работающего органа, мощностью двигателя и свойствами сети, в которую включен нагнетатель. 1.2 Напор или давление. Напор нагнетателя представляет собой понятие энергетическое. Следовательно, работа, совершаемая рабочим органом нагнетателя, расходуется на изменение кинетической и потенциальной энергии потока перед и после нагнетателя, на преодоление поверхностных сил сопротивления (трение о стенки трубопровода, газохода) и работу сил давления. Работа, совершаемая рабочим органом нагнетателя, равна  Дж, (3)где НТ – работа рабочего органа, осуществляемая над единицей веса жидкости, м; Qt – количество жидкости, прошедшее через нагнетатель за время t, кг. Эта работа затрачивается на работу по преодолению сил давления  Дж, (4)на работу сил трения  Дж, (5)на изменение кинетической энергии потока жидкости в нагнетателе (между входом и выходом)  Дж, (6)на изменение потенциальной энергии жидкости, прошедшей через нагнетатель  Дж, (7)где - площадь поперечного сечения потока, м2; с – скорость движения потока, м/с; (р1 – р2) – разность давления на входе и выходе нагнетателя, н/м2; Q – объемный расход жидкости через нагнетатель, м3/с; – удельный вес жидкости, н/м3; hW – работа, совершаемая силами трения в потоке, отнесенная к единице веса перемещаемой жидкости (потери напора), м; m – масса перемещаемой жидкости, кг; – плотность жидкости, кг/м3; z1, z2 – возвышение сечений 1 и 2 потока над плоскостью сравнения, м. Тогда закон сохранения энергии для потока жидкости через нагнетатель запишется в виде  (8)Обозначая разность НТ – hw = H, выражение (8) можно переписать в виде  м. (9)Н называется напором насоса и представляет собой энергию, сообщенную единице веса жидкости, прошедшей через насос. Для вентилятора или дымососа работу, совершаемую рабочим органом, обычно относят к объему газа, прошедшего через нагнетатель. Тогда  . Так как для газообразных сред z – величина значительно меньше остальных членов уравнения (Н определяется в единицах давления), то последнее уравнение можно переписать в виде  н/м2. (10)Давление вентилятора представляет собой энергию, сообщенную единице объема газа, прошедшего через вентилятор. 1.3 Мощность. Мощность определяется работой в единицу времени и имеет размерность Дж/с = Вт. Исходя из этого, полезную мощность потока жидкости, выходящей из насоса, можно представить следующим образом  Вт, (11)а полезную мощность потока газа, выходящего из вентилятора –
Мощность нагнетателя – мощность, подводимая на вал нагнетателя от двигателя. Очевидно, что N > Nn из-за потерь мощности в самом нагнетателе. Отношение
называется коэффициентом полезного действия нагнетателя. Отсюда
Коэффициент полезного действия нагнетателя представляет собой произведение трех коэффициентов, характеризующих отдельные виды потерь в нагнетателе
где г – гидравличенский к.п.д. нагнетателя – отношение полезной мощности к сумме полезной мощности и мощности, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнетателе
об – объемный к.п.д. насоса – отношение полезной мощности к сумме полезной мощности и мощности, теряемой вследствие внутренних перетечек через зазоры и кольцевые уплотнения
мех – механический к.п.д., характеризующий потери энергии от механического трения в подшипниках и уплотнениях нагнетателя
Обычно мощность характеризуется следующими значениями. Nном – номинальная (паспортная) мощность – мощность в номинальном режиме Qном; Nопт –мощность, развиваемая нагнетателем при максимальном кпд; N0 – мощность при нулевой подаче Q0 = 0. Энергетическая эффективность оценивается кпд установки
где Nэл – мощность на клеммах электродвигателя, Вт. 1.4 Антикавитационный запас В насосах, перекачивающих жидкость, может возникать кавитация. Кавитация – это образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже давления насыщенного пара этой жидкости. Вероятность образования кавитационных пузырьков за счет разрыва жидкости становится заметной при наличии растягивающих усилий. Прочность жидкости на разрыв зависит от многих причин, в том числе от наличия в реальных жидкостях так называемых кавитационных зародышей: микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом. Такие пузырьки, попадая в область пониженного давления р < ркр, сильно расширяются в результате того, что давление содержащегося в них пара и газа оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и давления в жидкости. В результате на участке жидкости с пониженным давлением создается четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. После перехода пузырька в зону повышенного давления рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается гидравлическим ударом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если одновременно возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление кавитации сопровождается сильным шумом. Если кавитационная каверна захлопывается вблизи обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению поверхности обтекаемого тела – так называемой кавитационной эрозии. Мощность удара при захлопывании кавитационного пузырька настолько велика, что может сопровождаться такими физико-химическими явлениями, как искрообразование и люминесценция. Кавитационной эрозии наиболее часто подвергаются лопатки гидротурбин, насосов, гребных валов кораблей. При работе лопасть насоса или винта совершает собственные колебательные движения на основной и кратных гармониках. При движении поверхности лопасти от жидкости в месте контакта возникает сильное разрежение с образованием множества кавитационных пузырьков. При обратном движении поверхности лопасти давление резко увеличивается и кавитационные пузырьки захлопываются, разрушая поверхность лопасти. Существует безразмерный параметр, по величине которого можно судить о возможности возникновения кавитации в данной точке потока
