Выбор электрооборудования
26.10.2021

Расчет основных технических показателей насосной установки. Произвести гидравлический расчет насосной установки для перекачки нефти

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Ярославский государственный технический университет»

Кафедра « Процессы и аппараты химической технологии»

Расчетное задание

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

РАСЧЕТ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Задание выполнила

студентка С.С. Ковальчук

Преподаватель

канд. техн. наук, доцент

А.В. Сугак


Введение

Насосные установки широко применяются во всех отраслях народного хозяйства: в промышленности, в строительстве, на транспорте, в сельском хозяйстве. Это предусматривает знание теоретических основ гидравлики и умение выполнять практические гидравлические расчеты для широкого курса специалистов.

Задание охватывает «Расчет насосной установки» охватывает комплекс наиболее важных прикладных расчетов в области гидравлики и рекомендуется для выполнения студентами, изучающими курс «Процессы и аппараты химической технологии».

Приступая к выполнению задания, следует внимательно изучить его содержание, ознакомиться с научно – технической и учебной литературой.

При выполнении расчетного задания необходимо руководиться следующей методикой:

1) Изобразить схему насосной установки в соответствии с принятым вариантом;

2) выполнить расчет трубопровода, построить расчетную характеристику сети в координатах: потребный напор Н, расход жидкости V;

3) Осуществить подбор насоса и нанести характеристики насоса на график с изображением характеристики сети;


1. Расчетное задание

Начальные данные:

жидкость вода;

температура t – 40 С о;

расход V ж – 10 л/с – 0,01 м 3 /с;

геометрический напор Н г – 25 м;

давление в резервуарах – Р 1 = 0,1 МПа, Р 2 = 0,15 МПа;

общая длина трубопровода L – 150 м.

Местные сопротивления на трубопроводе ξ:

На всасывающей линии:

заборное устройство (обратный клапан с защитной сеткой) 1 шт.=4,3;

плавный поворот (отвод) 2 шт.=0,14*2=0,28;

На напорной линии:

задвижка (или вентиль) 1 шт. = 0,5;

плавный поворот (отвод) 2 шт. = 0,14*2 = 0,28;

выход из трубы (в аппарат Б) 1 шт. = 1.

Число оборотов рабочего колеса n = 3000 об/мин.

Рисунок 1. Схема насосной установки.


2. Гидравлический расчет трубопровода

2.1 Выбор диаметра трубы

Диаметр трубы рассчитывают по формуле

(1)

гдеd – диаметр трубы (расчетный), м;

V – заданный расход жидкости, м 3 / с;

W – средняя скорость жидкости, м/с.

Расчет по (1) выполняют отдельно для всасывающей линии и напорной, при этом W принимают для всасывающей линии 0,8 м/с, для напорной 1,5 м/с.

Действительный диаметр трубы равен

d 1 =159 x 5.0 мм

d 2 =108 x 5.0 мм

По принятому действительному диаметру трубы уточняют среднюю скорость жидкости


2.2 Определение высоты установки насоса (высота всасывания)

Допустимую высоту всасывания рассчитывают по формуле

где- допустимая высота всасывания, м;

Р 1 – заданное давление в расходном резервуаре, Па;

Р н.п. – давление насыщенных паров жидкости при заданной температуре, Па;

Ƿ - плотность жидкости, кг/м 3 ;

Потери напора во всасывающей линии, м;

Допустимый кавитационный запас, м.

Определение допустимого кавитационного запаса

Критический запас

где V – производительность насоса (заданный расход жидкости), м 3 /с;

n – частота вращения рабочего колеса насоса, об/мин.


Допустимый кавитационный запас увеличивают по сравнению с критическим на 20…30 %

Расчет потерь напора во всасывающей линии

Расчет выполняется по принципу сложения потерь напора

(5)

гдеλ – коэффициент трения;

l 1 – длина всасывания линии, м;

d 1 – диаметр всасывающей трубы, м;

ξ обр.кл. ξ п.п. – коэффициенты местных сопротивлений;

w 1 – скорость жидкости во всасывающей линии, м/с.

Коэффициент трения зависит от критерия Рейнольдса Re и относительной шероховатостью

λ = f(Re,E) (6)

Критерий Ренольдса вычисляют по формуле

(7)

гдеρ – плотность жидкости, кг/м 3 ;

μ – коэффициенты динамической вязкости, Па.с.

Относительная шероховатость (гладкость) вычисляют по формуле

где е – величина эквивалентной шероховатости.

