PRŮMYSLOVÉ PROCESY. Přenos hybnosti III Doprava tekutin čerpadla a kompresory

PRŮMYSLOVÉ PROCESY Přenos hybnosti III Doprava tekutin – čerpadla a kompresory Prof. Ing. Tomáš Jirout, Ph.D. (e-mail: [email protected], tel.: 2 2435 2681)

ČERPADLA Základy teorie čerpadel Základní rozdělení čerpadel Hydrostatická čerpadla:  vratný posuvný pohyb (pístová, plunžrová)  rotační pohyb (zubová, lamelová) Pístové čerpadlo

Zubové čerpadlo

Hydrodynamická čerpadla:  radiální oběžné kolo (odstředivá)  axiální oběžné kolo (vrtulová) Odstředivé čerpadlo

1 – oběžné kolo 2 – stator

Princip práce odstředivého čerpadla

Vrtulové čerpadlo

Základní parametry čerpadel  objemový průtok kapaliny V [m3·s-1]  měrná energie dodávaná do systému e (Y) [J·kg-1]

1 2 2 1 2 2 p1 p2  1 u1   2 u2    gh1  gh2  ez  e  0 2 2  

Charakteristika čerpadel Rovnice kontinuity pro nestlačitelné kapaliny

   du   2   u  u   p    u   f  dt    p  x  S u    Zavedení bezrozměrných proměnných: x  ,    D , S  2 , u  , p  Y D nD D

Y D

 p  

n 2   1  u  D  n2 D

2   Y 1 u    u   2 2   p     u  Re n D



 n 2 Du   u   

   Y  u  f  x , 2 2 , Re  n D     Y  p  f  x , 2 2 , Re  n D   

Objemový průtok

   V  u  nd S S



   V  u  n dS 3  nD S

V  Y   f  2 2 , Re  3 nD n D 

Pro vysoké hodnoty Reynoldsova čísla: 1/Re  0

   Y  u  f  x , 2 2 , Re  n D     Y  p  f  x , 2 2 , Re  n D   

V  Y   f  2 2 , Re  3 nD n D  Pro konstantní otáčky a průtok

Y  f 2 V 



Příkon čerpadel         T  P   u  d F   u    n d S   u   p   u  u   n d S





Sp

Sp



Sp



    p  2 

 1  T   u  u  2





  p  x  S u    Zavedení bezrozměrných proměnných: x  ,    D , S  2 , u  , p  Y D nD D Po úpravě a vydělení rovnice

 n2D2



   Y P        u   p    u   u  n 3 D 5 Sp  n 2 D 2 nD 2 





   n d S T





Pro vysoké hodnoty Reynoldsova čísla: 1/Re  0

Re

 Y nD 2   P   f  2 2 , 3 5 n D   n D

 Y   V  Po  f 2  2 2   f 3  3  n D   nD 

Základní parametry čerpadel  objemový průtok kapaliny V [m3·s-1]  měrná energie dodávaná do systému e (Y) [J·kg-1]

1 2 2 1 2 2 p1 p2  1 u1   2 u2    gh1  gh2  ez  e  0 2 2   Charakteristika a příkon čerpadel Hydrostatická čerpadla

Vt  n V p

Hydrodynamická čerpadla Odstředivé čerpadlo

 V  Y Pp  

Axiální vrtulové čerpadlo

Měrné otáčky hydrodynamických čerpadel 1/ 2 3 / 4   Vn   Yn  nVn1 / 2    2 2   3 / 4  nb Yn  nD3   n D  Radiální čerpadla

nb D2/D0

pomaluběžná

normální

rychloběžná

Diagonální čerpadla

0,03 až 0,06 ~ 2,5

0,06 až 0,12 ~2

0,12 až 0,25 ~ 1,6 až 1,4

0,25 až 0,5 ~ 1,2 až 1,1

Axiální čerpadla 0,5 až 1,2 ~ 0,8 až 0,6

Měrné otáčky jsou měřítkem rychloběžnosti čerpadla a vyjadřují frekvenci otáčení, kterou by mělo čerpadlo geometricky podobné danému, kdyby v bodě maximální účinnosti při měrné energii 1 J·kg-1 dosahovalo průtoku 1 m3·s-1.

Minimální přípustný tlak v sacím hrdle čerpadla Při návrhu sacího potrubí je velmi důležitou veličinou tlak v sacím hrdle čerpadla. Hodnota tohoto tlaku musí zaručovat, že tlak v žádném místě čerpadla nepoklesne na tlak nasycených par, případně na tlak, při kterém dochází k uvolňování rozpuštěných plynů (při čerpání kapalin s vysokým bodem varu, např. olejů).

 s2u s2   ghs   ezs   2

p1

ps

 u   ps  p  ps 2 2 2 s s

ps , Ys , hs  f V 

ps  Ys 

ps   g hs

Pracovní bod čerpadla Pracovní bod čerpadla získáme jako průsečík charakteristiky systému, který je tvořen potrubím a vřazenými odpory (místními odpory, filtry, výměníky apod.), s charakteristikou čerpadla.

e e

p2  p1



p2  p1



 g h2  h1   ez

 g h2  h1   0,811

l 2 V d2

Paralelní a sériové řazení čerpadel

=

Konstrukční provedení čerpadel Hydrostatická čerpadla Čerpadla s rozvodovými ventily:  pístová, plunžrová  membránová