где р – гидростатическое давление набегающего потока, Па; рн – давление насыщенного пара, Па; - плотность жидкости, кг/м3; v - скорость жидкости на достаточном удалении от тела, м/с. Эффективным средством для борьбы с кавитацией является повышение давления в потоке. Примером этого может служить установка бустерных насосов на всасывающей стороне питательного насоса. Необходимый избыток давления определяется давлением насыщенного пара при температуре жидкости, перекачиваемой насосом, носит название кавитационного запаса и определяется зависимостью
где Рп – давление насыщенного пара, Па. 1.5 Высота всасывания насоса Высота всасывания определяется внешним давлением, действующим на свободную поверхность перекачиваемой жидкости. Если свободная поверхность жидкости находится в открытом пространстве, то высота всасывания определяется атмосферным давлением. Если жидкость поднимать с помощью поршня, медленно двигающегося в трубе, один конец которой опущен в воду, то жидкость должна двигаться за поршнем до тех пор, пока вес столба жидкости не уравновесится атмосферным давлением. При атмосферном давлении В, Па, высота столба воды должна быть
При нормальных условиях высота Н равняется примерно десяти метрам. Однако на самом деле высота столба воды будет меньше на величину, которая определяется давлением насыщенного пара воды при данной температуре. Чем выше температура воды, тем выше давление насыщенного пара, тем ниже высота подъема жидкости. На практике, в отличие от медленно поднимающегося поршня, подъем и перекачка жидкости происходит довольно быстро, и поэтому на высоту подъема будет влиять характеристика всасывающего трубопровода – потери на трение и потери на местных сопротивлениях. К этим потерям добавляются потери на увеличение кинетической энергии жидкости. Для защиты лопастей и стенок насоса от кавитационного разрушения необходимо еще ввести антикавитационный запас. Минимальный антикавитационный запас зависит от частоты вращения ротора п, объемной производительности насоса Q, стойкости насоса к кавитационным явлениям с, которая определяется материалом и профилем лопастей, формой проточной части. Коэффициент с обычно лежит в пределах 5001500.
Таким образом, допустимая высота всасывания равна разности внешнего давления, действующего на поверхность жидкости (для открытых поверхностей – атмосферное давление), и суммы давления насыщенного пара жидкости при данной температуре, сопротивления трубопровода между емкостью с перекачиваемой жидкостью и входом в насос, которое складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений, кинетической энергии жидкости на входе в насос и антикавитационного запаса для данного насоса
где р0 – давление над свободной поверхностью жидкости, Па; рп – давление насыщенных паров жидкости при данной температуре, Па;  – потери давления на трение в подводящем трубопроводе, м;  – потери давления на местных сопротивлениях в подводящем трубопроводе;  – потери, связанные с ускорением потока от нулевой скорости жидкости в резервуаре до скорости с1 на входе в насос, м; Нк min – антикавитационный запас, м; lт – длина всасывающей трубы, м; dвн – внутренний диаметр всасывающей трубы, м. 1.6 Быстроходность насоса В зависимости от соотношения расхода, напора и скорости вращения ротора изменяется форма проточной части нагнетателя, в основном рабочего колеса. Для характеристики формы рабочего колеса в соответствии с заданными параметрами вводится критерий – коэффициент быстроходности нагнетателя. Для насосов коэффициент быстроходности определяется формулой
Физический смысл этого критерия заключается в том, что ns – частота вращения эталонного (геометрически подобного данному) насоса, создающего напор 1 м при полезной мощности 0,736 кВт. Коэффициент быстроходности определяется при максимальном к.п.д. Для многоступенчатого насоса ns определяется по параметрам ступени, для многопоточных – по параметрам для одной стороны рабочего колеса. В общем виде пs задается формулой
где i – количество последовательных ступеней рабочих колес; j – количество потоков жидкости, соединенных параллельно; Q – подача, м3/с; H – напор, м; п – частота вращения ротора, 1/мин. Для вентиляторов коэффициент быстроходности определяется как число оборотов вентилятора данного типа, который в режиме максимального кпд подает 1 м3/с газа, создавая условное давление 294,2 Па. Тогда
где Н – напор, приведенный к = 1,2 кг/м3. Различные нагнетатели имеют следующие значения коэффициента быстроходности: - ротационные и поршневые 40; - вихревые 10-25; - центробежные 40-300; - диагональные 300-600; - осевые 600-1200. При помощи коэффициента быстроходности, вычисленного по (20), (21) и (22), можно выбрать тип нагнетателя для работы с заданными Q, H и п. |
Вт.
Вт.
,
;
;
.
,
,
,
, м.
.
,
1/мин.
1/мин, 
,