GiG Budownictwo	Przemysław Węc Bartłomiej Urbanek Mateusz Tylus	Rok: II	Grupa: 5/1	Rok akademicki 2012/2013
Temat 1: Zdejmowanie charakterystyki pompy wirowej Temat 2: Inwentaryzacja rurociągu
Data wykonania: 09.01.2013	Data oddania: 16.01.2013	Zwrot do poprawy:	Data oddania:	Data zaliczenia:

akademia górniczo - hutnicza

im. Stanisława Staszica Krakowie

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest przyswojenie wiedzy na temat pracy pompy i układu pompowego oraz przedstawienie metody pomiarów i obliczeń wielkości charakteryzujących pompy. Drugą częścią ćwiczenia było dokonanie charakterystyki przepływu cieczy przez rurociąg poprzez obliczenie strat ciśnień dynamicznych i liniowych.

1. Wstęp teoretyczny.

Pompa - robocza maszyna transportowa do podnoszenia cieczy z poziomu niższego na wyższy, np. ze studni do zbiornika, albo do przetłaczania cieczy z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym, np. z otwartego zbiornika do kotła parowego; działanie pompy opiera się na wytwarzaniu różnicy ciśnień między stroną ssawną i stroną tłoczną ruchomego elementu roboczego (czynnego).

W pompach wirowych głównym organem roboczym jest obracający się z dużą prędkością wirnik wyposażony w łopatki. Za pomocą łopatek energia pobierana z silnika napędzającego przenosi się na ciecz i powoduje jej przepływ przez pompę.
W celu zwiększenia wydajności i wysokości podnoszenia stosuje się pompy wielostopniowe o szeregowo równoległym układzie wirników. Pompy odśrodkowe mają bardzo szeroki zakres wydajności przy wysokości podnoszenia.

Pompy helikoidalne – ciecz przepływa w kierunku osiowo promieniowym. Wirnik ma tylko jedną tarcze o kształcie zbliżonym do stożka która stanowi całość z łopatkami. Ciecz płynie do spiralnego kanału zbiorczego w kadłubie – jednostopniowe poziome lub pionowe. Pompy uzyskują stosunkowo dużą wydajność.

Pompy diagonalne – ciecz przepływa w kierunku osiowo promieniowo osiowym .Wirnik podobny do helikoidalnej. Ma też kierownice z łopatkami prostującymi strugi cieczy wypływające z silnika kierunek jest ukośny.

Pompy śmigłowe – budowane w układach pionowych i poziomych. Przepływ cieczy ma stały kierunek osiowy. Oprócz wirnika ma kierownice usytuowana za wirnikiem. Zadaniem łopatek kierownicy jest usprawnienie przemiany materii kinetycznej cieczy na energię ciśnienia.

Pompy odwracalne – zadaniem tej pompy jest magazynowanie nadwyżek energii elektrycznej w godzinach nocnych kiedy zużycie prądu jest małe. Zamiast oddzielnych maszyn hydraulicznych stosuje się maszyny odwracalne. Maszyny te mogą pracować jako pompy jak i turbiny. Urządzenia takie współpracują z jedną maszyną elektryczną która pracuje jako silnik lub prądnica.

Wysokość podnoszenia jest to różnica pomiędzy ciśnieniem na wlocie i na wylocie pompy, wyrażona w metrach słupa pompowanej cieczy, oznaczona literą H_p. Na wysokość podnoszenia składa się wysokość tłoczenia i wysokość ssania.

Hp=Ht + Hs

Wysokość tłoczenia jest to rzeczywista pionowa odległość między osią nasady ssawnej pompy, a punktem najwyższego rzutu wody, mierzona w metrach.

$$Ht = \frac{Pt - Pa}{\gamma}$$

Pt- ciśnienie tłoczenia

Pa- ciśnienie atmosferyczne

γ- ciężar właściwy wody

Pt = P1 + (S−S0+1,4) *  γ

So-depresja początkowa

γ-ciężar właściwy wody

Sprawność całkowita pompy η jest to jest to stosunek mocy użytecznej pompy do mocy pobieranej przez pompę na wale. Sprawność całkowitą możemy obliczyć ze wzoru:

⋅100 [%]

Nu- moc użytkowa pompy

Ns- moc silnika pompy

Wydajność jest to ilość cieczy jaką może dostarczyć pompa w jednostce czasu , mierzona w dm³/min lub m³/h, wydajność oznaczamy literą Q.

Rzeczywista wydajność pompy Q_r (Q) jest to suma natężenia przepływu w przekroju króćca wylotowego i cieczy odprowadzanej (również przed króćcem tłocznym) na własne potrzeby pompy np. chłodzenie łożysk, dławic itp.

Moc na wale (sprzęgle) pompy P_w jest to moc pobierana przez pompę i określona przez bezpośredni pomiar momentu napędzającego pompę lub określana pośrednio przez pomiar mocy pobieranej przez silnik Ps .

