Нагнетатели и тепловые двигатели

2. Военная промышленность. Создание сверхкавитационных торпед, которые в зависимости от плотности водной среды развивают скорость до 500 км/ч.

3. Обработка топлива. С помощью кавитации топливо дополнительно очищается и происходит существенное снижение содержание фактических смол. Такие изменения повышают качество топлива и калорийность, что приводит к его полному сгоранию и снижению массовой доли загрязненных веществ.

4. Кавитацию используют также для смешивания и отстаивания взвешенных частиц в коллоидных жидкостных составах, таких как смесь красок или молока.

Абсолютное давление при входе в рабочее колесо насоса должно превышать упругость насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. При не соблюдении этого условия начинается процесс парообразования, существенно уменьшается производительность насоса. Также происходит окончательный разрыв потока жидкости и насос перестает подавать саму жидкость. При длительной работе насоса в условии парообразования рабочее колесо разрушается.

Процесс кавитации представляет собой комплекс следующих явлений:

1. Выделение пара и растворенных газов из жидкости в тех зонах, где давление жидкости не превышает давления ее насыщенных паров.

2. Местное повышение скорости движения жидкости именно в той зоне, где возможно парообразование и ее последующее беспорядочное движение.

3. Конденсация пузырьков пара, которые переносятся потоком жидкости в зону повышенного давления. Конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому снижению объема и гидравлическому удару в небольших областях потока, но бомбардировка такими ударами на большой площади кавитируемой поверхности приведет и к большим областям разрушения.

4. Химические разрушения металла в зоне кавитации кислородом, который выделяется из жидкости при ее прохождении в зонах пониженного давления, такой процесс называют коррозией.

Кавитация может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате или в спирали корпуса. Кавитация существенно снижает КПД, напори производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный насос полностью срывает подачу. Наиболее сильно кавитации подвержены чугун и углеродистая сталь, а более устойчивыми являются нержавеющие стали и бронзы.

Совместно с улучшением качества покрытия материала применяют защитные покрытия металла:

1. Наплавка поверхностей твердыми сплавами;

2. Металлизация поверхностей в холодном состоянии;

3. Местная поверхностная закалка.

В некоторых насосных установках снижение кавитации достигнуто впуском небольшого количества воздуха во всасывающий патрубок насоса. Однако это приводит к снижению производительности насоса и уменьшению вакуумметрической высоты всасывания. Для предупреждения развития кавитации нельзя располагать насос слишком высоко над поверхностью воды в приемном резервуаре. Обычно зона кавитации располагается вблизи зоны всасывания, где поток жидкости встречается с лопастями насоса. Вероятность кавитации тем выше, чем ниже давление на входе в насос. Чем больше скорость движения потока жидкости, тем более неравномерно происходит обтекание рабочих лопастей потоком жидкости. Для предупреждения возникновения кавитации уменьшают скорость, увеличивают количество воздуха на всасывании.

В центробежных насосах часть жидкости из области высокого давления проходит через небольшой зазор между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Если насос работает с существующим отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления при нагнетании, то утечки через уплотнения между колесом и корпусом возрастают. Из-за высокой скорости жидкости в уплотнениях также появляются кавитационные явления, что приводят к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости, когда давление в потоке становится равным давлению насыщенных паров или давлению парообразования. Такой скорости соответствует граничные значения критерия гравитации ч.

а) Если ч > 1, то поток является сплошным однофазным (докавитационный);

б) Если ч = 1, то поток является кавитационным или двухфазным;

в) Если ч < 1, то поток пленочный с устойчивым отделением кавитационной области от остального потока.

г) Если ч < < 1, то поток является сверхкавитационным.

Высота всасывания

где, P₁- абсолютное давление на входе в насос;

C₁ - абсолютная скорость на входе в насос;

P_а - давление на свободной поверхности жидкости;

H_г - геометрическая высота всасывания. Разность отметок двух горизонтальных поверхностей одна, из которых проходит через точку полости всасывания с минимальным давлением, а вторая совпадает со свободной поверхностью перекачиваемой жидкости.

Уравнение Бернулли для сечения I-I:

где - статическая высота всасывания;

- потери во всасывающем трубопроводе.

Разрежение, созданное рабочим колесом насоса, расходится на преодоление потерь во всасывающем тракте на подъем жидкости на геометрическую высоту, на создание скорости и динамического напора на входе в рабочее колесо.

Максимальная статическая высота всасывания :

где - кавитационный запас. Чем больше , тем более постоянны значения мощности и напора.

с - кавитационный коэффициент быстроходности. Чем больше с, тем более кавитационными свойствами обладает насос. Наилучшим диапазоном значений кавитационного коэффициента быстроходности с является 800…1000.

Для предупреждения кавитации предусмотрен предел кавитации д.

- допустимая статическая высота всасывания;

- геометрическая высота всасывания

Пьезометрический напор, который определяет запас потенциальной энергии связанным с давлением парообразования при определенных значениях температуры t:

При t = 0^оС,

При t = 20^оС,

При t = 100^оС,

Самотяга

Связь между параметрами нагнетателя и трубопровода на примере дымососа забирающего газ из хвостового хода парогенератора и подающего в атмосферу через дымовую трубу.

Уравнение Бернулли имеет вид:

где, - статическое давление в начале участка 1-1;

- статическое давление в конце участка 2-2;

- плотности воздуха и газа;

- высота трубы;

- полный напор, развиваемый дымососом.

На всех участках газового тракта, а также на участках воздушного тракта после воздухоподогревателя из-за наличия разности плотностей атмосферного воздуха, возникает самотяга или естественная тяга системы.

