УМКД ГНП. УМКД, НПС, МиО ГНП , Kovalenko_2005_1. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 170 05 01 Проектирование, сооружение и эксплуатация
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
3.2. Задания для лабораторных работ Лабораторная работа №4 Способы регулирования режима работы нагнетателей. Дросселирование Цель работы. − изучение способов регулирования нагнетателей. − построение совмещенной характеристики нагнетателя и трубопровода при дросселировании. Основные сведения. При совместной работе нагнетателя и сети очень часто требуется создавать такие значения расхода и напора, которые не располагаются на характеристике подобранного насоса или существующего трубопровода. Например, требуется обеспечить расход в сети 1 мс с напором 50 м рис. 6.1). Как видно на рисунке, данная точка не удовлетворяет ни характеристике насоса, ни характеристике сети. В таких случаях нужно изменить либо характеристику насоса, либо характеристику сети, либо обе характеристики. Изменение характеристики насоса Изменить характеристику насоса можно путём изменения наружного диаметра рабочего колеса (обточкой/заменой рабочих колес) либо изменением частоты вращения вала нагнетателя. Крупногабаритные насосы высокой производительности (такие как нагнетатели нефтеперекачивающих станций, поступая на производство имеют в своем комплекте несколько запасных (дополнительных) рабочих колёс с различным наружным диаметром. Рабочее колесо с максимальным (номинальным) диаметром имеет наименьшие зазоры между корпусом насоса и рабочим колесом, вследствие чего способно создать больший напори подачу для данного насоса (рис. 6.2). Уменьшая диаметр рабочего колеса, можно добиться искомых значений напора. Наружный диаметр можно найти из уравнений 2 3 ; ; Q Д Н Д N Д Q Д Н Д N Д ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = = = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (6.1) 50 1 А иск Q, м 3 /с Н, м Рис. 6.1. Несовпадение искомой точки с характеристиками Изменение частоты вращения рабочего колеса также дает изменение характеристик нагнетателя (рис. 6.3). Рис. 6.3. Изменение частоты вращения С уменьшением частоты вращения вала уменьшаются напори подача, развиваемые насосом. Перерасчет на требуемую частоту вращения можно осуществить по формулам 2 3 ; ; Q n Н n N n Q n Н n N n ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = = = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (6.2) Таким образом, возвращаясь к задаче на рис. 6.1, можно изменить характеристику нагнетателя таким образом, что она пройдет через искомую точку А иск (рис. 6.4). Теперь насос дает требуемый напор, однако расход жидкости не удовлетворяет условиям задачи. Рассмотрим другой способ регулирования режима работы системы. уменьшение частоты n '' n номин n ' уменьшение диаметра Q H Ø '' Ø номин Ø Рис. 6.2. Изменение диаметра/обточка колес Изменение характеристики трубопровода Характеристика трубопровода (сети) – семейство величин напора, при соответствующих значениях расхода Q показывающее энергию, необходимую для преодоления сопротивления рассматриваемого трубопровода. Изменив сопротивление, получим изменение характеристики сети. Изменить