1.PODZIAŁ I ZASTOSOWANIE POMP. ZASADY PRACY.
Pompa jest maszyną bierną służącą do podnoszenia cieczy z poziomu niższego na wyższy lub do przetłaczania cieczy z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym. Jest to możliwe dzięki wytwarzaniu różnicy ciśnień na ssaniu i tłoczeniu pompy. Pompy można podzielć w/g różnych kryteriów. W zależności od zasady działania na pompy wyporowe, wirowe i strumienice (osobna grupa). W zależności od konstrukcji na pompy: tłokowe, zębate, śrubowe, wirowe (jedno i wielostopniowe). W zależności od rodzaju pompowanego czynnika na pompy: wody słodkiej, wody morskiej, oleju, paliwa, czynników chemicznych, cieczy ścierającej. Podział pomp w zależności od spełnianej funkcji: chłodzenia, transportowe, podające, zęzowe, ładunkowe. W zależności od warunków pracy na pompy: ssąco-tłoczące, tłoczące, ssące.
2.ZASADA ODNOSZENIA CIECZY. WYSOKOŚCI SSANIA, TŁOCZENIA I PODNOSZENIA. Wysokość ssania jest to geometryczna wysokość ssania układu pompowego i jest różnicą wysokości wzniesienia gniazda zaworu ssawnego i wysokości wzniesienia zwierciadła cieczy w zbiorniku dolnym, z którego następuje zasysanie. Oznacza się symbolem Hsz. Mierzona jest w metrach. W układzie pompowym z pompą tłokową z powietrznikiem jest mierzona do poziomu zwierciadła cieczy w powietrzniku ssawnym. Dla pomp wirowych bierze się pod uwagę wysokość wzniesienia środkowego punktu przekroju króćca ssawnego. Wysokość wzniesienia odnosi się do
dowolnie obranego poziomu odniesienia. Zależność pojęcia wysokości ssania pompy, oznaczanego symbolem Hs od wielkości hydrodynamicznych, jakie występują w dwóch przekrojach rurociągu ssawnego, w przekroju wlotowym na wysokości zwierciadła w zbiorniku dolnym i na poziomie wlotu do pompy wyraża się wzorem: pd – ciś. w zbiorniku dolnym,
ps - ciś w króćcu ssawnym u wlotu do pompy,
cs – średnia prędkość przepływu u wlotu do pompy,
cd – średnia prędkość dopływu do rury ssawnej w zbiorniku dolnym,
γc – ciężar właściwy zasysanej cieczy,
g – przyspieszenie ziemskie,
ΣΔhs – wysokość strat.
Wysokość tłoczenia jest różnicą poziomów zwierciadła cieczy w zbiorniku górnym, do którego odbywa się pompowanie cieczy i poziomu gniazda zaworu tłocznego (dla tłokowych) lub punktu pomiaru ciśnienia u wylotu z pompy (dla wirowych). Też w metrach się ją mierzy i geometryczną wysokość tłoczenia oznacza się symbolem H tz. W pompach tłokowych z powietrznikami tłocznymi geometryczną wysokość tłoczenia mierzy się od poziomu zwierciadła cieczy w powietrzniku tłocznym. Wysokość tłoczenia pompy, określającą różnicę wysokości energii pomiędzy zbiornikiem górnym a króćcem wylotowym cieczy z pompy, wyraża się zależnością:
pg - ciś w zbiorniku górnym,
pt – ciś w króćcu tłocznym u wylotu pompy,
cg – średnia prędkośc wypływu cieczy u wlotu do zbiornika górnego,
ct – średnia prędkość przepływu cieczy u wylotu z pompy,
ΣΔht – wysokość strat energetycznych.
WYSOKOŚĆ PODNOSZENIA. Geometryczna lub niwelacyjna wysokość podnoszenia układu pompowego jest różnicą poziomów zwierciadeł pompowanej cieczy w górnym i dolnym zbiorniku. Wartośc geometrycznej wysokości podnoszenia jest niezależna od tego czy zbiorniki są zbiornikami otwartymi, czy też są typu zamkniętego, a panujące w nich ciśnienie jest różne od aktualnego ciśnienia atmosferycznego. Geometryczną wysokość podnoszenia wyraża się za pomocą wzoru:
gdzie m – dla pomp tłokowych- różnica wysokości wzniesienia gniazd zaworów tłocznych i ssawnych lub zwierciadeł cieczy w powietrzniku tłocznym i ssawnym; dla pomp wirowych – różnica wysokości wzniesienia punktów pomiaru ciśnienia na króćcu wylotowym i wlotowym pompy.