Самотяга вычисляется из суммы всех сопротивлений тракта, так как она способствует движению потока. Еще самотяга создает дополнительное сопротивление движению потока. При этом знак « + » соответствует движению потока снизу вверх, а знак « - » соответствует движению потока сверху вниз. Если плотность газа больше плотности воздуха, то самотяга отрицательна и при этом увеличивается напор и мощность дымососа. Если же плотность газа меньше плотности воздуха, то самотяга положительна и величина напора дымососа Н снижается. Равенство плотностей даёт нулевую самотягу и дымосос работает на преодоление разности статических давлений и кинетических энергий во входном и выходном сечениях газового тракта, а так же на покрытие потерь газового сопротивления.

Самотяга не может обеспечить преодоление гидравлического сопротивления воздушного и газового трактов современных парогенераторных установок, если он составляет больше 5...6 кПа. Для чего применяют механические побудители движения потока, такие как воздуходувки и дымососы. На пиковых теплофикационных водогрейных установках ТЭЦ гидравлическое сопротивление достигает 0,2…0,3 кПа и с этим справляется самотяга дымовой трубы.

Основные конструктивные узлы центробежных нагнетателей

К основным конструктивным узлам центробежного нагнетателя относят:

1. Рабочее колесо;

2. Вал с деталями для крепления;

3. Корпус;

4. Направляющие аппараты;

5. Всасывающие напорные патрубки;

6. Подшипники и сальники;

7. Соединительные муфты.

Рабочее колесо предназначено для преобразования энергии и передачи ее потоку жидкости. Рабочее колесо отливают из сортов серого чугуна, углеродистых и легированных сталей различных сплавов цветных металлов. Выбор материала определяется условиями работы, размерами и частотой вращения, а также характерами перемещаемой среды.

Вал предназначен для передачи крутящего момента от электродвигателя к рабочему колесу. Вал либо отковывают, либо изготавливают из прокаток. Материалом служит специальная легированная или углеродистая конструктивная сталь. Материал должен выдержать воздействие больших поперечных сил возникающих при высокой частоте вращения вала. Вал с насаженными на него деталями называется ротором нагнетателя.

Корпус выполняется из двух основных конструктивных форм: секционный и с горизонтальным разъемом. Секционный корпус состоит из нескольких одинаковых основных и двух замыкающих секций, несущих всасывающий и напорный патрубки. Каждая секция представляет собой литую из чугуна или стали толстостенную оболочку, включающую в себя разделительную диафрагму, а также прямой и обратный направляющие аппараты. Большим достоинством секционной конструкции корпуса является возможность создания из одинаковых секций насосов различных давлений. При этом изменяются только размеры вала, стяжных болтов и плиты, которая предназначена для установки и крепления нагнетателя и электродвигателя. Недостатками секционной конструкции корпуса являются сложность монтажа и малая доступность рабочих колес для осмотра. Корпус с горизонтальным разъемом состоит из двух одинаковых цельнолитых из чугуна или стали половин, из которых нижняя несет всасывающий и напорный патрубки.

Подшипники центробежных насосов выполняются различной конструкции. Насосы малой мощности, как правило, снабжаются шариковыми подшипниками, смазка которых осуществляется жидким маслом из ванны в корпусе подшипника. Более крупные центробежные насосы конструируются с применением роликовых подшипников с цилиндрическими и коническими роликами. Крупные насосы большой подачи выполняются с подшипниками скользящего трения. Смазка подшипников бывает двух видов: густая консистентная (солидол) и жидкостная (турбинное масло или автол).

Сальники. При наличии избыточного давления или вакуума во внутренних полостях насоса в местах прохода вала через стенки корпуса применяются особые уплотнительные устройства, называемые сальниками или уплотнениями контактного трения. Сальник, расположенный со стороны всасывания, не должен пропускать в насос воздух. Сальник со стороны нагнетания должен предотвращать утечку жидкости из насоса. Сальники центробежных насосов имеют мягкую набивку, материалом для которой служит пенька, хлопок, асбестовый шнур.

Соединительная муфта применяется для соединения вала нагнетателя и вала электродвигателя. Применяют для предупреждения передачи вибраций и ударов с валов насоса на вал двигателя и обратно.

Конструкции центробежных насосов

В теплоэнергетике и различных отраслях промышленности применяются центробежные насосы, разнообразные по основным параметрам и конструкциям. Это вызвано различием условий работы и эксплуатационных требований. Все центробежные насосы могут быть разделены на следующие группы:

· для чистой воды;

· конденсатные;

· питательные;

· для кислых сред;

· для подачи смесей жидкостей и твердых частиц.

Насосы для чистой воды применяются для хозяйственного, технического и противопожарного водоснабжения электрических станций и промышленных предприятий. Они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Насосы этого типа создают напоры в пределах 15...80 м вод. ст. Частота вращения составляет 1500... 3000 об/мин, диаметр рабочих колес 130...330 мм, полный КПД -- в пределах 50...85%.

Конденсатные насосы применяются для удаления конденсата, а также как горячие, дренажные насосы бойлерных установок. Они предназначены для перекачивания конденсата и дренажа при температуре до 393К (120^оС)

Питательные насосы применяются для подачи питательной воды в паровые котлы. В большинстве случаев это центробежные многоступенчатые насосы высокого давления, приспособленные к подаче воды с высокой температурой.

Насосы для кислых сред изготовляются из специальных нержавеющих сталей. Они перекрывают область расходов от 5 до 300 м³/ч при напорах от 7 до 500 м вод. ст.