P_w= P_sη_s

η_s – sprawność silnika napędowego

Moc użyteczna (efektywna) pompy N_u jest to moc zużyta na zwiększenie energii pompowanej cieczy.

N_u =P ×Q [W]

Charakterystyki pomp wirowych:

Przy eksploatacji pompy znajomość jej nominalnych parametrów pracy jest niewystarczająca, ponieważ pompa bardzo rzadko pracuje w układzie przy swoich nominalnych parametrach, podlegając regulacji narzucanej przez układ. W przypadku pomp wirowych dostosowanie się pompy do warunków układu pompowego następuje samoczynnie. Z tych względów konieczna jest znajomość zmian parametrów pompy w warunkach pracy odbiegających od nominalnych. Jest to konieczne szczególnie przy współpracy kilku pomp w układzie.

W pompach wirowych rozróżniamy trzy podstawowe charakterystyki:

- Charakterystyka przepływu H = f(Q), obrazująca zmienność wysokości podnoszenia H od wydajności Q. Jest to główna charakterystyka pracy pompy. Niekiedy nazywana jest krzywą dławienia, gdyż otrzymuje się ją przy badaniach pompy i zmianie jej parametrów przez dławienie przepływu na przewodzie tłocznym.

- Charakterystyka poboru mocy pampy P_w= f(Q), odniesiona do wału, za pomocą którego moc silnika napędowego jest przejmowana przez pompę(w literaturze obcej często nazywana mocą na sprzęgle pompy).

- Charakterystyka sprawności pompy η = f(Q), określająca zmianę stosunku efektywnej mocy, zużytej na zmianę parametrów pracy, do mocy pobieranej przez pompę o zmiennej wydajności.

Krzywe charakterystyczne otrzymujemy w wyniku przeprowadzonego badania (próby) pompy. Zmieniając opory przepływu tłoczenia, najczęściej przez dławienie zasuwą, zmieniamy tym samym wysokość podnoszenia H, w wyniku czego ulega zmianie wydajność pompy Q. Otrzymujemy w ten sposób zależność H = f(Q).

Charakterystyka rurociągu jest to zależność między wysokością strat hydraulicznych w instalacji rurociągu a natężeniem przepływu:

Δh = f(Q)

Punkt pracy pompy wyznacza się dzięki przecięciu charakterystyki pompy z charakterystyką rurociągu.

Współczynnik strat na długości

W trakcie przepływu cieczy lub gazu rurociągiem następuje zamiana energii mechanicznej płynu na energię cieplną spowodowana istnieniem jego lepkości. Jeżeli przewód jest poziomy, z dwóch składników energii mechanicznej, które mogłyby się zmieniać, tj. energii kinetycznej i energii potencjalnej ciśnienia spada tylko energia ciśnienia, natomiast pierwszy z wymienionych składników pozostaje stały.

Spadek ciśnienia Δp zależy od następujących czynników:

• od parametrów geometrycznych rury:

a) średnicy wewnętrznej,

b) długości, na której występuje spadek ciśnienia,

c) chropowatości wewnętrznej powierzchni przewodu,

• od własności fizycznych cieczy:

a) lepkości dynamicznej,

b) gęstości,

• od wielkości charakteryzujących ruch płynu (od prędkości przepływu w).

W rurociągach mają miejsce straty energii, które powstają wskutek zmiany kierunku przepływu cieczy w kolankach czy załamaniach, na skutek zmiany przekroju poprzecznego przewodu (np. gwałtowne rozszerzenie lub zwężenie), w dyfuzorach, konfuzorach oraz przy przepływie przez urządzenia dławiące, jak np. zasuwy, przepustnice, zawory itp. Tego rodzaju straty, spowodowane przez przeszkody znajdujące się na drodze przepływu, nazywamy stratami miejscowymi lub lokalnymi.

Wzory:

Straty calkowite            Pst = Pstat + Pdyn

Straty statyczne            Pstat = g * h * ρ

Straty dynamiczne      Pdyn = Pdlin + Pdmiejs

$$Straty\ liniowe\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Pdlin = \frac{\lambda_{i}8\rho*Li*\text{Qi}^{2}}{\pi^{2}*\text{di}^{5}}$$

$$Straty\ miejscowe\ \ \ \ \ \ \ Pdmiejs = \xi\frac{8\rho*Li*\text{Qi}^{2}}{\pi^{2}*\text{di}^{4}}$$

$${Lambda,\ wspolczynnik\ strat\ linowych\ \ \ \ \ \ \ \lambda}_{i} = \frac{1}{\left\{ 2log(\frac{3,72}{\varepsilon}) \right\}^{2}}$$

$$Epsylon,\ wzgledna\ chropowatosc\ rury\ \ \ \ \ \ \ \varepsilon = \frac{k}{\text{di}}$$

g – przyspieszenie ziemskie 9,81[ m/s²]

h – wysokość zwierciadła wody w studni [m]

ρ –gęstość wody 1000 [kg/m³]

L_i – długość poszczególnego elementu [m]

