9430
.pdf20
двигателей из-за сложности привода через кривошипно-шатунный механизм; сложность регулирования подачи.
|
Зубчатый |
(шестеренчатый) |
|
|
насос (рис. 1.11) состоит из двух |
||
|
шестерен, расположенных в корпусе. |
||
|
Одна из шестерен приводится в дви- |
||
|
жение расположенным на одной оси |
||
|
электродвигателем, а вторая получа- |
||
|
ет вращение от первой благодаря за- |
||
|
цеплению зубьев. При работе жид- |
||
|
кость захватывается зубьями колес, |
||
|
отжимается к стенкам корпуса и пе- |
||
Рис. 1.11. Схема зубчатого насоса: 1 − |
ремещается со стороны всасывания |
||
на сторону нагнетания. Переток |
|||
корпус; 2 − шестерня |
|||
|
|
жидкости в обратном направлении практически отсутствует из-за плотного сцепления зубьев.
Число зубьев в пределе может быть уменьшено до двух, при этом вра- щающиеся элементы будут иметь очертания, напоминающие восьмерку (рис. 1.12). В таком нагнетателе необходимо обеспечить привод от двигателя обеих «восьмерок», так как в отличие от зубчатых насосов они не имеют зацепления.
К достоинствам нагнетателей данного вида следует отнести компактность, простоту конструкции, отсутствие клапанов, возможность использования для привода электродвигателей, независимость подачи от противодавления сети, реверсивность, возможность получения высоких давлений (5 МПа для шесте- ренного насоса, 0,5 МПа для насоса «восьмерочного» типа). Основные недос- татки состоят в быстром износе рабочих органов, невысокой подаче и сравни- тельно низком кпд (до 75%).
Пластинчатый нагнетатель (рис. 1.13) состоит из цилиндрического кор- пуса, в котором эксцентрично расположен массивный ротор с радиальными продольными пазами, где свободно размещены пластины, выполненные из ма-
21
териала, хорошо сопротивляющегося истиранию. При вращении ротора пла- стины под действием центробежных сил выходят из пазов, прижимаются к внутренней поверхности корпуса, захватывают на стороне всасывания жид- кость и перемещают ее к нагнетательному трубопроводу, т. е. пластины как бы выполняют роль поршня.
Рис. 1.12. Схема нагнетателя восьмероч- |
Рис. 1.13. Схема пластинчатого нагне- |
ного типа: 1 − корпус; 2 − рабочее коле- |
тателя: 1 − корпус; 2 − ротор; 3 − пла- |
со |
стины |
К достоинствам нагнетателя относятся высокая равномерность подачи; возможность непосредственного соединения с электродвигателем; отсутствие клапанов; реверсивность; независимость подачи от противодавления сети. К недостаткам следует отнести повышенную чувствительность к качеству пере- мещаемой жидкости (наличию в ней механических примесей), быстрый износ кромок пластин, довольно низкий кпд (до 50%) из-за перетекания жидкости через зазоры между кромками пластин и стенками корпуса.
В струйных нагнетателях смешение двух жидких или газообразных сред происходит под воздействием давления, создаваемого другими нагнетателями (насосами или вентиляторами). Движение перемещаемой жидкости обеспечи- вается струей рабочей жидкости.
Известны две конструктивные схемы струйных аппаратов. В аппаратах, выпол- ненных по первой схеме (рис. 1.14), подмешиваемый поток поступает под уг- лом 90° к оси аппарата. Вследствие больших потерь на удар при смешивании потоков статический кпд этих аппаратов очень низок и не превышает 10%. В
22
аппаратах, выполненных по второй схеме (рис. 1.15), подмешиваемый поток подводится вдоль оси аппарата. При этом, их полный кпд может быть доведен до 43,5 %.