При расчете критерия Ренольдса мы показали что режим турбулентный, а значит коэффициент трения выбирается по графику Г.А. Мурина

Рассчитываем потери напора по формуле (5)

насос трубопровод мощность электродвигатель


Величина l 1 по заданию связана с определенной величиной h вс. . Поэтому расчет выполняют методом последовательных приближений. Для этого необходимо:

Задаться величиной l 1с м;

Определить h п.вс. ;

Вычислить h вс;

Проверить условие l 1 =h dc +3 м

Отклонение меньше чем 10% поэтому расчет верный.


Длины участков В диктующей точке Z6 У подошвы В.Б. Уровня воды в колодце У насосной станции LВС Lнаг 1 78 50 52 50 51 19 106 Количество тракторов-38, вид животных-лисицы и песцы, количество животных-333 Рис.1. Схема водопроводной сети. 1. Расчет водоснабжения поселка 1. Определение расчетных расходов потребителей Расчет водопотребления сводится к определению: ...

Которые необходимы строителю для принятия правильного решения внутренней планировки зданий, для выбора целесообразных строительных конструкций. 1. Расчет проекта инженерных сетей внутреннего водопровода 1.1 Задание на курсовой проект Требуется составить проект внутреннего водопровода и коммуникаций двухсекционного пятиэтажного жилого дома на 40 квартир. Общее число приборов в этом доме...

1. Определение основных параметров насоса

1.1 Определение производительности насоса

Производительность насоса определяется по следующей формуле:

где Q max. сут. - максимальный суточный расход воды потребителями поселка (исключая расход на противопожарные нужды), м 3 ;

Т - продолжительность работы насосной установки (берется с графика водопотребления), ч.

1.2 Определение напора

Напор насосной установки зависит от выбранной схемы подачи воды.

Рис.1. Схема насосной установки: 1 - колодец; 2 - приемный клапан с сеткой; 3 - колено; 4 - насос; 5 - обратный клапан; 6 - регулировочная задвижка; 7 - водонапорная башня

Поскольку вода в ВБ находится под атмосферным давлением, то напор определим по следующей зависимости:

где Н 0 - геометрическая высота подъемы воды, м;

h - потери напора на линиях всасывания и нагнетания, м.

Геометрическая высота подъема определяется по формуле:

где Z к - геодезическая отметка уровня воды в колодце, м;

Z б - геодезическая отметка уровня ВБ, м.

Потери напора определяются как сумма потерь напора на линиях всасывания и нагнетания:

2. Определение потерь напора

Поскольку на трубопроводе имеются местные сопротивления, то, согласно принципу наложения потерь, общие потери напора на нем являются алгебраической суммой потерь по длине и потерь напора в местных сопротивлениях и определяются по следующей зависимости:

где - коэффициент гидравлического сопротивления трения; l - длина трубопровода, м; d - диаметр трубопровода, м; i - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Выбираем скорость движения для всасывающих линий 1 м/с для диаметров труб от250 до 800 мм.

По выбранной скорости и расходу определяем диаметр трубопровода по формуле:

Коэффициент гидравлического сопротивления трения определяем по следующей методике:

Находим число Рейнольдса по формуле:

Коэффициент кинематической вязкости, м 2 /с., при

Т. к. R e > 2320 (режим турбулентный), определяем составной критерий:

Где - абсолютная шероховатость, м

При = 10…500, коэффициент определяют по формуле Альтшуля (переходная зона):

Колено () - 0,8 м. Приемный клапан с сеткой - 39 м.

Потери напора на линии нагнетания:

Vнаг=1,3…2, 0 м/с

По выбранной скорости и расходу определяем диаметр трубопровода по формуле:


м. А=6,959


Т.к. R e > 2320 (режим турбулентный), определяем составной критерий:

Где - абсолютная шероховатость, м, (м.2, стр16, приложение 2)

При = 10…500, коэффициент определяют по формуле Альтшуля (переходная зона):

обратный клапан 32 м .

регулировочная задвижка на линии нагнетания: lэкв=0,6 м

Потери напора: м

Напор: м

3. Выбор насоса для насосной установки

На сводный график полей насосов типа К и КМ (К - насос консольный, КМ - насос консольно-моноблочный) наносим координаты Q и H и находим точку их пересечения. Данная точка лежит в поле насоса К160/30 с частотой вращения n = 1450

К160/30, D К =168, D В =50, n =1450

4. Определение рабочей точки насоса

Для определения рабочей точки строим совместный график характеристики выбранного насоса и суммарной характеристики всасывающего и нагнетающего трубопроводов насосной станции. Характеристику насоса строим по данным насоса, а суммарную характеристику трубопроводов по следующей зависимости:

где А Н - удельное сопротивление трубопроводов (характеристика) насосной станции, с 2 /м 5 ;

где Н а - напор в т. А, м;

Q а - расход в точке А, м 3 /с.

