перемещение жидкостей. Лекции_Тема 1.4_Перемещение жидкостей. Тема 4 Перемещение жидкостей Общие сведения
![]()
|
Тема 1.4 Перемещение жидкостей Общие сведения. Перемещение жидкостей. Сжатие и перемещение газов. Классификация насосов. Основные параметры насосов: подача, напор, мощность, коэффициент полезного действия, высота всасывания, кавитация. Поршневые насосы, устройство, принцип действия, характеристики, снижение неравномерности подачи. Центробежные насосы Принцип действия, классификация. Основное уравнение центробежных машин Эйлера, законы пропорциональности. Характеристики насосов, работа насосов на сеть, рабочая точка, последовательная и параллельная работа насосов. Роторные, вихревые, струйные герметичные, погружные насосы. Сравнительная характеристика и области использования насосов. Классификация компрессоров. Термодинамические основы сжатия газов. Поршневые компрессоры, индикаторная диаграмма, производительность, предел одноступенчатого сжатия. Многоступенчатое сжатие. Ротационные компрессоры и газодувки. Центробежные компрессоры и вентиляторы, турбогазодувки, осевые компрессоры, вакуумнасосы, устройство и принцип действия. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. СЖАТИЕ И ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ГАЗОВ Жидкости и газы в химических производствах часто необходимо перемещать через аппараты, а также по трубопроводам между аппаратами, установками, цехами, складами и т.д. Энергия, необходимая для перемещения жидкости, сообщается ей гидравлическими машинами, носящими название насосов. Многие технологические процессы протекают в газовой фазе при высоких и низких давлениях. В этом случае приходится осуществлять как сжатие или разрежение газа, так и его транспортирование. Машины, предназначенные для осуществления таких процессов, называются компрессорными. Насосы Насосами называются гидравлические машины, в которых энергия двигателя передается перемещаемой жидкости вследствие повышения ее гидродинамического напора (давления). Классификация насосов и их основные характеристики Различают насосы двух основных типов: динамические и объемные. В динамических насосах жидкость перемещается при воздействии сил на незамкнутый объем жидкости, который непрерывно сообщается со входом в насос и выходом из него. В объемных насосах жидкость перемещается (вытесняется) при периодическом изменении замкнутого объема жидкости, который периодически сообщается со входом и выходом из него. Динамические насосы по виду сил, действующих на жидкость, подразделяются на лопастные насосы и насосы трения. К лопастным относятся насосы, в которых энергия передается жидкости при обтекании лопастей вращающегося рабочего колеса (или нескольких колес) насоса. Лопастные насосы, в свою очередь, делятся на центробежные и осевые, причем в центробежных насосах жидкость движется через рабочее колесо от его центра к периферии, а в осевых – в направлении оси колеса. Насосы трения представляют собой насосы, в которых жидкость перемещается преимущественно под воздействием сил трения. К ним относятся, в частности, вихревые и струйные насосы. Объемные насосы – это такие, в которых жидкость, вытесняется из замкнутого пространства телом, движущимся возвратно-поступательно (поршневые, плунжерные, диафрагмовые насосы) или имеющим вращательные движения (шестеренные, пластинчатые, винтовые насосы). Основные параметры насосов. Основными параметрами насоса любого типа являются производительность, напор и мощность. Производительность, или подача, ![]() ![]() ![]() ![]() Мощность на валу ![]() ![]() ![]() Коэффициент полезного действия насоса ![]() ![]() ![]() В выражение (8.3) входят величины: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Значение ![]() Мощность, потребляемая двигателем, или номинальная мощность двигателя ![]() ![]() ![]() ![]() Произведение ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Из уравнений (8.3) и (8.5) следует, что полный к.п.д. насосной установки может быть выражен произведением пяти величин: ![]() Установочная мощность двигателя ![]() ![]() ![]() где – коэффициент запаса мощности, значения которого определяют в зависимости от номинальной мощности двигателя ![]()