Рис. 1.14. Схема водоструйного нагне- |
Рис. 1.15. |
Схема эжектора: |
тателя: 1 − сопло; 2 − камера смешения; |
1− сопло; 2 − камера смешения; |
|
3 − диффузор |
3 |
− диффузор |
Любой струйный аппарат состоит из сопла, через который в него подается рабочая жидкость (вода, газ, пар, воздух), камеры смешения, где смешиваются рабочая и подсасываемая жидкости, и диффузора, в котором осуществляется преобразование кинетической энергии в потенциальную. Работает струйный аппарат следующим образом. Рабочая жидкость выходит из сопла с большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии. Ак-
тивная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей энергии. Образовавшийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В камере смешения в результате обмена импульсами происходит вы- равнивание поля скоростей потока, и за счет высвобождающейся кинетической энергии растет его статическое давление. Затем поток поступает в диффузор, где вследствие уменьшения скорости и, следовательно, динамического давле- ния потока происходит увеличение статического давления.
Кдостоинствам струйных аппаратов следует отнести простоту конструкции
иотсутствие подвижных элементов; к недостаткам − низкий кпд.
1.2.2. Области применения различных нагнетателей
Нагнетатели различных типов находят широкое применение в системах тепло-, газо- и водоснабжения, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха гражданских, общественных и промышленных зданий, в различных
23
теплоэнергетических установках, в химической, строительной, машинострои- тельной и других отраслях народного хозяйства.
Наибольшее применение получили радиальные (центробежные) нагнета- тели общего и специального назначения. Используемые в качестве насосов, они создают практически любой требуемый напор и любую подачу жидкости. При использовании в качестве вентиляторов можно добиться любой производи- тельности при заданном развиваемом давлении. В системах теплоснабжения центробежные насосы применяют для подачи сетевой воды. В теплоэнергети- ческих установках центробежные насосы применяют для питания котлоагрега- тов и для подачи циркуляционной воды в конденсаторы турбин.
Большинство приточно-вытяжных установок и систем кондиционирова- ния воздуха гражданских, общественных, промышленных сельскохозяйствен- ных зданий оснащено радиальными вентиляторами низкого и среднего давле- ния. Радиальные вентиляторы являются неотъемлемой частью котлоагрегатов тепловых электрических станций и крупных котельных. Для отсасывания ды- мовых газов из топок котельных агрегатов применяют дымососы. Для подачи воздуха в топки котлоагрегатов предназначены дутьевые вентиляторы. При сжигании в топках котлоагрегатов неагрессивной угольной пыли ее пневма- тическая транспортировка осуществляется мельничными вентиляторами.
Радиальные вентиляторы среднего и высокого давления широко применя- ются в системах пневмотранспорта деревообрабатывающих, металлургических, машиностроительных и других предприятий.
Специфические особенности технологического процесса ряда производств обусловили появление радиальных вентиляторов, выполненных из нержавею- щей стали, из алюминиевых сплавов с повышенной защитой от искрообразова- ния, из титановых сплавов, пластмассы.
Осевые нагнетатели широко применяются как в качестве вентиляторов, так и в качестве насосов. Осевые вентиляторы используются: в системах при- точно-вытяжной вентиляции всех видов зданий; в установках местного про- ветривания для вентиляции отдельных выработок, стволов и участков шахтной
24
вентиляционной сети; для проветривания станций и перегонных тоннелей мет- рополитена; в вентиляторных градирнях тепловых электростанций и др. Осе- вые циркуляционные насосы широко применяются в системах отопления, в системах теплоснабжения и в котельных установках.
Прямоточные радиальные вентиляторы используют в установках с огра- ниченными размерами. Представляется, что такие вентиляторы могут найти применение в кондиционерах (исходя из их компоновочных возможностей и организации потоков).
Смерчевые вентиляторы целесообразно применять для перемещения сре- ды, которую нельзя подвергать механическому повреждению, а также для пневматического транспортирования материалов, вызывающих большой износ лопаток и дисков рабочих колес.
Дисковые вентиляторы могут устанавливаться в местных кондиционерах для вентиляции помещений, где недопустим шум, и в других специальных ус- тановках. Разрабатываются конструкции дисковых насосов, обладающих высо- кими антикавитационными качествами.
Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания боль- шого напора при малой подаче. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов. Вихревые машины при перемещении воздуха используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они нахо- дят применение в системах перекачки сжиженного газа.
Диаметральные вентиляторы благодаря их конструктивным особенностям начинают широко использоваться в системах вентиляции и кондиционирования воздуха кабин самоходных сельскохозяйственных машин, в бытовых установ- ках.
Поршневые насосы применяются для питания паровых котлоагрегатов ма- лой паропроизводительности и в качестве дозаторов реагентов для поддержа- ния требуемого качества питательной и котловой воды крупных котлоагрега- тов. На тепловых электростанциях поршневые компрессоры служат для обдува
25
поверхностей нагрева котельных агрегатов с целью их очистки от летучих золы и сажи. В машиностроении поршневые компрессоры используются для снаб- жения сжатым воздухом пневматического инструмента.
Роторные нагнетатели применяются на электростанциях в системах смаз- ки и регулирования турбин (шестеренные насосы), иногда используются в ка- честве компрессоров.
Струйные нагнетатели получили широкое применение во многих отраслях народного хозяйства: в промышленной теплоэнергетике; в теплофикационных установках − в качестве элеваторов на вводах теплосети в здания; в системах вентиляции цехов химических предприятий, взрыво- и пожароопасных поме-
щений − в качестве эжекторов в вытяжных установках; в холодильных уста-
новках; для питания паровых котлов в передвижных паросиловых установках − в качестве инжекторов; в установках пневмо- и гидротранспорта, водоснабже- ния и во многих других отраслях народного хозяйства.
Центробежные компрессоры используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Сжатый воздух как энергоноситель применяется в раз- личных пневматических устройствах на машиностроительных и металлообра- батывающих заводах, в горно-добывающей и нефтяной промышленностях, при производстве строительных и ремонтных работ. Компрессоры необходимы в газовой промышленности при добыче, транспортировке и использовании при- родных и искусственных газов. В установках умеренного и глубокого холода, а также в газотурбинных установках компрессоры являются органической ча- стью, в значительной степени определяющей экономичность агрегатов.
26
Контрольные вопросы по главе 1
1.Зависимости физических параметров воздуха, получаемых при анализе уравнения Клапейрона.
2.Физический смысл коэффициентов динамической и кинематической вязкости жидкости.
3.Основные виды гидравлических машин для перемещения воздуха и принципы их действия.
4.Основные виды гидравлических машин для перемещения капельной жидкости и принципы их работы.
5.Области применения различных нагнетателей.
27
ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИН
2.1.Некоторые сведения из гидроаэродинамики
Косновным закономерностям гидроаэродинамики, широко используемым при расчете, анализе работы, наладки и испытаниях гидравлических машин различного назначения, а также присоединенных к ним сетей трубопроводов, относятся уравнение неразрывности (сплошности) потока и уравнение Д. Бер- нулли.
Уравнение неразрывности. Рассмотрим струю жидкости, ограниченную непроницаемыми для нее стенками (рис. 2.1). Масса жидкости, поступающей
через сечение I, равна m1, а вытекающей через сечение II − m2 .
Исходя из условия посто- янства количества материи, следует, что при установив- шемся движении m1 = m2 = m
= const.
При замене массы произ- |
|
|
|
|
|
ведением объема на массовую |
|
|
|
|
|
плотность получим, что в се- |
|
|
|
|
|
чении I m1 = ρ1F1v1, а в сече- |
Рис. 2.1. К выводу уравнения неразрывности |
||||
нии II |
m2 = ρ2 F2v2 , |
|
|
|
|
где F1 |
и F − площади, v1 и v2 |
− средние скорости, а ρ1 |
и ρ |
2 |
− массовые |
|
2 |
|
|
|
|
плотности в первом и втором сечениях соответственно. Таким образом, |
|||||
|
m = ρ1F1v1= ρ2 F2v2 = const. |
|
|
(2.1) |
|
Учитывая, что ρ = γ/g и mg = G, из выражения (2.1) определим массовый |
|||||
расход G, кг/с: |
|
|
|
|
|
|
γ 1F1v1=γ 2 F2v2 = G = const. |
|
|
(2.2) |
28
При несжимаемой жидкости γ 1 = γ 2 ( ρ1 = ρ2 ) выражение (2.2) прими-
нает вид: |
|
F1v1= F2v2 =L |
(2.3) |
для определения расхода жидкости L, м3 / с. |
|
При постоянном расходе жидкости L = const: |
|
F1 F2 = v2 v1 , |
(2.4) |
т.е. скорость движения жидкости обратно пропорциональна поперечному сече- нию струи (или потока).