сопротивление можно изменением вязкости перекачиваемой жидкости (сменой температуры или использованием разжижающих присадок. Снижение вязкости перекачиваемого продукта (рис. 6.5) приводит к уменьшению сопротивления трения жидкости о стенки трубопровода и уменьшению трения между слоями жидкости. Следующим способом изменения характеристики сети является изменение геометрических характеристик трубопровода (рис. 6.6). Увеличение диаметра, снижение длины трубопровода либо уменьшение шероховатости внутренних стенок ведут к уменьшению сопротивления трубопровода. Данный способ возможно использовать лишь на этапе проектирования. Увеличение вязкости Q H 3 1 2 Рис. 6.5. Изменение вязкости 50 1 А иск Q , м 3 /с Н, м Рис. 6.4. Изменение характеристики насоса Изменить режим работы сети в процессе эксплуатации можно дросселированием либо байпасированием. Дросселирование обычно производиться сразу за нагнетателем, в напорном патрубке (рис. 6.7). При этом можно получить любой режим работы (точки Б, В. В трубопроводе режим работы будет характеризоваться соответствующими точками Кили М (в зависимости от степени прикрытия регулирующего вентиля/крана). Потери напора на вентиле при дросселировании отрезки БК и ВМ. Байпасирование заключается в перепуске части жидкости по обводной линии (рис. 6.8). Это приводит к снижению сопротивления перед насосом и режим его работы перемещается из точки А в точку В. При этом насос подает расход В и создает напор Н В . Пересечение горизонтали, проходящей через точку В, с характеристикой сети определит режим работы трубопровода (Н Б ;Q Б ). Количество жидкости, перепускаемой по обводной линии определиться как ∆Q = В – Б. (6.3) Q А К сети М В Б нас А Q Н Рис. 6.7. Дросселирование увеличение диаметра, уменьшение длины, уменьшение шероховатости Q H 3 1 2 Рис. 6.6. Изменение геометрических характеристик Теперь, в рассматриваемом выше примере можно любым из приведенных способов изменить характеристику сети (рис. 6.9) и получить искомый режим работы данного нагнетателя в системе сданным трубопроводом. Описание лабораторного стенда для снятия характеристики сети и определения рабочей точки вихревого насоса Определение основных параметров насоса и сети при их совместной работе и построение рабочей (режимной) точки производится на лабораторном стенде, изображенном на рис. 2.23 (см. лабораторную работу № 2). Насос Н имеет установленные манометры на всасывающем и напорном патрубках. Кран К используется для изменения подачи в системе, которая определяется с помощью расходомера Р и секундомера. Кран К служит устройством для изменения характеристики сети, те. дросселирования. Кран К можно использовать для байпасирования нагнетателя Н. 50 1 А иск Q, мс Нм Рис. 6.9. Изменение характеристики сети Q Б Q В Q А В Н В Н А Б АН Рис. 6.8. Байпасирование Порядок проведения испытаний 1. Проверить достаточность уровней воды в баке. 2. Для запуска насоса Н открыть вентиль В и кран К, остальные закрыть. 3. Нажатием кнопки "Пуск" на приборном щите запустить насос. 