перемещение жидкостей. Лекции_Тема 1.4_Перемещение жидкостей. Тема 4 Перемещение жидкостей Общие сведения
 Скачать 2.11 Mb.
|
|
Сравнительный анализ работы насосов различных типов Рассмотренные ранее типы насосов различны по сложности конструктивного оформления, по принципу действия, по производительности и развиваемому напору и их взаимному влиянию, по величине коэффициента полезного действия, по металлоемкости, по непрерывности подачи и т.д. Указанные факторы определяют достоинства и недостатки насосов и их область применения. Центробежные насосы. Наибольшее распространение в химической промышленности получили центробежные насосы, характеризуемые рядом положительных качеств. К ним относятся: высокая производительность и равномерность подачи, компактность и быстроходность (возможность непосредственного присоединения к электродвигателю); простота устройства, что позволяет изготавливать их из химически стойких, трудно поддающихся механической обработке материалов (например, ферросилида, керамики и т.д); возможность перекачивания жидкостей, содержащих твердые взвешенные частицы, благодаря большим зазорам между лопатками; возможность установки на легких фундаментах. К.п.д. наиболее крупных центробежных насосов достигает 0,95 (к.п.д. поршневых насосов 0,9). Однако центробежные насосы небольшой и средней производительности имеют к.п.д. на 10-15% ниже, чем поршневые. К недостаткам центробежных насосов следует отнести относительно низкие напоры, а также уменьшение производительности при увеличении сопротивления сети и резкое снижение к.п.д. при уменьшении производительности. Осевые насосы применяются для перемещения больших объемов жидкостей при относительно невысоких напорах, т.е. по сравнению с центробежными насосами осевые насосы имеют значительно большую подачу, но меньший напор. К.п.д. высокопроизводительных осевых насосов достигает 0,9 и выше. Вихревые насосы. Достоинством вихревых насосов по сравнению с центробежными является их самовсасывающая способность и то, что при равных размерах рабочего колеса и угловой скорости вихревые насосы развивают значительно больший напор, чем центробежные. Недостатком вихревых насосов является сравнительно невысокий к.п.д. и быстрый износ их деталей при работе с загрязненными жидкостями. Струйные насосы и газлифты. Струйные насосы просты по устройству, надежны в работе, что является их достоинством. Применяются для откачки воды из скважин, для смешения холодной и горячей воды теплофикационных сетей, а также там, где недопустимо наличие трущихся деталей в насосе. К недостаткам струйных насосов относятся низкая величина к.п.д. из-за потерь напора в самом насосе и большой расход рабочей жидкости под давлением. Следует учитывать и то, что их можно применять только в том случае, если допустимо смешение рабочей и перекачиваемой жидкостей. Газлифты просты по устройству и надежны в работе. Они применяются для подъема жидкости из глубоких скважин. В химической промышленности – для осуществления ряда процессов взаимодействия газов и жидкости при ее интенсивной циркуляции, а также для подачи агрессивных жидкостей. Основным недостатком газлифтов является их низкий к.п.д. Поршневые насосы. Положительными качествами поршневых насосов являются: независимость их производительности от развиваемого напора, т.е. возможность подачи небольших количеств жидкости под высоким давлением; осуществление их пуска в ход без предварительной заливки всасывающего трубопровода; высокий к.п.д. Поршневые насосы обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения. К основным недостаткам относятся: 1) громоздкость, большая металлоемкость и высокая стоимость, сложность их конструкции; 2) возвратно-поступательное движение поршня, вызывающее необходимость применения для их привода кривошипно-шатунного механизма и монтажа насосов на тяжелых фундаментах; 3) большая занимаемая площадь; 4) наличие клапанов, требующих постоянного ухода и ремонта, а также исключающих возможность перекачивание жидкостей, содержащих взвешенные твердые частицы; 5) неравномерность всасывания и нагнетания жидкости. Производительность поршневых насосов по причинам конструктивного характера обычно ограничена примерно 0,04 м3/с. Поршневые насосы применяют лишь при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях, для перекачивания вязких жидкостей, для дозировки жидких сред. Разновидностью поршневого насоса одинарного действия является мембранный насос, который применяется для перекачивания агрессивных жидкостей. Роторные насосы. Основными отличиями роторных насосов от поршневых и их достоинствами являются: отсутствие клапанов, простота привода насоса от двигателя и равномерность подачи. Шестеренные насосы могут работать с сильновязкими и густыми жидкостями. Недостатками насоса являются низкий к.п.д. насоса (0,6 - 0,7), небольшая производительность и высокие требования к чистоте перекачиваемой жидкости. Пластинчатые насосы применяются также для перекачки чистых и вязких жидкостей, но в отличие от шестеренных они имеют большую производительность. Винтовые насосы применяются для перекачивания чистых и вязких жидкостей. Эти насосы быстроходны, бесшумны, компакты. Производительность их не изменяется практически при изменении давления и достигает 0,1 м3/с; развиваемое давление 30 МПа, частота вращения 330 об/с. К.