Уравнение Д. Бернулли. Это уравнение основано на применении к ограни- ченному стенками потоку закона сохранения энергии.
Полная энергия движущегося потока определяется выражением:
E = Eк + Eп , |
(2.5) |
где Eк и Eп - соответственно кинетическая и потенциальная энергии, кг×м.
Энергия, отнесенная к единице объема, характеризуется давлением:
p = E L . |
(2.6) |
Кинетическая энергия, отнесенная к единице объема, носит название ди- намического (скоростного) давления:
pд = |
Eк |
= |
v |
2 |
g = |
rv |
2 |
, |
(2.7) |
L |
2g |
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
где g - удельный вес, кг/м3 ;
v - массовая средняя скорость, м/с; r - плотность, кг с2 м4 .
Потенциальная энергия, отнесенная к единице объема, соответствует вели- чине:
Eп L = pст + γ × z , |
(2.8) |
где pст - статическое давление т. е. давление, которое испытывают стенки, ог-
раничивающие поток жидкости, кг/м2 , Па;
z×g - давление, соответствующее геометрической высоте подъема жидкости над
29
плоскостью отсчета, кг/м2 , Па.
Таким образом, полное давление в сечении потока в общем случае равно:
p = рд + pст + zγ . |
(2.9) |
Рассматривая в потоке сечения I и II (рис. 2.1) и предполагая, что движе- ние жидкости происходит без потерь, на основании закона сохранения энергии можно написать:
p = |
v12 |
γ |
|
+ p |
|
+ z γ |
= |
v22 |
γ |
|
+ p |
|
+ z |
|
γ |
|
= const . (2.10) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
2g |
1 |
|
ст.1 |
1 1 |
|
2g |
2 |
|
ст.2 |
|
2 |
|
2 |
|
Зависимость (2.10) является уравнением Д. Бернулли для идеальной (не- вязкой) жидкости.
Если на пути движения жидкости от сечения I до сечения II происходят потери давления, на преодоление которых теряет часть полного давления p ,
выражение (2.10) принимает вид:
|
v2 |
|
|
|
|
|
|
v |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p = |
1 |
γ |
1 |
+ p |
ст.1 |
+ z γ |
= |
|
2 |
γ |
2 |
+ p |
ст.2 |
+ z |
2 |
γ |
2 |
+ p , |
|
2g |
2g |
||||||||||||||||||
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
т. е. полное давление в сечении II меньше, чем в сечении I на величину Поделив все члены выражения (2.11) на удельный вес жидкости
сжимаемых жидкостей величина постоянная), получим:
(2.11)
p . (для не-
v12 |
+ |
pст.1 |
+ z1 |
= |
v |
22 |
+ |
pст.2 |
+ z2 + |
p |
. |
(2.12) |
|
2g |
γ |
2g |
γ |
γ |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Члены этого уравнения выражены в линейных единицах (м) и носят на-
звания напоров: v2 2g − динамический; pγ − статический; z − пьезометриче-
ский, м.
На рисунке 2.2 изображена эпюра распределения напоров в трубопроводе для капельной жидкости. Линия 0−0 характеризует нивелирную высоту, от ко- торой ведутся отсчет напоров.
Применяя уравнение Д. Бернулли к потоку воздуха в трубопроводе, окру- женном воздухом того же удельного веса, отбрасывая пьезометрическое давле- ние и пренебрегая сжимаемостью воздуха, получим для сечений I и II: