Giáo trình Bơm, quạt, máy nén

Nội dung text: Giáo trình Bơm, quạt, máy nén

1. TruongSimpo DHChương SPKTPDF I.MởTP.Merge HCM đầu and Split Unregistered Version - 14 . Công suất trên trục a- Công suất thuỷ lực: ký hiệu Ntl (có đơn vị đo là W) là cơ năng mà dòng chất lỏng trao đổi với máy thuỷ lực trong một đơn vị thời gian. Công suất thuỷ lực được tính bằng tích của cột áp với lưu lượng trọng lượng của máy. Ntl GH QH (1.6) b- Công suất làm việc: ký hiệu N (có đơn vị đo làW) là công suất trên trục của máy khi máy làm việc. Công suất thuỷ lực khác công suất trên trục. Quá trình làm việc trong máy càng hoàn thiện thì N và Ntl càng ít khác nhau. . Đối với bơm: N > Ntl N QH N tl   (1.7) Hệ số  < 1 gọi là hiệu suất của bơm. . Đối với động cơ: N < Ntl N N tl QH (1.8) Hệ số  < 1 gọi là hiệu suất của động cơ thuỷ lực. Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh c- Hiệu suất của máy thuỷ lực, ký hiệu  ( đo bằng % hoặc không có đơn vị đo) dùng để đánh giá tổn thất năng lượng trong qúa trình máy trao đổi năng lượng với dòng môi chất. Từ công thức (1.7) và (1.8) ta có: N  tl (1.9) B N N Đ (1.10) N tl Trong điều kiện làm việc, các hiệu suất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: loại máy, kích thước và cấu tạo của máy, loại môi chất chuyển động trong máy, chế độ làm việc của máy, các đặc tính của mạng mà máy làm việc trong đó. Để đánh giá hiệu năng lượng của hệ thống chung gồm có máy và động cơ của nó, người ta còn sử dụng hiệu suất của hệ thống ht: N tl ht N ĐĐ Trong đó NĐĐ – công suất điện để khởi động động cơ. Để tính hiệu suất chung của máy thuỷ lực, người ta đánh giá thông qua các dạng tổn thất. Thu vien DH SPKT TP. HCM -
2. TruongSimpo DHChương SPKTPDF I.MởTP.Merge HCM đầu and Split Unregistered Version - 15 e- Tổn thất năng lượng trong máy thuỷ lực: có 3 dạng . Tổn thất cột áp của dòng môi chất chảy qua máy gọi là tổn thất thuỷ lực, được đánh giá bằng hiệu suất thuỷ lực, còn gọi là hiệu suất cột áp, ký hiệu H . Tổn thất do ma sát của các bộ phận cơ khí trong máy thuỷ lực gọi là tổn thất cơ khí, được đánh giá bằng hiệu suất cơ khí, ký hiệu CK . Tổn thất do rò rỉ môi chất làm giảm lưu lượng làm việc của máy gọi là tổn thất lưu lượng được đánh giá bằng hiệu suất lưu lượng, ký hiệu Q Hiệu suất chung của máy thuỷ lực là:  = H.Q.CK (1.11) BÀI TẬP Bài I-1 Một máy thủy lực (bơm nước) tiêu hao công suất trên trục N = 18,9 kW, hiệu suất của máy = 0,71. Xác định các thông số của bơm: lưu lượng, cột áp. p Biết áp suất dư tại cửa ra của bơm 2 50,8m và độ chân không ở cửa vào  pCK 3m , đường kínhCopyright ống hút ©D Truong1 = 100mm, DH Su đường pham kínhKy thuat ống đẩyTP. HoD2 Chi= 75mm, Minh 1 = 2 = 1 .  Hình 1.3 Giải: 1) Công thức tính cột áp: p p v2 v2 H 2 1 2 1 , bỏ qua độ cao hình học theo đề bài  2g p p v2 v2 Hay H AK CK 2 1  2g Thu vien DH SPKT TP. HCM -
3. TruongSimpo DHChương SPKTPDF I.MởTP.Merge HCM đầu and Split Unregistered Version - 16 Vận tốc v1 , v2 được xác định từ phương trình liên tục: Q = v1S1 = v2S2 Q 4Q Q 4Q Ta có: v1 2 ; v2 2 S1 d 1 S2 d 2 Thay các giá trị vào ta được phương trình đường đặc tính lưới: 2 2 pAK p CK 16Q 16Q 2 16 16 H 2 4 2 4 53,8 Q 2 4 2 4  2g d 2 2g d1 2.9,81. .0,075 2.9,81. .0,1 H,,Q 53 8 3437 3 2 QH 2) Công thức tính công suất tiêu hao trên trục: N  N 18, , 9 103 0 71 1379, Hay H Q 9, 81 . 