Politechnika Białostocka WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Ciepłownictwa Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat: Wyznaczanie charakterystyk użytkowych pomp wirowych Ćwiczenie nr 1 Laboratorium z przedmiotu: Urządzenia mechaniczne w Inżynierii Środowiska Opracowali: dr inż. Grzegorz Woroniak dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak 2011
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; działanie 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. Układ złożony z przewodu ssawnego, pompy i przewodu tłocznego nazywa się układem pompowym. Pompy wirowe są najczęściej napędzane za pomocą silników elektrycznych. 1.2 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. Pompy krętne to pompy wirowe, w których wirniku następuje zwiększenie krętu cieczy przepływającej przez jego wnętrze. Zasada działania pompy krętnej polega na tym, że obracający się wirnik dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu łopatek wprawia cząstki cieczy, znajdujące się w przestrzeniach międzyłopatkowych (w pompach odśrodkowych ograniczonych dwiema sąsiednimi łopatkami i dwiema tarczami) w ruch od strony ssawnej ku stronie tłocznej. Spowodowane tym ruchem zmniejszenie się ciśnienia u wlotu wirnika na biernej stronie łopatki wywołuje zjawisko ssania cieczy przez rurę ssawną do wnętrza pompy. Przy przepływie cieczy przez przestrzenie międzyłopatkowe wirnika następuje zwiększenie energii prędkości przy jednoczesnej częściowej przemianie w energię ciśnienia. Dalsza przemiana energii kinetycznej w energię ciśnienia następuje w spiralnej osłonie pompy lub w kierownicy łopatkowej, zaopatrzonej w szereg kanałów o łagodnie zwiększającym się przekroju. 1.3 Charakterystyki przepływowe pomp wirowych. Obliczenia pompy wirowej oparte jest na założeniu tzw. wejścia bez uderzenia na łopatkę wirnika. Stan ten można osiągnąć wówczas, gdy wektor prędkości uwzględnionej na wlocie jest styczny do pierwszego elementu łopatki wirnika. W prawidłowo zaprojektowanej pompie (i starannie wykonanej) idealne warunki zasilania zachodzą jedynie przy tych wartościach parametrów Q i H, dla których pompa została obliczona. Pompa wykonana i zainstalowana w jakimś układzie nie zawsze pracuje w warunkach założonych przy jej projektowaniu. W ruchu pompy 2
ulegają zmianie parametry: wydajność Q i wysokość podnoszenia H. Gdy np. wylot przewodu tłocznego znajduje się w dnie zbiornika grawitacyjnego, to w miarę zwiększania się jego wysokości napełnienia wzrasta wysokość podnoszenia H, a zmiana H powoduje zmianę wydajności Q. Może nastąpić również nieznaczna zmiana szybkości obrotowej n wskutek zmiany obciążenia silnika napędzającego pompę. Przy instalowaniu pompy konieczna jest znajomość jej nominalnych parametrów: H n, Q n, N n jakie występują przy szybkości obrotowej n n. Niemniej ważna jest znajomość zachowania się pompy w warunkach odbiegających od warunków założonych przy jej obliczaniu i zdolności przystosowania się pompy do zmienionych warunków pracy. W tym celu wyznacza się charakterystyki pomp wirowych. Kształt charakterystyki przepływu H=f(Q) zależy nie tylko od wyróżnika szybkobieżności, charakteryzującego kształt łopatek, lecz również od liczby łopatek i sposobu odprowadzenia wody z wirnika (spiralna osłona, kierownica łopatkowa lub bezłopatkowa). Wyróżnia się charakterystyki przepływu: 1) stateczne stale opadające w miarę zwiększania się natężenia przepływu, począwszy od wartości (H) Q=0 = H 0 =H max, jaka odpowiada zamknięciu zaworu tłocznego (Q=0), 2) niestateczne które począwszy od wartości H 0 =const. wznoszą się ku górze i po osiągnięciu wierzchołka W o rzędnej H max opadają. W charakterystykach statecznych każdej wartości H odpowiada jedna i tylko jedna wartość Q, w charakterystykach niestatecznych natomiast w obszarze powyżej prostej H 0 =const. Każdej wartości H odpowiadają dwie wartości Q. Charakterystyki pomp odśrodkowych mogą być stateczne lub niestateczne, natomiast charakterystyki pomp helikoidalnych, diagonalnych i śmigłowych są zawsze charakterystykami statecznymi. W zależności od przebiegu krzywej H-f(Q) charakterystyki przepływowe dzieli się na: 1) charakterystyki płaskie (o małej wartości H/ Q) 2) charakterystyki strome (o dużej wartości H/ Q) Im większa jest wartość wyróżnika szybkobieżności, tym bardziej stromo opada charakterystyka przepływu. 1.4 Badana pompa WILO- STAR RS Obiegowa pompa bezdławnicowa, przedstawiona na rysunku 1, trójbiegowa z przyłączem gwintowanym. Wstępnie, ręcznie wybierane stopnie prędkości obrotowej do regulacji wydajności. Ogrzewanie ciepłą wodą wszystkich systemów, przemysłowe instalacje cyrkulacyjne, instalacje zimnej wody oraz instalacje klimatyzacyjne. 3
