HYDROMECHANICKÉ PROCESY. Doprava tekutin Čerpadla a kompresory (přednáška) Doc. Ing. Tomáš Jirout, Ph.D

HYDROMECHANICKÉ PROCESY Doprava tekutin Čerpadla a kompresory (přednáška) Doc. 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

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



V  Y   f 2 2 3 nD n D 

Pro konstantní otáčky a průměr

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

 n3D5



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





   n d S T





Pro vysoké hodnoty Reynoldsova čísla: 1/Re  0

Re

 Y P nD 2     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 

p s  Ys 

p s   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

Provedení pístových čerpadel

Zdvižná čerpadla

Membránová čerpadla

Zubová čerpadla

Lamelová čerpadla

Vřetenová čerpadla Čerpadlo „MONO“

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

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

Utěsňování hřídelí čerpadel:

 měkké stlačované ucpávky  mechanické ucpávky  bezucpávková čerpadla

Bezucpávková čerpadla

KOMPRESORY Ventilátory:

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

Ventilátory rozdělujeme podle rozdílu tlaků p  pv  ps na: – nízkotlaké ventilátory

p  60  1000 Pa

– středotlaké ventilátory

p  1000  2000 Pa

– vysokotlaké ventilátory

p  2000  10000 Pa

Kompresory:

 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

Vodokružná vývěva

Rotační pístový kompresor

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]

 t  S  L  g  n m  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