Dla celów eksploatacyjnych ważna jest wartość użytecznej wysokości podnoszenia pompy Hu mierzona w metrach słupa podnoszonejcieczy. Jest to miara przyrostu energii przetłoczonej cieczy między wlotem, a wylotem pompy, odniesionego do jednostki ciężaru cieczy:
Użyteczna wysokość podnoszenia pompy, jest równa użytecznej wysokości podnoszenia układu pompowego.
3. WYDAJNOŚC, MOCE, SPRAWNOŚCI.
Wydajność pompy jest to objętość cieczy przetłoczonej przez pompę w jednostce czasu. Oznacza się ją symbolem Q i mierzy w m3/s. Wydajnością teoretyczną Qth określa się ilość cieczy, którą można by przetłoczyć w jednostce czasu pompą odznaczającą się idealną szczelnością wewnętrzną i zewnętrzną. Wydajnością wewnętrzną Qi pompy – dla pomp tłokowych jest wydajność, którą można wyznaczyć z wykresu indykatorowego, a dla pomp wirowych – natężenie przepływu w przekroju wylotowym czynnika. Wydajność rzeczywista Qr jest natężeniem przepływu przenoszonej cieczy przez króćiec wylotowy pompy: Qr= Qi - Qs , gdzie Qs – wielkość wewnętrznych strat natężenia przepływu. Wydajnością optymalną Qopt jest taka wydajność rzeczywista pompy, przy której osiąga ona maksymalną wartość współczynnika sprawności całkowitej ηmax. Mocą pobieraną przez pompę Nw jest moc mechaniczna pobierana na wale lub sprzęgle pompy. Moc tę można wyrazić za pomocą wzoru:
gdzie: η – sprawność całkowita pompy.
Jeżeli pompa jest napędzana bezpośrednio silnikiem elektrycznym Nw = Ns, gdzie Ns – moc oddawana przez silnik. Jeżeli pompa jest napędzana silnikiem elektrycznym przez przekładnię mechaniczną o sprawności ηtr , to Nw= ηtrּNs . Moc wewnętrzna Ni pompy jest to moc przekazywana cieczy przepływającej przez pompę o wydajności Qi przez organ roboczy pompy:
gdzie Nfr, oznacza moc przekazywaną podnoszonej cieczy w postaci energii cieplnej. Moc wewnętrzna dla danej pompy jest mniejsza niż moc pobierana o wartości mocy zużytej na pokonanie oporów mechanicznych Nm w pompie. Moc użyteczna Nu jest to moc przekazywana przenoszonej cieczy o natężeniu przepływu Qr, czyli przy wydajności rzeczywistej oraz przy użytecznej wysokości podnoszenia Hu. Sprawność pomp. Wartości liczbowe sprawności pomp zależą od wielkości strat zachodzących podczas procesu podnoszenia cieczy. W zależności od przyczyn powstawania strat w pompie dzieli się je na: straty hydrauliczne Δhp obejmujące straty powstające przy przepływie podnoszonej cieczy przez pompę na drodze od zaworu (króćca) ssawnego do zaworu (króćca) tłocznego; straty objętościowe, na które składają się straty szczelinowe powodujące powrotne przepływy w pompie, straty wypływu przez szczeliny tarcz odciążających oraz przez dławice lub łożyska; straty mechaniczne wywołane tarciem wału w dławicach i łożyskach, tarciem elementów obracających się lub poruszających się w inny sposób w podnoszonej cieczy. Sprawność hydrauliczna ηh pompy określa stosunek użytecznej wysokości podnoszenia Hu do wewnętrznej wysokościpodnoszenia Ht lub Hth:
Wartość współczynnika sprawności hydraulicznej dla istniejących pomp wyznacza się najczęściej z bilansu energetycznego pompy. Dla konkretnej pompy należy przyjąć, że wartość ηh ogólnie maleje przy wzroście wydajności. Sprawność objętościowa ηv jest to stosunek wydajności rzeczywistej Qr do wydajności wewnętrznej Qi. Ogólnie można przyjąć, że w miarę zużywania się pomp wertość ηv spada. Sprawność wewnętrzna ηi określa się stosunkiem mocy
użytecznejNu do mocy wewnętznej Ni:
Sprawność mechaniczna ηm pompy jest to stosunek mocy wewnętrznej Ni do mocy na wale Nw. Sprawność całkowitą pompy η określa stosunek mocy użytecznej Nu do mocy na wale (trzonie tłokowym) Nw.
