4. Классификация и применение насосов.

По принципу вытеснения (объёмные насосы) разделяют:

1. Поршневые

2. Роторные

1. шестеренчатые;

2. пластинчатые;

3. кулачковые;

4. винтовые;

5. водокольцевые.

По принципу использования динамических сил (лопастные насосы) разделяют:

1. Центробежные

2. Осевые

Специальные насосы:

1. Струйные

2. Эрлифтные

Основными типами гидравлических машин, применяемы в различных отраслях промышленности для транспортировки эмульсий и жидких суспензий, являются поршневые и центробежные насосы.

Поршневые насосы работают на принципе вытеснения жидкости из цилиндров рабочими органами, называемыми поршнями или плунжерами. В этих насосах происходит непосредственная передача давления жидкости.

Центробежные насосы осуществляют транспортировку за счет работы центробежных сил, возникающих при вращении лопастных рабочих колес. К этому типу относят и осевые пропеллерные насосы, в которых перемещение жидкости происходит за счет действия подъемной силы, возникающей на лопастях пропеллерного колеса.

Шестеренчатые и винтовые насосы так же относятся к группе объемных насосов. Такие насосы применяются для подачи вязких жидкостей (масел, смол и т.п.).

Термодинамические циклы, используемые в промышленных установках

1. Объёмные компрессоры.

По конструктивным особенностям и принципу действия компрессоры, например применяемые в пищевой промышленности, классифицируются по схеме, представленной на рис. 1 [Шлипченко З.С. Насосы, компрессоры и вентиляторы].

Рис. 1. Классификация компрессоров для пищевой промышленности

Ротационные компрессоры конструктивно и по способу привода сходны с центробежными компрессорами, а по принципу действия (вытеснение) они относятся к поршневым машинам.

Отличие центробежных (турбокомпрессоров) от многоступенчатых центробежных насосов заключается в том, что рабочим телом является сжимаемый газ и поэтому имеют место тепловые процессы. Они, как правило, применяются при подаче больших количеств воздуха (более 50 куб. м/мин) при сравнительно невысоком давлении (0,7 – 0,8 МПа).

1.1. Поршневые компрессоры. Индикаторные диаграммы поршневого компрессора

Принцип действия поршневого компрессора заключается в том, что поршень выталкивает воздух или газ лишь после того, как давление в цилиндре компрессора превысит давление в нагнетательной линии.

По расположению цилиндров компрессоры можно разделить на горизонтальные, вертикальные и с наклонными цилиндрами; по способу охлаждения – с воздушным (небольшие компрессоры) и водяным охлаждением.

По своему назначению компрессоры различают на воздушные, кислородные, аммиачные, углекислотные и др.

Теоретический цикл поршневого компрессора.

Теоретическим этот процесс называют потому, что при его изучении не учитывают ряд факторов: гидравлическое и механическое сопротивление клапанов, трения поршня в цилиндре. Отличительной чертой теоретического процесса от действительного является предположение, что после нагнетательного хода поршня в цилиндре не остаётся газа.

Адиабатический цикл.

Рассмотрим теоретический одноступенчатый цикл (рис. 2).

Рис. 2. Теоретический цикл поршневого компрессора

При движении поршня из крайнего левого положения 1 в крайнее правое всасывающий клапан k открыт, и воздух всасывается в цилиндр. Давление на протяжении всего входа всасывания (линия всасывания 1 – 2) постоянно и равно атмосферному. При ходе поршня от крайнего правого положения 2 влево всасывающий клапан закрывается и газ, в полости цилиндра сжимается. Если процесс сжатия происходит без охлаждения то температура газа повысится от температуры Т₁ (точка 2) до Т₂ (точка 3). В этом случае изменение давления газа представляется в виде адиабаты (кривая 2 – 3). При достижении давления р₂, равного давлению газа в нагнетательном сборнике, открывается нагнетательный клапан m, и газ выталкивается при давлении р₂ (линия 3 – 4 линия нагнетания). По окончании нагнетания начинается снова всасывание, при этом происходит падение давления от р₂ до р₁ (линия 4 – 1). Площадь 1 – 2 – 3 – 4 – 1 представляет собой работу, затраченную компрессором на один цикл, т. е. на всасывание, сжатие и нагнетание газа в условиях адиабатического процесса. Эту площадь, эквивалентную работе компрессора, можно выразить по элементам, считая работу, совершаемую поршнем при сжатии газа положительной, а при расширении отрицательной:

L = пл. (b – с – 2 – 3) + пл. (b – 3 – 4 – а) – пл. (1 – 2 – с – а) (1)

Для того, чтобы определить работу, затраченную компрессором, запишем некоторые уравнения термодинамики:

Уравнение состояния газа

(2)

Уравнения адиабатического процесса

(3) где k показатель адиабаты

(4)

С_р, С_ - удельная теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно.