Насосы для подачи смесей жидкостей и твердых частиц используют для перекачивания золосмеси и шлакосмеси в системах гидрозолоудаления, а также при очистке каналов и колодцев. Поток жидкости, содержащей твердые частицы, проходя с большой скоростью через проточную часть насоса, истирает его внутренние поверхности. Поэтому рабочее колесо изготавливается из материалов повышенной стойкости к истиранию и имеет особую конструкцию смесепроводящих каналов, рассчитанных на прохождение крупных твердых частиц. Песковые насосы с диаметром напорного патрубка до 200 мм могут пропускать смеси с твердыми частицами размером до 25 мм и развивать подачу до 500 м³/ч.

Обозначения и маркировка насосов общего назначения, за исключением специальных конструкций, определены государственным стандартом. Обозначение насоса включает три буквы: Ц -- центробежный, Н -- насос, С -- секционный; и два числа: первое -- подача насоса Q, м³/ч, второе -- напор Н, м ст. жидкости. Например, ЦНС-22-88 означает: центробежный насос секционного типа с подачей 22 м³/ч и напором 88 м.

ГОСТ также определяет тип центробежных насосов с двусторонним входом, обозначаемым буквой Д. Подача и напор обозначаются в марке, так же как и в секционных насосах. Например: Д-2000-100 означает: центробежный насос двустороннего входа с подачей 2000 м³/ч и напором 100 м. СВПТ - секционный высокого давления паротурбинный.

Особенности работы дымососов и мельничных вентиляторов

Вентиляторы по назначению делятся на:

· Дутьевые;

· Мельничные;

· Пылевые;

· Вентиляторы горячего дутья;

· Основные дымососы;

· Рециркуляционные дымососы.

Дутьевые вентиляторы работают на холодном воздухе при температуре до 25^оС, через систему воздухопроводов и воздухоподогревателя подают воздух в топочную камеру. Этот воздух называют первичным, а воздух, подаваемый с топливом - вторичный. Дутьевые вентиляторы выполняют с объемными профилирующими лопастями отогнутыми назад. КПД такого вентилятора примерно равен 90%.

Мельничные вентиляторы применяют в системах пылеприготовления. Используются для подачи горячего вторичного воздуха вместе с угольной пылью, через горелки в топочную камеру. Воздух, подаваемый мельничным вентилятором, содержит большое количество угольной пыли с размером частиц до 30 мкм. Особенность их состоит в том, что существует уменьшение расхода воздуха с увеличением концентрации пыли.

Пылевые вентиляторы предназначены для перемещения смесей газов и мелких твёрдых частиц. Они способны при работе создавать давление в диапазоне 6-12 кПа. Рабочие лопатки пылевых вентиляторов должны хорошо противостоять истиранию твердыми частицами, поэтому рабочие лопатки и ступицы изготавливают из очень твердых материалов. Данное устройство часто используется для очистки воздуха в цехах промышленных предприятий.

Вентиляторы горячего дутья работают на воздухе при температуре от 200 ^оС до 400 ^оС. Напор, развиваемый мельничными и дутьевыми вентиляторами, определяется сопротивлением воздушного и пылевоздушного трактов, а также давлением, создаваемым в топочной камере. Условия работы вентиляторов горячего дутья, мельничных вентиляторов и дымососов усложнены, из-за влияния высоких температур перекачиваемого потока, а также из-за наличия в нем угольной пыли.

Основные дымососы всасывают дымовые газы из газохода парогенератора и выбрасывают их через дымовую трубу в атмосферу. В парогенераторах с пылеугольной топкой в систему пылеприготовления включены мельничные вентиляторы, которые забирают из циклонов воздух. Воздух включает в себя самые тонкие фракции угольной пыли и вся эта смесь подается к питателям пыли и далее -- в топку парогенератора.

Рециркуляционные дымососы используют для отбора доли дымовых газов из газоходов парогенератора и подачи их в топочную камеру для очистки от шлакования. Также происходит регулирования температуры перегрева пара. Все это, как следствие, ведет к повышению экономичности агрегата в целом.

Условия работы дымососов и мельничных вентиляторов отличаются двумя особенностями, накладывающими отпечаток на конструкцию этих машин и даже на их расчет. Первая особенность связана с повышенной температурой рабочего потока: температура газов в дымососах достигает (390-- 450)° К, а температура воздуха в мельничных вентиляторах обычно превышает 320° К. Тепло по валу передается подшипникам и вызывает нагрев масла свыше допустимой величины. Чтобы избежать чрезмерный нагрев масла, подшипники этих машин изготовляются с водяным охлаждением. Вторая особенность -- наличие в рабочем теле твердых примесей: золы в дымовых газах и угольной пыли в воздухе. И зола, и угольная пыль вызывают износ рабочих лопастей, дисков и стенок спиральной камеры. Это вынуждает как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации дымососов и мельничных вентиляторов принимать специальные меры для уменьшения износа.

Основные меры, которые можно предусмотреть при проектировании дымососов сводятся к следующему:

1. Применение дымососов с двусторонним подводом газов существенно уменьшает чувствительность ротора к разбалансировке, так как он находится между двумя опорами.

2. Увеличение толщины рабочих лопастей со стандартных 4--6 мм до 8 мм и более.

3. Наплавка лопастей твердыми сплавами. Она производится не по всей поверхности лопаток, а в местах наибольшего износа; толщина слоя наплавки увеличивается к диску.

4. Выбор рациональной формы рабочих лопастей. Целесообразно изготовление дымососов с загнутыми назад лопастями.

5. Увеличение соотношения выходного и входного диаметров (параметр m). Это мероприятие можно рекомендовать только в сочетании с применением двигателей, допускающих плавное изменение частоты вращения вала (в первую очередь, двигатели постоянного тока).

