НАГНЕТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Нагнетателями называются машины, служащие для перемещения жидкости и газов и повышения их потенциальной и кинетической энергии.
Известно, что большинство современных технологических процессов связано с перемещением потоков жидких и газообразных сред, и поэтому нагнетатели имеют очень широкое применение во всех отраслях промышленности, сельском и коммунальном хозяйствах.
В зависимости от вида перемещаемого рабочего тела нагнетательные машины подразделяются на две большие группы: насосы — машины, подающие жидкости; вентиляторы и компрессоры — машины, подающие воздух и технические газы.
Нагнетатели. Краткий обзор истории развития нагнетателей. Основные типы и классификация нагнетателей. Рабочие параметры нагнетателей , страница 2
О. Рейнольде (Англия), знаменитый исследователь режимов течения жидкостей, в конструкцию многоступенчатого насоса ввел направляющие аппараты и в 1875 г. получил патент на конструкцию насоса, аналогичную современным насосам со ступенями давления.
Распространению динамических центробежных насосов длительное время препятствовало отсутствие высокооборотных двигателей. Лишь в 1889 г. насосостроительная промышленность получила высокооборотный дешевый электродвигатель трехфазного переменного тока, разработанный в Петербурге инженером В. О. Доливо-Добровольским.
В России инженер А. А. Саблуков, построил в 1832 г. центробежный вентилятор, успешно примененный для вентиляции заводских помещений.
Изобретение поршневого воздушного насоса принадлежит I физику О. Герике (Германия, 1640 г.), доказавшему с помощью построенной им машины существование давления атмосферы. Во второй половине XVIII в. Вилькинсон (Англия) создал двухцилиндровый поршневой компрессор и Дж. Уатт изготовил поршневую воздуходувку с паровым приводом. Многоступенчатый поршневой компрессор с охладителями между ступенями сжатия предложен в 1849 г. Ратеном (Германия).
В конце XIX в. и начале XX в. возникло производство центробежных и позднее осевых компрессоров на заводах Парсонса (Англия) и Рато (Франция).
Развитию производства нагнетателей сопутствовала разработка основ их теории. Основное уравнение теории гидравлических турбин, перенесенное ныне и в область динамических нагнетателей, приведено в классической работе академика Л.Эйлера «Более полная теория машин, приводимых в действие силою воды», опубликованной во второй половине XVIII в. Теория Эйлера не потеряла своего значения и до настоящего времени.
Выдающиеся работы О. Рейнольдса (Англия), Л. Прандтля (Германия) и научные труды Н. Е. Жуковского (Россия), относящиеся к концу XIX в. и началу XX в. привели к созданию современной научной основы построения нагнетателей.
Развитию теории и практики компрессоро– и насосостроения способствовали классические труды К. Пфлейдерера «Лопаточные машины для жидкостей и газов», А. А. Ломакина «Центробежные и пропеллерные насосы», И. А. Степанова «Центробежные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы», Карассика и Картера «Центробежные, насосы».
В последние десятилетия развитие науки о компрессорах и насосах направлено в основном на совершенствование проточной части машин, уточнение методов расчета, создание базы данных унифицированных элементов и на их основе систем автоматического проектирования.
4.2. Основные типы и классификация нагнетателей по различным признакам и назначению
Нагнетатели – машины, служащие для перемещения жидкостей или газов и повышения их потенциальной и кинетической энергии. Различают две группы: насосы и компрессоры.
Нагнетатели можно классифицировать по
– роду перемещаемой среды.
В пределах каждой названной классификационной группы нагнетатели могут подразделяться по вторичным признакам.
Насосы (ГОСТ 17398-72) подразделяют на две основные группы: насосы динамические и насосы объемные.
Такое подразделение принято для всего класса машин – нагнетателей, независимо от рода перемещаемой ими среды (рабочего тела).
Динамические нагнетатели – повышают энергию жидкости или газа путем использования работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.
Объемные нагнетатели – повышают энергию рабочего тела силовым воздействием твердых рабочих органов, например, поршней в поршневых машинах, в рабочем пространстве цилиндра, который периодически соединяется с входом и выходом нагнетателя.
