Pompy wyporowe. 1. Wg PN-90/M ( Podział pomp i innych przenośników cieczy).

Transkrypt

1 Pompy wyporowe 1. Wg PN-90/M ( Podział pomp i innych przenośników cieczy). 2. Podział pomp tłokowych. Pompy tłokowe dzielą się według sposobu działania na: - jednostronnie działające, - obustronnie działające, - różnicowej, wg liczby cylindrów na: - pojedynczo działające, - podwójnie działające - potrójnie działające, - poczwórnie działające; wg położenia osi cylindrów na: - leżące (poziome) - stojące (pionowe; wg konstrukcji tłoków na pompy z tłokami: - tarczowe - nurnikowe - zaworowe, - przeponowe. Rys c.d. podziału pomp wg PN-90/M Tłokowe jednostron. dzialania Tłokowe dwustron. działania Wyporowe Pompy o ruchu posuwistozwrotnym org. roboczego Pompy o ruchu obrotowozwrotnym org. roboczego Pompy o ruchu obrotowym org. roboczego Pompy o ruchu obiegowym org. roboczego Pionowe z tłokiem zaworowym Nurnikowe jednostron. działania Nurnikowe dwustron. działania Przeponowe Wielotłoczkowe Skrzydełkowe Łopatkowe Zębate Krzywkowe Wałeczkowe Śrubowe Ślimakowe Tarczowe Przewodowe Puszkowe 1

2 Pompa wyporowa - pompa, której działanie polega na przetłaczaniu dawki cieczy z przestrzeni ssawnej do tłocznej przez ruch organu roboczego (tłoka, nurnika, przepony). W pompie wyporowej praca organu roboczego zamieniana jest bezpośrednio na energię ciśnienia. Pompa (wyporowa) o ruchu posuwisto-zwrotnym organu roboczego - pompa, w której organ roboczy wykonując ruchy posuwisto-zwrotne powoduje na przemian powiększanie i zmniejszanie przestrzeni roboczej pompy, a przez to zasysanie i wytłaczanie cieczy. Pompa (wyporowa) tłokowa lub nurnikowa - pompa, w której organem roboczym jest tłok cylindryczny lub nurnik poruszający się w dopasowanym cylindrze. W każdej z wymienionych grup organ roboczy może mieć kształt tłoka tarczowego (rys, 10.1a) lub tłoka nurnikowego (rys. 10.1b), zwanego nurnikiem (stąd nazwa: pompy nurnikowe). Organami ruchomymi pionowych pomp tłokowych jednostronnego działania są tłoki zaworowe (rys, 10.1) oraz tłoki rurowe (rys. 10.2). Rys Pompy tłokowe jednostronnego działania: a) stojąca z tłokiem tarczowym, b) leżąca z tłokiem nurnikowym; 1 - tłok (nurnik), 2 - komora zaworowa, 3 - zawór ssawny, 4 - rurociąg dopływowy (ssawny), 5 - zawór tłoczny, 6 - rurociąg tłoczny 2

3 Rys Pompa tłokowa jednostronnego działania z tłokiem zaworowym; 1 - tłok zaworowy, 2 - zawór tłoczny, 3 - zawór ssawny, 4 - rurociąg dopływowy, 5 - rurociąg tłoczny Rys Pompa tłokowa jednostronnego działania z tłokiem rurowym; 1 - tłok rurowy, 2 - zawór tłoczny, 3 - zawór tłoczny, 4 - tłoczysko Zasada działania pomp tłokowych jednostronnego działania W pompach jednostronnego działania podnoszenie cieczy odbywa się w dwu etapach. Przy ruchu tłoka 1 w kierunku n zwiększa się objętość komory zaworowej 2, a występujący przy tym spadek ciśnienia powoduje otwarcie zaworu ssawnego 3 i zassanie cieczy z obszaru (zbiornika) dolnego przez rurę ssawną 4. W czasie ruchu ssania do cylindra wpływa ciecz o objętości: Ruch tłoka 1 w przeciwnym kierunku t powoduje zmniejszanie objętości komory 2, wzrost ciśnienia, zamknięcie zaworu ssawnego 3 i otwarcie zaworu tłocznego 5, przez który ciecz zostaje wyparta do rury tłocznej 6. 3