6. Защита торцовой стенки спиральной камеры листовой сталью или литыми чугунными гофрированными плитами.

Вентиляторной установкой называют агрегат, состоящий из вентилятора с приводным двигателем и вспомогательным комплектующим оборудованием (уплотнения на всасывающем или напорном патрубках, измерительной аппаратурой, пусковыми устройствами двигателя и др.). Наравне с вентилятором приводной двигатель является основным оборудованием, определяющим КПД всей установки.

Надежная эксплуатация и КПД зависят не только от конструкции вентилятора и двигателя, но и от точности и качества их совместного монтажа. Установки небольшого размера и мощности монтируются на общей сварной литой раме закрепленной на фундаменте. Остальные установки монтируются на жестких армированных бетонных фундаментах без рам. Шум, производимый вентиляторной установкой, вызывается аэродинамическими факторами возникновения при прохождении рабочего потока через вентилятор. Вибрация появляется из-за плохой центровки при монтаже. Целью центровки является получение точных совпадений геометрических осей вентилятора и электродвигателя. Чем больше скорость вращения, тем больше шум и выше окружные скорости на концах рабочих лопаток. Эти скорости следует ограничивать в диапазоне (45…50) м/с.

Осевые нагнетатели

Принцип действия осевого насоса основан на силовом взаимодействии лопасти с обтекающим её потоком. По большому счету по такому же принципу работает и центробежный насос. Различие заключается в направлении течения: если в центробежном агрегате поток жидкости имеет в области лопастного колеса радиальное направление, и поэтому создаются условия для работы центробежных сил, а в осевых насосах поток жидкости движется параллельно оси вращения лопастного колеса.

В общем случае осевой насос состоит из корпуса 1 и свободно вращающегося в нем лопастного колеса 2. При вращении колеса в потоке жидкости образуется разность давлений по обе стороны каждой лопасти, а значит, образуется силовое взаимодействие потока с рабочим колесом. Силы взаимодействия лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательно движение жидкости, тем самым увеличивая ей скорость и давление, заставляя поток жидкости перемещаться по трубопроводу.

В большинстве случаев все детали колеса кроме вала и крепежных частей изготавливаются из чугунного литья. В насосах большой подачи рабочие колеса выполнены из стального литья. Рабочие лопатки могут изготавливаться отдельно от втулки и крепиться к ней болтами. Стандартные рабочие колеса изготавливают от 300 мм до 2000 мм с объемной подачей до 150 м³/с и давлением до 1 кПа. Рабочие лопатки могут изготавливаться поворотными (подвижными) и жестко закрепленными на втулке. Направляющий аппарат состоит из неподвижных лопастей и располагается перед входом в рабочее колесо. Выходные углы направляющего аппарата могут быть выбраны так, что проекция с_1U будет отрицательной. Это значит, что поток на выходе из направляющего аппарата будет направлен противоположно направлению вращения рабочего колеса осевого нагнетателя. Это приведет к увеличению напора, создаваемого нагнетателем.

Элементы рабочей лопатки, находящиеся на разных расстояниях от центра, при вращении имеют неодинаковые окружные скорости. Вследствие этого лопатка с постоянной шириной и постоянными углами входа и выхода создает давление, изменяющееся по ее длине, что приводит к радиальным перемещениям частиц рабочей среды в проточной полости рабочих колес и снижению КПД нагнетателя.

Потери энергии в осевых машинах обусловлены трением и вихреобразованием в проточных полостях. Некоторые осевые машины имеют высокие окружные скорости u = 400 м/с, но даже при этом не обеспечено требуемое давление. В этом случаи применяют многоступенчатые машины, состоящие из нескольких осевых колес, закрепленных на общем валу. При этом между каждыми двумя рабочими колесами ставится направляющий аппарат. Его назначение -- раскручивать поток, выходящий из рабочего колеса, и придавать ему направление, необходимое для эффективной передачи энергии в следующей ступени. В направляющем аппарате, кроме того, происходит преобразование части скоростного напора в потенциальную энергию.

Кинематика потока в осевых нагнетателях

В осевом нагнетателе передача энергии с вала происходит при помощи рабочего колеса, состоящего из консольных лопастей, закреплённых на втулке. Так как колесо машины, вращаясь, удерживается в осевом направлении, а лопасти его закреплены под углом к плоскости вращения, то колесо перемещает среду (жидкость или газ) вдоль оси. При этом поток несколько закручивается.

На рисунке изобразим схему четырехлопастной осевой машины

Для рассмотрения работы осевых машин пользуются теорией решётки профилей. Рассекая колесо цилиндрической поверхностью радиусом r и развёртывая эту поверхность с сечениями лопастей, получаем плоскую решётку профилей осевой машины, как на следующем рисунке.

Основные величины, характеризующие геометрию решётки:

t - шаг лопастей, равный расстоянию между сходными точками сечения лопасти, измеренному в направлении движения решётки;

b - длина хорды сечения лопасти;

В - ширина решётки - размер, параллельный оси вращения;

в_1Л и в_2Л - лопастные углы на входе и выходе;

в_У - угол установки лопасти - угол между хордой лопасти и осью решётки.

Далее построим планы скоростей на входе и выходе.

Введём основные кинетические параметры потока, проходящего через решётку:

u₁ = u₂ = u - окружные скорости на входе и выходе. Они равны, так как все точки рассматриваемого профиля находится на одном расстоянии от центра вращения.

w - относительная скорость;

с - абсолютная скорость;

в₁ = в₂ - углы входа и выхода, т. е. углы между осью решетки и относительными скоростями?на входе и выходе.

i - угол атаки лопасти на входе (между касательной и средней линией профиля и относительной скоростью на входе).