5. Определение параметров обточки колеса и мощности насоса

Рабочая точка насоса очень редко совпадает с расчетной. Для того, чтобы обеспечить перевод работы насоса из т. Р в т. А существует несколько способов.

Изменение крутизны характеристики трубопроводов за счет дросселирования потока воды на выходе из насоса задвижкой. При закрытии задвижки кривая Н с пойдет круче.

Изменение заводской характеристики насоса:

а) изменение частоты вращения;

б) подрезание диаметра рабочего колеса

Первый способ наиболее простой, но менее эффективный, т.к снижается к. п. д. установки. Второй способ (а) применяется редко из-за сложности систем регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей, используемых для привода центробежных насосов. В случае 2 (б) сохраняется высокий к. п. д. установки при минимальных издержках на переоборудование установки, следовательно воспользуемся им.

Для расчета параметров насоса при обточке колеса воспользуемся теорией подобия. Если соотношение действительного диаметра к подрезанному обозначить через (коэффициент обточки), т.е. то математическая зависимость между основными показателями насоса будет выглядеть следующим образом:

Из данной формулы следует, что с уменьшением диаметра колеса, характеристики насоса будут проходить ниже заводских. При определенном значении одна из характеристик пройдет через т.А. Задача сводится к нахождению значения. Также следует учитывать, что чрезмерная обточка колеса не допускается из-за снижения к. п. д. Пределы обточки принимают в зависимости от коэффициента быстроходности насоса n S:

Где n - число оборотов рабочего колеса

Q - расход насоса, м 3 /с;

Н - напор насоса, м

Поскольку n S получилось в пределе 120 … 200, то выбираем пределы обточки 11 … 15%.

Для определения значения коэффициента обточки задаемся максимальным значением коэффициента, равным 1,2. Определяем координаты т.2:

Значение Х можно определить через Н 1 и Q 1:

Искомую величину коэффициента обточки получаем, как среднее арифметическое значений Х 1 и Х 2:

6. Выбор электродвигателя

Мощность электродвигателя для привода насоса с подрезанным колесом определяется по формуле:

Где k - коэффициент запаса мощности, принимаемый равным 1,3;

Плотность воды, кг/мі;

пер - к. п. д. передачи от двигателя к насосу (0,98-1);

об - к. п. д. насоса с обточенным колесом, определяемый по формуле:

где р - к. п. д. насоса с нормальным колесом в рабочей точке (Мет2 Приложение 5).

Где р - к. п. д. насоса с нормальным колесом в рабочей точке.

Значения Q, N и Н для насоса с обточенным колесом.

По мощности и частоте вращения из каталога подбираем асинхронный двигатель: АИР 100 S2 Nдв=4 кВт n = 3000 об/мин

Работа насосов характеризуется рядом параметров, основными из которых являются подача, напор (давление), потребляемая мощность, полезная мощность, КПД.

Рассмотрим каждый из основных параметров подробнее.

1. Подача насоса Q – количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени.

Считая, что в насосе жидкость практически не сжимается, чаще всего пользуются объёмной подачей (м 3 /с), реже – массовой подачей (кг/с).

2. Напор насоса H – разность энергий единицы веса жидкости в сечении потока после насоса и перед ним (или приращение удельной энергии перекачиваемой жидкости на участке от входа в насос до выхода из него). (см. фрагмент № 1Г, рис. 1).

где z 1 – расстояние от оси всасывающего патрубка до плоскости сравнения, м;

z 2 – расстояние от оси нагнетательного патрубка до плоскости сравнения, м;

р 1 и р 2 – абсолютные давления жидкости на входе и выходе насоса, Па;

V 1 и V 2 – скорости жидкости на входе и выходе насоса, м/с.

Напор насоса выражается в метрах водяного столба.

Давление насоса р и его напор Н связаны соотношением р = ρgH , где ρg – удельный вес рабочей жидкости.

3. Мощность насоса N – энергия, подводимая от двигателя к насосу в единицу времени (Вт). N = М кр ·n , где М кр – крутящий момент на валу двигателя; n – частота вращения вала.

4. Полезная мощность N п – мощность, сообщаемая насосом жидкости (Вт). N п = р Q , где р – давление, Па; Q – объёмная подача, м 3 /с.

5. Мощность насоса N больше полезной мощности N п на величину потерь. Эти потери оцениваются КПД насоса η = .

