WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Ciepłownictwa. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Ciepłownictwa Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat: Demontaż i montaż pompy typu S. Instalacja pompy w układzie hydraulicznym. Regulacja pompy. Ćwiczenie nr 3 Laboratorium z przedmiotu: Urządzenia mechaniczne w Inżynierii Środowiska Opracowali: dr inż. Grzegorz Woroniak dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak 2006/2011

2 1. Wprowadzenie. 1.1.Wiadomości ogólne. Pompami nazywamy maszyny, służące do podnoszenia cieczy z poziomu niższego na poziom wyższy lub też do przetłaczania cieczy z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym; działania ich opiera się na wytwarzaniu różnicy ciśnień między stroną ssawną a stroną tłoczną organu roboczego (tłok, wirnik) pompy. Pompa stanowi maszynę bierną (roboczą), która przenosi energię mechaniczną z jakiegokolwiek zewnętrznego źródła energii na ciecz przez nią przepływającą, pompa powoduje zatem wzrost energii przepływającej przez nią cieczy. Energia cieczy u wylotu pompy zużywa się na podniesienie cieczy i pokonanie oporów hydraulicznych w przewodzie tłocznym. Pod względem energetycznym pompy, stanowią niejako odwrócenie silników wodnych, które przetwarzają energię wody na pracę mechaniczną. Na pograniczu pomp i turbin wodnych znajdują się odwracalne maszyny wodne o tak ukształtowanym wirniku, iż w pewnych okresach czasu mogą pracować jak turbiny, a w innych jako pompy maszyny takie nazywane są pompo-turbinami lub pompami odwracalnymi. Układ złożony z przewodu ssawnego, pompy i przewodu tłocznego nazywa się układem pompowym. W zależności od sposobu przenoszenia cieczy z przestrzeni ssawnej do przestrzeni tłocznej wewnątrz kadłuba, pompy dzieli się na dwie zasadnicze grupy: - pompy wyporowe, - pompy wirowe. W zależności od warunków pracy rozróżniamy układy pompowe: a) ssąco-tłoczące, gdy ps<pb, Hs>0, Ht>0, Hz=Hs+Ht, b) tłoczące (przetłaczające), gdy ps>pb, Hs<0, Ht>0, Hz=Ht-Hs, c) ssące (lewarowe), gdy ps<pb, Hs>0, Ht<0, Hz=Hs-Ht. Przykłady układów pompowych obrazuje rysunek 1. Rys.1. Przykłady układów pompowych 2

3 W zależności od napędu pompy dzielimy na: - pompy o napędzie ręcznym, - pompy o napędzie mechanicznym. Pompy wirowe są najczęściej napędzane za pomocą silników elektrycznych. W zależności od rodzaju, stanu i stopnia zanieczyszczenia cieczy pompowanej konstrukcja pomp i materiały użyte do wyrobu części stykających się z cieczą pompowaną mniej lub więcej odbiegają od rozwiązań i materiałów używanych w pompach do wody zimnej: - do cieczy gorących elementy czynne wykonywane są ze stali, staliwa, brązu i żeliwa, - do wody morskiej, do cieczy agresywnych pod względem chemicznym elementy czynne wykonywane są z metali odpornych na działanie danej cieczy lub pokrytych powłokami lub okładzinami ochronnymi z odpowiednich metali, kauczuku, bakelitu, - do wody zimnej zanieczyszczonej lub zamulonej stosujemy pompy tłokowe z zaworami kulowymi, przeponowe i wirowe z wirnikiem zamkniętym lub otwartym, - do pompowania cieczy lepkich i gęstych, a więc zacierów, miazg drzewnych, miazg owocowych, wytłoczyn i wysłodków, melasy, smoły asfaltu stosuje się pompy tłokowe, pompy rotacyjne i pompy wirowe z wirnikiem o małej liczbie łopatek, - do pompowania olejów i smarów płynnych (ropa, nafta, benzyna itp.) służą pompy wyporowe i pompy wirowe, - do cieczy ścierających (mieszaniny wody z piaskiem i żwirem, do płynnego betonu itp.) stosuje się pompy wirowe i pompy tłokowe, - do przenoszenia cieczy unoszących części stałe (kawałki rudy, węgla i innych materiałów)stosuje się pompy wirowe z wirnikiem o małej liczbie łopatek lub pompy o swobodnym przepływie przez wirnik Pompy wirowe Pompami wirowymi nazywa się pompy, których organem roboczym jest osadzony na obracającym się wale wirnik, powodujący zwiększenie krętu lub krążenia cieczy przepływającej przez jego wnętrze. W zależności od tego czy w wirniku następuje zwiększenie krętu czy krążenia cieczy, pompy wirowe dzieli się na : - pompy kręte, - pompy krążeniowe. Pompy krążeniowe to pompy wirowe, których moment obrotowy jest proporcjonalny do krążenia cieczy w obrębie wirnika lub wyłącznie na jego obwodzie. Pompy krążeniowe dzieli się na: 1) pompy z bocznymi kanałami pierścieniowymi, 2) pompy peryferalne Pompy samozasysające. Pompy kręte mają pewną ogólną wadę, utrudniającą ich eksploatację, gdy pracują ze ssaniem, ich wnętrze, łącznie z rurociągiem ssawnym, musi być napełnione przed uruchomieniem cieczą pompowaną i starannie odpowietrzone. Są one bardzo wrażliwe na obecność w cieczy powietrza i innych gazów, które mogły się do niej przedostać wskutek nieszczelności rurociągu ssawnego, obnażenia smoka ssawnego, 3

4 czy wydzielenia się gazów z cieczy lotnych. wada ta jest szczególnie kłopotliwa, gdy pompa pracuje bez dozoru. W celu wyeliminowania tej niedogodności stosuje się pompy samozasysające (typu S ) z bocznymi kanałami pierścieniowymi, posiadające zdolność samoczynnego usunięcia powietrza z rurociągu ssawnego i napełnienia go cieczą. Pompy te należą do najbardziej rozpowszechnionego rodzaju. Na rysunku 2 przedstawiono pompę typu S z bocznymi kanałami pierścieniowymi. Działanie pompy oparte jest na następującej zasadzie. Wirnik otwarty W obraca się między dwiema bocznymi ścianami. W ścianie od strony wlotu umieszczony jest tuż przy piaście otwór ssawny A. otwór tłoczny B znajduje się w przeciwległej ścianie. oprócz tych otworów, w obu ścianach znajduje się jeden lub dwa symetryczne kanały pierścieniowe C i D, o profilu w rozwinięciu wg rys.3, obejmujące kąt ~ 330º. Rys.3. Profil kanałów bocznych C i D Przed pierwszym uruchomieniem pompę należy napełnić cieczą; przy następnych uruchomieniach nie jest to potrzebne, gdyż króćce: ssawny Ks i tłoczny Kt skierowane są do góry, tak iż ciecz pozostaje w pompie. Rozpatrując jeden cykl obrotu wirnika, licząc od początku bocznego kanału, gdy rura tłoczna nie jest jeszcze napełniona cieczą, przy obrocie wirnika ciecz zostaje odrzucona do bocznych kanałów, wskutek czego przy piaście powstaje wolna przestrzeń, do której jest wsysane powietrze z rury ssawnej. Przy dalszym ruchu wirnika kanały stopniowo zanikają i ciecz płynie z powrotem między łopatkami wirnika, wypierając zassane powietrze przez kanał tłoczny. Zjawisko powtarza się przy każdym obrocie wirnika. 4

5 Ciecz wirująca z wirnikiem powoduje odcięcie przestrzeni ssawnej od tłocznej. Po usunięciu powietrza z rury i komory ssawnej pompa zasysa i tłoczy ciecz. Cząstki cieczy przy przepływie przez kanały wirnika poruszają się w przybliżeniu z jednakową prędkością kątową; natomiast przepływ w bocznych kanałach podlega w przybliżeniu zasadzie niezmienności krętu. Powoduje to różnice w rozkładzie ciśnień w kanałach i na końcach łopatek wirnika, wskutek czego powstaje silny ruch krążący cieczy, co obrazuje rysunek 4. Na ten ruch nakłada się inny, wywołany naporem łopatki na ciecz i działający przyspieszająco na całej promieniowej szerokości bocznego kanału. Wypadkowy ruch krążący na obwodzie wirnika powoduje przenoszenie w sposób ciągły nadmiaru energii cieczy przepływającej z wirnika do kanałów bocznych, przez mieszanie strug, obrazuje to rysunek 5. Całkowity przyrost energii cieczy przepływającej przez pompę zachodzi wskutek wymiany impulsów między cieczą w wirniku a kanałami bocznymi. Takie pompy budowane są jako jedno- i wielostopniowe do wydajności Q=36 m³/h, sprawność ich jest niska rzędu 20 do 25%. Przyczyną tego są straty energii wywołane takimi czynnikami jak: * krążeniem cieczy na obwodzie wirnika i w kanałach bocznych, * uderzeniami przy wejściu cieczy z otworu ssawnego na łopatki wirnika i przy wyjściu z wirnika do kanału tłocznego, * przepływem cieczy przez wirnik do otworu tłocznego w kierunku dośrodkowym, * stratami objętościowymi przez szczeliny między wirnikiem i bocznymi ścianami. W celu zmniejszenia strat i podwyższenia sprawności wprowadzono ulepszenia polegające na tym, że ciecz jest odprowadzana bezpośrednio z kanału bocznego (eliminacja strat opisanych w punkcie 3). Ponieważ pompa straciła by wówczas zdolność usuwania powietrza, wbudowany jest w tym celu oddzielny stopień opisanej poprzednio konstrukcji, posiadający wirnik o małych wymiarach i pobierający niewielką moc, a wskutek tego nieznacznie obniżający całkowitą sprawność. Pompy tej konstrukcji budowane są do wydajności sięgających 120 m³/h. Rysunek 6 przedstawia konstrukcję takiej pompy. 5

