НАГНЕТАТЕЛИ И ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Общие сведения и классификация нагнетателей
Нагнетатели - устройства, преобразующие механическую работу в кинетическую и потенциальную энергии подвижной среды.
Типы нагнетателей:
· компрессоры;
· вентиляторы;
· насосы.
Двигатели - машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу.
Существуют 5 типов двигателей:
1. паровые машины;
2. паровые турбины;
3. газовые турбины;
4. реактивные двигатели;
5. двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Турбина - двигатель, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела, в качестве которого используют пар, газ, воду.
Рабочий поток воздействует на лопатки, закрепленные по окружности ротора турбины, тем самым приводит ротор в движение.
По принципу действия турбины делятся на: активные и реактивные.
По конструкции турбины делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.
Также бывают турбины стационарные и транспортные.
В качестве отличительных признаков при классификации нагнетателей используют:
1. тип среды;
2. устройство для перемещения капельных жидкостей (насосы).
3. устройство для перемещения газообразных средств (вентиляторы и компрессоры).
Для вентиляторов степень повышения давления составляет ? ? 1,15, а для компрессоров ? > 1,15.
Компрессора в отличие от вентиляторов требуют искусственного охлаждения рабочих полостей.
Классификация нагнетателей
1. По принципу действия нагнетатели делятся:
· объемные;
· лопастные.
В объемных нагнетателях давление повышается за счет непосредственного сжатия жидкости, а в лопастных давление повышается за счет скручивания потока жидкости. Объемные нагнетатели, работающие при поступательном движении рабочего тела относят к поршневым. А те нагнетатели, которые работают при вращательном движении рабочего тела относят к пластинчатым и зубчатым.
2. Все лопастные нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего тела, разделяют на:
· центробежные;
· осевые;
· вихревые.
3. В зависимости от вывода нагнетатели делят на:
· электрические;
· пневматические;
· ручные;
· паровые.
4. В зависимости от соединения нагнетатели делятся:
· одно- и многоступенчатые;
· параллельные (двойного всасывания).
5. Для перемещения нагретых жидкостей насосы делят на сетевые и конденсаторные, а вентиляторы преобразуют в дымососы.
6. Для превращения агрессивных сред насосы делятся на бензиновые и кислотные, а вентиляторы защищают от взрыва и коррозии.
нагнетатель кинематика жидкая среда центробежный
Основные виды и области применения нагнетателей
Поршневой нагнетатель
В цилиндрическом корпусе плотно размещается поршень. При движении поршня в одну сторону через всасывающий клапан жидкость всасывается, при движении в обратную сторону через нагнетательный клапан жидкость вытесняется. К достоинствам поршневых нагнетателей относят высокий коэффициент полезного действия (КПД), возможность создания высокого давления, независимость производительности от противодавления. К недостаткам относят громоздкость; затруднительность соединения с электродвигателем; сложность регулирования и не равномерность подачи из-за наличия клапанов. Поршневой нагнетатель используется в качестве насосов и компрессоров.
Пластинчатый нагнетатель
В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор с выскальзывающими пластинами, которые прижимаясь к внутренней поверхности корпуса, вытесняют жидкость через нагнетательный патрубок и одновременно засасывают жидкость через всасывающий патрубок, обратное перетекание жидкости предотвращается из-за минимального зазора между ротором нагнетателя и его корпусом. К недостаткам пластинчатого нагнетателя относят низкий КПД, так как существуют потери через торцевые зазоры, а также потери на трение пластин, быстрый износ пластин. К достоинствам можно отнести компактность, простоту конструкции, отсутствие клапанов, реверсивность, независимость передачи от гидравлического сопротивления сети. Применяется в качестве насосов и компрессоров.
