Насосы, компрессоры, холодильные установки

Перегретые пары фреона поступают в конденсатор, где охлаждаются воздухомдо насыщенного состоянияиконденсируются.

Жидкий фреон дросселируется и в виде парожидкостной смеси поступает в испаритель. Проходя через змеевик испарителя, жидкий хладагент полностью испаряется за счет тепла, отводимого от горячей воды, и вновь поступает в компрессор. При этом пары перегреваются на 10 градусов. Часовой расход фреона составляет 15 кг.

Порядок выполнения работы

1.Перед пуском установки необходимо убедиться в том, что термостат залит водой, а уровень воды в холодильной камере выше уровня испарителей.

2.Включитькомпрессоривентиляторхолодильноймашины.

3.Включить насос и нагреватель термостата.

4.С помощью вентиля 7 (см. рис. 8) установить заданный расход воды, при котором уровень воды над испарителями не изменяется.

5.Следить за показаниями термометров. При достижении установившегося режима записать показания термометров (начальную и конечную температуру воды и воздуха).

6.Определить потребляемую мощность компрессора.

7.Изменить расход воды, ее начальную температуру и повторить эксперимент.

Порядок расчета

1. Расчет теоретических параметров холодильного процесса

1.По заданным давлениям в испарителе и конденсаторе

спомощью диаграммы состояния фреона (см. на рабочем месте) определяются значения энтальпии перегретых паров хладагента

на входе в компрессор h2 и на выходе из него h3 , а также на входе в испаритель h6 и на выходе из него h1 (в кДж/кг).

31

2. Рассчитывается теоретическая холодопроизводительность:

Q0 G(h1 h6 ),

где G – расход фреона, кг/с.

3. Определяется теоретическую мощность сжатия паров хладагента:

NG(h3 h2 ).

4.Рассчитывается тепловая нагрузка на конденсатор:

Q Q0 N.

5.Рассчитывается теоретическийхолодильный коэффициент:

εт (h1 h6 ) / (h3 h2 ).

2.Расчет действительных параметров холодильной машины

1.По тарировочному графику (см. на рабочем месте) определяется расход воды Gв , кг/с.

2.Рассчитать действительную холодопроизводительность, т.е. количество тепла, отданное фреону в испарителе:

Q0* Gв cв (Tн Tк ) ,

где cв – средняя удельная теплоемкость воды, cв = 4,19 кДж/кг; Tн и Tк – температура воды навходеина выходе соответственно.

3. Определяются потери холода:

Q Q0 Q0 .

4. Рассчитывается расход воздуха, необходимый для охлаждения и конденсации паров фреона:

Gвозд св (TвкQ Tвн ) ,

где cв – средняя удельная теплоемкость воздуха; Tвк и Tвн – температура воздуха на выходе и на входе соответственно.

32

5. Определяется КПД компрессора:

η N / Nдв ,

где Nдв – мощность, потребляемая двигателем.

6.Рассчитывается действительный холодильный коэффи-

циент:

εεт η.

7.Проанализировать результаты эксперимента и сделать выводы.

Вопросы для самоконтроля

1.Каков принцип работы парокомпрессионной холодильной машины?

2.Что необходимо для конденсации перегретых паров хладагента?

3.С чем связан выбор давления в конденсаторе?

4.Как оценивается эффективность различных компрессионных холодильных машин?

5.Для чего в холодильных машинах используются детан-

деры?

6.Назовите требования к холодильным агентам.

7.Выполните сравнительный анализ холодильных циклов.

8.Какрассчитатьосновныепараметрыхолодильноймашины?

33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 «КАВИТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА»

Цели:

–снять кавитационные характеристики насоса;

–определить допустимый кавитационный запас;

–рассчитать кавитационный коэффициент быстроходности.

Краткие теоретические сведения

Кавитацией называют явление вскипания жидкости в проточной части насоса в результате местного понижения давления до значения, равного давлению насыщенных паров Рн, и последующей практически мгновенной конденсации пузырьков пара.

В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей. Опасной в кавитационном отношении является область всасывания на входе в рабочее колесо. Минимум давления имеет место вблизи входной кромки лопасти около покрывного диска (рис. 9). Образующиеся здесь пузырьки пара движутся в межлопаточном канале вместе с потоком жидкости в область повышенного давления, где

Рис. 9. Схема возникновения кавитации

34

при Р Рн происходит конденсация пара в пузырьке с образованием капли значительно меньших размеров. Окружающая пузырек жидкость с большой скоростью заполняет освободившееся пространство.

Столкновение частиц жидкости при схлопывании пузырька сопровождается местным гидравлическим ударом. Давление в точке схлопывания может достигать нескольких сотенатмосфер.

Если конденсация пузырька происходит на поверхности лопасти, то в результате гидравлического удара происходит местное разрушение металла – эрозия лопастей. Эрозия поверхности интенсифицирует также и коррозионные процессы.

Причины кавитации могут быть местного или общего характера.

К причинам местного характера, зависящим от насоса, относят:

–большие скорости жидкости на входе в рабочее колесо вследствие сжатия потока;

–отрыв потока от ограничивающих поверхностей и отклонение линии тока от заданных траекторий при изменении направления потока, а также при обтекании выступающих частей;

–большое гидравлическое сопротивление на входе в насос;

–наличие вторичных токов в зазорах машины.

Причинами общего характера могут быть:

–снижение абсолютного давления в системе, откуда забирается жидкость;

–увеличение геометрической высоты всасывания;

–повышение температуры перекачиваемой жидкости;

–увеличениегидравлическихпотерьво всасывающей линии;

–неустановившийся режим работы при пуске, остановке. Основным средством предупреждения кавитации является

обеспечение давления в жидкости больше давления насыщенных паров Рн во всех режимах работы насоса. Это достигается при монтаже насоса на определенной высоте всасывания, меньше максимально возможной.

