ĆWICZENIE WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK POMPY WIROWEJ 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest opanowanie umiejętności dokonywania pomiarów parametrów roboczych układu pompowego. Zapoznanie z budową i zasadą działania pompy wirowej, zdefiniowanie parametrów pracy pompy i układu pompowego oraz przedstawienie metodyki pomiarów i obliczeń charakterystyk pompy stanowi zakres ćwiczenia. 2. Podstawy teoretyczne Pompa jest to maszyna robocza służąca do podnoszenia cieczy z poziomu niższego na wyższy lub przetłaczania cieczy z przestrzeni o ciśnieniu niższym do przestrzeni o ciśnieniu wyższym. Działanie pompy polega na wytworzeniu różnicy ciśnień pomiędzy stroną ssącą a stroną tłoczną elementu roboczego pompy (tłoka, przepony, wirnika). W zależności od budowy elementu roboczego, pompy dzielimy na: a) Pompy wyporowe o zasysaniu dawkowanym np. pompa tłokowa, b) Pompy wirowe o zasysaniu ciągłym np. pompa odśrodkowa. Pompy wyporowe służą do wytwarzania wysokich ciśnień roboczych i w porównaniu z wirowymi znajdują w przetwórstwie rolno-spożywczym niewielkie zastosowanie np. homogenizatory. Natomiast pompy wirowe ze względu na swe zalety (prosta i nie-zawodna konstrukcja, uniwersalizm w zastosowaniu do różnych cieczy) charakteryzują się rozległym zastosowaniem zarówno w liniach produkcyjnych jak również do realizacji funkcji pomocniczych. Budowę pompy wirowej przedstawiono na rys. 1.1. Składa się ona z obudowy 1, wirnika 2 i zespołu napędowego 3. Zespół napędowy stanowi silnik elektryczny wraz ze sprzęgłem elastycznym. W uszczelnionych od komory roboczej łożyskach osadzony jest wał na którym zainstalowany jest wirnik zaopatrzony w dwie tarcze wewnątrz których znajdują się profilowane łopatki. Ilość i kształt łopatek wynika z praw hydromechaniki. Między obudową a wirnikiem umieszczone są uszczelnienia. Korpus pompy wirowej odśrodkowej ma otwór wlotowy usytuowany osiowo oraz tzw. dyfuzor, tj. kanał zbiorczy rozszerzający się, zakończony otworem wylotowym. Zasada działania pompy wirowej polega na przekazywaniu energii kinetycznej przez łopatki obracającego się wirnika cząstkom cieczy - przyspieszając ich ruch. Różnica prędkości poruszających się cząstek cieczy między wylotem i wlotem wirnika generuje różnicę ciśnień, która zapewnia ciągłość pracy pompy. 1
Rys. 1.1. Budowa pompy wirowej odśrodkowej Pompa nie jest urządzeniem technicznym samodzielnym. W celu realizacji zadania musi być zaopatrzona w zbiornik dolny, rurociąg ssący, rurociąg tłoczny oraz zbiornik górny. Taką instalację nazywamy układem pompowym. Na rys. 1.2. przedstawiono układ pompowy wraz z oznaczeniem głównych parametrów pracy. Dobór pompy do określonych potrzeb zależy od jej następujących parametrów: a) wysokości ssania H s, b) wysokości tłoczenia H t, c) wydajności pompy Q. Teoretyczną wysokość ssania cieczy z otwartego zbiornika (rys. 1.2.) można obliczyć ze wzoru: p p H s = a s (1.1) γ H s - wysokość ssania w m, p a - ciśnienie atmosferyczne w kpa, p s - ciśnienie w przewodzie ssącym w kpa, γ - ciężar właściwy cieczy w kn/m 3. Przyjmując, że ciśnienie atmosferyczne wynosi 101 kpa, a pompa w przewodzie ssącym wytworzy próżnię i ciężar właściwy wody wynosi 9,8 kn/m 3, teoretyczną - maksymalną wysokość ssania można obliczyć ze wzoru 1.1: H s = 101 0 = 1033, m 98, Uwzględniając fakt, że pompa nie wytwarza próżni w przewodzie ssącym, maksymalna praktyczna wysokość ssania nie przekracza 8 m. Teoretyczną wysokość tłoczenia do otwartego zbiornika (rys. 1.2.) można obliczyć ze wzoru: H t = p t pa (1.2) γ 2
