Технологический расчет центробежного насоса

АИНГ. Специальность 050721-«Химическая технология органических вещест». Группа ХТНГ-10к/о   

Ф.И.О. студента  Рустемова Молдир Жанарбековна

Введение

В химической технологии рассматриваются процессы, в которых  исходные материалы претерпевают превращения, вызывающие изменения не только физических свойств вещества, но и приводящие к образованию веществ другого состава, с новыми химическими свойствами, что может сопровождаться изменением его агрегатного состояния.

Современная химическая технология включает в себя различные  процессы производства минеральных кислот и удобрений, щелочей и солей, различных органических соединений, процессы переработки нефти , газа и каменного угля. Несмотря на разнообразие методов химической технологии, получение различных химических продуктов связано с проведением однотипных физических процессов (нагревание, охлаждение, перемешивание и т.д.). Аппаратурное оформление современных химико-технологических процессов также весьма разнообразно, но для одних и тех же целей в различных отраслях химической технологии в большинстве случаев применяются сходные по конструкциям аппараты.

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, все химические процессы подразделяются: механические, гидромеханические, тепловые и массообменные. Эти процессы широко применяются в химической технологии, поэтому называются основными. Овладение наукой о процессах и аппаратах химической технологии позволяет осуществлять в производственных условиях наилучшие технологические режимы, повышать производительность аппаратуры и улучшать качество продукции; дает возможность разрабатывать более рациональные технологические схемы и типы аппаратов при проектировании новых производств, правильно оценивать результаты лабораторных исследований и быстро реализовать их в производственных условиях; производить технически грамотный и научно-обоснованный расчет выбранных аппаратов с использованием современных вычислительных средств, а также разрабатывать принципиально новые методы расчета процессов и аппаратов химической технологии.

Основные или типовые  процессы химической технологии рассмотрены главным образом с точки зрения их применения для разделения исходных смесей за счет обмена веществом и энергией.

В основу классификации  основных процессов могут быть положены разные принципы, однако ввиду большого разнообразия этих процессов представляется наиболее целесообразным классифицировать их по способу создания движущей силы процесса.

В этой связи основные процессы химической технологии можно  разделить на следующие классы.

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом  вещества из одной фазы в другую за счет диффузии. В процессах массообмена всегда участвуют две фазы, например, жидкая и паровая, жидкая и газообразная, две жидкие фазы, твердая и жидкая и т. д. К этому классу процессов относятся перегонка, ректификация, абсорбция, адсорбция, экстракция, сушка, кристаллизация и др.

Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций или градиент концентраций между фактической концентрацией компонента в данной фазе и равновесной с другой фазой, а скорость процесса определяется законами массопередачи.

Гидромеханические процессы связаны с обработкой неоднородных систем — жидкостей и газов (паров), содержащих взвешенные в них твердые частицы или капли жидкости. К этим процессам относятся различные виды отстаивания (в поле силы тяжести, в центробежном поле, в электрическом и магнитном полях), фильтрование, перемешивание, течение газа или жидкости через слой сыпучих материалов и др.

Движущей силой гидромеханических  процессов является разность давлений или градиент давлений, обусловленные  разностью плотностей обрабатываемых материалов или иными причинами. Скорость процесса определяется законами гидродинамики неоднородных систем.

Механические процессы связаны с обработкой твердых материалов. Сюда относятся процессы измельчения, рассева, транспортирования, дозирования, смешивания.

Движущей силой процесса является разность сил, давлений или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердых тел.

Тепловые процессы связаны с передачей тепла от одного тела к другому. К ним относятся следующие основные процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, плавление, затвердевание (кристаллизация).

Движущей силой тепловых процессов является разность температур или градиент температур, а скорость процесса определяется законами теплопередачи.

Химические процессы связаны с превращением обрабатываемых материалов, целью которого является получение новых соединений. К этому классу процессов относится группа термокаталитических процессов: каталитический крекинг, пиролиз, риформинг, гидроочистка и др.

Движущей силой процесса являются разности концентраций реагирующих веществ. Скорость процесса определяется законами химической кинетики. В отличие от массообменных процессов, в которых составляющие части исходной системы, не изменяясь, переходят из одной фазы в другую, при химических процессах исходные компоненты (вещества) претерпевают коренные изменения, приводящие к появлению в системе новых веществ, свойства которых отличаются от свойств исходных веществ.