Каждый насос снабжён паспортом, в котором приведена характеристика насоса, то есть зависимость основных параметров от подачи (для динамических насосов) или от давления (для объёмных насосов).

Подробнее о характеристике центробежного насоса см. Фрагмент № 3Г, о характеристике поршневого насоса см. Фрагмент № 4Г.

ПРИМЕЧАНИЕ.

Для любителей точных формулировок приводим выдержки из ГОСТ 17398 – 72:

ОБЪЁМНАЯ ПОДАЧА НАСОСА – отношение объёма подаваемой жидкой среды ко времени.

НАПОР НАСОСА – величина, определяемая зависимостью.

МОЩНОСТЬ НАСОСА – мощность, потребляемая насосом.

ПОЛЕЗНАЯ МОЩНОСТЬ НАСОСА – мощность, сообщаемая насосом подаваемой жидкой среде и определяемая зависимостью N п = р Q.

КПД НАСОСА – отношение полезной мощности к мощности насоса.

Основная расчетная схема изображена на рис. 11.

Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений

h w = ∑h f + ∑h i , м, (86)

где ∑h f - сумма потерь напора по длине, м;

∑h i - сумма местных потерь напора, м.

Если трубопровод на всем протяжении имеет постоянный диаметр, то вместо ∑h f можно записать просто h f .

Потери напора по длине при наличии одного транзитного расхода, например, на участке I (рис. 9) определяется по формуле

h f = (Q 2 /k 2)l, м, (87)

где Q - расход, м 3 /с;

l - длина трубопровода, м;

k - расходная характеристика, которая зависит от диаметра трубопровода d и коэффициента шероховатости n, м 3 /с. Для большинства водопроводных труб
n = 0,0125.

Зависимость расходной характеристики k от диаметра трубы при n=0,0125 показана на рис. 11.

Местные потери напора h i определяются по формуле, м,

h i = ξ(Q 2 /2gw 2), (88)

где ξ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от конструкции сопротивления (ξ сетки = 9,7; ξ колена = 0,2; ξ задвижки = 0,3);

w = πd 2 /4 - площадь сечения потока, м 2 .

Тогда общие потери напора при наличии одного транзитного расхода, м.

h w = Q 2 [(l/k 2) + (∑ξ/2gw 2)], (89)

Рис. 11. Зависимость расходной характеристики от диаметра трубы

Рис. 12. Схема путевого расхода

При наличии путевого расхода (рис.13), м,

h f = 1/3(Q 2 /k 2)l, (90)

В соответствии с рис. 13 участки I, II, III, IV - пропускают транзитный расход, а на участках V и VI имеется только путевой расход.

Суммарное сопротивление получается сложением гидравлических сопротивлений отдельных участков. При этом необходимо обращать внимание на то, как работают участки - последовательно или параллельно. Если участки работают последовательно (рис. 13, а), то при одном и том же расходе потери напора складываются. Если участки работают параллельно (рис.13, б), то определяют расход на каждом из участков и на основании этого рассчитывают их сопротивления. Общее сопротивление разветвленного участка

h w ∑ = (h w 1 + h w 2 + … + h wi)/i, (91)

где i - число параллельных участков.

Выбор насоса производится с учетом его совместной работы с трубопроводом.

Напор насоса проектируемой насосной установки, м,

Н = H r + h w , (92)

где H r - геометрический напор, м;

h w - потери напора, м.

Далее, руководствуясь капором Н и производительностью Q, по каталогу выбирают марку насоса. Если насос подобрать не удается, необходимо изменить один из параметров (например давление истечения струи) и выполнить повторный расчет.



Мощность на привод насоса определяют по формуле, кВт,

N = γQH/102η, (93)

где γ - плотность жидкости, кг/м 3 ;

η - КПД насосной установки.

В расчетах можно применять η = 0,76 … 0,79.

Рис. 13. Схемы соединения участков трубопроводов: а) последовательное соединение; б) параллельное соединение

Рис. 14. К расчету привода щеток: а) схема работы щетки; б) деформация щетки

Насос, во избежание появления кавитации, лучше устанавливать как можно ниже по отношению к уровню воды в заборном колодце. Если высота насоса над уровнем воды более 3 м, необходимо произвести дополнительный расчет на возможность кавитации.

Схема насосной установки

Насосы

Высота расположения оси насоса h вс называется высотой всасывания всасывающим трубопроводом или линией всасывания h н называется высотой нагнетания нагнетательным (напорным) или линией нагнетания Н

1 – насос; 2 – приемный резервуар; 3 – исходный резервуар; 4 – всасывающий трубопровод; 5 – нагнетательный трубопровод; 6 – вакуумметр; 7 – манометр

Рисунок – Схема насосной установки:

Работа насоса характеризуется следующими параметрами:

Подача (производительность ) – это объем или масса жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени, Q (м 3 /с; м 3 /ч; кг/с; кг/ч; л/ч).