4 Zasada działania pomp dwustronnego działania Rys Pompa tłokowa dwustronnego działania (nurnikowa); 1 - nurnik, 2 - komory zaworowe, 3 - zawory ssawne, 4 - rurociąg dopływowy, 5 - zawory tłoczne, 6 - rurociąg tłoczny Dla pompy dwustronnego działania w czasie jednego obrotu korby objętość zassana, a następnie wytłaczana od strony tłoka bez tłoczyska wyniesie: zaś od strony tłoka z tłoczyskiem: gdzie: S = nd 2 t!4 - przekrój tłoczyska, d t - średnica tłoczyska. Całkowita objętość zassanej i wytłoczonej cieczy w czasie jednego obrotu korby: 4

5 Pompy różnicowe mają tłok lub nurnik 1 o dwu różnych średnicach d i d t Rys Pompa tłokowa różnicowa (nurnikowa); 1 - nurnik, 2 - komora zaworowa, 3 -zawór ssawny, 4 - rurociąg dopływowy (ssawny), 5 - zawór tłoczny, 6 - rurociąg tłoczny, 7 - króciec tłoczny. Podczas suwu w kierunku n do lewej komory 2 przez zawór ssawny 3 zostaje zassana objętość cieczy równa zaś z prawej strony zostaje wytłaczana do rury tłocznej 6 ciecz o objętości: Podczas suwu w kierunku t lewa część nurnika wytłacza przez zawór tłoczny 5 do rury tłocznej 6 objętość cieczy V, jednak część tej cieczy wypełnia przestrzeń z prawej strony nurnika o objętości: przez króciec 7 zostanie wytłoczona różnica obu objętości: Łączna objętość cieczy zassanej i wytłoczonej w czasie jednego obrotu korby wynosi: 5

6 Układ korbowy zamiany ruchu obrotowego na posuwisto-zwrotny Rys Schemat układu pompy jednostronnego działania z napędem korbowym. Układ korbowy zamiany ruchu obrotowego na posuwisto-zwrotny Tłok uzyskuje ruch posuwisto-zwrotny najczęściej dzięki mechanizmowi korbowemu, który wywiera zasadniczy wpływ na działanie pompy. Mechanizm korbowy (rys. 10.6) składa się z korby 1, korbowodu 2 i wodzika 3. Korba może być czołowa, może stanowić wykorbienie lub może mieć postać mimośrodu. Kierunek obrotu korby w pompach leżących powinien być taki, żeby siła działająca na gładź prowadnicy była skierowana ku dołowi. Rys Schemat mechanizmu korbowego 1 korba, 2 korbowód, 3 wodzik Rys Schemat mechanizmu korbowego o nieskończenie długim korbowodzie. 6

7 Kinematyka układu korbowego Na rysunku 10.9 przedstawiono układ korbowy o skończonej długości korbowodu Wprowadzając oznaczenia: s skok tłoka, r - ramię korby, 1 - długość łącznika (korbowodu), λ - stosunek długości ramienia korby do długości łącznika, ω - prędkość kątowa korby, u - prędkość liniowa czopa korby, m/sek, α - kąt obrotu korby, β - kąt zawarty między osią łącznika a osią cylindra, x - droga tłoka, m, c - prędkość tłoka; m/sek, a - przyspieszenie chwilowe tłoka, m/sek, n - ilość obrotów na minutę. Długość drogi tłoka odpowiadająca obrotowi korby o kąt α wynosi: Znak (+) odnosi się do ruchu tłoka w przód (ku korbie) znak ( -) do ruchu w tył. Ponieważ to a droga tłoka po rozwinięciu w szereg wyrażenia podpierwiastkowego i wstawieniu do równania, otrzymamy Dla powszechnie przyjętej wartości λ = 1/5, czwarty wyraz i dalsze jako bardzo małe można pominąć dla ułamek Wtedy wzór na drogę tłoka przybiera postać: 7