Напор. Высота всасывания. Рассмотрим схему насосной установки, представленной на рис. 8.1. Введем обозначения: p0 – давление в емкости 1 (приемная емкость), из которой насосом 2 засасывается жидкость; p2 – давление в напорной емкости 3; pвс – давление во всасывающем патрубке насоса; рн – давление в нагнетательном патрубке насоса; Нвс – высота всасывания; Нн – высота нагнетания; Нг – геометрическая высота подачи жидкости; h – расстояние по вертикали между уровнями установки манометра М и вакуумметра В. Используем для определения напора насоса уравнение Бернулли (5.34). Примем за плоскость сравнения уровень жидкости в приемной емкости (сечение 0 - 0). Уравнение Бернулли для плоскостей 0 - 0 и 1 - 1: ![]() ![]() Рис. 8.1. Схема насосной установки: 1 – приемная емкость; 2 – насос; 3 – напорная емкость, М – манометр, В – вакуумметр Уравнение Бернулли для плоскостей 1'- 1' и 2 - 2: ![]() В этих условиях: ![]() ![]() ![]() ![]() Скорость жидкости ![]() ![]() Аналогично ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Вычитая из левой части уравнения (8.9а) левую часть уравнения (8.8а), находим напор насоса: ![]() Если диаметры всасывающего и нагнетательного патрубков равны, то ![]() ![]() ![]() Уравнения (8.10) и (8.11) применяют для расчета напора при проектировании насосов. Для определения напора действующего насоса пользуются показаниями манометра (pм ) и вакуумметра (pв ). Выразим абсолютные давления pн и pвс через показания манометра и вакуумметра: ![]() ![]() где pа – атмосферное давление. Подставив полученные значения pн и pвс в уравнение (8.11), имеем ![]() Иное выражение для напора насоса может быть получено, если из правой части уравнения (8.9а) вычесть правую часть уравнения (8.8): ![]() где hп = hп.н + hп.вс – суммарное гидравлическое сопротивление всасывающего и нагнетательного трубопроводов. Уравнение (8.13) используют при подборе насосов для технологических установок. Всасывание жидкости насосом происходит под действием разности давлений в приемной емкости p0 и на входе в насос pвс или под действием разности напоров ![]() ![]() Поскольку ![]() ![]() Если жидкость перекачивается из открытой емкости, то p0 = pа (pа – атмосферное давление). Давление на входе в насос pвс должно быть больше давления насыщенного пара pн перекачиваемой жидкости при температуре всасывания (pвс > pн), в противном случае жидкость в насосе начнет кипеть. При образовании пара и выделении из жидкости растворенных в ней газов возможен разрыв потока и уменьшение высоты всасывания до нуля, следовательно, ![]() На высоту всасывания насосов оказывает влияние явление кавитации. Кавитация возникает при высоких скоростях вращения рабочих колес центробежных насосов в условиях, когда происходит интенсивное парообразование в жидкости, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому его разрушению. При кавитации производитель-ность и напор насоса резко снижаются. Динамические насосы Центробежные насосы относятся к динамическим насосам, в них всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиралеобразном корпусе. В одноступенчатом центробежном насосе (рис. 8.2) жидкость из всасывающего трубопровода 5 поступает вдоль оси рабочего колеса 2 в корпус 1 насоса и, попадая на лопатки 3, приобретает вращательное движение. Центробежная сила отбрасывает жидкость в спиралеобразный канал переменного сечения между корпусом и рабочим колесом, в котором скорость жидкости уменьшается до значения, равного скорости в нагнетательном трубопроводе 8. При этом, как следует из уравнения Бернулли, происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости (динамического напора) в статический напор, что обеспечивает повышение давления жидкости. На входе в рабочее колесо создается пониженное давление, и жидкость из приемной емкости непрерывно поступает в насос. Давление, развиваемое центробежным насосом, зависит от вращения рабочего колеса. Вследствие значительных зазоров между колесом и корпусом насоса разрежение, возникающее при вращении колеса, недостаточно для подъема жидкости по всасывающему трубопроводу, если он и корпус насоса не залиты жидкостью. Поэтому перед пуском центробежный насос заливают перекачиваемой жидкостью. Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасывающего трубопровода при заливке насоса или при кратковременных остановках его, на конце всасывающей трубы, снабженной фильтром 7, погруженном в жидкость, устанавливают обратный клапан 6. Напор одноступенчатых центробежных насосов (с одним рабочим колесом) ограничен. Для создания более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы, имеющие несколько рабочих колес в общем корпусе, расположенных последовательно на одном валу. Жидкость, выходящая из первого колеса, поступает по специальному отводному каналу в корпусе на второе колесо, где ей сообщается дополнительная энергия, из второго колеса через отводной канал – в третье колесо и т.