На рис. 4.1 приведена схема возможной классификации нагнетателей. Откуда следует, что нагнетатели можно разделить по типу перерабатываемого рабочего тела: для жидкостей и для газов.
НАГНЕТАТЕЛИ
Нагнетатели — это машины для создания потока жидкости и газа. Без нагнетателей самого разного типа и назначения невозможна работа ни одного объекта промтеплотехники и теплоэнергетики. Воздух для сжигания топлива подается в топку печи или котла вентилятором. Пылеугольное топливо подается в горелку мельничным вентилятором. Мазут подается к форсунке насосом. Газ к горелке поступает под действием давления, которое создается газовым компрессором или газодувкой. Продукты сгорания удаляются из котла или промышленной печи дымососом. Паровые котлы ТЭС, ТЭЦ районных котельных обслуживаются насосами: сырой водой, питательным, рециркуляционным, конденсатным, подпиточным, сетевой воды. Все движение горячей воды в системах теплоснабжения также обеспечивается насосами. Насосы используются в системах смазки, регулирования и других вспомогательных и обслуживающих системах (золоудаление, очистка дымовых газов и т. д.). Насосы — это нагнетатели для перемещения капельных жидкостей. Нагнетатели для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого давления разделяют на вентиляторы газодувки и компрессоры. Вентиляторы — машины, создающие степень повышения давления 8 = рк/рн _ абсолютное давление на входе, рк — давление на выходе из машины). Газодувки — машины, работающие при 1,15 3,0 и имеющие искусственное охлаждение полостей машины, а также межступенчатое охлаждение сжатого газа.
Классификация нагнетателей
По энергетическому и конструктивному признакам нагнетатели разделяют на классы: лопастные, объемные, струйные, пневматические.
Лопастные нагнетатели — это машины, в которых основным элементом является лопасть. К этому классу относятся:
- • центробежные (насосы, вентиляторы, компрессоры), наиболее распространены в технике. Они компактны, дают высокую производительность, развивают высокое давление и обеспечивают непрерывную подачу жидкости (газа). Жидкость засасывается через всасывающий патрубок (рис. 9.1), поворачивает на 90°, попадает в рабочее колесо, вращаемое каким- либо двигателем, подхватывается рабочими лопастями, центробежными силами отбрасывается в спиральный кожух и через напорный патрубок подается в сеть (потребителю);
- • осевые нагнетатели развивают высокую производительность при низком напоре. Жидкость или газ не изменяют направление. Лопасти специальной конструкции пропеллерного типа крепятся к втулке под
Рис. 9.1. Схема устройства центробежного нагнетателя:
1 — лопасти; 2 — кожух; 3 — всасывающий патрубок; 4 — напорный патрубок
Рис. 9.2. Схема осевого нагнетателя: 1 — лопасти; 2 — втулка
Рис. 9.3. Конструктивная схема поршневого нагнетателя
Рис. 9.4. Конструктивная схема роторного компрессора:
1 — корпус; 2 — ротор; 3 — пластины; 4 — всасывающий патрубок; 5 — подающий патрубок
некоторым углом (рис. 9.2), захватывают жидкость, сообщают ей энергию и подают в напорный патрубок. Подача жидкости (газа) происходит непрерывно. Осевые нагнетатели широко распространены в теплотехнике, особенно многоступенчатые компрессоры и насосы.