6 Rys.6.Pompa samozasysająca z bocznymi kanałami pierścieniowymi Innym rozwiązaniem dwustopniowej pompy samozasysającej przedstawiono na rysunku 7. Otwór ssawny umieszczony jest w ścianie bocznej, podobnie jak w pompie poprzedniej. Pierwszy stopień W1 nie jest samozasysający. W drugim stopniu W2 (samozasysającym) jednostronny kanał boczny obejmuje około ¾ obwodu ściany bocznej. Odsysanie powietrza zachodzi na pozostałej ćwiartce. Właściwy kanał boczny A-B-C łączy się w miejscu G z dyfuzorem i króćcem wylotowym H. Od tego głównego kanału bocznego odgałęzia się pomocniczy, wąski, stopniowo zanikający kanał boczny D-E-F. Po przeciwległej stronie wirnika, w tarczy pośredniej, znajduje się kanał podobny do kanału D-E-F, służący do wzmocnienia działania wypierającego powietrze. Trapezowy otwór J połączony jest z przestrzenią tłoczną i ma za zadanie doprowadzenie cieczy uszczelniającej między łopatki wirnika. W czasie usuwania powietrza strumień wody płynący w bocznym kanale D-E-F wchodzi w miejscu F ponownie między łopatki wirnika i wypiera (przez otwór K do przestrzeni tłocznej) zgromadzone przy piaście powietrze. W czasie normalnej pracy większa część cieczy wypływa bezpośrednio (bez strat ciśnienia) do przestrzeni tłocznej H, a tylko mała jej część, po dalszym wzroście ciśnienia w kanale D-E- F, zostaje wytłoczona na zewnątrz przez otwór K, przeciwnie do kierunku działania siły odśrodkowej. Maksymalna sprawność pomp tego typu wynosi około 47% 6

7 Rys.7. Dwustopniowa pompa samozasysająca z jednostronnym kanałem bocznym (A-B-C- kanał boczny, D-E-F pomocniczy kanał boczny, G- przejście między kanałem bocznym i dyfuzorem, H- króciec wylotowy, J- otwór wodny, K- otwór powietrzny, W 1 - wirnik pierwszego stopnia, W 2 - wirnik drugiego stopnia) Wirniki posiadają od 12 do 24 łopatek, promieniowych w mniejszych pompach i zagiętych do tyłu w większych. Obliczenia tych pomp są oparte głównie na doświadczeniach zebranych przy badaniu wykonanych pomp. Jako przybliżone wytyczne mogą służyć następujące zależności. Prędkość obwodowa wirnika może być obliczona ze wzoru: u2= gdzie: H wysokość podnoszenia w [m] H 2 g H ξh-wyróżnik wysokości podnoszenia, którego wartość dla optymalnego punktu pracy przy dla profilu z rysunku 8, wynosi 1,5-2,0. profilu kanału bocznego, Zewnętrzna średnica wirnika 60u 2 d2 = * n Pole przekroju bocznego kanału = Q w śr gdzie: wśr- średnia prędkość w bocznym kanale 7

8 Rys.8. Profil kanału bocznego pompy z rysunku 6 Na podstawie badań doświadczalnych można przyjąć wśr = u2/2 przy max. Korzystny stosunek wymiarów jest wtedy, gdy głębokość kanału b równa jest połowie jego wysokości promieniowej c. Zaokrąglony lub kołowy przekrój kanału (rys.7) ułatwia krążenie cieczy. Jednostronny kanał daje lepsze wyniki, niż dwustronny. Wysokość ssania pomp z bocznym kanałem jest duża i przy pompowaniu wody dochodzi do około 8 m. nadają się one do cieczy czystych. Gdy ciecz zawiera cząstki ścierające, luzy między wirnikiem i bocznymi ścianami kadłuba powiększają się wskutek zużycia; wtedy wysokość podnoszenia, wydajność i maksymalna wysokość ssania zmniejszają się. W ograniczonym zastosowaniu pompy te pracują jako próżniowe i sprężarki. 2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego. Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową pompy typu S, sposobem uszczelnienia korpusu pompy oraz sposobem uszczelnienia przejścia wału napędowego przez korpus pompy. Ponadto student poznaje sposób i zasadę montażu pompy na rurociągu oraz postępowanie przy uruchamianiu pompy, w celu sprawdzenia poprawności montażu wykonuje się badanie charakterystyki przepływowej zamontowanej pompy. Zakres ćwiczenia obejmuje złożenie pompy oraz montaż na rurociągu, zalanie pompy i sprawdzenie czy urządzenie działa poprawnie poprzez wyznaczenie charakterystyki przepływowej w/w pompy. 3. Metodyka badań a) Opis stanowiska badawczego. Stanowisko do montażu pompy typu S składa się z: 1) częściowo rozebranej pompy typu S, 2) zaworu dławiącego, 3) przepływomierza, 4) manometru, 5) wakuometru, 6) kosza ssawnego, 7) zbiornika z cieczą, 8