п.д. этих насосов достаточно высок и лежит в пределах 0,75 - 0,80. Компрессорные машины В химической промышленности широко распространены процессы, которые осуществляются в газовой фазе при давлениях, значительно отличающихся от атмосферного. Интервал этих давлений лежит в пределах от 10-3 до 1010 Па. В этих условиях при сжатии и транспортировании газов следует учитывать их сжимаемость, т.е. изменение плотности или удельного объема  , что приводит к изменению внутренней энергии газа и его температуры.Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорными машинами. Классификация компрессорных машин и их основные характеристики Основными характеристиками компрессорных машин являются: производительность  (объемный расход всасываемого газа), степень сжатия , мощность на валу компрессора Nв.Степенью сжатия называется отношение конечного давления p2, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению p1, при котором происходит всасывание газа  .В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин: 1) компрессоры ( > 3,0) – для создания высоких давлений; 2) газодувки (1,1 < < 3,0) – для перемещения газов при относительно высоком сопротивлении газопроводящей сети; 3) вентиляторы ( < 1,1) – для перемещения газов при низком гидравлическом сопротивлении сети. Поскольку в вентиляторах степень сжатия мала, изменением плотности газа можно пренебречь. В зависимости от величины абсолютного давления компрессорные машины делятся на вакуумные (начальное давление ниже атмосферного), их еще называют вакуумными насосами; низкого давления (конечное давление газа менее 1.0 МПа), высокого ( конечное давление 1.0 - 100 МПа) и сверхвысокого (конечное давление свыше 100 МПа). По способу сжатия газа компрессорные машины подразделяются на две группы: объемные и динамические. В объемных компрессорах процесс сжатия газа происходит при периодическом изменении объема, занимаемого газом. В конструктивном отношении их подразделяют на поршневые и роторные. В динамических компрессорах процесс сжатия происходит под действием непрерывного создания ускорений в движущемся потоке газа. Конструктивно их делят на центробежные и осевые. Процессы сжатия газов. (Термодинамические основы). Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая сжатия: 1) все выделяющееся при сжатии тепло полностью отводится и температура газа при сжатии остается неизменной – изотермический процесс; 2) теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует и все выделяющееся при сжатии тепло затрачивается на повышение внутренней энергии газа, повышая его температуру – адиабатный процесс. В действительности сжатие газа лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии газа наряду с изменением его объема и давления происходит изменение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропным. Для идеальных газов, подчиняющихся уравнению состояния Менделеева - Клапейрона,  . (8.42)Вышеперечисленные процессы описываются следующими уравнении-ями: - изотермический:  ; (8.43)- адиабатный:  ; (8.44)- политропный:  , (8.45)где – удельный объем ,  - показатель адиабаты, m – показатель политропы,  - мольная масса, R – универсальная газовая постоянная.Найдем удельную работу сжатия газа в изотермическом процессе  , отнесенную к единице массы. При изотермическом процессе температура системы, а следовательно, и ее внутренняя энергия остаются неизменными. Тогда из первого закона термодинамики для покоящейся среды будем иметь ,   , (8.46)т.е. вся энергия, подводимая к системе в форме работы сжатия, должна отводиться от нее в форме тепла. Полагая работу сжатия положительной, определим её как  . (8.47)Выразив р из уравнения Менделеева-Клапейрона и проинтегриро-вав (8.47) определим работу сжатия в изотермическом процессе:  (8.48)или, использовав (8.42) и (8.43), получим  . (8.49)При адиабатном процессе, как это следует из первого закона термодинамики, вся работа сжатия идет на увеличение внутренней энергии системы  ,  . (8.50)Проинтегрировав при постоянной изохорной теплоемкости Сv = const, получим  . (8.51)Выразив Т2 и Т1 из уравнения (8.42), а также воспользовавшись (8.44), получим  (8.52)или, учитывая, что для идеального газа  , . (8.53)Выражение для работы сжатия газа при политропном процессе будет иметь аналогичный вид:  . (8.54)Проанализировав соотношения (8.49), (8.53) и (8.54) с учетом того, что показатель адиабаты для газов имеет величину около k = 1,3, а показатель политропы 1< m <k, можно сделать вывод, что наибольшая работа сжатия наблюдается в изотермическом процессе, а наимень- шая – в адиабатном. При давлениях на выходе из компрессора более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа  , (8.42а)где z – коэффициент сжимаемости. Теоретическая мощность Nт (Вт), затрачиваемая на сжатие газа компрессором, определяется по уравнению  , (8.55)где G= – массовая производительность компрессора, кг/с; AK – теоретическая работа, затрачиваемая компрессором на сжатие 1 кг газа, Дж/кг.