Q_i – przepływ w poszczególnej próbie [m³/h]

d_i – średnica poszczególnego elementu [m]

k – bezwzględna chropowatość rury 0,0005 [m]

1. Otrzymane wyniki

   1. Charakterystyka pompy dla poszczególnych przepływów

Depresja początkowa	S0=	0,25 m	Ciśnienie początkowe	P0=	-0,02 MPa
Ciśnienie	Wysokość zwierciadła wody	Przepływ	Ciśnienie tłoczenia	Moc użyteczna	Wysokość podnoszenia	Sprawność
P1 [MPa]	S [m]	Q [m^3/h]	Pt [MPa]	Nu [kW]	Hp [m]	ηi [%]
0,52	0,43	7,05	0,57	1,13	48,27	20,47
0,51	0,48	9,97	0,57	1,57	47,3	28,47
0,49	0,52	12,98	0,55	1,97	45,3	35,77
0,47	0,56	14,02	0,53	2,05	43,3	37,25
0,45	0,61	16,96	0,51	2,39	41,31	43,39
0,42	0,67	20,02	0,48	2,65	38,31	48,25
0,41	0,72	22,2	0,47	2,88	37,35	52,43
0,38	0,76	24,04	0,44	2,93	34,33	53,19
0,35	0,8	26,12	0,41	2,96	31,31	53,88
0,3	0,87	29,12	0,36	2,9	26,28	52,82

3.2 Straty ciśnienia dla poszczególnych przepływów

Przepływ Q [m^3/h]	7,05	9,97	12,98	14,02	16,96	20,02	22,2	24,04	26,12	29,12
Straty liniowe [Pa]	7449	1488	25253	29462	43114	60075	73870	86623	102261	127100
Straty miejscowe [Pa]	13263	26524	44957	52450	76755	106950	131510	154213	182053	226274
Straty dynamiczne [Pa]	20712	41423	70210	81912	119868	167025	205380	240836	284315	353375
Straty statyczne [Pa]	15402	14911	14519	14126	13636	13047	12557	1214	11772	1105
Straty całkowite [Pa]	20712	41423	70210	81912	119868	167025	205380	240836	284315	35375

3.3 Wysokość strat ciśnienia dla poszczególnych przepływów

Przepływ Q [m^3/h]	7,05	9,97	12,98	14,02	16,96	20,02	22,2	24,04	26,12	29,12
Wysokość strat ciśnienia [m]	3,80	5,90	8,40	10	13,9	18,7	22,6	26,2	30,7	37,7

Punkt pracy pompy wyniósł: 28m dla 25 m³/h

Wnioski :

• Doświadczenie przeprowadzaliśmy dwuetapowo. Najpierw dokonaliśmy charakteryzacji rurociągu. 2 tygodnie później zajęliśmy się charakteryzacją pracy pompy. Sprawozdanie wymagało zbadania obu tych elementów, ponieważ tworzą one jeden współpracujący układ.

• Do badania wykorzystano pompę o mocy 5,5 kW i wydajności 36 m³/h. Zadane nam było użycie 95% obrotów. Powinniśmy byli uzyskać największy przepływ na poziomie 34,2 m³/h. Tak się nie stało. Zakończyliśmy nasze ćwiczenie na przepływie 29,12 m³/h tj. 81%. Było to spowodowane brakiem wody w studni. Dla uzyskanego przepływu moc użyteczna pompy wynosiła 2,9 kW czyli ok. 53 % sprawności pompy. Warto zauważyć, że minimalnie większa sprawność (różnica na poziomie 0,4 %) dla przepływu 24,04 % wydajności pompy. Po przekroczeniu tej wartości wykres sprawności spada. Podobnie ma się z wykresem mocy użytkowej pompy, która rośnie do tej granicy a następnie powoli spada.

• Wzrost przepływu wiąże się ze wzrostem strat dynamicznych. Straty statyczne maleją. Wiąże się to ze spadkiem lustra wody w studni. Największymi stratami okazały się straty miejscowe, ponieważ w naszym układzie brało udział wiele elementów tj. Kolanka, dyfuzory, zawory itd. Najmniejsze straty zanotowano dla strat statycznych. Na podstawie zebranych danych możemy wnioskować, że straty rosną wraz ze wzrostem wydajności.

• Zwiększanie przepływu jest związane z majlejącym ciśnieniem i depresją czyli malejącą wysokością lustra wody w studni. Wynika to z poboru wody za pomocą pompy. Wysokość podnoszenia spada wraz ze wzrostem sprawności pompy. W trakcie badania pompa była zanurzona. Dlatego H_s wynosi 0, natomiast H_t to zależność ciśnienia w studni, ciśnienia atmosferycznego i ciężaru wody. Przyjęte wartości to :
  ciśnienie atmosferyczne = 1013 hPa,
  ciężar wody = 9810 N/m³

• Z wykresu odczytaliśmy punkt pracy pompy. Wartość ta wynosi około
  28m dla 25 m³/h.