8 Największy błąd wynikający z zatrzymania tylko trzech pierwszych wyrazów szeregu otrzymuje się przy kącie α = 90. W tablicy podano błędy obliczeń w zależności od smukłości korbowodu tj. λ. Błędy przy obliczaniu drogi tłoka: Prędkość tłoka Prędkość tłoka otrzyma się różniczkując drogę tłoka względem czasu. lub po przekształceniu: Z uproszczonego równania (dla powszechnie stosowanych długości korbowodów) otrzymać można przybliżony wzór na prędkość chwilową tłoka: 8

9 Stosując przy obliczaniu chwilowej prędkości tłoka uproszczony wzór popełnia się błąd, który ma największą wartość przy kącie α = 60 i α = 120. Błędy te podane są nw. tablicy. Błędy przy obliczaniu chwilowej prędkości tłoka Rys Prędkość tłoka w funkcji obrotu korby c=f(α). Prędkość osiąga największa wartość gdy oś łącznika jest styczna do obwodu koła, wówczas prędkość ta wynosi: 9

10 Przyspieszenie tłoka Przyspieszenie tłoka otrzyma się przez różniczkowanie prędkości tłoka względem czasu. Przybliżony wzór na chwilowe przyspieszenie tłoka (dla powszechnie stosowanych długości korbowodów): Rys Przyśpieszenie tłoka w funkcji obrotu korby a=f(α). 10

11 Zależność prędkości i przyspieszenia tłoka dla korbowodów nieskończenie długich λ = 0 Rys Wykres prędkości tłoka c zależności od kąta korby α. Rys Wykres przyspieszenia tłoka a w zależności od kąta korby α. Obrazem geometrycznym funkcji c = f(α) dla jest zniekształcona sinusoida, zaś obrazem funkcji c = f(x) jest zniekształcona elipsa. Obrazem geometrycznym funkcji c = f(α) dla λ = h jest sinusoida, zaś obrazem funkcji c = f(x) jest elipsa, bowiem: i ostatecznie 11

12 Rys Wykres prędkości tłoka w zależności od jego drogi, c = f (x). Rys Wykres przyśpieszenia tłoka w zależności od jego drogi, a = f(x). Rys Konstrukcja krzywej przedstawiającej zależność prędkości c od kata α. 12

13 Rys Konstrukcja krzywej przyspieszenia tłoka a w zależności od jego drogi x. Rys Wykres chwilowej prędkości tłoka c w zależności od jego drogi x, gdy λ = 0. Rys Wykres chwilowego przyspieszenia tłoka a w zależności od drogi x, gdy λ = 0. 13

14 Wydajność pompy tłokowej Teoretyczna wydajność pomp tłokowych Pompy jednostronnie działające. Przy skoku ssania tłok pompy jednostronnie działającej o polu A (m 2 ), poruszający się ze zmienną prędkością c (m/s), zasysa w czasie dt ciecz o objętości dq th (m 3 ): dq th A c dt a podczas całego skoku o długości s = 2r (m), który trwa t (s) Q Ac dt th 0 Jeżeli długość łącznika l = h, c = V sin α, to t Ponieważ Q th Q th t 0 AV sin dt, a czas t odpowiada obrotowi korby o kąt π, zatem d A r sin Ar cos 0 2 Ar 0 dt d A s Taka sama objętość zostanie wytłoczona podczas skoku tłoczenia. W ciągu minuty liczba obrotów wału korbowego wynosi n, zatem teoretyczną wydajność pompy jednostronnie działajacej oraz pompy różnicowej oblicza się ze wzoru: gdzie: z - liczba cylindrów, n - prędkość obrotowa korby lub liczba cykli roboczych w obr/min, A - przekrój tłoka w m 2, s - skok tłoka w m. Pompa dwustronnego działania w czasie jednego cyklu roboczego wypiera objętości cieczy określone wzorami: Łącznie w czasie jednego cyklu: 14

