Wykład dla studentów II roku Inżynierii Środowiska PWr Urządzenia Mechaniczne w Inżynierii Środowiska dr inż. Mieczysław Łuźniak pok. 236b bud. D-2, tel. 320 32 14, e-mail: mieczyslaw.luzniak@pwr.wroc.pl materiały do wykładu na stronie www: forum.iios.pwr.wroc.pl Literatura Podstawowa: W. Jędral, Pompy wirowe odśrodkowe, Oficyna Wyd. Polit. Warszawskiej, W-wa 1996 M. Stępniewski, Pompy, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, W-wa 1978, F. Jankowski, Pompy i wentylatory w inżynierii sanitarnej, Wydawnictwo Arkady W-wa 1975, M. Janiak, Urządzenia mechaniczne w inżynierii środowiska, Część II, Skrypt Pol. Poznańskiej 1995, E. Waniek, Sprężarki i wentylatory, Skrypt Polit. Wrocławskiej 1982, Literatura Uzupełniajaca: A. Traskolański, Pompy wirowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, W-wa 1973, K. Szablowski, Pompy wyporowe, PWN Warszawa-Kraków 1972, E. Tuliszka, Sprężarki, dmuchawy i wentylatory, WNT War szawa1976r, 1
Zakres tematyki wykładu Urządzenia Mechaniczne w Inżynierii Środowiska - II rok IŚ - Przenośniki cieczy. Klasyfikacja, budowa. Pompy wirowe - Pompy wirowe. Zasady pracy, budowa, zastosowanie, charakterystyczne cechy. - Przepływ cieczy przez wirniki pomp wirowych. Charakterystyczne prędkości oraz kąty. - Podstawowe równanie maszyn wirowych. Założenia, wyprowadzenie, szczególne przypadki. - Rzeczywista wysokość podnoszenia pompy wirowej. Zależności, trójkąty prędkości. - Teoretyczna i rzeczywista wydajność pompy wirowej. Wpływ wymiarów geometrycznych wirników pomp. - Siły osiowe w pompach wirowych. Przyczyny powstawania, zależności, sposoby eliminowania skutków. - Napór promieniowy w pompach wirowych. Przyczyny powstawania, zależności, sposoby eliminowania skutków. - Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę pomp wirowych. - Charakterystyki pomp wirowych. Klasyfikacja, sposoby wyznaczania. - Układy pompowe. Parametry, podział, przykłady zastosowań technicznych. - Straty hydrauliczne w układach pompowych. Klasyfikacja, metody wyznaczania, przykłady współpracy sieci. - Pole stosowalności pomp wirowych. Przykłady, zasady określania. - Współpraca pomp wirowych. Przykłady, charakterystyki zastępcze, punkty pracy. - Sposoby regulacji parametrów pracy pomp wirowych. Metody, skuteczność, przykłady. - Kawitacja w czasie pracy pomp wirowych. Definicja, miejsca występowania, skutki, sposoby eliminowania. - Zasady eksploatacji pomp wirowych. Pompy wyporowe - Pompy wyporowe. Klasyfikacja, zasady pracy, budowa, przykłady zastosowań. - Kinematyka układu korbowego. Zależności, rozkłady prędkości i przyśpieszeń tłoka. - Teoretyczna wydajność i wysokość podnoszenia pomp wyporowych tłokowych. - Wewnętrzna oraz rzeczywista wydajność pompy wyporowej. Przykłady wykresów indykatorowych. - Warunki prawidłowej pracy pompy wyporowej. - Powietrzniki w pompach wyporowych. Budowa, przeznaczenie, zasada pracy. - Sposoby regulacji parametrów pracy pomp wyporowych. Przykłady. - Charakterystyki pracy pomp wyporowych. - Ogólne zasady eksploatacji pomp wyporowych. 2
Maszyny do sprężania gazów - Maszyny do sprężania gazów. Klasyfikacja, budowa, zastosowania. - Rozkład ciśnień w instalacjach wentylacyjnych. - Wielkości charakteryzujące pracę wentylatorów. - Wpływ zmian prędkości obrotowej, średnicy zewnętrznej wirnika oraz gęstości gazu na podstawowe parametry pracy wentylatora. - Wpływ zanieczyszczeń gazu sprężanego na pracę wentylatora. - Charakterystyki pracy wentylatorów promieniowych oraz przepływowych. - Sposoby regulacji wentylatorów. Przykłady, porównanie metod wg zapotrzebowania mocy. - Specyficzne przykłady pracy wentylatorów. Praca wentylatora jako ssawa, współpraca z kominem itp., - Stateczność pracy maszyn sprężających gazy. Warunki, charakterystyki