Напор и мощность осевого нагнетателя

Теоретический напор, создаваемый рабочим колесом осевого нагнетателя, может быть вычислен по уравнению Эйлера:

Вводя в это уравнение коэффициент расхода j = с_а / и, определяющий объёмный расход, приходящийся на единицу площади поперечного сечения решётки лопастей, найдем напор:

Теоретическое давление, создаваемое колесом, равно:

Действительное давление, создаваемое колесом, будет меньше на величину потерь энергии в решётке, что учитывается КПД решётки:

Величина КПД решётки лежит в пределах = 0,90…0,94.

Действительное давление, создаваемое ступенью осевого нагнетателя:

где, - повышение давления в диффузоре, Па;

- потери давления в подводе и отводе, Па.

Учитывая эти потери, гидравлический КПД ступени можно записать

Величина гидравлического КПД лежит в пределах = 0,75… 0,92.

Полный КПД ступени составляет: = 0,70 … 0,90.

Необходимая мощность на валу N, Вт составляет:

Подача осевого нагнетателя

Теоретическая подача осевого нагнетателя равна:

где D - внешний диаметр рабочего колеса, м;

d - диаметр ступицы, м:

- осевая скорость,

- коэффициент скорости,

H - напор насоса.

Форма характеристики осевого нагнетателя определяется конструкцией и аэродинамическими свойствами. В отличие от центробежных нагнетателей характеристика напора осевого нагнетателя часто имеет седлообразную форму, которая объясняется снижением подъёмной силы лопастей при малых подачах и повышенных углах атаки.

Поршневые насосы

Поршневые насосы предназначены для перекачивания воды, нефтепродуктов, кислот, глинистых растворов и других жидкостей. Промышленность выпускает поршневые насосы различных типов для работы в стационарных и транспортных условиях.

Поршневые насосы классифицируются по различным признакам. Наиболее характерный является классификация насосов по способу их действия. Различают поршневые насосы одностороннего (простого) и двухстороннего (двойного) действия. На рис 1а приведена схема гидравлической части поршневого насоса одностороннего действия.

Рис. 1,а - Схема гидравлической части поршневого насоса одностороннего действия

При движении поршня 2 из крайнего левого положения вправо, объем рабочей камеры увеличивается и давление в ней понижается. Всасывающий клапан 3 открывается и жидкость под действием внешнего давления поступает в рабочую камеру насоса. По достижении поршнем крайнего правого положения всасывание жидкости прекращается и всасывающий клапан закрывается. В дальнейшем поршень при движении справа налево будет давить на находящуюся в рабочей камере жидкость и вытесняет ее через нагнетательный клапан 1 в напорную магистраль.

На рис. 1,б приведена схема гидравлической части поршневого насоса двустороннего действия. Всасывание и нагнетание у этого насоса совершается при каждом ходе поршня. При ходе поршня 2 вправо открыты всасывающий 5 и нагнетательный 3 клапаны. Через клапан 5 происходит всасывание жидкости в рабочую камеру, а через клапан 3 - вытеснение жидкости в напорную магистраль. В это время клапаны 1 и 4 закрыты. При обратном ходе поршня через клапан 4 жидкость поступает в рабочую камеру, а через клапан 1 производится подача жидкости в напорную магистраль; клапаны 3 и 5 при этом закрыты.

Рис. 1,б - Схема гидравлической части поршневого насоса двустороннего действия

Теоретическая индикаторная диаграмма

Теоретическая индикаторная диаграмма показывает, как изменится давление в цилиндре и клапанной коробке насоса на протяжении двух ходов поршня. При движении поршня вправо полость цилиндра со стороны клапанной коробки увеличивается и заполняется жидкостью поступающей из приемной трубы. При этом давление в клапанной коробке ниже атмосферного, поскольку существуют гидравлические сопротивления всасывающего тракта, а также из-за расположения поверхности всасывания жидкости ниже оси цилиндра и низкого давления над этой поверхностью.

Изменение давления на протяжении всего хода вправо изображается линией всасывания a - b. В точке b поршень изменяет направление движения на обратное, всасывающий клапан автоматически закрывается в клапанной коробке происходит резкое давление до Рнаг = Р₂ - давления подачи. Этот процесс изображается линией b - с в момент когда давление достигает значения Р₂, разность давлений над клапаном и под ним преодолевает вес и натяжение пружины напорного клапана и он соответственно открывается. При ровном движении от точки с влево происходит подача жидкости при Р₂ = соnst в крайнем левом положении поршень снова меняет направление движения, давление резко снижается в клапанной коробке по линии d - a, закрывается напорный клапан и открывается всасывающий.

Площадь индикаторной диаграммы представляет собой работу поршня за два хода отнесенному к 1 м² к его поверхности.



Действительная индикаторная диаграмма

Действительная индикаторная диаграмма поршневого насоса также близка к форме прямоугольника, но с небольшим наклоном линий изменения давления в цилиндре b - c и d - a и наличием волнообразных участков.

Наклон линий b - c и d - a обусловлен постепенным, а не мгновенным закрытием клапанов, а, следовательно, постепенным увеличением или соответственно уменьшениям давления в цилиндре. То есть на процессы повышения и понижения давления в цилиндре тратится некоторое время, что на диаграмме отвечает отрезкам времени t₁ и t₂.

При изменении направления движения поршня в цилиндре происходит закрывание одного и открывание другого клапанов. Сопротивление отрыва клапанов от седел достаточно значительное. Поэтому давление в точке с, что отвечает моменту отрыва нагнетательного клапана, превышает значение давления другой части линии нагнетания. По той же причине давление в точке а, которая отвечает моменту отрыва всасывающего клапана, меньше давления линии всасывания. Волны, которые указывают на наличие затухающих колебаний, возникают от колебательного движения клапанов.