Зубчатый нагнетатель
В открытом с двух сторон плоском корпусе с минимальным торцевым зазором располагается пар сцепленных между собой шестерен. При вращении зубья захватывают жидкость и переносят ее из стороны всасывания в сторону нагнетания, не пропуская обратно жидкость благодаря минимальному зазору между зубьями. Одна из шестерен приводится в движение электродвигателем, который расположен с ней на одной оси, а вторая получает вращение от первой. Достоинства и недостатки схожи с пластинчатым нагнетателем. Используется зубчатый нагнетатель в качестве насосов для перекачки вязких жидкостей и реже в качестве компрессоров.
Вихревой нагнетатель
В цилиндрическом корпусе между двумя патрубками расположен ротор с выступающими рабочими лопастями. Между концами лопастей и корпусом образуется кольцеобразная полость, которая перекрывается между патрубками перемычкой. При вращении ротора жидкость захватывается и переносится по окружности к другому патрубку. При этом сжимается из-за неоднократного перетекания из полости на лопасть и обратно. Используются вихревой нагнетатель в качестве насосов. К достоинствам относят реверсивность, простоту конструкции, создание высокого давления. Недостатком является низкий КПД.
Осевой нагнетатель
Рабочее колесо машины состоит из втулки к которой прикреплены профилированные лопатки, которые устанавливаются под углом к плоскости вращения. Рабочее колесо установлено в корпусе при вращении рабочего колеса жидкость подтекает к лопаткам, проходит между ними и уходит с рабочего колеса. Траектория движения потока практически параллельно оси вращения рабочего колеса. К достоинствам относят компактность, простоту конструкции и высокую производительность. Недостатком является низкое давление. Используют осевой нагнетатель в качестве вентилятора, насоса и компрессора.
Центробежный (радиальный) нагнетатель
В корпусе размещается рабочее колесо, закрепленное на валу нагнетателя. Вал соединен с электродвигателем. Через всасывающий патрубок жидкость заходит в корпус нагнетателя, в котором разворачивается на 900 проходит между лопастями рабочего колеса и попадает в пространство между колесом и корпусом. Пройдя по спирали, жидкость выходит из корпуса через нагнетательный патрубок. Достоинством центробежного нагнетателя является высокая производительность. К недостаткам относят громоздкость, сложность монтажа к трубопроводу. Используют центробежный нагнетатель в качестве вентилятора, насоса, компрессора.
Прямоточный нагнетатель
Перемещаемая среда сначала движется в осевом направлении и поступает во вращающееся рабочее колесо. Под действием центробежных сил среда проходит в радиальном направлении в межлопастном пространстве, поворачивается на 900 и выходит по кольцу через радиальный лопастной диффузор. Достоинством прямоточного нагнетателя является компактность. К недостаткам относят небольшой КПД и малую производительность. Используют прямоточный нагнетатель в качестве вентилятора, насоса.
Смерчевой нагнетатель
Рабочее колесо с небольшим числом лопаток, прикрепленных к заднему диску, вращается, тем самым возникает вихревое течение в центральной и периферийной частях такого нагнетателя возникает перепад давления создающих движение потока. Достоинства и недостатки схожи с прямоточным нагнетателем. Используют смерчевой нагнетатель только в качестве вентилятора.
Основные законы
В гидроаэродинамике термин «жидкость» применяют и к легко сжимаемым газообразным веществам (пар, газ), и к мало сжимаемым капельным веществам (вода, масло). Жидкости изменяют свое состояние и свойства при смене внешних условий. Вода при нормальном атмосферном давлении и уменьшении температуры ниже 0 0С превращается в лед, несколько расширяясь в объеме, соответственно при 100 0С и выше вода испарятся. При уменьшении давления температура парообразования снижается. Газы при известных условиях могут быть снижены или приведены до твердого состояния. Капельные жидкости по сравнению с газообразными имеют большую плотность, которая практически не зависит от давления и при уменьшении давления на 1Мпа объем воды увеличивается всего на 0,5%. Также плотность капельных жидкостей практически не зависит от температуры. Для воды повышение температуры от 0 0С до 100 0С приводит к увеличению объема не более чем на 4%, но и этого достаточно для создания естественной циркуляции теплоносителя в простых системах центрального отопления (без насосов).