niestateczne, przykłady pracy niestatecznej wentylatorów. - Praca sprężania w dmuchawach oraz sprężarkach. - Chłodzenie międzystopniowe w sprężarkach przepływowych. Cel, sposoby realizacji. - Przepływ gazu przez osiowy stopień sprężający. Rozkład prędkości, przyrosty entalpii całkowitej, - Sprężarki tłokowe. Klasyfikacja, budowa, zastosowanie. - Wielostopniowe sprężarki tłokowe. Przykłady obliczeń. - Zapotrzebowanie mocy do napędu sprężarki tłokowej. Historyczne etapy rozwoju pomp - 230 r. p.n.e pompa pożarnicza w Aleksandrii tłokowa dwucylindrowa (bliźniacza), - V w. n.e. pierwsza pompa wirowa, - koniec XV w. n. e. Leonardo da Vinci wykonał pierwsze szkice pompy z wykorzystaniem siły odśrodkowej, - 1588 Ramelli zbudował pompę łopatkową ( rotacyjną ), - 1687 Denis Papin zbudował model pompy odśrodkowej, - 1705 ulepszył przez zastosowanie wirnika wielostopniowego, - 1785 J. Skeys zgłasza patent na pierwszą pompę śmigłową, - 1805 Tomas Newcomen pompa tłokowa napędzana silnikiem parowym, - 1840 oraz 1850 Whortington wynalazł pompę tłokową bezkorbową napędzaną maszyną parową ( Simplex, Duplex ), - 1846 W. D. Andrews zastosował łopatki zakrzywione, - 1851 pierwsza pompa odśrodkowa wielostopniowa ( bez łopatek kierowniczych), - 1870 powstaje pierwsza firma Klein, Schanzlin und Becker. Rozpoczyna produkcję seryjną pomp wraz z ich badaniami, - 1875 Osborn Reynolds zastosował kierownice od- i do-środkowe w wielostopniowej pompie odśrodkowej, - 1910-1915 firma Weise & Sohne rozpoczyna produkcję pomp śmigłowych i diagonalnych, - 1910 firma Schwade zbudowała pompę wirową o sprawności ok. 82-84 %, - od końca XIX wieku następowały tylko ulepszenia mechaniczne, - obecnie produkuje się różne typy i rodzaje pomp wirowych, tłokowych dla różnorodnych gałęzi przemysłu. Maksymalne parametry obecnych pomp: wydajność Q do 80 000 m 3 /h, ciśnienie p do 500 MPa, moc N do 250 MW 3
Czerpadło poiemnikowe-ciegłowe Przeznaczone do wydobywania wody z głębokich studni Najstarsze z lat 1700 r. p.n.e. Znane np. w Kairze dla studni o głębokości 91,5 m Rys. 1.1. Czerpadło pojemnik owe cięgłowe; 1 czerpak, 2 cięgło przegubowe, 3 zbiornik dolny, 4 zbiornik górny Czerpadło śrubowe przeznaczone do przepływu ciągłego zwane śruba Archimedesa wysokość podnoszenia do 5 6 m. Rys. 1.2. Czerpadło śrubowe: a) schemat, b) widok; 1 - śruba podnosząca ciecz, 2 - zbiornik dolny, 3 - zbiornik górny 4
Pierwsza pompa wyporowa tłokowa Rys. 1.3. Pompa pożarnicza z Aleksandrii z 230 r. p.n.e. wykonana z brązu; 1 - tłoki nurnikowe, 2 zawory ssawne klapowe, 3 - zawory tłoczne klapowe, 4 - otwory ssawne, 5 króciec tłoczny, 6 - dźwignia napędowa Pierwsza pompa wirowa odśrodkowa z V wieku n. e. Rys. 1.4. Pompa z kopalni miedzi w San-Domingos w Portugali z wirnikiem wykonanym z drewna o przestrzennej krzywiźnie łopatek. 5
Pierwsza pompa wirowa odśrodkowa opatentowana przez D. Papina model z roku 1687 ulepszona w 1705 przez zastosowanie wirnika wielołopatkowego promieniowe) w osłonie spiralnej (łopatki Rys. 1.5. Denis Papin (1647-1712) Pierwsza pompa odśrodkowa produkowana seryjnie Produkcja od 1818 r. przez firmę Massachusetts Pumps, wirniki dwustrumieniowe o łopatkach promieniowych Rys. 1.6. Pierwsza seryjnie produkowana pompa odśrodkowa. 6
Rys. 1.7. Daniel Bernoulli (1700-1782) Rys. 1.8. Leonhard Euler (1707-1783) W 1805 r. Anglik Thomas Newcomen wynalazł pompą tłokową napędzaną za pomocą pary wodnej. Rys. 1.9. Pompa tłokowa Newcomena z napędem parowym; 1 - tłoczysko pompy, 2 - dźwignia napędowa, 3 - przeciwwaga, 4 - tłok, 5 - cylinder parowy, 6 - zbiornik wody zimnej, 7 - dysza wtryskowa wody zimnej, 8 - wytwornica pary. 7
Rys.1.10. Seryjne odśrodkowe pompy wirowe z napędem elektrycznym produkowane przez W, Lederle Engine and Pump Factory z roku 1898. 8