4. Частично прикрыть кран К, создав дросселирование в сети. 5. Произвести замер показаний расходомера Р и манометров Ми М. 6. Изменяя степень открытия крана Кот максимального до 0, снимать показания расходомера Р и манометров Ми М. Занести их показания в таблицу. № опыта Р вх. сеть, МПа Р вых. сети, МПа, мс, мс сети, м 1…4 7. После выполнения замеров всех точек, привести систему в исходное состояние, полностью открыв краны К и К. 8. Частично открыть кран К, создав байпасирование насоса Н. 9. Определить значение давления на входе в сеть Р по показаниям манометра М. 8. Выключить насос, перекрыть все краны и вентили. Обработка полученных экспериментальных данных 1. Перевести показания манометров в паскали (систему СИ. 2. Определить потери напора на преодоление сопротивления сети по формуле 6.4 2 2 1 2 1 2 2 Р Р Н Z g g − υ − υ = + + ∆ ρ ⋅ (6.4) 3. Определить расход жидкости в сети как Q = V / t. (мс) 4. На миллиметровой бумаге в координатах H-Q построить графики сети при дросселировании Н сетиДр = f (Д. 5. На полученные графики водном и том же масштабе наложить графики центробежного насоса нас = f (Q), нас = f (Q), полученные при испытании нагнетателей в лабораторной работе № 2 и график сети сети = f (Q), полученный в лабораторной работе № 3. 6. Определить напори расход, теряемые при дросселировании. По формуле 1 Д ⋅ ⋅ = ⋅ η (6.5) определить мощность, теряемую при дросселировании. 234 7. Вычислить значение напора Н байп , подаваемого насосом в сеть при байпасировании по формуле 5 байп Р Н g = ρ . (6.6) 8. С помощью графиков нас = f (Q), сети = f (Q) и значения Н байп определить количество жидкости, перепускаемой по байпасной линии. Оформление отчета Отчет должен содержать − номер лабораторной работы, её название − цель работы − основные расчетные формулы, − протокол испытаний – пример расчета параметров − графики напорной насоса и энергетической η-Q характеристик центробежного нагнетателя − график характеристики сети сети, характеристики сети при дросселировании H сетиДр -Q. 3.3. Задания для практических занятий Подбор нефтеловушки Подобрать нефтеловушку для отделения нефтяных частиц диаметром нм при среднем расходе нефтесодержащих вод Q ср = 3000 м 3 /сут и их температуре Т в = 283 К. Плотность нефтяных частиц ρ = 840 кг/м 3 Решение: 1. Определить расчетный часовой расход нефтесодержащих вод, м 3 /ч 24 СР час Р Q k Q ⋅ = , где час 1,3 – часовой коэффициент неравномерности поступления неф- тесодержащих вод. 3000 1,3 162,5 Р. Из табл. 6.3 предварительно принять к сооружению нефтеловушку по типовому проекту 902-2-161, для которой L нф = 30 м, В нф = 3 м, п = 2 мн. Таблица 6.3 Основные параметры типовых горизонтальных нефтеловушек Размеры одной секции, м Пропускная способность, м 3 /ч Число секций Глубина проточной части, м ширина длина высота Номер типового проекта 18 1 1,20 2 12 2,4 и 3,6 902-2-157 36 2 1,20 2 12 2,4 и 3,6 902-2-158 Окончание табл. 6.3 72 2 1,25 3 18 2,4 и 3,6 902-2-159 108 2 1,50 3 24 2,4 и 3,6 902-2-160 162 2 2,00 3 30 2,4 и 3,6 902-2-161 396 2 2,00 6 36 2,4 902-2-3 594 3 2,00 6 36 2,4 902-2-17 792 4 2,00 6 36 2,4 902-2-18 3. Средняя скорость потока в нефтеловушке, мс Р н п нф Q w N h В ⋅ ; 3 162,5 3,76 10 3600 2 2 3 w − = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 4. Гидравлический радиус нефтеловушки, м ( ) 2 п нф п нф h В r h В ⋅ = + ; ( ) 2 3 0,6 2 2 3 