По тем же признакам  можно классифицировать аппараты и машины для проведения типовых процессов.

Во многих случаях  в одном аппарате могут одновременно протекать несколько типовых  процессов. Так, например, химический процесс сопровождается переносом массы и тепла, диффузионный процесс ректификации — теплообменом и т. п. Такое совместное протекание нескольких типовых процессов осложняет их изучение и разработку всесторонне обоснованной научной классификации. Поэтому в основу приведенной выше классификации аппаратов и машин положен основной процесс, определяющий назначение аппарата (машины).

1. Теоретические  основы процесса, основные свойства  рабочих сред

1.1.Общие сведения по насосному оборудованию

Насосы - гидравлические машины, которые преобразуют механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, повышая ее давление. Разность давлений жидкости в насосе и трубопроводе обусловливает ее перемещение.

Насосы поднимают жидкость на определенную высоту, подают ее на необходимое  расстояние в горизонтальной плоскости  или заставляют циркулировать в какой-либо замкнутой системе.

            Насосы являются одной из самых  распространенных разновидностей  машин. Их применяют для различных  целей, начиная от водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива в двигателях ракет. Насосы применяют в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя. Насос, работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает механическую энергию исполнительному рабочему органу.

По принципу действия различают насосы следующих типов:

• В динамических насосах жидкость перемещается при воздействии сил на незамкнутый объём жидкости, который непрерывно сообщается с входом в насос и выходом из него.
• В лопастных насосах энергия передаётся жидкости при обтекании лопастей вращающегося рабочего колеса насоса.

- в  центробежных насосах давление создается центробежной силой, действующей на жидкость при вращении лопастных колес. Жидкость движется от центра колеса к периферии.

- в осевых насосах жидкость движется в направлении оси колеса при вращении в ней устройства типа гребного винта.

• В насосах трения жидкость перемещается под воздействием сил трения.

- в вихревых насосах в энергию давления трансформируется энергия вихрей, образующихся в жидкости при вращении рабочего колеса.

- в струйных насосах перемещение жидкости производится движущейся струей воздуха, пара или воды.

• В объемных насосах разность давлений возникает при вытеснении жидкости из замкнутого пространства телами, движущимися возвратно-поступательно или вращающимися. К машинам этого типа относятся поршневые и ротационные (шестеренчатые, пластинчатые и винтовые) насосы.

- в поршневых, плунжерных, диафрагмовых насосах жидкость вытесняется телом, движущимся возвратно-поступательно.

- в шестерённых, пластинчатых, винтовых насосах жидкость вытесняется телом, совершающим вращательные движения.

1.2. Основные параметры насосов

Основными параметрами  насоса любого типа являются производительность, напор и мощность.

Производительность или подача, Q, (мі/сек) определяется объемом жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени.

Напор Н (м) характеризует удельную энергию, которая сообщается насосом единице веса перекачиваемой жидкости. Этот параметр показывает, на какую величину возрастает удельная энергия жидкости при прохождении ее через насос, и определяется с помощью уравнения Бернулли. Напор можно представить как высоту, на которую может быть поднят 1 кг перекачиваемой жидкости за счет энергии, сообщаемой ей насосом.

Мощностью насоса (мощностью, потребляемой насосом) называется энергия, подводимая к нему от двигателя за единицу времени. Мощность можно определить из следующих соображений. Каждая единица веса жидкости, прошедшая через насос, приобретает энергию в количестве Н, за единицу времени через насос протекает жидкость весом pgQ. Следовательно, энергия, приобретенная за единицу времени жидкостью, прошедшей через насос, или полезная мощность насоса:

N_п = ρgQН

Мощность насоса на валу N  больше полезной мощности N_п на величину потерь в насосе, которые учитываются коэффициентом полезного действия насоса:

N = N_п / η_н = ρgQН/η_н

Величина механических потерь (потери на трение в подшипниках, в уплотнениях, трение поверхности рабочих колес о жидкость) оценивается механическим КПД η_мех, который равен отношению оставшейся после преодоления механических сопротивлений гидравлической мощности к мощности, потребляемой насосом.