д. Таким образом, ориентировочно (без учета потерь) можно считать, что напор многоступенчатого насоса равен напору одного колеса, умноженному на число колес. Число рабочих колес в многоступенчатом насосе обычно не превышает пяти. ![]() Рис. 8.2. Схема центробежного насоса: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – линии для залива насоса перед пуском; 5 – всасывающий трубопровод; 6 – обратный клапан; 7 – фильтр; 8 – нагнетательный трубопровод; 9 – вал; 10 – сальник Основное уравнение центробежных машин. (Теория рабочего колеса). При движении жидкости между лопастями вращающегося рабочего колеса, каждая частица совершает сложное движение, перемещаясь вдоль лопастей с относительной скоростью w и вращаясь вместе с колесом с окружной скоростью ![]() Абсолютная скорость движения частицы ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 8.3. Картина скоростей в центробежном насосе Графическая связь между указанными скоростями выразится двумя параллелограммами скоростей (рис. 8.3) и (рис. 8.4), где а – при входе, б – при выходе жидкости из рабочего колеса. – угол наклона лопатки и, следовательно, вектора скорости ![]() ![]() ![]() Рис. 8.4. Параллелограммы скоростей на входе (а) и выходе (б) из рабочего колеса Допустим, что колесо неподвижно, а жидкость движется между его лопастями с теми же относительными скоростями, как и при вращении колеса. Тогда энергия единицы веса жидкости будет при входе ![]() при выходе ![]() где p1 и p2 – давления при входе и выходе жидкости из колеса. Если не учитывать потери энергии при движении, то ![]() Когда же колесо вращается, то жидкость, двигаясь между лопастями и вращаясь вместе с ними, приобретает дополнительную энергию, равную работе центробежной силы, отнесенной к единице веса, А. Поэтому ![]() Величину А можно определить из следующих соображений: центробежная сила, действующая на единицу веса жидкости, равна ![]() ![]() ![]() ![]() а при перемещении с окружности радиусом r1 на окружность с радиусом r2 (см. рис. 8.3) – ![]() Введем это выражение для А в уравнение (8.17): ![]() Из параллелограмма скоростей (рис. 8.4) следует ![]() Подставляя значения ![]() ![]() ![]() Левая часть уравнения представляет собой полный теоретический напор Hт, развиваемый между лопастями рабочего колеса. Поэтому окончательно получим ![]() Уравнение (8.22), являющееся выражением для теоретического напора, развиваемого центробежным насосом с бесконечно большим числом лопастей, было выведено Л.Эйлером. Радиальные составляющие абсолютных скоростей сr1 и сr2, как видно из рис. 8.4, характеризуются уравнениями: ![]() ![]() По теореме синусов из рис. 8.4 б следует, что ![]() откуда ![]() ![]() В конструкциях центробежных насосов с целью уменьшения гидравлических сопротивлений жидкость входит в рабочее колесо в радиальном направлении; при этом угол между скоростями ![]() ![]() ![]() В уравнении (8.22а) выразим ![]() ![]() ![]() Производительностьцентробежного насоса ![]() ![]() ![]() ![]() где – толщина лопаток; z – число лопаток; сr1 и сr2 – радиальные составляющие абсолютных скоростей на входе в колесо и выходе из него. Угол 2 между векторами скоростей ![]() ![]() ![]() откуда ![]() Из параллелограмма скоростей (рис. 8.4б) следует, что ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Уравнение для производительности насоса (8.23) можно представить в виде ![]() откуда ![]() ![]() ![]() Уравнение (8.22в) характеризует зависимость теоретического напора, развиваемого насосом, от окружной скорости, подачи и геометрических характеристик насоса (2,D2,b2,,z). При ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Действительный напор насоса меньше теоретического, так как часть энергии жидкости расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса и жидкость в нем при конечном числе лопаток не движется по подобным траекториям. Действительный напор составляет ![]() ![]() ![]() Законы пропорциональности. Производительность и напор центробежного насоса зависят от числа оборотов рабочего колеса. Из уравнения (8.23) следует, что производительность насоса пропорциональна радиальной составляющей абсолютной скорости на выходе из колеса, т.е. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 8.5. Подобие параллелограммов скоростей при изменении числа оборотов рабочего колеса Согласно уравнению (8.22б) напор центробежного насоса пропорционален квадрату окружной скорости: ![]() Мощность, потребляемая насосом, пропорциональна произведению производительности ![]() ![]() Уравнения (8.24) – (8.26) носят название законов пропорциональ-ности. Практически такой строгой зависимости между параметрами насоса нет. Законы пропорциональности соблюдаются при изменении числа оборотов колеса не более чем в два раза. Характеристики насосов. Графические зависимости напора Н, мощности на валу Nв и к.п.д. насоса ![]() ![]() ![]() Рис. 8.6. Характеристики центробежного насоса Небольшой начальный участок H = f( ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 8.7. Универсальная характеристика центробежного насоса Для выбора рабочего режима насоса пользуются универсальными характеристиками, на которых в графической форме представлена связь между напором, производительностью, числом оборотов и к.п.д. Для построения универсальных характеристик требуются испытания насоса при разных числах оборотов и построение серии главных характеристик ![]() ![]() ![]() Работа насосов на сеть. При выборе насоса необходимо учитывать характеристику сети, т.е. трубопровода и аппаратов, через которые транспортируется жидкость. Характеристика сети выражает зависимость между объемным расходом жидкости ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где k – коэффициент производительности, который учитывает полное гидравлическое сопротивление, как трубопровода, так и аппаратов, с которыми соединен трубопровод. Допустим, что потери напора рассчитываются только для трубопровода. В этом случае из(5.259) они будут: ![]() Площадь поперечного сечения трубопровода равна S, тогда при известной средней скорости жидкости в трубопроводе ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Характеристика сети выражается зависимостью, представляющей собой уравнение параболы в автомодельной области, где ![]() ![]() ![]() ![]() Совмещение характеристик сети и насоса показано на рис. 8.8. Точка А пересечения этих характеристик называется рабочей точкой. Она отвечает наибольшей производительности насоса ![]() Регулирование производительности насоса. При выборе насоса по его характеристике следует учесть возможность регулирования производительности насоса ![]() ![]() ![]() Рис. 8.8. Совмещение характеристик насоса и сети насосом, в этом случае характеризуется линией 1 – 3, причем часть его 2 – 3 идет на преодоление сопротивления сети с открытой задвижкой, а часть 1 – 2 напора поглощается сопротивлением прикрытой задвижки. При этом следует учитывать, что регулирование насоса задвижкой связано с бесполезным расходом энергии на преодоление сопротивления задвижки. Для существенного уменьшения производительности имеет смысл снизить число оборотов электродвигателя, если это не приведет к уменьшению напора насоса ниже потребного, или заменить насос. Аналогичным образом можно добиться увеличения производительности насоса: повышение числа оборотов; замена насоса; снижение гидравлического сопротивления сети, например, путем увеличения диаметра трубопроводов. Совместная работа насосов. Совместная работа насосов на общую нагнетательную линию применяется в тех случаях, когда требуемые значения ![]() ![]() Рис. 8.9. Совместная работа насосов: а – параллельное соединение; б – последовательное соединение При необходимости увеличения диапазона производительности насосы включаются на параллельную работу (рис. 8.9а). Обычно характеристику насосов (в данном примере одинаковых) получают сложением абсцисс характеристик каждого из насосов для данного напора. Совмещение характеристик сети с общей характеристикой насосов показывает, что рабочая точка В в этом случае соответствует производительности ![]() ![]() Последовательная работа насосов осуществляется тогда, когда необходимо резкое увеличение напора при том же диапазоне производительности (особенно в области малых значений ![]() ![]() ![]() Осевые (пропеллерные) насосы. Эти насосы применяют для перемещения больших количеств жидкости при небольших напорах, в частности, в оросительных и конденсационных установках, а также для создания циркуляции жидкости в различных аппаратах. На рис. 8.10 приведена схема пропеллерного насоса. ![]() Рис. 8.10. Схема осевого насоса: 1 – рабочее колесо с лопатками; 2 – корпус; 3 – направляющий аппарат; 4 – вал Рабочее колесо 1 с лопатками винтового профиля, имеющими форму пропеллера, при вращении в корпусе 2 сообщает жидкости движение в осевом направлении. При этом поток несколько закручивается. Для гашения вращательного движения и преобразования его в поступательное вдоль оси после рабочего колеса устанавливается в корпусе насоса 2 направляющий аппарат 3. По расположению вала 4 осевые насосы бывают горизонтальные и вертикальные. Объемная производительность осевых насосов достигает 30 м3/с при напоре 20 м, к.