r ⋅ = = + 5. Кинематическая вязкость воды при температуре 283 Км с 3 6 1,308 10 / 999,7 1,308 10 − − γ = ⋅ = ⋅ 6. Число Рейнольдса для нефтеловушки 3 6 4 0,6 3,76 10 Re 6899 1,308 10 p d − − ϑ ⋅ ⋅ ⋅ = = = ν ⋅ 7. Так как режим течения турбулентный, то коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается как 0.25 0,3164 Re λ = ; 0.25 0,3164 0,0347 6899 λ = = 8. Удерживающая скорость потокам с, определяется по формуле * 8 w w λ = ; 3 4 0,0347 * 3,76 10 2,48 10 8 w − − = ⋅ ⋅ = ⋅ 236 9. Гидравлическая крупность частиц u 0 , мс, диаметром н определяется по формуле Стокса ( ) 2 0 18 н в в g d u ⋅ ⋅ ρ − где , в в ρ µ – соответственно плотность и динамическая вязкость воды при температуре Т в (табл. 6.4). Таблица 6.4 Зависимость динамической вязкости и плотности воды от температуры Т,К 273 275 278 283 288 293 298 303 в Пас 1,792 1,673 1,519 1,308 1,140 1,005 0,894 0,801 в, кг/м 3 999,8 999,9 1000,0 999,7 999,0 998,2 997,1 995,7 ( ) ( ) 6 4 0 3 9,81 76 10 999,7 840 3,86 10 18 1,308 10 u − − − ⋅ ⋅ ⋅ − = = ⋅ ⋅ ⋅ 10. Расчетная длина нефтеловушки нм, рассчитывается по формуле ( ) 0 * п н н h w L k u w ⋅ = ⋅ − , где k н = 0,5 – коэффициент использования объема нефтеловушки, учитывающий наличие зон циркуляции и мертвых зон, которые практически не участвуют в процессе очистки. ( ) 3 4 4 2 3,76 10 109,0 0,5 3,86 10 2,48 н. Так как расчетная длина значительно превышает фактическую для выбранного типового проекта нефтеловушки, необходимо повторить расчет для другого типоразмера. Приняв типоразмер 902-2-3 повторяем вычисления 3 162,5 1.88 10 3600 2 2 6 w − = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ; ( ) 2 6 0,75 2 2 6 r ⋅ = = + ; 3 6 4 0,75 1,88 10 Re 4312 1,308 10 − − ⋅ ⋅ ⋅ = = ⋅ ; 0.25 0,3164 0,0391 4312 λ = = ; 237 3 4 0,0391 * 1,88 10 1,31 10 8 w − − = ⋅ ⋅ = ⋅ ; ( ) 3 4 4 2 1,88 10 24,5 0,5 3,86 10 1,31 н Поскольку расчетная длина нефтеловушки типоразмера 902-2-3 меньше фактической, то выбор сделан верно. Расчет системы маслоснабжения насосных агрегатов и маслоох- лаждения Подобрать насос для системы смазки трех работающих агрегатов насосов типа НМ 2500-230 с электродвигателями СТДП 200-2. Мощность навалу двигателя N дв = 2000 кВт, КПД подшипников η дв = 0,99. Для смазки используется масло плотностью ρ 293 = 875 кг/м 3 . Температура масла на входе в подшипник Т м1 = 293 Кана выходе из него Т м2 = 323 К. Масло охлаждается в калорифере, где используется воздух с температурой 293 К на входе и 303 К на выходе. Решение 1. Подача масла к насосным агрегатам обеспечивает не только смазку подшипников но и их охлаждение. Энтальпию маслам при заданной температуре Т , кДж/кг, определяют по формуле ( )( ) 293 0,0536 273 722 i Т Т = − + ρ Рассчитывается энтальпия масла дои после подшипников ( ) ( ) 1 0,0536 293 273 293 722 36,8 мм. Необходимый массовый расход маслам, кг/с определяется как 2 1 1 дв м А дв м м G n N i i ⎛ ⎞ − η = ⋅ ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ , где А – число работающих агрегатов N дв , η дв – соответственно мощность навалу двигателя и его КПД 1 0,99 3 2000 1,036 97,4 м ⋅ ⋅ = ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ 238 3. Необходимый объемный расход масла Мм ч при этом равен м м м G Q = ρ ; 3 1,036 0,00118 / 4,25 мм с. Давление маслонасоса не должно превышать 0,3 МПа, а объем маслобака – 250 л. По известному расходу масла и с учетом допустимого давления в маслосистеме подбираем насос марки ШФ-8-25А [4] с характеристиками м 3 /ч, давление нагнетания 0,25 МПа мощностью 1,0 кВт. К установке принимаем 2 насоса, один из которых – резервный. 