Čerpadla bez rozvodových ventilů:  zubová  lamelová  vřetenová

Pístová a plunžrová čerpadla

Zdvižná čerpadla

Čerpadla s radiálními písty

Čerpadla s axiálními písty

Membránová čerpadla

Zubová čerpadla

Lamelová čerpadla

Hadicové čerpadlo

1 – rotor, 2 – stator, 3 – lamela, 4 – opěrka, 5 – reg. šroub, 6 – narážka

Vřetenová čerpadla Čerpadlo „MONO“

Trojvřetenové čerpadlo

Hydrodynamická čerpadla Uspořádání oběžných kol

sériové

paralelní

sériově-paralelní

Jednostupňové spirálové kozlíkové čerpadlo

1 – spirálová skříň, 2 – oběžné kolo, 3 – víko se sací, hrdlem, 4 – hřídel, 5 – ucpávka, 6 – ložiskový kozlík

Vícestupňové radiální článkové čerpadlo

1 – oběžné kolo 2 – rozvaděč 3 – článek 4 – spojovací svorník 5 – hřídel 6, 7 – ucpávka, 8, 9 – ložisko

Horizontální axiální čerpadlo

1 – sací nástavec, 2 – oběžné lopatky, 3 – rozváděč, 4 – skříň čerpadla, 5 – hřídel, 6 – ucpávka, 7 – ložisko

Utěsňování hřídelí čerpadel:

 měkké stlačované ucpávky  mechanické ucpávky  bezucpávková čerpadla

Mechanické ucpávky

Bezucpávková čerpadla (rotor-stator)

Bezucpávková čerpadla (magnetická spojka) 100

339

401

509

518

900/1

158

159

213

360

638/1

672/1

211

525

932/1

230 361

545 932/2 504 421/1 412/1 321/1 529 940/1 551

Z 412/2

Y

122

554/2 920/1

901/3 902/1

X

412/3

415

554/1

859

411/1

"A" 858

552/1

901/2

330

421/2

901/4

934/1

914/1

934/2

183 655/1

Einzelheit "A" Entleerung Detail "A" drainage Detail "A" v idange

Jiné způsoby čerpání kapalin

KOMPRESORY Ventilátory:

 malé hodnoty kompresního poměru p2 /p1  1  zanedbání stlačitelnosti  výpočet jako u čerpadel)

Ventilátory rozdělujeme podle rozdílu tlaků p  pv  p s na: – nízkotlaké ventilátory – středotlaké ventilátory – vysokotlaké ventilátory

Kompresory:

p  60  1000 Pa p  1000  2000 Pa p  2000  10000 Pa

 vyšší hodnoty kompresního poměru p2 /p1  malá a střední množství plynu – kompresory  velká množství plynu – turbokompresory  vysoký kompresní poměr – vícestupňové kompresory

Kompresory v užším slova smyslu se nazývají stroje, které stlačují plyn na tlak 0,3 až 250 MPa a rozdělujeme je na: – nízkotlaké kompresory výtlačný tlak do 2,5 MPa – středotlaké kompresory výtlačný tlak od 2,5 do 10 MPa.

Dmychadla:

 atmosférický sací tlak  kompresní poměr p2 /p1 < 3

Vývěvy:

 odsávají plyn a vytvářejí podtlak

KOMPRESORY

objemové

rychlostní (dynamické)

objemové

s vratným pohybem pístu

s mechanicky hnaným pístem

s volnými písty ostatní

ostatní

membránové

rotační

membránové

rotační

lopatkové (turbokompresory)

radiální

s jedním hřídelem 1

vodokružné křídlové s valivým pístem ostatní

se dvěma anebo více hřídeli

radiální

1

Rootsovy šroubové ostatní

axiální

axiální

proudové (ejektory)

Objemové kompresory Pístový kompresor

Šroubový kompresor

Membránový kompresor

Křídlový kompresor

Vodokružná vývěva

Kompresor s valivým pístem

Dynamické kompresory Dvoustupňový radiální turbokompresor

Axiální turbokompresor

Proudový ejektor

Pracovní cyklus kompresoru

Vz – zdvihový objem Vs – sací objem V0 – objem škodlivého prostoru Ve – objem expanze škodlivého prostoru

Základní výpočty kompresorů  příkon kompresoru P [W]

P  Pad / cad

cad  ad m  0.5  0.8 mechanická účinnost adiabatická účinnost

 měrná energie e (Y) [J·kg-1]

de  d p/  adiabatický děj: p·v = const polytropycký děj:   n

 1     p1  p2     1 ead     1 1  p1   

 1     p2      Pad  ead m  ead 1 V  p1V1    1  p1    1  

 teoretická výkonnost jednoválcového jednočinného kompresoru

m t

[kg·s-1]

m t  S  L   g  n  dopravní účinnost d

d  o š t n expanze plynu ze škodlivého prostoru – objemová účinnost

o 

Vs Vz  Vo  Ve  Vz Vz

hlavní podíl – objemová účinnost

š t n  0,75  0,95 netěsnosti

tlakové ztráty v sání

ohřátí plynu během sání

o = 0  kritický kompresní poměr p2/p1, všechen nasátý plyn je stlačen do

 skutečná výkonnost

m d  m t

m [kg·s-1]



škodlivého prostoru

m  m t  d

 ohřev plynu během komprese

1

T2  p2     T1  p1 

1 n

Vícestupňová komprese

p  v n  const.,

pv 

RT M