4.CZYNNIKI TECH. I EKSPL. WPŁYWAJĄCE NA WYS. SSANIA I TŁOCZENIA POMP. Wysokość ssania pompy zależna jest od temperatury zasysanej cieczy, ponieważ w procesie zasysania ze zbiornika otwartego mamy do czynienia ze spadkiem ciśnienia poniżej atmosferycznego na drodze od zwierciadła cieczy w zbiorniku dolnym do wirnika pompy lub do roboczej przestrzeni tłoka. Spadek ciśnienia może z kolei spowodować wrzenie i parowanie zasysanej cieczy, a tym samym przerwać dalsze zasysanie i uniemożliwić pracę pompy. Najwyższa geometryczna wysokość ssania pompy w przypadku zasysania wody następuje w temp 0˚C i wynosi około 10 m H2O. Natomiast praktyczna maksymalna manometryczna wysokość ssania wynosi około 8 m H2O; dla tłokowych zaś około 7 m H2O ze względu na opory na przepływie przez zawory. Graniczna manometryczna wysokość ssania pompy ze zbiornika otwartego jest zależna od temperatury pompowanej cieczy i od jej właściwości fizycznych, a głównie od zależności temperatury wrzenia od ciśnienia oraz od panującego ciśnienia atmosferycznego.
Straty hydrauliczne występują w układach pompowych zarówno po stronie ssącej jak i po stronie tłoczącej. Te straty wynikają z przepływy cieczy przez elementy nie idealnie gładkie. Stąd można zsumować wszystkie straty po stronie ssącej i wszystkie po stronie tłoczącej co da nam w rezultacie wartość wszystkich strat w układzie pompowym a które wpływają na wysokość ssania oraz tłoczenia:
gdzie:
Ostatni człon obrazuje nam straty na zaworach, a pierwszy składowe strat liniowych na odcinkach prostych. Symbol λ – współczynnik strat liniowych, λ=f(Re, и), gdzie и-współczynnik chropowatości rurociągu. Występują także opory statyczne dla pompy i oznaczamy je symbolem Hst:
Z czynników technicznych możemy wymienić trzy ich rodzaje wpływające na wysokości ssania i tłoczenia:stan techniczny pompy, stat techniczny systemu rurociągu, opory systemu. Zły stan techniczny pompy może świadczyć o wadliwie działających uszczelnieniach i dławicach, przyczyna może też tkwić w tym, że wirnik uległ kawitacji co także ma ogromny wpływ na wartości parametrów pracy pompy; obroty pompy mogą być nie wystarczające; mogą w pompie występować drgania; zła praca łożysk; niewyważony układ wirujący. Jeśli chodzi o rurociąg to może on być nieszczelny na ssaniu; mogą być małe opory przez to na ssaniu; należy odkręcić całkowicie zawór ssący aby nie było przydławień; może być też za duża temperatura pompowanej cieczy. Natomiast po stronie tłoczącej wykres?
5. PRZEPŁYW CIECZY PRZEZ WIRNIK POMPY OŚRODKOWEJ.
W pompach wirowych organem roboczym jest obracający się wraz z wałem wirnik. Powoduje on zwiększenie krętu lub krążenia cieczy przepływającej przez wnętrze wirnika. W wirowych pompach krętnych – w odróżnieniu od pompwyporowych - ciecz przepływa przez wnętrze pompy równomiernym, ciągłym strumieniem. Istotną cechą pomp tego typu jest stałe połączenie przestrzeni ssawnej pompy z jej przestrzenią tłoczną, zarówno w czasie postoju pompy, jak i podczas pracy. Brak tu również zaworów ssawnych i tłocznych. Wypływająca spomiędzy łopatek ciecz dostaje się do dyfuzora w kształcie spirali o zwiększającym się przekroju, a następnie do króćca tłocznego pompy. Cechą pomp odśrodkowych jest promieniowy kierunek przepływu cieczy, gdzie powierzchnia prądu jest pierścieniem kołowym, prostopadłym do osi wirnika. Miarą przyrostu energii cieczy podczas jej przepływu przez wirnik pompy krętnej są trójkąty prędkości, wyznaczone dla linii prądowych cieczy u wlotu oraz u wylotu przestrzeni międzyłopatkowych wirnika. Na rysunku przedstawiony jest układ prędkości przy przepływie cieczy przez wirnik. Ciecz dopływa do wnętrza wirnika poosiowo z rury ssawnej, a wartość prędkości bezwzględnej napływu oznacza się jako c0 i można ją wyznaczyć z zależności:
gdzie: Q – wydajność pompy, F0 – pole swobodnego przekroju wlotowego wirnika.