Объемные нагнетатели — это машины, работа которых состоит из всасывания жидкости (газа) и вытеснения ее твердыми элементами (поршнями, пластинами, зубьями). К ним относятся: поршневые, роторные, шестеренчатые и др. Принцип действия некоторых из них:
- • поршневой нагнетатель имеет корпус (цилиндр), в котором перемещается поршень, совершающий возвратно-поступательное движение (рис. 9.3). Через всасывающий клапан жидкость (газ) поступает при движении поршня назад, через нагнетающий (напорный) клапан — в сеть. Клапаны работают поочередно и открываются автоматически. Недостатком поршневых машин является периодичность подачи вследствие цикличности работы (всасывание — нагнетание). Для получения постоянной подачи используют многоцилиндровые нагнетатели, цилиндры которых работают со сдвигом по фазе. В поршневых компрессорных установках для обеспечения постоянства подачи используют также ресиверы (промежуточные емкости), в которых происходит выравнивание давления газа перед подачей в сеть;
- • роторный пластинчатый насос имеет массивный ротор (рис. 9.4), расположенный эксцентрично по отношению к статору (корпусу). В прорези ротора вставлены пластины, отжимаемые к периферии центробежными силами. Жидкость всасывается через входной патрубок, перемещается пластинами и вытесняется в напорный патрубок.
Струйные нагнетатели, эрлифты, гидравлические тараны, пневматические подъемники не имеют привода и каких- либо движущихся частей:
- • в струйном нагнетателе, например, поток рабочей жидкости с большей кинетической энергией выходит из сопла (рис. 9.5), создает разрежение, всасывает жидкость из нижнего резервуара, переходит в расширяющий патрубок и подает жидкость на высоту Н. Разновидностью струйных нагнетателей являются эжекторы и инжекторы;
- • подъемники типа «эрлифт» или «газлифт» применяют, например, для подъема жидкости с большой глубины (вода, нефть). В обсадную трубу (рис. 9.6) помещена подъемная труба, в нижний конец которой подводится воздух из компрессора; смешиваясь с водой, воздух образует смесь с меньшей плотностью, чем жидкость. За счет разности плотностей (рсм — рж) возникает сила, поднимающая жидкость на высоту Н; над подъемной трубой располагается отбойник, отделяющий воздух от жидкости сливающейся в резервуар, из которого откачивается потребителю;
Рис. 9.5. Схема насоса струйного типа:
1 — сопла; 2 — камера; 3 — нижний уровень; 4 — расширяющий патрубок; 5 — верхний уровень
Рис. 9.6. Схема эрлифта:
1 — обсадная труба; 2 — подъемная труба; 3 — конус-отбойник; 4 — камера; К — компрессор
• работа водоподъемного устройства гидравлический таран основана на принципе гидравлического удара (рис. 9.7). В период запуска вручную открывают клапан 4, через который из резервуара 7 по трубе 6 создается поток воды расходом Q. Быстрое закрытие клапана 4 вызывает гидравлический удар,
т. е. повышение давления до величины р, при которой открывается клапан 5, через который часть воды с расходом q 3 /с; р — давление, кг/м 3 Объемную подачу принято исчислять при условиях всасывания (Т„, рн,
• Полное давление, развиваемое нагнетателем согласно уравнению Д. Бернулли:
где рн и рк — статические давления на входе в нагнетатель (начальное) и на выходе из нагнетателя (конечное), Па; си и ск — средние скорости среды, подаваемой насосом, на входе и выходе, м/с. Второе слагаемое представляет собой разность динамических давлений; ZH и ZK — высота расположения центров входного и выходного отверстия нагнетателя, м. Третье слагаемое является разностью геометрических давлений. Давление р представляет собой удельную энергию, передаваемую нагнетателем жидкости (газа) на 1 м 3 :
т.е. энергию, отнесенную к единице объема.
• Напор Н, создаваемый нагнетателем,
где р — полное давление; Н — полный напор, м.
Рис. 9.9. Полный напор, развиваемый насосом
Напор фактически представляет высоту столба той жидкости, к потоку которого он относится (рис. 9.9):
Если пренебречь разницей динамического напора, которая часто бывает несущественна, полный напор можно представить только статическою частью
• Удельная полезная работа
Для оценки удельной работы компрессоров учитывают термодинамику процесса.
• Полезная мощность нагнетателя — это работа, сообщаемая машиной в секунду подаваемой среде:
Поскольку р = pgH, то через напор мощность рассчитывается по формуле
из которой может быть получена единица измерения мощности:
Мощность, подводимая от двигателя на вал насоса N > Nn. Отношение
называется КПД нагнетателя. N3 > N > Nn — мощность, подводимая к электродвигателю. Отношение