На форму линий всасывания и подачи существенно влияют силы инерции жидкости, которые поступают или уходят из цилиндра при неравномерном движении поршня. Жидкость всасывается в цилиндр насоса, следуя за движением поршня и им же вытесняется, а напорный трубопровод. Если жидкость не сжимаема и не имеет разрывов, то она строго следует за поршнем. В большинстве конструкций поршневых насосов происходит неравномерное движение поршня при помощи кривошипно-шатунного механизма.

Всасывание в клапанную коробку и подача из нее происходит неравномерно, это вызывает возникновение инерционных сил, которые резко проявляются в моменты наибольших ускорений поршня, то есть в крайнем правом, левом положении. Силы инерции жидкости, которые безотрывно двигаются за поршнем, пропорциональны его ускорению, поэтому при высокой частоте вращения вала силы инерции достигают большой величины, вызывают разрыв сплошности потока и нарушают нормальную работу насоса. Если в насосе не предусмотрены меры устраняющие неравномерность всасывания и подачи, то жидкость продолжит неравномерно двигаться по всей системе трубопровода.

Существует несколько способов снижения неравномерности движения. Наиболее эффективным является применение многопоршневых насосов с параллельным включением цилиндров поршни, которых двигаются от общего коленчатого вала. Поршни, двигаясь не синхронно, создают чередование подачи во времени и хотя подача у каждого из цилиндров остается неравномерной, но общая подача насоса существенно выравнивается.

Подача поршневого насоса

Подачей насоса называется количество жидкости, нагнетаемое насосом за единицу времени.

где, d - диаметр штока в мм;

L - длина штока в м;

D- диаметр поршня, мм;

S - длина хода поршня в м;

R - радиус маховика в мм.

При ходе всасывания в цилиндре освобождается объем:

V = F · S

Этот объем заполняется всасываемой жидкостью. При ходе нагнетания этот же объем жидкости нагнетается в напорный трубопровод, следовательно, V - теоретическая подача насоса за один двойной ход поршня, м³.

Средняя теоретическая подача насоса (производительность) Qт в м³/с равна:

где, F - площадь сечения поршня в м²;

S - длина хода поршня в м;

n - число двойных ходов поршня в минуту.

Средняя действительная подача насоса (производительность) Qд в м³/с равна:

где, - объемный КПД, который учитывает, то насос не может подавать в напорный трубопровод объем жидкости равный теоретическому объему описываемому поршнем.

Часть жидкости неизбежно теряется через неплотности, а часть проскакивает через клапаны, которые не сразу закрывается в крайнем левом и крайнем правом положениях. Для поршневых насосов объемный КПД равен 0,7…0,97, также характерным параметром является и чем быстроходнее насос, тем меньше отношение .

Мощность и КПД поршневого насоса

Р₁ - давление разрежения при всасывании;

Р₂ - избыточное давление при нагнетании;

Р_i - индикаторное давление;

S - длина хода поршня.

Полное давление, определяющее работу, совершаемую за один оборот вала, называется индикаторным давлением Рi и определяется выражением:

Рi = Рвак + Рнагн

В соответствии с этим индикаторная мощность, развиваемая за счет движения поршня, будет равна:

Для насосов двойного и многократного действия индикаторная мощность равна сумме мощностей, определенных для насосов простого действия, входящих в конструкцию.

Работа, совершаемая поршнем в процессе всасывания жидкости:

Работа, совершаемая поршнем в процессе нагнетания:

Механический КПД насоса выражается величиной потерь мощности N, подводимой к валу, на трение в процессе работы, и может быть определен по формуле:

Для поршневых насосов величина КПД обычно составляет 0,9…0,95.

Помимо механических потерь в таких насосах имеются гидравлические и объемные потери, которые учитываются индикаторным КПД зi:

где, Nп - полезная мощность.

Мощность на валу при этом составляет:

Отношение полезной мощности к мощности на валу называется полным КПД насоса з:

Для приводных насосов полный КПД находится в пределах 0,65…0,85.

Высота всасывания поршневого насоса

При установке поршневого насоса выше уровня воды нужно создать разрежение. Энергия разрежения будет расходоваться на 5 составляющих:

1. Поднятие жидкости на статическую высоту всасывания h_s:

2. Сообщение жидкости кинетической энергии

где, сп - скорость движения поршня.

3. Преодоление гидравлических потерь

где, сs - скорость жидкости во всасываемой трубе;

ls - длина всасывающей трубы;

ds - диаметр всасывающей трубы;

4. Напор, необходимый для преодоления сопротивления всасывающего клапана Нк

5. Инерционный напор, который связан с переменной скоростью движения поршня Нu

Разряжение создается в начальный момент движения поршня и именно разряжение является причиной возникновения кавитации, тогда формула имеет вид:

Если давление насоса больше давления парообразования (Рн > Рt), то кавитация неизбежна.

Для устранения действия инерционного напора Нu на линиях всасывания и нагнетания устанавливаются воздушные клапаны. С их помощью увеличивается равномерность подачи насосов.

1 - короткий патрубок.

2 - расширенная часть всасывающей трубы.

3 - всасывающая труба.

Изменение объема воздушной пробки и при этом давление изменяется от Р_min до Р_мах. Воздушная пробка является упругой средой, которая выравнивает скорость жидкости во всасывающей трубе. При достаточном объеме воздушного клапана поток жидкости во всасывающей трубе движется практически равномерно.