п.д. достигает 90%. Высота всасывания их мала и редко достигает 3 м. Вихревые насосы. На рис. 8.11 показана схема вихревого насоса. ![]() Рис. 8.11. Схема вихревого насоса:1 – рабочее колесо; 2 – радиальные лопатки; 3 – межлопастное пространство; 4 – кольцевой канал; 5, 6 – всасывающий и нагнетательный патрубки; 7 – разделитель потоков; 8 – вал рабочего колеса; 9 – корпус При вращении рабочего колеса 1 по стрелке (рис. 8.11) жидкость через всасывающий патрубок 5 поступает на лопасти рабочего колеса и перемещается к нагнетательному патрубку 6. Движение жидкости на лопастях в этом насосе происходит как от центра к периферии, так и от периферии к центру. Это и является особенностью вихревых насосов. Однако работа вихревых насосов так же основана на действии центробежной силы. Попадая на лопатки рабочего колеса и вращаясь вместе с ним, жидкость под действием центробежной силы приобретает кинетическую энергию и выбрасывается в кольцевой канал 4 между кожухом и рабочим колесом. В канале 4 происходит обратное преобразование кинетической энергии или скоростного напора в энергию давления. Под этим увеличенным давлением жидкость снова попадает в другое смежное межлопаточное пространство, двигаясь от периферии к центру, а затем вновь из него выбрасывается под действием центробежной силы в кольцевой канал, и далее цикл перемещения жидкости повторяется. Таким образом, за оборот рабочего колеса одно и то же количество жидкости несколько раз отбрасывается от центра к периферии за счет центробежной силы, от чего ее напор последовательно увеличивается. В результате такого действия напор, создаваемый вихревым насосом, в 4 - 5 раз больше напора, создавае-мого центробежным насосом такого же размера при одинаковой окружной скорости рабочего колеса. Вихревые насосы могут всасывать и перекачивать жидкости и их эмульсии с воздухом и парами этих жидкостей. Недостатком вихревых насосов, в отличие от центробежных, является значительно большая зависимость создаваемого напора от производительности насоса. С увеличением подачи напор резко падает, что приводит к уменьшению мощности. Поэтому пуск вихревых насосов производят при открытой задвижке. Струйные насосы. Струйные насосы развивают низкий напор и применяются для нагнетания жидкостей (инжекторы) и всасывания их (эжекторы). Схема струйного насоса представлена на рис. 8.12. ![]() Рис. 8.12. Схема струйного насоса:1 – сопло; 2 – камера смешения; 3 – конфузор; 4 – горловина; 5 – диффузор; 6 – всасывающий патрубок; ![]() ![]() ![]() Принцип действия струйных насосов основан на использовании для отсасывания и подачи жидкости кинетической энергии рабочей жидкости, которая с большой скоростью из сопла 1 поступает в конфузор 3 и создает разрежение в камере смешения 2. За счет разрежения в камеру смешения поступает засасываемая жидкость и в результате трения смешивается в конфузоре с рабочей жидкостью. Смесь жидкостей движется по конфузору 3 с увеличивающейся скоростью, при этом в соответствии с уравнением Бернулли уменьшается ее статическое давление. При движении жидкости в диффузоре 5 скорость жидкости уменьшается, но увеличивается ее давление, жидкость поступает в нагнетательный трубопровод. В качестве рабочей жидкости в струйных насосах может использоваться газ или пар. Достоинством струйных насосов является простота их конструкции, а их недостатком – низкий коэффициент полезного действия (0,1 - 0,25). ![]() Рис. 8.13. Схема газлифта:1 – труба для подачи сжатого газа; 2 – распределитель газа; 3 – подъемная труба; 4 – отбойник (для отделения газа от жидкости); 5 – сборник жидкости; h1 –высота столба поднимаемой жидкости; h2 – высота барботажного слоя над уровнем чистой жидкости; H = h1 + h2 – высота подъемной трубы Условие равновесия сообщающихся сосудов для данного случая будет ![]() Из уравнения равновесия можно определить высоту подъема жидкости: ![]() где ж – плотность чистой жидкости, см – плотность газожидкостной системы в подъемной трубе. Достоинство газлифтов – простота устройства, а недостаток – низкий к.п.д.(20 - 30%). |