Насосы, компрессоры, холодильные установки

УДК 621.51.621.65 Н31

Рецензент канд. техн. наук В.Л. Долганов

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Насосы, компрессоры, холодильные установки : меН31 тод. указания к лабораторным работам / В.М. Беляев, М.А. Ромашкин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2016. – 43 с.

Приведены описания лабораторных установок, порядок работы на них, методики обработки экспериментальных данных.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 151000.62 «Технологические машины и оборудование», профилю «Оборудование нефтегазопереработки».

УДК 621.51621.65

© ПНИПУ, 2016

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Насосы, компрессоры, холодильные установки» относится к вариативной части профессионального цикла и является обязательной при освоении ООП ВПО по направлению 151000.62 «Технологические машины и оборудование», профилю «Оборудование нефтегазопереработки».

В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты:

знать:

–основы теории движения жидкостей и газов в насосах, вентиляторах и компрессорах всех важнейших типов;

–теоретические основы получения низких температур;

–принципиальное устройство насосов и компрессорных машин;

–конструктивное исполнение насосов и компрессоров отечественного и зарубежного производства, используемых в нефтегазопереработке;

–принципиальное устройство установок для получения низких температур;

– параметры и характеристики насосно-компрессорного

ихолодильного оборудования;

–порядок выбора насоса и компрессора для работы в конкретных условиях;

–правила эксплуатации насосно-компрессорного и холодильного оборудования;

–причины возникновения неисправностей и способы их устранения;

уметь:

– выполнять расчет параметров насосно-компрессорного

ихолодильного оборудования;

–производить выбор насосов и компрессоров для конкретных условий эксплуатации;

4

–анализироватьвозможные неисправности и делать выводы;

–пользоваться технической и нормативной документацией;

владеть:

– навыками расчета и выбора насоса и компрессора для решения конкретных производственных задач.

Дисциплина «Насосы, компрессоры, холодильные установки» изучается студентами в течение 7-го семестра. Полный объем курса составляет 180 часов, из них 18 часов отводятся на лабораторные занятия.

В ходе лабораторных занятий студенты знакомятся с конструкциями изучаемых машин, их элементами, опытным путем определяют характеристики, учатся по каталогам выбирать тип и параметры насосов и компрессоров.

Выполняя лабораторные работы, студенты должны критически подходить к решению поставленных технических задач, самостоятельно и осмысленно проводить эксперименты при строгом соблюдении правил техники безопасности.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 «ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА»

Цели:

–изучить устройство насосной установки;

–освоить основные правила эксплуатации центробежного насоса;

–определить параметры и построить рабочую характеристику насоса.

Краткие теоретические сведения

Насосом называется гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию привода в энергию перемещаемой капельной жидкости путем повышения ее давления. Дополнительная энергия, которая передана жидкости в насосе, обычно расходуется на преодоление разности давлений в резервуарах, поднятие жидкости от нижнего уровня до верхнего, преодоление гидравлических сопротивлений в сети.

Работа любого насоса характеризуется его основными рабочими параметрами: подачей, напором (или приращением удельной энергии жидкости), частотой вращения рабочего органа, потребляемой мощностью, КПД и кавитационным запасом.

Подачей называется объемное Q или массовое G количе-

ство жидкости, перемещаемое в единицу времени.

Напор H представляет собой энергию, сообщаемую 1 кг жидкости в насосе. Обычно напор выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости. Напор может быть определен по показаниям манометра Рман и мановакуумметра Рвак :

6

где wнаг и wвсас – скорость жидкости в нагнетательном и всасы-

вающем патрубках соответственно, м/с; z – расстояние по вертикали между точками подсоединения манометра и мановакуумметра, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; Рман и Рвак –

показания манометра и мановакуумметра, Па (знак «+» – для случая работы насоса с подпором); ρ – плотность перекачиваемой

жидкости, кг/м3.

Величина напора зависит от конструкции и размеров колеса, частоты вращения вала, вязкости жидкости. Часто размеры патрубков одинаковы, поэтому расчет напора упрощается:

Н Рман Рвак z.

ρg

Энергия, подводимая от привода к валу насоса, всегда больше полезной энергии, получаемой жидкостью. При прохождении жидкости через насос часть полученной ею механической энергии теряется. Гидравлические потери энергии связаны с трением и вихреобразованием при течении жидкости в проточной части насоса. Решающее влияние на величину гидравлических потерь оказывают условия входа жидкости в рабочее колесо и выхода из него в спиральную камеру или в лопаточный направляющий аппарат.