Объемные потери (потери энергии жидкости из-за разницы давлений на входе и выходе рабочего колеса, потери производительности при утечке жидкости через зазора насоса) оценивают объемным КПД η_v, равным отношению действительной производительности насоса Q к теоретической Qт.

Гидравлические потери (потери на преодоление гидравлического  сопротивления подвода, рабочего колеса и отвода, потери напора) оцениваются гидравлическим КПД η_Г, который равен отношению действительного напора насоса к теоретическому.

Тогда КПД насоса равен:

η_{н =} η_мех η_v η_Г

Коэффициент полезного  действия насоса характеризует совершенство конструкции и экономичность  эксплуатации насоса и отражает относительные  потери мощности в самом насосе.

Для центробежных насосов КПД насоса η_н – 0,6-0,7, для поршневых насосов – 0,8-0,9, для наиболее совершенных центробежных насосов большой производительности - 0,93 – 0,95.

Номинальная мощность двигателя больше мощности на валу вследствие механических потерь в передаче от электродвигателя к насосу и в самом электродвигателе:

N_дв = N / η_пер η_дв = N_п / η_н η_пер η_дв,

где

η_пер - к.п.д. передачи,

η_дв - к.п.д. двигателя.

η_н η_пер η_дв - полный к.п.д. насосной установки η, т.е.

η = η_н η_пер η_дв = N_п / N_дв

Полный КПД характеризует  полные потери мощности насосной установкой.

Установочная  мощность двигателя N_уст рассчитывается по величине N_дв с учётом возможных перегрузок в момент пуска насоса:

N_уст = βN_дв

где β – коэффициент запаса мощности

1.3. Напор насоса. Высота всасывания. Кавитация.

Насосная установка  и ее характеристика

На рисунке изображена схема  насосной установки. К насосу 7, приводимому от электродвигателя 6, жидкость поступает из приемного резервуара 1 по подводящему трубопроводу 12. Насос нагнетает жидкость в напорный резервуар 2 по напорному трубопроводу 3. На напорном трубопроводе имеется регулирующая задвижка 8, при помощи которой изменяется подача насоса. Иногда на напорном трубопроводе устанавливают обратный клапан 10, автоматически перекрывающий напорный трубопровод при остановке насоса и препятствующий благодаря этому возникновению обратного тока жидкости из напорного резервуара. Если давление в приемном резервуаре отличается от атмосферного или насос расположен ниже уровня жидкости в приемном резервуаре, то на подводящем трубопроводе устанавливают монтажную задвижку 11, которую перекрывают при остановке или ремонте насоса. В начале подводящего трубопровода часто предусматривают приемную сетку 13, предохраняющую насос от попадания твердых тел, и пятовой клапан 14, дающий возможность залить насос и подводящий трубопровод жидкостью перед пуском. Работа насоса контролируется по расходомеру 4, который измеряет подачу насоса, по манометру 5 и вакуумметру или манометру 9, дающим возможность определить напор насоса.

Назовем уровни свободной  поверхности жидкости в приемном и напорном резервуаре приемным и  напорным уровнями; разность H_Г  высот напорного и приемного уровней — геометрическим напором насосной установки.

Для того чтобы перемещать жидкость по трубопроводам установки  из приемного резервуара в напорный, необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту H_Г, на преодоление разности давлений р" — р' в резервуарах и на преодоление суммарных гидравлических потерь Σh_п всасывающего и напорного трубопроводов. Таким образом, энергия, необходимая для перемещения единицы веса жидкости из приемного резервуара и напорный по трубопроводам установки, или потребный напор установки:

Где — статический напор установки.

Напор насоса затрачивается на подъем жидкости на полную геометрическую высоту Нг, преодоление разности давлений в напорной и приемной емкостях и гидравлических сопротивлений во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Характеристикой насосной установки называется зависимость потребного напора от расхода жидкости. Геометрический напор H_Г, давления р" и р' и, следовательно, статический напор Н_СТ от расхода не зависят.

При турбулентном режиме гидравлические потери пропорциональны  расходу во второй степени:

где к — сопротивление трубопроводов насосной установки.