5. Массовый расход масла, кг/с, в системе при этом равен 875 5,8 * 1,41 м. Количество тепла, кВт, которое необходимо отводить от масла рассчитывается по формуле ( ) 2 1 * Т м м м Q G i i = ⋅ − ; ( ) 1,41 97,4 36,8 Т. Плотность воздуха, кг/м 3 используемого для охлаждения определяется как в = , где М – молярная масса воздуха, М = 29 кг/кмоль; R = 8314 Дж/(кмоль К) – универсальная газовая постоянная. 101325 29 1,19 8314 в = = ⋅ 8. Расход воздуха на охлаждением с ( ) T в рв в вк вн Q Q C Т Т = ⋅ρ ⋅ − , где С рв , в – соответственно массовая теплоемкость и плотность воздуха, для практических расчетов С рв = 1005 Дж/кг К Т вн ., Т вк – температура воздуха перед калорифером и после него. ( ) 3 85,5 10 7,15 1005 1,19 303 в 239 9. Весовую скорость воздуха в калорифере рекомендуется принимать 5 < К < 10 кг/м 2 с. Полагая К = 6 кг/(м 2 ·с), определить необходимую площадь живого сечения калорифера в, м, по формуле в в в к Q f ⋅ρ = ω ; 7,15 1,19 1,42 в. По табл. 6.5. определяем, что необходимо три калорифера типа КФС-9, у каждого из которых поверхность нагрева км, живое сечение по воздуху в = 0,486 ми по теплоносителю мм, внутренний диаметр трубок мм, а их длинам м. Таблица 6.5 Характеристика калориферов КФС Живое сечением Размеры трубок для теплоносителям Модель калорифера Поверхность нагрева, м 2 по воздуху по теплоносителю длина ширина Масса, кг КФС-2 9,9 0,115 0,0046 0,56 0,02 57 КФС-3 13,2 0,154 0,0061 0,56 0,02 71,2 КФС-4 16,2 0,195 0,0061 0,71 0,02 80,8 КФС-5 20 0,244 0,0076 0,71 0,02 100,4 КФС-6 26,3 0,295 0,0076 0,86 0,02 118,6 КФС-7 30,4 0,354 0,0092 0,86 0,02 143,3 КФС-8 35,7 0,416 0,0092 1,01 0,02 164,4 КФС-9 41,6 0,486 0,0107 1,01 0,02 190 КФС-10 47,8 0,588 0,0107 1,16 0,02 215 КФС-11 54,6 0,638 0,0122 1,16 0,02 244,5 11. При этом фактическая весовая скорость в калорифере, кг/м 2 с, равна 1 в в факт в к в f w w n f = ⋅ ⋅ , где к – выбранное число калориферов в – площадь живого сечения по воздуху одного калорифера 1,42 6 5,84 3 в факт ⋅ = ⋅ 12. Линейная скорость масла в калорифере, мс, определяется по формуле / м м к м м G n f υ = ⋅ρ ⋅ ; 1,41 0,0753 3 875 м = = ⋅ ⋅ 240 Число Рейнольдса при течении масла в калорифере 6 0,0753 0,02 Re 71,7 21 10 м d − υ ⋅ = = = ν ⋅ Так как Re < 2320, то режим течения ламинарный. В зависимости от режима течения вычисляется полный коэффициент теплопередачи от масла в воздух. 