10 3 .Q Q Kết hợp 2 phương trình cột áp, ta thu được phương trình bậc 3 theo lưu lượng Q: 1379, 53,,Q 8 3437 3 2 hay 3437,Q,Q, 33 538 1379 0 Q Giải phương trình ta thu được: Q = 0,025 m3/s = 25 l/s Vậy cột áp sẽCopyright là: H © Truong53 , 8 3437DH Su , 3 . 0pham , 0252 Ky 55thuat , 95 m TP. Ho Chi Minh Đáp số: Q = 25 l/s ; H = 55,95 m Bài I-2 Một máy bơm nước tiêu hao công suất trên trục N = 5,5 kW. Tính các thông số : cột p áp, lưu lượng và hiệu suất của bơm. Biết áp suất dư ở cửa ra của bơm 2 20m (cột nước)  p và áp suất chân không tại cửa vào của bơm CK 4m , tốc độ trong đường ống đẩy v = 4  m/s, đường kính ống đẩy d2 = 75mm, đường kính ống hút d1 = 100mm. Hình 1.4 Thu vien DH SPKT TP. HCM -
4. TruongSimpo DHChương SPKTPDF I.MởTP.Merge HCM đầu and Split Unregistered Version - 17 Đáp số: Q = 17,65 l/s ; H = 24,56m ; N = 4,24kW ;  = 0,75 Bài I-3 H p Một máy bơm nước có tỷ số đ 0, 01475 có áp suất ra 2 60m ; áp suất vào H t  pCK1 3m đường kính ống hút D1 = 200mm, đường kính ống đẩy D2 = 150mm.  Xác định các thông số của bơm: H, Q, N. Biết hiệu suất  = 76% và z1-2 = 0. Đáp số: H = 64m ; Q = 92 l/s ; N = 76kW Bài I- 4 Một bơm nước đặt cách bể hút A với độ cao hút zh = 1,36m. Hệ số tổn thất trong đường ống hút  = 4. Tính các thông số của bơm: lưu lượng , cột áp và công suất trên trục. Biết áp suất dư ở p cửa ra của bơm 2 8186, m và chân không ở cửa vào bơm H 4m ;đường kính ống hút  CK và đẩy D1 = 300mm, D2 = 200mm; hiệu suất của bơm  = 76%. Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Hình 1.5 Đáp số: Q = 820 m3/h ; H = 88m ; N = 259 kW. Thu vien DH SPKT TP. HCM -
5. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - CHƯƠNG II : KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BƠM 2.1- ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 2.1.1- Định nghĩa Bơm là máy để tạo ra dòng chất lỏng. Hay nói cách khác, bơm là máy dùng để di chuyển chất lỏng và tăng năng lượng của dòng chất lỏng. Khi bơm làm việc năng lượng mà bơm nhận được từ động cơ sẽ chuyển hoá thành thế năng, động năng và trong một chừng mực nhất định thành nhiệt năng của dòng chất lỏng. Vậy bơm là loại máy thuỷ lực dùng để biến đổi cơ năng của động cơ thành năng lượng để vận chuyển chất lỏng hoặc tạo nên áp suất cần thiết trong hệ thống truyền dẫn thuỷ lực. 2.1.2- Phạm vi sử dụng Bơm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực: . Trong nông nghiệp:bơm là thiết bị không thể thiếu để thực hiện thuỷ lợi hoá chăn nuôi trồng trọt. . Trong công nghiệp: bơm được sử dụng trong các công trình khai thác mỏ, quặng dầu hay các công Copyrighttrình xây dựng. © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh . Hiện nay trong kỹ thuật vận chuyển, phát triển xu hướng dùng bơm và đường ống dẫn để vận chuyển các sản phẩm của ngành khai thác mỏ ( quặng dầu), hoá chất, nguyên vật liệu xây dựng, và đó là phương tiện vận chuyển thuận lợi và kinh tế. . Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến, nó là một trong những bộ phận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động thuỷ lực trong máy. 2.1.3- Phân loại a. Theo nguyên lý làm việc và cấu tạo của bơm (tương tự như phân loại ở trên) b. Theo công dụng: . Bơm cấp nước nồi hơi ( trong các nhà máy nhiệt điện) . Bơm dầu ( trong các hệ thống truyền động thuỷ lực) . Bơm nhiên liệu . Bơm cứu hoả . Bơm hoá chất c. Theo phạm vi cột áp và lưu lượng sử dụng: Người ta chia bơm thành các loại: bơm có cột áp cao, trung bình hoặc thấp; bơm có lưu lượng lớn, trung bình hoặc nhỏ. Thu vien DH SPKT TP. HCM -
6. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - Trong kỹ thuật có 3 loại bơm được sử dụng rộng rãi là bơm ly tâm, bơm hướng trục và bơm piston. Biểu đồ phân bố phạm vi sử dụng của các loại bơm thông dụng trên được thể hiện trên hình 2.1 H,m 10000 Bơm piston 1000 Bơm ly tâm 100 10 Bơm hướng trục 1 3 10 100 1000 10000 Q, m /h Hình 2.1 – Phạm vi sử dụng của các loại bơm thông dụng 2 2 - CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CƠ BẢN Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh P4 4 4 Bể chứa zđ ống đẩy z K2 3 3 AK y CK Động cơ K 2 ống hút 1 zh p1= pa Bơm 1 1 Bể hút Hình 2.2 – Sơ đồ hệ thống bơm Thu vien DH SPKT TP. HCM -
7. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - Bơm bao giờ cũng làm việc trong một hệ thống đường ống. Để biết rõ công dụng, quá trình làm việc và các thông số cơ bản của bơm, ta nghiên cứu sơ đồ thiết bị của một bơm làm việc trong hệ thống đơn giản trên hình 2.2 Khi bơm làm việc, chất lỏng từ bể hút qua lưới chắn rác theo ống hút đi vào bơm. Sau khi qua bơm, chất lỏng được bơm cấp cho năng lượng chảy vào ống đẩy để lên bể chứa. Từ bể chứa chất lỏng được phân phối về các nơi tiêu thụ. Trong hệ thống truyền động thuỷ lực, chất lỏng sau khi ra khỏi bơm có áp suất cao, qua bộ phận phân phối đi vào động cơ thuỷ lực để thực hiện các chuyển động của những cơ cấu làm việc. Bơm có 5 thông số làm việc cơ bản: lưu lượng Q, cột áp H, công suất N, hiệu suất  và cột áp hút cho phép [HCK]. Ta sẽ lần lượt nghiên cứu các thông số này. 2.2.1- Lưu lượng Là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vị thời gian. Tuỳ thuộc đơn vị đo có 3 loại lưu lượng: lưu lượng thể tích Q có đơn vị đo là m3/s, l/s, m3/h ; lưu lượng khối lượng M có đơn vị đo là kg/s, kg/h, g/s ; lưu lượng trọng lượng G có đơn vị đo là N/s, N/h, kG/s, Lưu lượng của bơm được xác định bằng các dụng cụ đo trung bình lắp trên ống đẩy như ống Venturi, lưuCopyright lượng kế © kiểuTruong màng DH chắnSu pham hoặc Ky các thuat dụng TP. cụ Ho đo Chi trung Minh bình bằng thùng lường hoặc cân đặt ở cuối ống đẩy. Các loại dụng cụ đo này chỉ xác định được giá trị trung bình của lưu lượng trong một đơn vị thời gian nào đó. 2.2.2- Cột áp: ký hiệu H (m) Là năng lượng đơn vị mà bơm truyền được cho chất lỏng. Từ sơ đồ hệ thống làm việc của bơm (hình 2.2), ta có: H = era - evào = e3 - e2 p v2 p v2 3 3 2 2 H zh y z h  2g  2g p p v2 v2 H y 3 2 3 2 (2.1)  2g Trong đó: p2, p3 – là các áp suất tuyệt đối p2 p a p CK ; p3 p a p AK pCK, pAK – là trị số áp suất đọc được trên chân không kế và áp kế. Thu vien DH SPKT TP. HCM -
8. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - p p p p Do đó: 3 2 AK CK   Công thức tính cột áp của bơm sẽ thành: p p v2 v2 H y AK CK 3 2 (2.2)  2g Trong hệ thống bơm ta lấy hệ số hiệu chỉnh động năng = 1 vì dòng chảy trong hệ thống bơm có tiết diện ống nhỏ và vận tốc nước lớn người ta thường coi là dòng chảy rối và được gọi là dòng chảy rối kích thước bé. Nếu đường kính ống hút và đường kính ống đẩy bằng nhau và không trích lưu lượng trên đường ống đẩy thì v2 = v3 và khoảng cách y có thể bỏ qua ( y 0 ) thì trị số cột áp có thể xác định bằng các trị số đọc được của áp kế và chân không kế lắp ở miệng vào và ra của bơm: p p H AK CK (2.3)  Khi không có các số liệu đo được cụ thể của bơm đang làm việc như pCK, pAK mà chỉ có các số liệu yêu cầu của hệ thống làm việc như p1 , p4 , z ta có thể tính cột áp yêu cầu của bơm theo các giá trị năng lượng ở bể hút và bể chứa