15 Rys Wydajność chwilowa pompy jednostronnego działania w funkcji kąta obrotu korby Q th =f(α). Rys Wydajność chwilowa pompy dwustronnego działania w funkcji kąta obrotu korby Q th =f(α). W celu zmniejszenia nierównomierności w podawaniu cieczy i uzyskania bardziej równomiernego rozkładu momentów łączy się dwie, trzy i więcej pomp jednostronnie działających, umieszczając je obok siebie i stosując odpowiednio wykorbiony wał. Rys Chwilowa i teoretyczna wydajność dla pompy dwucylindrowej bliźniaczej dwustronnego działania z korbami przestawionymi o 90. Rys Chwilowa i teoretycznej wydajność dla pompy trzy cylindrowej jednostronnego działania z korbami przestawionymi o 120. Miarą nierównomierności mogą być każdorazowe stosunki Q th /Q max lub Q th /Q min, które można łatwo obliczyć dla poszczególnego typu pompy. 15

16 Wydajność wewnętrzna pompy tłokowej Wydajnością wewnętrzną (indykowaną) pompy tłokowej Q i nazywamy natężenie przepływu proporcjonalne do wykresu indykatorowego (rys , rys ). Rys Wykres indykatorowy przybliżony pompy tłokowej. Rys Wykres indykatorowy rzeczywisty pompy tłokowej (Weber). Wydajność wewnętrzna Q i jest mniejsza od teoretycznej wydajności pompy Q th, gdyż: - niewłaściwa (zła konstrukcyjnie) budowa pompy powoduje gromadzenie się powietrza w kadłubie, które nie pozwala na pełne wykorzystanie objętości skokowej, - ściśliwość cieczy oraz sprężystość ścianek kadłuba pompy powoduje również zmniejszenie wydajności, - zawory samoczynne otwierają i zamykają się z pewnym opóźnieniem, - pompowana ciecz może zawierać gazy (więc będzie ściśliwa), - może występować nieszczelność tłoków. Oznaczając sumę tych strat przez Q' s otrzymamy: stosunek: nazywamy współczynnikiem napełnienia Straty wydajności Q s nie wpływają zasadniczo na zwiększenie mocy napędu pompy, więc współczynnik λ n nie powinien być brany pod uwagę przy określaniu całkowitej sprawności pompy tłokowej. 16

17 Wydajność rzeczywista pompy tłokowej Wydajność rzeczywista pompy Q r jest równa objętości cieczy wytłaczanej przez pompę w jednostce czasu do rury tłocznej. Wydajność ta jest mniejsza od wydajności wewnętrznej Q i, gdyż: - nieszczelność dławnic powoduje wyciekanie cieczy na zewnątrz, - nieszczelność zaworów ssawnych powoduje podczas suwu tłoczenia przenikanie cieczy z powrotem do rury ssawnej, zaś nieszczelność zaworów tłocznych przenikanie cieczy z rury tłocznej do kadłuba pompy w czasie suwu ssania, - nieszczelność wokół tłoka powoduje przedostawanie się cieczy na stronę o niższym ciśnieniu. Oznaczając te straty przez Q s otrzymamy: Q r Q Straty wydajności Q s powodują również stratę mocy napędzającej pompę. i Q Stosunek rzeczywistej wydajności Q r do wydajności wewnętrznej Q i nazywamy współczynnikiem sprawności objętościowej lub krótko sprawnością objętościową (wolumetryczną) pompy V Q Q r i s W literaturze technicznej spotyka się często określenie sprawności objętościowej, która uwzględnia wszystkie straty objętościowe. V Q Q Stosowanie sprawności objętościowej określonej w/w wzorem ułatwia obliczanie pomp tłokowych, zaś błąd przy tym popełniany jest niewielki. r th Współczynnik sprawności objętościowej η v jest określany doświadczalnie. Zależy on od konstrukcji oraz od stanu pompy. Wartości współczynnika η v wynoszą dla wody i dla poszczególnych rodzajów pomp: - bezkorbowych pomp parowych 0,96-0,99, - wielkich pomp wodociągowych i odwadniających przy średnicy tłoka d > 150 mm 0,94-0,99, - średnich pomp (d = mm) 0,90-0,97, - małych pomp (d < 50 mm) 0,85-0,90. 17