14. Коэффициент теплопроводности масла н Вт/м гр, изменяется в пределах 0,1…0,16 Вт/(м К. При расчетах часто пользуются средним значением н = 0,13 Вт/(м К. При проведении более точных расчетов применяют формулу Крего-Смита, справедливую для температур 273 – 473 К ( ) 293 156,6 1 0,00047 н Т λ = − ⋅ ρ ; ( ) 156,6 1 0,00047 298 0,154 н = − ⋅ = 15. Теплоемкость масла р Дж/кг гр. изменяется в пределах 1600…2500 Дж/(кг К. При расчетах часто пользуются средним значением С р = 2100 Дж/(кг К. При проведении уточненных расчетов используют формулу Крего, справедливую для температур 273 – 673 К ( ) 293 31,56 762 3,39 рм С Т = + ⋅ ρ ; ( ) 31,56 762 3,39 298 1891 875 рм С = + ⋅ = 16. Число Пекле при течении масла в трубках калорифера определяется по формуле м рм м м м С d Pe υ ⋅ ⋅ρ ⋅ = λ ; 0,0753 1891 875 0,02 16181 0,154 Pe ⋅ ⋅ ⋅ = = 17. Полный коэффициент теплопередачи в калорифере, Вт/м 2 гр, равен если режим течения ламинарный 3 1,61 м м м м м d K Ре d l λ = ⋅ ⋅ ; если режим течения турбулентный 0,331 0,166 0.393 0,106 15,2 0,03 0,25 / 12,9 0,25 1,0 в факт м м в факт м м w при м с K w при м с υ < υ ≤ ⎪ = ⎨ ⋅ ⋅ υ < υ ≤ ⎪⎩ ; 3 0,154 16181 0,02 1,61 85,0 0,02 1,01 K ⋅ = ⋅ = 241 18. Поскольку средняя температура воздуха Т в.ср = 298 Кто фактическая теплоотдача, Вт, в обоих калориферах равна т факт к к м ср в ср Q К n F Т Т = ⋅ ⋅ ⋅ − ; ( ) 85 3 41,6 308 298 т факт Таким образом, необходимый отбор тепла от масла обеспечивается. 19. В соответствии с необходимой производительностью по воздуху выбираем центробежный вентилятор типа Ц 4-70 № 10 (табл. 6.6). Таблица 6.6 Центробежные вентиляторы типа Ц 4-70 Электродвигатель Габаритные размеры Полное давление, Па Производительность , тыс. м 3 /ч Тип Мощн ость, кВт Скорость вращения, об ./мин Длина Ширина Высота Вес , кг 950…600 260…170 0,85…2,1 0,46…1,1 АОЛ22-2 АОЛ21-4 0,60 0,27 2800 1400 451 450 475 24,2 22 3 1250…850 280…160 1,5…3,5 0,75…1,7 А А 1 0,6 2830 1410 540 528 578 42 4 500…320 220…120 1,7…4 1,1…2,8 АО АО 0,6 1 1420 930 718 683 723 748 70 80 5 850…480 360…200 3,4…8 2,2…5,2 АО АО 1,7 1 1420 930 892 850 933 121 6 1050…680 500…300 6,1…13 4…9 АО АО 4,5 1,7 1440 930 1068 1013 1111 1066 213 178 7 1600…850 750…420 8,5…20 6,5…15 АО АО 7 2,8 980 950 1248 1200 1309 1279 366 281 8 1000…650 9…21 А 7 970 1455 1188 1408 420 10 950…480 15…38 АО 20 980 1810 1300 1743 610 Задачи 1. Подобрать нефтеловушку для отделения нефтяных частиц диаметром нм при среднем расходе нефтесодержащих вод Q ср = 2000 м 3 /сут и их температуре Т в = 278 К. Плотность нефтяных частиц ρ = 840 кг/м 3 2. Подобрать нефтеловушку для отделения нефтяных частиц диаметром нм при среднем расходе нефтесодержащих вод Q ср = 1000 м 3 /сут и их температуре Т в = 280 К. Плотность нефтяных частиц ρ = 840 кг/м 3 3. Подобрать насос для системы смазки трех работающих агрегатов насосов типа НМ с электродвигателями СТДП 200-2. Мощность навалу двигателя N дв = 2000 кВт, КПД подшипников η дв = 0,98. Для смазки используется масло плотностью ρ 293 = 870 кг/м 3 . Температура масла на входе в подшипник Т м1 = 293 Кана выходе из него Т м2 = 323 К. Масла охлаждается в калорифере, где используется воздух с температурой на входе 288 К и 299 К на выходе. 4. Подобрать насос для системы смазки трех работающих агрегатов насосов типа НМ с электродвигателями СТДП 200-2. Мощность навалу двигателя N дв = 1800 кВт, КПД подшипников η дв = 0,98. Для смазки используется масло плотностью ρ 293 = 880 кг/м 3 . Температура масла на входе в подшипник Т м1 = 293 Кана выходе из него Т м2 = 323 К. Масла охлаждается в калорифере, где используется воздух с температурой на входе 290 К и 300 К на выходе. |