Гидравлические потери энергии определяются гидравлическим КПД насоса ηг , представляющим отношение полезной

мощности насоса Nпол к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений Nтр :

где H и Hт – действительный и теоретический напоры соответственно.

Полезная мощность Nпол представляет собой приращение энергии жидкости при прохождении через насос:

7

Nпол G g H ρ g H Q.

У современных центробежных насосов ηг = 0,80–0,92.

Объемные (или щелевые) потери обусловлены наличием зазоров в машине, через которые жидкость получает возможность перетекать из областей с более высоким давлением в области с более низким давлением. Они вызваны главным образом протечками через уплотнение со стороны входа в рабочее колесо и зависят от центровки ротора, конструкции опорных подшипников и величины зазоров в них, наличия абразивных частиц в перекачиваемой жидкости. Объемные потери оцениваются объемным КПД η0 или коэффициентом подачи ηп .

Объемным КПД называется отношение полезной мощности к сумме полезной мощности и мощности, потерянной в связи с утечками Nпот :

У современных крупных насосов η0 = 0,90–0,98.

Коэффициентом подачи называется отношение подачи насоса к его теоретической подаче:

ηп Q .

Qт

Мощность, развиваемая рабочими лопастями, называется внутренней мощностью Nвн :

Nвн Nпол .

ηг ηп

Мощность на валу Nв больше внутренней мощности на величину механических потерь Nмех . Механические потери связаны с трением наружных поверхностей дисков рабочих колес

8

и разгрузочной шайбы (гидравлической пяты) о жидкость в корпусе, а также с механическим трением в опорах вала и в уплотнительных устройствах.

Для вычисления мощности, затрачиваемой на дисковое трение (оно главным образом и определяет механические потери) Nд , можно воспользоваться формулой

Nд 2 Сf ρ R5 w3 ,

где Cf – коэффициент трения; ρ – плотность перекачиваемой

жидкости, кг/м3; R – радиус рабочего колеса, м; w – угловая частота вращения рабочего колеса, с –1.

Как видно из формулы, приведенной выше, дисковые потери пропорциональны 5-й степени величины радиуса рабочего колеса. В связи с этим при конструировании высоконапорных насосов идут на увеличение частоты вращения и числа ступеней, но не на увеличение диаметра рабочего колеса.

Потери в опорах и сальниках зависят от типа подшипников, способа смазки, размера сальника и материала сальниковой набивке. Они определяется по приведенным в справочниках формулам.

Механические потери оцениваются механическим КПД, выражающим отношение внутренней мощности насоса к мощности на валу:

ηмех Nвн .

Nв

Полный КПД насоса:

η Nпол ηг η0 ηмех.

Nн

Работу насоса без кавитации на входе в него обеспечивает кавитационный запас h , представляющий собой разность между удельной энергией на входе и энергией, соответствующей

9

давлению парообразования, т.е. избыток напора сверх величины, определяемой давлением насыщенного пара Рнас при температуре перекачиваемой жидкости:

h Рρвхg с2вхg Рρнасg ,

где Pвх – давление жидкости на входе в насос, МПа; свх – ско-

рость жидкости на входе в насос, м/с.

Кавитационный запас, обеспечивающий работу насоса без изменения его основных параметров, называют допускаемым кавитационным запасом hдоп.

Характерным параметром, определяющим работу насоса на стороне всасывания, является вакуумметрическая высота всасывания:

Р ρсвх2 Нвак 0 ρg 2 ,

где P0 – давление над жидкостью в нижнем резервуаре, МПа.

Вакуумметрическая высота, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных параметров, называется допускаемой вакуумметрической высотой.

Зависимости между основными параметрами насосов для различных режимов работы принято представлять в графической форме – в виде характеристик.

Характеристикой насоса называются графические зависимости основных его параметров от подачи при постоянных значениях частоты вращения ротора, вязкости и плотности жидкости на входе в насос (рис. 1).

Особое значение при эксплуатации насосов имеет напорная характеристика H f (Q).

Форма (крутизна) характеристик помогает судить о надежности насоса, устойчивости его в работе и экономичности.

10