Ciecz po wejściu do wirnika zmienia kierunek osiowy c0, na kierunek promieniowy c1. W czasie przepływu przez wirnik, cząstki cieczy wirują wraz z wirnikiem z prędkością unoszenia u, a jednocześnie przesuwają się wzdłuż łopatki z prędkością względną w. Jeżeli w punkcie A u wlotu do łopatki dodamy prędkości c1 i u1, to otrzymamy prędkość względną w1. Wektor prędkości u1 można wyznaczyć ze wzoru:
gdzie: d1 – średnica kanału wlotowego, ω – prędkość kątowa wału pompy. Wektor ten w punkcie A jest styczny do koła wlotowego o średnicy d1. W celu osiągnięcia płynnego zasilania wirnika i uniknięcia uderzeń cząstek cieczy przy wejściu na łopatkę, co pociągnęłoby za sobą stratę energii. Styczna ta tworzy z kierunkiem prędkości unoszenia u1 kąt β1. Ciecz wypływa z kanału międzyłopatkowego na wirniku przez powierzchnię cylindryczną o średnicy d2. Równoległobok prędkości cieczy dla cząstki znajdującej się w punkcie B wyznacza się podobnie jak dla punktu A. Prędkość unoszenia u2 jest znacznie większa niż przy wlocie i wynosi:
gdzie d2 – średnica zewnętrzna wirnika. Prędkość u2 jest w punkcie B styczna do koła o średnicy d2. W czasie przepływu przez wirnik, prędkość bezwzględna cieczy c wzrasta od wartości c1 w punkcie A do znacznie większej wartości c2 w punkcie B, wzrasta więc energia kinetyczna pompowanej cieczy. Prędkość unoszenia także wzrasta z u1 do u2 w punkcie B przy wylocie. Prędkośc względna ulegnie także zmianie z ω1 na ω2, przy czym ω2 < ω1. W tym przypadku zachodzi przemiana posiadanej energii kinetycznej cieczy na energię potencjalną. Teoretyczna wysokośc podnoszenia Hthα jest sumą tzw potencjalnej wysokości podnoszenia Hp i dynamicznej wysokości podnoszenia Hd:
Potencjalna wysokość podnoszenia Hp jest wywołana działaniem sił odśrodkowych, wyrażających się przyrostem prędkości unoszenia i zmniejszaniem prędkości względnych:
Dynamiczna wysokość podnoszenia równa jest różnicy tzw wysokości prędkości bezwzględnych:
Ostatecznie teoretyczną wysokość podnoszenia dla pompy krętnej można przedstawić za pomocą wyrażenia:
Zależność przedstawiona wzorem można uprościć. Korzystając z zależności występujących w równoległobokach prędkości otrzymuje się ostatecznie:
gdzie: c2u i c1u – rzuty prędkości c2 i c1 na kierunek prędkości unoszenia u.
Ten ostatni wzór odnosi się do wysokości podnoszenia w pompie w przypadku teoretycznym, tj przy założeniu, że wirnik ma nieskończenie dużo łopatek o nieskończenie małej grubości. W rzeczywistej pompie liczba łopatek jest skończona i zazwyczaj nieparzysta, ze względu na drgania (rezonans). Przesłaniają one przekrój przepływu, zwiększając tym samym średnią prędkość przepływu cieczy. Dodatkowo należy zwrócić uwagę, że prędkość przepływu cieczy przez przestrzeń międzyłopatkową nie jest stała na całej szerokości kanału. Za krawędzią spływu łopatki następuje wyrównanie ciśnień panujących po obu jej stronach. W takim przypadku trójkąt prędkości wylotowych przyjmuje wartość jak na rysunku i odpowiednio następuje zmiana: prędkości w2 na w2΄; prędkości c2 na c2΄; kąta β2 na β2΄; kąta α2 na α2΄, a teoretyczną wysokość podnoszenia można wyznaczyć z zależności:
Przy założeniu, że kąt wlotu cieczy do wirnika α1 = 90˚, zależność przyjmuje postać:
6.CHARAKTERYS. POMP – PRZEPŁYWU, MOCY,SPRAW.,DLA n=const I n=var. Charakterystyk przepływu są dwa rodzaje: stateczne i niestateczne. Zabrania się instalowania na statkach pomp o charakterystyce niestatecznej. Pompy z charakterystyką niestateczną pracują na zasilanie kotłów, chłodzenie silników, balast, pożarowe, awaryjne ssanie siłowni.