На рисунке справа изображена характеристика насосной установки, слева — схема установки. Уровни, на которых размещены элементы установки, на схеме вычерчены в масштабе оси напоров графика. Уровень в приемном резервуаре совмещен с осью абсцисс. Так как статический напор установки от подачи насоса не зависит, характеристика насосной установки представляет суммарную характеристику подводящего и напорного трубопроводов смещенную вдоль оси напоров на величину Н_СТ.

Характеристика насосной установки

Для определения напора действующего насоса пользуются показаниями  установленных на нём манометра (р_м) и вакуумметра (р_в).

р_{н =} р_{м +} р_а

р_{вс =} р_{а -} р_в

где р_а – атмосферное давление

р_н – давление в напорном патрубке

р_вс – давление во всасывающем патрубке

Следовательно,

Напор действующего насоса может быть определён, как сумма  показаний манометра и вакуумметра (выраженных в м столба перекачиваемой жидкости) и расстояния по вертикали между точками расположения этих приборов.

Если давления в приёмной и напорной емкостях одинаковы (р'= р''), то уравнение напора примет вид:

Н = Н_г + h_п

При перекачивании жидкости по горизонтальному трубопроводу (Н_г = 0):

Н = (р'' – р') / ρg + h_п

В случае равенства давлений в приёмной и напорной емкостях для  горизонтального трубопровода (р'= р''и Н_г = 0) напор насоса

Н = h_п

Высота всасывания

Всасывание жидкости насосом происходит под действием разности давлений в приемной емкости и давлением на входе в насос или под действием разности напоров.

Высота всасывания насоса увеличивается с возрастанием давления р₀ в приёмной ёмкости и уменьшается с увеличением давления р_вс, скорости

жидкости _вс и потерь напора h_п..вс во всасывающем трубопроводе. Если жидкость перекачивается из открытой ёмкости, то давление р₀ равно атмосферному р_а. Давление на входе в насос р_вс должно быть больше давления р_t насыщенного пара перекачиваемой жидкости при температуре всасывания (р_{вc >} р_t), т.к. в противном случае жидкость в насосе начнёт кипеть.

При этом в результате интенсивного выделения из жидкости паров и  растворенных в ней газов возможен разрыв потока и уменьшение высоты всасывания до нуля. Следовательно,

т.е. высота всасывания зависит  от атмосферного давления, скорости движения и плотности перекачиваемой жидкости, её температуры (и соответственно –  давления её паров) и гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода. При перекачивании из открытых резервуаров высота всасывания не может быть больше высоты столба перекачиваемой жидкости, соответствующего атмосферному давлению, величина которого зависит от высоты места установки насоса над уровнем моря.  При перекачивании горячих жидкостей насос устанавливают ниже уровня приёмной ёмкости, чтобы обеспечить некоторый подпор со стороны всасывания, или создают избыточное давление в приёмной ёмкости. Таким же образом перекачивают высоковязкие жидкости.

Практически высота всасывания насосов при перекачивании воды не превышает следующих значений:

Кавитация: основные понятия, причины возникновения и ее следствия

Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром и выделившимся из жидкости газом, называется кавитацией. Кавитация возникает в области  пониженного давления, где возникают  растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости - каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Захлопывание каверн вызывает местный гидравлический удар, который может привести к разрушению (эрозии) стенок каналов. Действительно, давление в пузырьках остается постоянным и равным давлению упругости насыщенного пара, в то время как давление жидкости по каналу рабочего колеса повышается при течении жидкости от входа к выходу. Попадая в область высокого давления, пузыри схлопываются под действием высокого давления. Это схлопывание сопровождается местным повышением давления в несколько тысяч атмосфер. Если оно происходит на поверхности лопаток или других элементах насоса, то с их поверхности выбиваются частицы материала, из которого они сделаны. Это явление называется эрозией. Этот процесс можно определить по потрескивающим звукам, которые усиливаются с увеличением кавитации.

Возникновение и развитие кавитации в жидкости связано с наличием так называемых ядер кавитации. В технических жидкостях всегда имеются ядра кавитации. Они являются теми слабыми точками, в которых нарушается сплошность жидкости, и возникают кавитационные явления. Наиболее вероятно, ядра кавитации представляют собой нерастворенные газовые включения, в том числе в порах и трещинах, а также микрочастицы, взвешенные в жидкости.