H t - wysokość tłoczenia w m, p t - ciśnienie w przewodzie tłocznym w kpa, p a - ciśnienie atmosferyczne w kpa, γ - ciężar właściwy cieczy w kn/m 3. Przyjmując, że ciśnienie w przewodzie tłocznym pompy wyniesie przykładowo 493 kpa, ciśnienie atmosferyczne 101 kpa, a ciężar właściwy wody 9,8 kn/cm 3, wysokość tłoczenia można obliczyć z zależności 1.2.: H t = 493 101 = 40 98, m Całkowitą wysokość podnoszenia cieczy H c (rys.1.2.) oblicza się ze wzoru: H c = H s + H t (1.3) H c - całkowita wysokość podnoszenia w m, H s - wysokość ssania w m, H t - wysokość tłoczenia. Rys. 1.2. Układ pompowy: 1 zbiornik ssawny, 2 przewód ssący, 3 pompa wirowa, 4 przewód tłoczny, 5 zbiornik tłoczny, H s wysokość ssania, H t wysokość tłoczenia, H c całkowita wysokość podnoszenia 3
Wydajność pompy określa się bezpośrednio przy pomocy przepływomierzy lub pośrednio przy pomocy zwężek, jako iloczyn prędkości przepływu cieczy i pola przekroju przewodu. Moc użyteczną pompy oblicza się z zależności: N u = (P s + P t ) = P c Q (1.4) N u - moc użyteczna w W, P c - ciśnienie podnoszenia w N/m 2, P s, P t - ciśnienia w przewodzie ssącym i tłocznym w N/m 2. Natomiast moc całkowitą pobieraną przez silnik elektryczny określają zależności: N s - pobór mocy przez silnik pompy w W, U f - napięcie fazowe w V, I f - natężenie prądu fazowego w A, cosϕ - kąt przesunięcia fazowego. Sprawność ogólną pompy oblicza się ze wzoru: η - sprawność ogólna pompy w %, N u - moc użyteczna pompy w W, N s - moc silnika napędowego pompy w W. N s = 3 U f I f cosϕ, W (uzw. silnika połącz. w gwiazdę) (1.5) N s = 3 U f I f cosϕ, W (uzw. silnika połącz. w trójkąt) (1.6) N η = u 100 % (1.7) N s Charakterystyki pracy pompy wirowej odśrodkowej stanowią graficzne przebiegi następującej funkcji (rys. 1.3): H, N, η = f (Q) (1.8) H - całkowita wysokość podnoszenia w m, N - całkowity pobór mocy napędu pompy w W, η - sprawność ogólna pompy w %, Q - wydajność pompy. 4
Przykładowe przebiegi charakterystyk pompy wirowej przed-stawiono na rys. 1.3. Rys. 1.3. Przykładowe charakterystyki jednostopniowej H=f 1 (Q), N=f 2 (Q), η=f 3 (Q) pompy odśrodkowej 3. Opis stanowiska laboratoryjnego Na rys. 1.4 przedstawiono schemat stanowiska laboratoryjnego: Rys. 1.4. Schemat stanowiska pomiarowego pompy wirowej: 1 zbiornik ssawny i tłoczny, 2 wakuometr, 3 pompa wirowa, 4 manometr, 5 przepływomierz, 6 zawór dławiący, 7 silnik elektryczny, 8 watomierz, 9 - włącznik 3. Przebieg ćwiczenia a) zapoznać się z budową i obsługą stanowiska laboratoryjnego, b) ustawić zasilacz automatyczny sterujący czasem pracy pompy na 20 s, c) ustawić kulowy zawór dławiący na 0 (całkowicie otwarty), d) odczytać wskazanie przepływomierza, e) uruchomić pompę, f) dokonać odczytu wartości i ciśnienia w przewodzie ssącym i tłocznym oraz parametrów prądu - napięcia, natężenia i cos ϕ, 5
g) po samoczynnym wyłączeniu się pompy dokonać odczytu wskazań przepływomierza. Tok pomiarów a-g powtórzyć łącznie cztery razy dla czterech położeń dławiącego zaworu kulowego: 0, 20, 40, 60. 5. Analiza wyników pomiarów i wnioski Na podstawie dokonanych pomiarów bezpośrednich dokonać niezbędnych obliczeń według wzorów zawartych w p.2, koniecznych do sporządzenia charakterystyk jak na rys. 1.3. Po sporządzeniu wykresów przeprowadzić krótką ocenę charakteru przebiegu krzywych (liniowość, kąt pochylenia, wartości ekstremalne, wartości optymalne). 6. Literatura [1.1] Jankowski F.: Pompy i wentylatory w inżynierii sanitarnej. Arkady, Warszawa 1975 [1.2] Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera mechanika tom. III. WNT Warszawa 1973. [1.3] Stępniewski M.: Pompy. WNT Warszawa 1985 6