như sau: Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Viết phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (1-1) và (2-2): p v2 p v2 1 1 z 2 2 h (2.4)  2g h  2g wh p p v2 v2 2 1 1 2 Hay z h hwh (2.5)   2g 2g hwh – tổng tổn thất năng lượng ở ống hút. Từ đây ta thấy, nếu p1 = pa và v1 nhỏ thì áp suất ở miệng vào của bơm p2 < pa tức là p2 phải được đo bằng chân không kế. Phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (1-1) và (2-2) còn được viết đơn giản là: e1 e 2 h wh hay e2 e 1 h wh Tương tự ta viết phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (3-3) và (4-4): p v2 p v2 3 3 z 4 4 h (2.6)  2g d  2g wd p p v2 v2 3 4 3 4 Hay zd hwd (2.7)   2g 2g hwđ – tổng tổn thất năng lượng ở ống đẩy. Thu vien DH SPKT TP. HCM -
9. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - v2 v2 3 4 Ta thấy, thường nhỏ hơn zd h wd rất nhiều nên p3 > p4; nếu p4 = pa thì 2g 2g p3 > pa tức là áp suất ở miệng ra của bơm phải được đo bằng áp kế. Phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (3-3) và (4-4) còn được viết đơn giản là: e3 e 4 h wd Thay e2 và e3 vào phương trình cột áp, ta có: H e3 e 2 e 4 h wd e 1 h wh e4 e 1 h wh h wd e 4 e 1 h w p p v2 v2 Hay H z z 4 1 4 1 h 4 1  2g w p p v2 v2 H z 4 1 4 1 h (2.8)  2g w hw = hwh + hwđ – tổng tổn thất năng lượng trong hệ thống. Từ công thức (2.4) ta thấy cột áp yêu cầu của bơm dùng để khắc phục: . Chênh lệch độ cao hình học giữa mặt thoáng bể chứa và bể hút, còn gọi là độ cao dâng z Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh p p . Độ chênh áp suất trên mặt thoáng bể chứa và bể hút 4 1  v2 v2 . Độ chênh động năng giữa bể chứa và bể hút 4 1 2g . Tổn thất năng lượng trong hệ thống đường ống hw. Cột áp của bơm làm việc trong một hệ thống cũng chính là cột áp của hệ thống. p p Các thành phần z và 4 1 là những đại lượng không thay đổi đối với một hệ thống  cho trước, do đó: p p H z 4 1 gọi là cột áp tĩnh của hệ thống (2.9) t  2 2 v4 v1 Còn các số hạng và hw là những đại lượng thay đổi theo lưu lượng của hệ 2g thống, tức là phụ thuộc vận tốc dòng chất lỏng trong ống, do đó: v2 v2 H 4 1 h - gọi là cột áp động của hệ thống (2.10) d 2g w Vậy: H = Ht + Hđ (2.11) Thu vien DH SPKT TP. HCM -
10. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - Nếu biểu diễn bằng đồ thị phương trình cột áp của hệ thống (2.8) ta sẽ được đường cong biểu thị đặc tính làm việc của hệ thống gọi là đường đặc tính của hệ thống hay còn gọi là đường đặc tính lưới. H,m 2 Hđ = kQ Hđ Ht 0 Q Q, m3/s Hình 2.3 – Đường đặc tính lưới 2.2.3- Công suấtCopyright và hiệu © suấtTruong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Theo (1.6) ta có công thức tính hiệu suất thuỷ lực của bơm là: Ntl GH QH (2.12)  - khối lượng riêng của chất lỏng, tính bằng N/m3 Q - lưu lượng của bơm, m3/s H - cột áp toàn phần của bơm, m Muốn tạo được Ntl ( còn gọi là công suất có ích) thì trục bơm phải có công suất lớn hơn, vì trong khi làm việc bơm phải tiêu hao một phần năng lượng để bù vào các tổn thất thuỷ lực và tổn thất ma sát giữa các bộ phận làm việc của bơm, N QH N tl (2.13)    < 1 là hiệu suất toàn phần của bơm, % N QH Hiệu suất là:  tl (2.14) N N Khi chọn động cơ để kéo bơm, cần phải chọn công suất của động cơ Nđc lớn hơn công suất tại trục N để đề phòng trường hợp quá tải và bù vào tổn thất do truyền động từ động cơ đến bơm. Nđc = k.N (2.15) Thu vien DH SPKT TP. HCM -
11. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - k > 1 – hệ số an toàn phụ thuộc từng loại bơm, động cơ và công suất làm việc. 2.2.4- Cột áp hút và chiều cao hút cho phép Khả năng làm việc của bơm phụ thuộc rất nhiều vào quá trình hút của bơm. Trong quá trình bơm hút chất lỏng, bánh công tác phải tạo được độ chênh áp nhất định giữa miệng hút của bơm và mặt thoáng của bể hút. Độ chênh áp này gọi là cột áp hút của bơm, nhờ nó mà chất lỏng chảy từ bể vào bơm. 2 pa 2 zh 1 1 Hình 2.4 – Sơ đồ lưới trên đường ống hút Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh p p H 1 2 (2.16) h  p1 , p2 - áp suất ở mặt thoáng của bể hút và lối vào của bơm Nếu p1 = pa ( áp suất khí trời) thì cột áp hút bằng cột áp chân không tại lối vào của bơm. p p HH a 2 (2.17) h CK  Thay phương trình (2.4) vào phương trình trên ta có: p p v2 H 1 2 z 2 h (2.18) h  h 2g w Ta thấy cột áp hút của bơm dùng để khắc phục chiều cao hút zh , tổn thất trên ống hút 2 hw và tạo nên động năng cần thiết của dòng chảy ở miệng vào của bơm v2 /2g. Suy ra cột áp hút tuỳ thuộc vào trị số áp suất trên mặt thoáng của bể hút mà áp suất này lại có giới hạn nhất định. Trường hợp p1 = pa theo công thức (2.18) ta thấy khả năng hút tối đa của bơm ứng với khi áp suất p2 = 0 là: Thu vien DH SPKT TP. HCM -
12. TruongSimpo DHChương SPKTPDF II.KháiTP.Merge HCM niệmand Splitchung Unregistered về bơm Version - p HH a  10mH O h max CK max  2 Vậy điều kiện để bơm làm việc được là: v2 H z 2 h H (2.19) h h 2g w CK max Thực tế cột áp hút của bơm khi p1 = pa không bao giờ đạt được đến 10 mH2O vì áp suất ở miệng ra của bơm khi nhỏ đến một mức nào đó bằng áp suất hơi bão hoà của chất lỏng tại nhiệt độ làm việc thì sẽ gây ra hiện tượng xâm thực trong bơm. Hiện tượng xâm thực Khi chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định sẽ sôi và bốc hơi bão hoà dưới một áp suất nhất định. Aùp suất này gọi là áp suất hơi bão hoà pbh. Bảng áp suất hơi bão hoà của nước: Nhiệt độ, toC 0 10 20 30 40 60 80 100 120 p 0,06 0,12 O,24 0,48 0,75 2,03 4,83 10,33 20,2 bh ,m  Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Như vậy ở một nhiệt độ nào đó, khi áp suất trong chất lỏng bằng áp suất hơi bão hoà pbh thì chất lỏng sẽ sôi, tạo nên nhiều bọt khí trong dòng chảy. Các bọt khí này bị dòng chảy cuốn vào những vùng có áp suất p > pbh , sẽ ngưng tụ lại đột ngột thành những giọt chất lỏng có thể tích nhỏ hơn rất nhiều so với thể tích của bọt khí. Do đó trong dòng chảy xuất hiện những khoảng trống cục bộ, thu những phần tử chất lỏng xung quanh xô tới với vận tốc rất lớn, làm cho áp suất tại đó đột ngột tăng lên rất cao, có khi tới hàng ngàn atmôtphe. Aùp suất cục bộ này có thể làm rỗ bề mặt kim loại, phá hỏng các bộ phận làm việc của máy. Hiện tượng này gọi là hiện tượng xâm thực, thường xảy ra trong các máy thuỷ lực có áp suất nhỏ, nhiệt độ cao. Nhất là ở nơi chất lỏng có vận tốc và áp suất thay đổi đột ngột. Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, dòng chảy bị gián đoạn, gây tiếng động bất thường và máy bị rung nhiều, lưu lượng, cột áp và hiệu suất của máy bị giảm đột ngột. Hiện tượng xâm thực kéo dài sẽ làm các bộ phận làm việc của máy bị phá hỏng. Để tránh hiện tượng xâm thực, cần thoả mãn điều kiện: p p 2 bh   Cho nên để tránh hiện tượng xâm thực, đối với từng loại bơm được sản xuất ra, trong các tài liệu kỹ thuật đều có ghi cột áp chân không cho phép [HCK] ứng với pa = 1 at và t = 20oC. Điều kiện để bơm có đầy đủ khả năng hút là: Thu vien DH SPKT TP. HCM -