7.charakt.powinowate, pagórek sprawności. Przedstawiona na rys charakterystyka przepływu odnosi się do pompy, której wirnik obraca się z pewną stałą prędkością obrotową n. Przyjmijmy, że krzywa AB obrazuje charakterystykę przepływową H=f(Q) konkretnej pompy. Po sporządzeniu wykresu obrazującego zmienność sprawności całkowitej tej pompy jako funkcji η=f(Q) otrzymamy krzywą. Ekstremum wykreślonej funkcji przypada w punkcie X, a w charakterystyce przepływu H=f(Q) dla n obrotów, maksymalnej sprawności odpowiada punkt P, który będzie oznaczać nominalną wydajność pompy i nominalną wysokość podnoszenia. Jeżeli zmienimy prędkość obrotową z n na n1, to otrzymamy krzywą A1B1. nominalna wydajność pompy w tych warunkach pracy wypadnie w punkcie P1. Trójkąty prędkości przy wlocie i wylocie z wirnika pozostaną podobne, a zatem: wydajności będą wprost proporcjonalne do n:
wysokości podnoszenia będą proporcjonalne do n2:
moce będą proporcjonalne do n3:
Z kolei zmiana prędkości obrotowej wału wirnika pompy z n na n2 tak, że n2>n zmieni charakterystykę przepływu na A2B2, obrazującą funkcję H=f(Q) dla n2. Optymalną wydajnością i wysokością podnoszenia będą odcięta i rzędna punktu P2, któremu odpowiada maksymalna wartość sprawności ogólnej pompy η2 dla n2. Maksymalna wartość sprawności może być inna przy każdej wartości obrotów.
Parabolę łączącą punkty P, P1, P2 można wyznaczyć z równania:
Przechodzi ona przez początek układu (H=0, Q=0) i łączy tzw punkty homologiczne charakterystyk tej samej pompy o różnych prędkościach obrotowych. Grupę takich charakterystyk obowiązują prawa podobieństwa, a cechę, przedstawioną graficznie nazywa się powinowactwem.
Pagórek sprawności. Poglądowy i pełny obraz pracy pompy daje wykres zwany pagórkiem sprawności albo wykresem muszlowym pompy. Pagórek tworzy się w ten sposób, że w układzie przestrzennym trzech zmiennych H, Q, η, na płaszczyźnie H, Q nanosi się charakt przepływów H=f(Q) dla danej pompy dla różnych wartości n. Obroty dobiera się tak, że przyjmuje się kolejno np. n1=0,5nn, n2=0,6nn,..., n9=1,3nn (jak przedstawiono na wykresie muszlowym). Następnie nanosi się krzywe sprawności η=f(Q) przyporządkowane odpowiednim prędkościom obrotowym wału. Powierzchnia stanowiąca obwiednię krzywych sprawności tworzy pagórek sprawności. Linia ηmax wyznaczająca grzbiet powierzchni , łączy punkty o największej sprawności pompy przy danych obrotach wału.
8.WYRÓŻNIK SZYBKOBIEŻNOŚCI POMP WIROWYCH. Porównanie pomp wirowych krętnych o różnej wielkości i różnej konstrukcji jest możliwe dzięki teoretycznej wielkości charakterystycznej, zwanej wyróżnikiem szybkobieżności. Rozróżnia się dwa rodzaje wyróżników wirowej pompy krętnej:
kinematyczny-
jest to prędkość obrotowa nsq pompy geometrycznie do niej podobnej, która przy wysokości podnoszenia Hu=1 ma wydajność Qr=1 m...
marcin0732