Уравнение работы сжатия в адиабатическом процессе

(5)

Удельная теплоёмкость при постоянном объёме

(6)

Отношение абсолютных температур

(7)

где р₁, р₂, - абсолютные давления газа в начале и конце сжатия; Т₁, Т₂ –абсолютные температуры в начале и конце сжатия; ₁, ₂, -удельные объёмы газа в начале и конце сжатия, м³/кг; А – механический эквивалент тепла (А=4180 Дж), R – газовая постоянная, равная 8310/М, Дж/(кгК (М – мольная масса газа).

Используя приведённые формулы, запишем удельную работу затрачиваемую на сжатие 1 кг газа при адиабатическом процессе в соответствии с формулой (1), Дж/кг:

(8)

Здесь первое слагаемое выражает работу адиабатического сжатия, второе слагаемое выражает работу нагнетания, третье работу всасывания.

Учитывая, что при адиабатическом процессе уравнение (8) можно записать в виде:

Подставим в полученную зависимость значение теплоемкости при постоянном объёме (6) запишем:

Теперь воспользовавшись уравнениями состояния газа и отношением абсолютных температур запишем уравнение выражающее теоретическую величину работы затрачиваемой одноступенчатым компрессором при адиабатическом сжатии 1 кг газа, Дж/кг:

(9)

Теоретическая величина работы на 1 м³ засасываемого газа, Дж/м³:

Показатель адиабаты для одноатомных газов k=1,66 – 1,67; двухатомных – k=1,4 – 1,41; трехатомных и многоатомных – k=1,33.

Политропический цикл.

Как известно, при постоянном показателе политропы n=const процесс политропического сжатия задан уравнением, справедливым как для идеального, так и реального газов:

(1) где численное значение n: 1 n k, в этом случае политропическое сжатие протекает с отводом тепла, при значении n k – с подводом.

Так, если сжатие в поршневом компрессоре происходит по политропе 2 – 3, то площадь политропического сжатия b – c – 2 – 3 на диаграмме (рис. 1) эквивалентна работе политропического сжатия.

При политропическом процессе, пользуясь аналогичными рассуждениями, как и при адиабатическом цикле можно определить удельную работу затрачиваемую одноступенчатым компрессором на сжатие 1 кг газа, Дж/кг:

(11) где показатель политропы: n = 1,2 – 1,3.

Изотермический цикл

Если процесс сжатия происходит в присутствии теплообмена, то есть с охлаждением, то температура газа или воздуха будет постоянна.

При изотермическом сжатии газа давление и удельный объём связаны уравнением:

или и(12)

Площадь индикаторной диаграммы 1 – 2 – 3- 4 – 1 (рис. 2) представляет собой работу поршневого компрессора на один цикл в условиях изотермического процесса. Указанную площадь можно выразить по элементам так:

L = пл. (b– с – 2 – 3) + пл. (b – 3 – 4 – а) – пл. (1 – 2 – с – а)

Работа изотермического сжатия (что соответствует значению n=1), которой на диаграмме (рис. 1) эквивалентна площадьb– с – 2 – 3, как известно из термодинамики определяется величиной:

(13)

Следовательно, удельная работа всего изотермического цикла одноступенчатого компрессора на сжатие 1 кг газа определяется выражением, Дж/кг:

(14) но так как, то выражение (3) запишем в виде:

(15)

Как видно из pv–диаграммы для поршневого компрессора, наибольшая работа затрачивается компрессором при адиабатическом сжатии газа, когда тепло, выделяющееся при сжатии газа, не отводится, то есть процесс сжатия происходит без охлаждения. Экономия в работе компрессора при переходе процесса адиабатического сжатия к изотермическому (при отводе тепла) характеризуется площадью 2 – 3 – 3– 2.

Практически тепло отводится от компрессора при помощи охлаждающей воды, циркулирующей в рубашке цилиндра, и процесс сжатия происходит по некоторой политропе, так как показатель политропы уменьшается до n = 1,25 – 1,2. Дальнейшее приближение к изотермическому процессу оказывается невозможным из-за ограниченной поверхности цилиндра компрессора. Обычно принимают разность между температурой выходящей и входящей воды 5-10С. Если разность температур оказывается выше, то увеличивают приток охлаждающей воды.

Охлаждение цилиндра не только уменьшает расход мощности, но и улучшает условия его эксплуатации, так как при более низкой температуре смазка не “выгорает” и создаются более благоприятные условия работы поршня, цилиндра и других элементов установки из-за уменьшения температурного расширения деталей и их износа.