Объемные компрессоры Поршневые компрессоры делятся по числу всасываний и нагнетаний за один двойной ход поршня на компрессоры простого(одинарного) и двойного действия. За один двойной ход поршня компрессор простого действия производит одно всасывание и одно нагнетание, компрессор двойного действия – два всасывания и два нагнетания. Ступенью сжатия называется часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного (перед поступлением на следующую ступень) давления. По числу ступеней поршневые компрессоры подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые, которые, в свою очередь, могут быть горизонтальными и вертикальными. Принцип действия и теоретическая диаграмма работы поршневого компрессора. На рис. 8.26 изображена схема компрессора простого действия. Поршень 2 движется возвратно-поступательно в цилиндре 1, снабженном всасывающим 3 и нагнетательным 4 клапанами. Поршень плотно прилегает к тщательно обработанной внутренней поверхности цилиндра.  Рис. 8.26. Схема поршневого компрессора простого действия: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4 – всасывающий и нагнетатель-ный клапаны; 5 и 6 – патрубки для входа и выхода охлажда-ющей воды; 7 – рубашка Движение поршня осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию от двигателя. При движении поршня вправо газ при давлении р1 всасывается через клапан 3; при движении в обратную сторону газ сначала сжимается до требуемого давления р2, затем вытесняется через клапан 4 в нагнетательный газопровод. Для отвода теплоты сжатия газа вокруг наружной поверхности цилиндра устанавливается рубашка 7, в которую подается холодная вода (вход воды 5) и отводится нагретая вода (выход 6). На рис. 8.27 представлена теоретическая рабочая диаграмма для компрессора простого действия. При перемещении поршня от крайнего левого положения газ через открывшийся всасывающий клапан засасывается в цилиндр (линия 4-1). Когда поршень займет крайнее правое положение, пройденный поршнем объем V1 наполнится газом с давлением р1 и температурой Т1 (на диаграмме точка 1). При движении поршня влево всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа (линия 1-2). Поршень будет находиться в положении 2, когда давление газа достигнет величины противодавления в нагнетательном газопроводе, равного р2. При этом откроется нагнетательный клапан и сжатый газ начнет выталкиваться при постоянном давлении р2 в нагнетательный трубопровод (линия 2-3). На диаграмме процесс сжатия изобразится кривой 1-2, а процесс нагнетания – прямой 2-3. Теоретическая работа, совершаемая поршневым компрессором за один цикл (два хода поршня) Ак, будет определяться как алгебраическая сумма работ всасывания (площадь 4571), сжатия (площадь 1267) и нагнетания (площадь 2356), т.е. изображаться площадью 1234, так как работа всасывания отрицательная в соответствии с (8.47) ибо величина dV при этом положительная.  . (8.56)Поскольку предполагается, что процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянном давлении, то соответствующие величины работы легко находятся из (8.47):  , (8.57) , (8.58)где М – масса газа, заполняющего объем компрессора V1. Величина теоретической работы компрессора зависит от условий, при которых происходит сжатие газа, что обусловливается различными значениями А1-2 , а также Анаг . При изотермическом процессе сжатия А1-2 определяется из (8.49) и равняется АКиз (площадь 1234), поскольку при Т=const  (Aвс = -Анаг). Для адиабатного процесса (площадь 1234). (8.59)Аналогичным образом для политропного процесса (площадь 1234)  . (8.60)Проанализировав соотношения (8.49), (8.59), (8.60) с учетом того, что показатель политропы 1<m<k, можно сделать вывод, что наименьшая работа затрачиваемая компрессором наблюдается в изотермическом процессе, а наибольшая – в адиабатном. На практике при работе компрессора показатель политропы может оказаться большим, чем п  оказатель адиабаты (m>к). Это объясняется выделением дополни-тельного тепла при трении движущихся деталей компрессора, гидравлическим сопротивлением и т.д. В этом случае работа, затрачиваемая компрессором при политропном процессе, будет больше, чем при адиабатном процессе (площадь 1 34).Рис. 8.28. Теоретическая рабочая диаграмма поршневого компрессора простого действия Действительная диаграмма работы поршневого компрессора. Производительность компрессора. Для определения производительности компрессора по его главным размерам (площадь поперечного сечения поршня F, ход поршня S) и числу оборотов вала n пользуются действительной рабочей диаграммой компрессора. Ее отличие от теоретической обусловлено главным образом тем, что не весь сжатый газ вытесняется из цилиндра в конце рабочего хода поршня. По конструктивным причинам в пространстве между рабочей плоскостью поршня и крышкой цилиндра, носящем название вредного пространства, всегда остается некоторое количество газа, сжатого до давления р2. Всасывание новой порции газа не начнется до тех пор, пока остаток сжатого газа не расширится до давления р1, а точнее, до |