Плотность газов существенно зависящих от температуры от температуры от давления подчиняется уравнению pV = RT. Плотность газов в малой степени зависит от их влажности. При увеличении относительной влажности, которая определяется отношением парциального давления содержащихся водяных паров к их парциальному давлению при полном насыщении с 0,5 до 1. Плотность газов при обычной температуре уменьшится не менее чем на 0,5% , поэтому влажность газов при пересчетах обычно не учитывают. Помимо плотности жидкости характеризуется вязкостью, то есть силами внутреннего трения, возникающие при её движении. Коэффициент кинематической вязкости воды при нормальных условиях равен , а для воздуха . Используя данный коэффициент и зная геометрический размер трубопровода, находят характер движения жидкостного потока по формуле Рейнольдса .
При работе нагнетателей всегда поток турбулентный. Капельные жидкости в отличи от газов обладают капиллярностью, то есть свойствами подниматься или опускаться по капиллярным трубкам. Происходит это под действием сил поверхностного натяжения между молекулами жидкости и твердого тела. Подъем жидкости происходит в том случаи когда жидкость смачивает поверхность трубки, прилегая к ней, вода и спирт поднимается по капиллярным трубкам. Если смачивание трубок не происходит, то жидкость опускается по трубкам, как в случаи с ртутью. Поверхность жидкости в капилляре называется мениском.
Существуют 3 основных закона, по которому работают нагнетатели.
1. Закон сохранения массы. Выражается уравнением неразрывности или сплошности потока.
Масса жидкости проходящая через каждое сечение канала в единицу времени есть величина постоянная.
Где М - массовый расход, кг/с; Q - объёмный расход, м3/с; F - площадь поперечного сечения канала; - плотность жидкости кг/м3. - средние скорости потока жидкости, м/с.
При ламинарном режиме: а при турбулентном режиме :.
Термин «расход» применяют к трубопроводу или потребителю, а термин «подача» к нагнетателю.
2. Закон сохранения энергии. Выражается уравнением Бернулли( для идеальной несжимаемой жидкости).
где Н - полный напор, м.
- динамический (скоростной) напор, выражает запас кинетической энергии единицы веса жидкости.
- пьезометрический напор, который выражает запас потенциальной энергии, связанный с давлением.
Z - геометрический напор, который показывает высоту отсчитываемую от условной отметки.
Неразрывность потока при движении капельных жидкостей может быть нарушена из-за местного понижения давления, что приводит к закипанию жидкости и парообразованию.
Для вязкой жидкости существуют потери энергии, тогда уравнение Бернулли преобразуется:
где- потери напора между сечениями.
Если канал расположен строго горизонтально, то уравнение имеет вид:
.
Зная, что то можем преобразовать уравнение:
Если записывать потери энергии в терминах давления, то:
,
Где - потери на трение, Па; - коэффициент трения (от 0,02 до 0,03), l - длина трубопровода, м;-коэффициент местного сопротивления (локальные потери), с- скорость потока жидкости, м2/с; d- диаметр трубопровода, м.
3. Закон сохранения импульса. Изменение количества движения массы жидкости в единицу времени равно сумме всех внешних сил, действующих на эту массу.
.
Основные параметры работы нагнетателей
К основным параметрам относятся:
· Производительность (подача);
· Напор;
· Давление;
· Потребляемая мощность;
· КПД.
Производительность - количество вещества, подаваемая в единицу времени. Подача не зависит от рода перекачиваемой среды. Она зависит от размера нагнетателя, скорости движения потока жидкости и от свойств трубопровода. Подача бывает массовая, которая при отсутствии утечек одинакова для всех течений рабочей области нагнетателей. Также существует объемная подача, которая практически одинакова в насосах и вентиляторах, а в компрессорах из-за существенного сжатия перемещаемой среды объемная подача по длине проточной части уменьшается.