9 8) skrzynki z narzędziami. Schemat stanowiska badawczego przedstawia rysunek 9. Rys.9. Schemat stanowiska badawczego b) przebieg realizacji eksperymentu, 1) sprawdzić czy pompa jest widocznie odłączona od prądu, 2) posortować podzespoły pompy w celu poprawnego montażu, 3) sprawdzić stan gwintów i uszczelek pompy (czy nie są zerwane), 4) zamocować wirnik pompy, 5) założyć uszczelkę na korpus i umocować segment pompy króćcem tłocznym w odpowiednią stronę, 6) umocować króciec ssawny pompy (+ uszczelka), 7) umocować króciec tłoczny pompy (+ uszczelka), 8) sprawdzić stan dławnicy 9) sprawdzić poprawność połączeń wg wskazań prowadzącego, 10) za zgodą prowadzącego uruchomić pompę, 11) wyznaczyć charakterystykę przepływu pompy, postępując jak w ćwiczeniu pierwszym. c) prezentacje i analiza wyników, 1) prezentację wyników stanowi poprawnie zmontowana i poprawnie pracująca pompa typu S, 2) dodatkową prezentacją jest utworzona charakterystyka przepływowa pompy pt = f(q) i ps =f1(q), wykonana, jak w ćwiczeniu 1 oraz wykreślona w postaci wykresu na papierze milimetrowym ołówkiem. 9

10 Zestawienie wyników: - Tabela 1.Q[m 3 /s], Pomiar V[m 3 ] t[s] - Tabela 2. Dane do wyznaczenia charakterystyki przepływowej, d) wnioski 4. Wymagania BHP. Nr P s [MPa] P t [MPa] Q[m 3 /h] Do wykonywania ćwiczeń laboratoryjnych dopuszczeni są studenci, którzy na pierwszych zajęciach zostali przeszkoleni w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. Podczas wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych opracowanych dla danego laboratorium. Studentów obowiązuje dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego zajęcia. Czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych i mechanicznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego, po uprzednim sprawdzeniu (wzrokowym) stanu izolacji elektrycznych (np. czy nie jest pęknięta, przerwana czy nie brakuje części izolacji. O takich faktach należy niezwłocznie powiadomić prowadzącego zajęcia. O wszelkich nieprawidłowościach pracy maszyn należy natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia (np. silne wibracje, stukoty). Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych szczególnie gdy są one w ruchu lub pod napięciem, a nie wynika to z konieczności wykonania ćwiczenia, bez zgody prowadzącego. W przypadku awarii należy natychmiast odciąć zasilanie i powiadomić prowadzącego zajęcia. Nigdy nie należy dopuszczać do zamoczenia części elektrycznej urządzenia (np. pompy). Należy zwracać szczególną uwagę na elementy wirujące maszyn aby nie dostały się tam przypadkiem elementy biżuterii (wisiorki, bransoletki) czy włosy. Nie wolno dotykać elementów wirujących rękoma, chyba że są one w spoczynku, a urządzenie jest widocznie odłączone od prądu (wyjęcie wtyczki z gniazdka). 5. Sprawozdania studenckie Sprawozdanie studenckie powinno zawierać: 1. Skład osobowy grupy wraz z podpisami, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia. 10

11 2. Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) niezbędny zakres teorii, c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykresy i charakterystyki, f) zestawienie i analiza wyników badań, 3. Podsumowanie wyników w postaci wniosków. 6. Literatura 1. Łazarkiewicz S., Troskolański A.T.: Pompy wirowe, WNT W-wa Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika Tom II, WNT W-wa Jankowski F.: Pompy i wentylatory w inżynierii sanitarnej, Arkady W-wa Stępniewski M.: Pompy, WNT W-wa