Воздушный колпак как-бы делит линию на две части:

l_{1 -} движение жидкости равномерно и Hu не учитывается. Расстояние от нижнего до воздушного клапана.

l_{2 -} расстояние от воздушного клапана до насоса.

Максимальная высота всасывания с воздушным клапаном:

где, w - угловая скорость, с которой вращается вал;

r - радиус кривошипа;

L - длина шатуна;

fs - площадь поперечного сечения всасывающей трубы.

Особое значение имеет частота вращения вала насоса, которая влияет на допустимую высоту всасывания, через инерционные силы и гидравлические сопротивления полости всасывания. Увеличение частоты вращения существенно понижает допустимую высоту всасывания поршня насоса. Обычно допустимая высота всасывания при температуре воды 30^оС не превышает (3 - 4)м.

Компрессоры

Компрессоры - машины с искусственным охлаждением предназначенные для сжатия и перемещения газов и, дающие степень повышения давления газа е >1,15

Компрессорная установка - это совокупность компрессора, привода и вспомогательного оборудования которое в первую очередь относится газоохладитель и осушитель сжатого газа.

Вакуумный насос - устройство для откачивания газа из емкостей с вакуумом, сжимающее газ до атмосферного или несколько большего давления.

Классификация компрессоров

Объемные компрессоры - это машины, в которых процесс сжатия происходит в рабочих камерах периодически изменяющих свой объем и попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора.

По геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер разделяют на поршневые и роторные.

Поршневые компрессоры делятся на:

· Одностороннего или двустороннего действия;

· Крейцкопфные или бескрейцкопфные;

· Смазываемые или сухого трения;

Роторные компрессоры в свою очередь делятся на:

· Винтовые;

· Ротационно - пластинчатые.

Лопастной компрессор - машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит при взаимодействии потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей.

Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления.

По достигаемому давлению компрессоры делят на 4 вида:

1. Компрессоры низкого давления (с конечным давлением до 1 МПа);

2. Среднего давления (от 1 до 10 МПа);

3. Высокого давления (от 10 до 100 МПа);

4. Сверхвысокого давления (более 100 МПа);

По назначению компрессоры делят:

1) По отросли производства:

а) химические;

б) энергетические;

в) общего назначения.

2) По роду сжимаемого газа:

а) воздушный;

б) кислородный;

в) хлорный;

г) гелиевый.

3) По способу отвода теплоты:

а) с воздушным охлаждением;

б) с водяным охлаждением.

4) По типу приводного двигателя

а) с приводом от электродвигателя;

б) от двигателя внутреннего сгорания (ДВС);

в) от паровой или от газовой турбин.

Если давление всасываемого газа больше атмосферного, то компрессор является дожимающим.

Термодинамика компрессорного процесса

Простейшая теория компрессорных машин, обладающая практически приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа. Идеальным газом называют совокупность молекул, находящимся в беспорядочном движении. Считается, что межмолекулярные силы не проявляются из-за малого размера молекул, по сравнению с расстоянием между ними.

Изменение объёма идеального газа, обусловленное увеличением или уменьшением давления и температуры, происходит по причине изменения расстояний между молекулами при сохранении размеров самих молекул.

Термодинамические процессы в идеальных газах происходят при постоянных значениях теплоемкости Ср и Сv подчиняется уравнению состояния идеального газа:

При конечном давлении воздушного компрессорного процесса более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа:

где z - коэффициент сжимаемости.

Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и протекает в компрессорах в зависимости от внешних и внутренних условий с показателями политропы n от 1,15 до 1,8.

Адиабатический процесс - процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (ОС), в котором происходит внутреннее образование теплоты, за счет вихреобразования или работы газового трения. Из-за невозможности полной тепловой изоляции газового потока и ОС идеального адиабатического процесса в компрессорах получить невозможно.

Целью термодинамического расчета является определение работы необходимой для получения 1 кг сжатого газа, а также определение мощности приводного двигателя. Из закона сохранения энергии - работа, которая затрачивается компрессором на сжатии и выталкивании газа представляется как сумма теплоты, отводимых от газа в процессе сжатия и изобарного охлаждения.

Особенностью объемных компрессоров является периодичность их работы, которая обусловлена движением их рабочих тел.

В рабочем процессе таких компрессоров особую часть составляют политропное расширение газа, которое происходит перед всасыванием в замкнутое рабочее пространство.

Теоретическая индикаторная диаграмма

Построение теоретической индикаторной диаграммы основано трех предположениях:

1. Геометрический объем цилиндра равен рабочему объему. Мертвое пространство отсутствует.

2. Отсутствуют потери работы на трение о стенки цилиндра и при дросселировании потока газов в клапанах.

3. Всасывание и нагнетание происходит при постоянном давлении.

где, 0-1 - линия всасывания;

1-2 - линия сжатия;

2-3 - линия нагнетания или подачи;

1-2 - изотермическое сжатие;

1-2' - политропное сжатие;

1-2'' - адиабатное сжатие.

Движение поршня вправо:

В начальный момент времени всасывающий клапан открывается и происходит наполнение полости цилиндра при постоянном Р₁.

При достижении точки 1 поршень начинает двигаться в обратном направлении, всасывающий клапан закрывается и поршень начинает сжимать газ до заданного давления.

При достижении давления Р₂ нагнетательный клапан открывается и поршень выталкивает сжатый газ при этом давлении. При следующем ходе давлении падает с Р₂ до Р₁.

Действительная индикаторная диаграмма

При дросселировании давление в камере меньше, чем атмосферное давление.

В реальных компрессорах существуют «мертвое» пространство между крышкой компрессора и поршнем. За счет «мертвого» пространства всасываемый объем газа уменьшается. Это приводит к уменьшению производительности.