35

Высотой всасывания Zвс называют расстояние от уровня жидкости в расходной емкости до оси насоса.

Условием, определяющим бескавитационную работу, является наличие достаточного кавитационного запаса. Для любого насоса существует некоторый минимальный кавитационный запас hmin .

В конкретной насосной установке необходимо различать требуемый кавитационный запас hтр и действительный кави-

тационный запас hд .

Требуемый кавитационный запас hтр зависит от конст-

рукции насоса и определяется как минимально допустимая разность между удельной энергией потока на входе в рабочее колесо при данной подаче и энергией, соответствующей давлению парообразования жидкости:

где Pв – давление на входе в насос; св – скорость жидкости при входе в насос; ρ – плотность всасываемой жидкости.

Действительный кавитационный запас hд зависит от конкретной сети, на которую работает насос:

hд Pa / ρg Pн / ρg hг hв,

где Pa – давление над уровнем, откуда забирается жидкость; hг – геометрическая высота всасывания; hв – потери напора во

всасывающей линии.

Во избежание кавитации необходимо, чтобы на заданном режиме действительный кавитационный запас был больше требуемого или в крайнем случае равнялся бы ему ( hд hтр ).

Допустимый кавитационный запас hдоп определяют путем обработки данных кавитационных испытаний насоса. В резуль-

36

тате испытаний для каждого режима работы получают кавитационную характеристику (рис. 10).

Рис. 10. Кавитационная характеристика насоса

За критическую величину кавитационного запаса hкр

принимается такая величина, при которой заканчиваются горизонтальные участки значений Q, Nд и H.

Допустимый кавитационный запас должен быть больше критического:

hдоп = (1,1…1,3) hкр .

Для геометрически подобных насосов при их работе в подобных режимах одинаковы кавитационные коэффициенты быстроходности C, определяемые по формуле

где n – частота вращения рабочего колеса, об/мин; Q – подача насоса, м3/с.

Для анализа кавитационных режимов подобных насосов удобно использовать понятие приведенной допустимой высоты

всасывания Zпрдоп. Расчетнаяформула для ееопределенияимеет вид

37

Zпрдоп (Pа Pн ) / ρg φ Hsmax ,

где Hsmax – максимальное динамическое падение напора; φ – коэффициент запаса, φ = 1,3–1,4.

где Pвскрит – давление в жидкости в момент наступления кавитации (соответствует hкр ); d1 – диаметр входного отверстия колеса.

Для лабораторной установки Z d21 = 0.

Описание установки и ее работы

Лабораторная установка (рис. 11) состоит из центробежного насоса 3, вакуум-насоса 2, кавитационного бака 1, регулирующих вентилей и контрольно-измерительных приборов.

Рис. 11. Схема насосной установки: 1 – кавитационный бак; 2 – вакуумнасос; 3 – центробежный насос; 4–6, 7, 12 – вентили; 8 – патрубок для

заливки воды; 9 – вакуумметр; 10 – манометр; 11 – ротаметр

38

Для получения кавитационных характеристик центробежный насос искусственно вводится в режим кавитации путем уменьшения давления над поверхностью жидкости в кавитационном баке с помощью вакуум-насоса. Режим работы насосной установки устанавливается с помощью вентилей 4–6 и 12.

Напор насоса измеряется с помощью вакуумметра 9 и манометра 10. Подача насоса определяется ротаметром 11.

Уровень воды в баке расположен выше оси насоса, поэтому геометрическая высота всасывания – величина отрицательная.

Техника безопасности при работе на установке

Насосные установки относятся к категории опасных машин, поэтому к проведению лабораторной работы допускаются только те студенты, которые прошли собеседование с преподавателем по технике безопасности.

Включение установки без разрешения преподавателя категорически запрещается.

Перед пуском установки в работу необходимо проверить:

–исправность изоляции проводов и надежность заземления электродвигателя;

–отсутствие посторонних предметов, мешающих работе установки;

–исправность приборов;

–надежность защитных ограждений.

Пуск установки должен быть проведен в определенной (см. ниже) последовательности. В случае появления стуков и ударов, а также нарушения нормального режима работы машины, установка должна быть немедленно отключена.

Порядок выполнения работы

Перед пуском установки необходимо убедиться, что кавитационный бак залит водой не менее чем на 30 %. Закрыть вентиль 5 (см. рис. 11) и включить центробежный насос, установив

39

необходимую частоту вращения. Открывая вентиль 5, установить заданную подачу, соответствующую 80–90 делениям ротаметра 11. Полностью открыть вентили 4 и 12 и включить ваку- ум-насос.

При достижении устойчивой работы насоса (нет колебаний подачи, в жидкости отсутствуют пузырьки воздуха) записать на первом режиме показания манометра Pм , вакуумметра Pвак

и ротаметра.

Постепенно прикрывая вентиль 12, установить 8–10 режимов с различной степенью разрежения (через 0,1 кг/см2) на входе в насос. Контроль разрежения производится с помощью вакуумметра. Вблизи кавитационного режима, который обнаруживается при появлении шума в насосе, резком падении подачи и мощности, необходимо произвести несколько измерений в более узком интервале изменения разрежения.

Все измеренные величины занести в табл. 6.

Температура воды Т = __________________________°C.

Барометрическое давление Pб = _______________мм рт. ст.

Скорость вращения рабочего колеса n = _________об/мин. Диаметр всасывающего трубопровода – 25×2 мм.

Обработка результатов испытаний

1. Подача насоса Q, м3/с, определяется с помощью тарировочного графика.

40