Напор – это избыточная удельная энергия, сообщаемая единице массы жидкости в насосе, Н (м).

Мощность на валу – мощность, подводимая к насосу, N в (В).

,

где – коэффициент полезного действия насоса

Полезная мощность – это мощность, сообщаемая жидкости в насосе, N п (В).

,

– плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ;

– ускорение свободного падения, м/с 2 ;

– подача насоса, м 3 /с;

– напор насосной установки, м.

Коэффициент полезного действия – это характеристика эффективности насоса в отношении передачи энергии. Определяется как отношение полезной мощности к мощности на валу, η (%)


Перепад уровней энергии, за счет которого жидкость течет по трубопроводу, может создаваться работой насоса, что широко применяется в машиностроении. Рассмотрим совместную работу трубопровода с насосом и принцип расчета насосной установки.

По трубопроводу, представленному на рисунке 2.1, перекачивается жидкость из нижнего резервуара (исходный резервуар) с давлением P 1 в другой резервуар (приемный резервуар) с давлением P 2 . Высота расположения оси насоса h вс называется высотой всасывания , а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу, всасывающим трубопроводом или линией всасывания . Высота расположения конечного сечения трубопровода h н называется высотой нагнетания , а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, нагнетательным (напорным) или линией нагнетания . Высота от начального сечения трубопровода до конечного Н г называется геометрической высотой подъема жидкости.

Рис. 2.1 – Схема насосной установки:

1 – насос; 2 – приемный резервуар; 3 – исходный резервуар;

4 – всасывающий трубопровод; 5 – нагнетательный трубопровод;


6 – вакуумметр; 7 – манометр

2.1.1. Определение напора насосной установки

Напор насосной установки может быть представлен как разность удельных энергий жидкости до насоса и после него.

где – удельная энергия жидкости до насоса, м;

– удельная энергия жидкости после насоса, м.

В общем случае удельная энергия может быть представлена как:

,

где – удельная потенциальная энергия положения, м;

– удельная потенциальная энергия давления, м;

– удельная кинетическая энергия, м.

Обозначим абсолютное давление жидкости в сечении 4 –4 (сечение в точке установки манометра) Р н – давление нагнетания, а абсолютное давление в сечении 3 –3 обозначим Р вс – давление всасывания. За плоскость сравнения возьмем сечение 1 –1 . Тогда удельная энергия в сечении 4 –4 , то есть после насоса будет равняться:

,

где – скорость жидкости в нагнетательном трубопроводе, м/с.

Удельная энергия в сечении 3 –3 , то есть до входа в насос будет равняться:

,

где – скорость жидкости во всасывающем трубопроводе, м/с.

Тогда напор насосной установки будет равен:

1 –1 и 3 –3 1 –1 :

,

1 –1 , то естьв исходном резервуаре, м/с;

– потери напора во всасывающем трубопроводе, м.

.

Запишем уравнение Бернулли для сечения 4 –4 и 2 –2 , за плоскость сравнения примем сечение 1 –1 :

где – скорость движения жидкости в сечении 2 –2 то есть в приемном резервуаре, м/с;

.

Подставим выражения (2.7) и (2.9) в формулу (2.5):

.

.

Таким образом, напор насосной установки расходуется на подъем жидкости на высоту Н Г, преодоление разности давлений Р 2 и Р 1 и на преодоление сопротивлений трубопровода h п.

При определении напора насоса удельные энергии Э 1 и Э 2 можно брать в любых сечениях до и после насоса. Но в этом случае необходимо учитывать потерю напора при движении жидкости между этими сечениями, т.е. напор насоса можно выразить:

.

2.1.2. Измерение напора насосной установки с помощью приборов

Напор насосной установки может быть измерен с помощью приборов: манометра и вакуумметра. Давление нагнетания Р н может быть представлено как:

где – атмосферное давление, Па;

– манометрическое давление, показания манометра, Па.

А давление всасывания Р вс:

,

где – вакуумметрическое давление (показание вакуумметра), Па.

Подставим выражение (2.11) и (2.12) в формулу (2.5):

.

.

Для измерения напора насосной установки с помощью приборов необходимо сложить показания манометра и вакуумметра, выразив их в единицах измерения напора, расстояние между этими приборами и разность скоростных напоров в нагнетательном и всасывающем трубопроводе.



Случайные статьи

Вверх