Объемный КПД равен:

где, ? - объем свежей порции газа, всасываемого цилиндром;

?о - объем «мертвого» пространства.

С увеличением объема «мертвого» пространства объемный КПД уменьшается.

Многоступенчатое сжатие

С целью получения газа высокого давления применяют многоступенчатое сжатие. В современных поршневых компрессорах степень повышения давления одной степени При более высоких применяют промежуточное охлаждение газа.

Принято, что в каждой ступени компрессора I, II, III происходит политропный процесс сжатия (с некоторым теплоотводом через стенки цилиндра). Охлаждение газа в промежуточных охладителях 1, 2 осуществляется до начальной температуры. В результате этого снижается степень повышения давления, а подача и объемный КПД повышаются. Потери давления при прохождении газа по трубам промежуточных охладителей не учитываются.

К преимуществам многоступенчатого сжатия относятся:

· Уменьшение конечной температуры сжатия;

· Увеличение объемного коэффициента компрессора;

· Уменьшение затрачиваемой работы.

В современных компрессорах применяют след. 4 способа охлаждения:

1) Внутреннее охлаждение. Охлаждение компрессора подачей воды в специально выполненные полости в отливке корпуса . Этот способ существенно улучшает условия смазки поршневых компрессоров. Добиться этим способом существенной экономии энергии, приближая процесс сжатия к изотермическому, не удается. Причина этого - затрудненные условия теплообмена между потоками газа и охлаждающей водой;

2) Выносное охлаждение. Охлаждение газа в охладителях, устанавливаемых между отдельными ступенями. При этом способе охлаждения, используя трубчатые охладители с большой площадью поверхности, можно получить существенную экономию в расходе энергии. В центробежных компрессорах охладители располагают обычно между группами ступеней, получая, таким образам, более простую конструкцию установки.

3) Комбинированное охлаждение (внутреннее + выносное). Этот способ наиболее эффективен и широко применяется, несмотря на конструктивное усложнение и увеличение стоимости установки;

4) Охлаждение впрыском охлаждающей воды в поток газа перед первой ступенью компрессора. При этом способе теплота газа частично расходуется на испарение охлаждающей воды и температура конца сжатия существенно понижается. Недостатком способа является увлажнение газа, что во многих случаях недопустимо.

Представлен процесс трехступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения газа в р-V координатах.

Газ при давлении р₁ поступает в первый цилиндр компрессора (I - ступень), где политропно сжимается по линии 1-2 до давления р₂. Затем сжатый газ поступает в охладитель 1, где охлаждается до первоначальной температуры Т₁ линия 2-3 уменьшение объема газа при постоянном давлении р₂ = р₃. Далее газ поступает во второй цилиндр (II - ступень), где процессы сжатия и охлаждения происходят аналогично, как и впервой ступени, а затем и в третий цилиндр (III - ступень), где конечное давление газа достигает значения р₆.

Степень повышения давления в каждой ступени при общем числе z определяется соотношением:

Характеристики лопастных компрессоров и их регулирование

Выбор работы компрессора на данную сеть считается правильным, если его рабочие точки соответствуют . Для компрессоров характерно ниспадающая часть характеристики.

В зависимости от вида потребителей сжатого воздуха компрессорные установки разделяют на две основные группы:

1. Потребители требуют постоянного количества воздуха при переменном давлении.

2. Потребители требуют подачи воздуха с постоянным давлением при изменяющейся подаче.

В первом случае изменение режима работы компрессора называют регулированием на постоянную подачу, а во втором случае - на постоянное давление.

Работа на сеть является устойчивой, если при изменении производительности системы по любой причине компрессор восстанавливает первоначальную работ, в ином случае неустранимая причина приведет к помпажу. Повышение или понижение степени сжатия при постоянном расходе обусловленная потребителем и достигается только изменением частоты вращения вала компрессора. Поэтому лопастные компрессоры, которые регулируются изменением числа оборотов должны снабжаться предохранительные клапаны рассчитанными на конечное давление не менее 90% от р₁. При любом способе регулировании изменение частоты вращения приводит к уменьшению КПД, то есть к ухудшенному использованию энергии подводимой на вал компрессора.

Дроссельное регулирование при постоянной частоте вращения является допустимым во всех случаях, однако при заданной характеристики сети и при заданных оборотах дроссельное регулирование возможно только на уменьшение подачи. В отличие от насосов такое регулирование дросселем возможно и на всасывающем и на напорном патрубках при чем на всасывании регулируется выгоднее из-за меньших затрат энергии, которая обычно пропорционально давлению дросселирующего потока газа. Регулирование направляющим лопастным аппаратом на входе в центробежный компрессор из-за конструкционной сложности не применяют.

Регулирование поршневых компрессоров

Задача регулирования состоит в обеспечении равенства производительности компрессора и расхода сжатого газа потребителем.

Существует 5 способов регулирования поршневых компрессоров:

1. Воздействие на привод компрессора;

2. Дросселирование при всасывании;

3. Воздействие на клапаны;

4. Воздействие на «мертвый» объем;

5. Комбинирование.

1. Рассмотрим способы воздействия на привод компрессора:

а) Периодическая остановка привода при давлении до 250 кВт. При таком способе возникает колебание тока в сети. Приходится повторять часто перезапуск, но при остановке агрегата мощность не потребляется.

б) Отключение муфты сцепления. В данном способе отсутствуют колебания токов в сети, но существуют потери энергии на холостой ход.

в) Изменение частоты вращения вала компрессора. Этот способ широко применяется только в случаях привода компрессора от паровых машин или ДВС, так как только в них можно изменить частоту вращения плавно.