Cechy szczególne badanej pompy: 1. Odpowiednia dla każdego położenia montażowego z wałem poziomym; skrzynka zaciskowa z możliwością ustawienia na godzinie 3, 6, 9 i 12. 2. Możliwość wyboru trzech stopni prędkości obrotowej w celu regulacji obciążenia. 3. Prosty i bezpieczny montaż dzięki praktycznemu odlewowi pod klucz na korpusie pompy. 4. Podstawowe dane techniczne: a) Dopuszczalny zakres temperatury -10 C do +110 C. b) Przyłącze sieciowe 1~230 V, 50 Hz. c) Stopień ochrony IP 44. d) Przyłącze gwintowane Rp ½, Rp 1 lub Rp 1¼. e) Maks. ciśnienie robocze 10 barów. f) Silnik odporny na prąd przy zablokowaniu. Rys.1 Badana pompa bezdławnicowa Wilo typ Star RS 2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk użytkowych danej pompy wirowej. Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie pomiarów wysokości podnoszenia (H) i natężenia przepływu (Q). W tym celu należy wykonać pomiary przy różnych nastawach zaworu dławiącego, a następnie wykreślić krzywą charakterystyczną dla danego układu pomp, przykładowe charakterystyki przepływowe przedstawia rys.2. 4
3. Metodyka badań Rys.2 Przykładowe charakterystyki przepływowe pomp typu Star RS a) Opis stanowiska badawczego. 1. Regulator ciśnienia bezpośredniego działania ASV-PV 2. Ręczny zawór odcinająco-pomiarowy ASV-M 3. Zawór ze złączką zaciskową bez zaworka spustowego typu SB-5015K całkowicie otwarty w czasie ćwiczenia. 4. Zawór RTD-N z głowicą termostatyczną zawór regulacyjny w ćwiczeniu. 5. Grzejnik płytowy. 6. Ciśnieniowe naczynie wyrównawcze. 7. Badana trójbiegowa pompa obiegowa WILO. 8. Rotametr. 9. Kulowy zawór odcinający przy zaworze ASV-PV w ćwiczeniu zamknięty pokrętło ustawione prostopadle do rurociągu. 10. Kulowy zawór odcinający przy zaworze SB-5015K otwarty - pokrętło ustawione równolegle do rurociągu. 11. Zawór spustowy. 12. Manometr na zasilaniu. 13. Manometr na powrocie. M manometr, W włącznik pompy, O odpowietrznik automatyczny. 5
Schemat stanowiska badawczego przedstawia rysunek 3 Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego b) Przebieg realizacji eksperymentu. 1) Sprawdzić, czy pompa jest podłączone do prądu (czerwona kontrolka) i włączona (zielona kontrolka). 2) Ustawić pierwszy bieg na pompie. 3) Sprawdzić czy zawór regulacyjny (4) jest całkowicie otwarty. 4) Odczytać natężenie przepływu na rotametrze (8). 5) Odczytać ciśnienie na manometrze (12) zasilanie. 6) Odczyty zapisać w tabeli. 7) Zaworem regulacyjnym (4) zmniejszyć natężenie przepływu tak aby przepływ na rotametrze zmalał o jedną działkę. 8) Zapisać wartość ciśnienie na zasilaniu i natężenia przepływu na rotametrze. 9) Powyższe czynności powtarzać należy aż do ostatniej możliwej do odczytania działki na rotametrze. 10) Ustawić drugi bieg pompy i powtórzyć czynności 3-9 dla drugiego biegu. 11) Ustawić trzeci bieg pompy i powtórzyć czynności 3-9 dla trzeciego biegu. 12) Po zakończeniu przełączyć pompę na pierwszy bieg i całkowicie otworzyć zawór regulacyjny (4). 6
c) Prezentacja i analiza wyników badań. Otrzymane wyniki należy zestawić w tabelach (tabela przykładowa, ilość kolumn może być niewystarczająca): Bieg.. Q [m 3 /h] H [m H2O ] 1 2 3 4 5 Należy wykonać podobne tabele dla pozostałych biegów pompy. - Z otrzymanych wyników utworzyć wykres p t = f(q), dla trzech biegów pompy, w jednym układzie współrzędnych. - Wnioski. 4. Wymagania BHP. 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. 2. Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) niezbędny zakres teorii, 7
c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym), f) zestawienie i analiza wyników badań, 3. Podsumowanie wyników w postaci wniosków. 6. Literatura 1. Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika Tom II, WNT W-wa 1994. 2. Jankowski F.: Pompy i wentylatory w inżynierii sanitarnej, Arkady W-wa 1975. 3. Kołodziejczyk L., Rubik M., Mańkowski S.: Pomiary w inżynierii sanitarnej, Arkady W-wa 1974 4. DTR pomp WILO STAR-RS 8