Если в жидкости присутствуют свободные или растворенные газовые  включения, то кавитация будет протекать более интенсивно, с большим шумом и вибрациями.

Кавитация приводит к  трем основным отрицательным последствиям:

1. К срыву подачи, напора, мощности и к.п.д.
2. К эрозионному износу элементов насоса: рабочего колеса, вала и т.д.
3. К звуковым явлениям: шуму, вибрации установки, а также к низкочастотным 
   автоколебаниям давления в трубопроводах.

В насосах кавитация  возникает при давлении перед  входом в насос существенно превышающем  давление парообразования при данной температуре жидкости. Это означает, что область минимального давления располагается внутри проточной части насоса. Падение давления внутри проточной части насоса (по сравнению с входным давлением Рвх) связано с обтеканием лопаток. При обтекании лопаток, как при обтекании любого тела, образуется область пониженного давления Рmin.

Как только давление станет ниже давления насыщенного пара, то образуется кавитация. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей  и при перекачивании горячих  жидкостей в условиях, когда происходит интенсивное парообразование в жидкости, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются. Жидкость стремительно заполняет полости, в которых находился сконденсировавшийся пар, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому разрушению насоса за счёт гидравлических ударов и усиления коррозии в период парообразования. При кавитации производительность и напор насоса резко снижаются.

Зависимость напора насоса от давления на входе при постоянном расходе и постоянной частоте  вращения называется кавитационной  характеристикой. Такие характеристики снимаются на специальных стендах.

Уменьшение давления перед насосом Рвх достигается вакуумированием воздушной подушки в резервуаре. Во время испытаний насоса при постоянном значении расхода Q и постоянных числах оборотов определяют значения давлений на входе, при которых появляются кавитационные явления.

По результатам испытаний строятся кавитационные характеристики.

При давлении на входе  равного Р_нач в насосе возникает кавитация, которая сказывается в появлении мелких пузырьков и шума от их схлопывания. Дальнейшее уменьшение давления от Рнач до Ркрит, несмотря на развитие кавитации (увеличивается количество и объем пузырьков), не приводит к изменению напора и к.п.д. насоса, но при этом могут усиливаться эрозионные и колебательные явления.

При давлении Ркрит, напор начинает снижаться (одновременно с напором снижается к.п.д. насоса). Это критический режим.

При давлении на входе  насоса равного Рсрв напор и расход резко падают. Это - срывной кавитационный режим.

На кавитационной характеристике насоса можно выделить несколько  областей:

а) режим начальной  кавитации (или скрытая кавитация) насоса, когда Ркрит < Рвх < Рнач,

б) критический режим Рсрв < Рвх < Ркр, при котором заметен излом напорной характеристики. При этом зона распространения кавитационных полостей в насосе невелика.

в) режим Pвх < Pсрв, при котором наблюдается срыв всех основных параметров насоса. При этом вся проточная часть насоса практически занята паровой или газовой каверной.

Для насосов длительного  использования, например, для отопления  или водоснабжения, важно избежать даже начальной стадии кавитации.

В этом случае, давление на входе Рв должно быть больше давления Р_нач. Это позволит избежать появления кавитационного шума и эрозионного износа элементов насоса.

Для того чтобы избежать кавитации можно предпринять  следующие шаги:

• повысить давление во всасывающем патрубке (опустить насос, или увеличить

давление в приемном резервуаре). Производительность от этого  не измениться.

• Использовать насосы, имеющими меньшие числа оборотов.
• Снизить расход жидкости через насос или температуру перекачиваемой жидкости,

что соответствует уменьшению давления пара.

1.4.Центробежные насосы

В центробежных насосах  всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием  центробежной силы, возникающей при  вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиралеобразном корпусе. В результате воздействия рабочего колеса жидкость выходит из него с более высоким давлением и большей скоростью, чем при входе. Выходная скорость преобразуется в корпусе насоса в давление перед выходом жидкости из насоса. Преобразование скоростного напора в пьезометрический частично осуществляется в спиральном отводе, а главным образом в коническом напорном патрубке и в направляющих каналах.