Functionarea pompelor centrifuge - mecanica fluidelor

MECANICA FLUIDELOR

INDRUMAR DE LABORATOR

FUNCTIONAREA POMPELOR CENTRIFUGE

FUNCTIONAREA POMPELOR CENTRIFUGE

CONSIDERATII TEORETICE

Sunt cele mai raspandite tipuri de pompe in sistemele hidraulice. Ele sunt alcatuite dintr-un rotor cu palete care se roteste in interiorul unui stator.

Figura 1. Pompa centrifuga

Rotor;

Stator;

Palete;

Arbore de antrenare;

Racord de aspiratie;

Racord de refulare.

Functionarea pompei este foarte simpla: fluidul este aspirat axial(in centru pompei) si refulat radial. Paletele sunt curbate in sensul invers a sensului de rotire pentru a asigura o curgere laminara.

In interiorul palelor viteza este foarte mare, intre 8 - 15 m/s. Pentru a micsora viteza  si a creste presiune, racordul de refulare are un diametru mai mare, viteza fluidului ajungand la 4-5 m/s.

Se construiesc pentru debite medii(0,5 m³ ÷ 1,0 m³) si presiuni mici si medii(pana la 9 bar).Energia hidraulica a fluidului este data de energia cinetica(viteza) si de energia potentiala(presiunea).

Pompele nu sunt autoamorsabile, deci pentru a fi puse in functionare este necesara umplerea tubulaturii de aspiratie cu lichid, sau evacuarea aerului din acest tronson.

Caracteristici generale

Debitul (Q) [m³/h] - cantitatea de lichid pompata in unitate de timp. Debitul   (volumic) al pompe este debitul masurat la refularea pompei.

Nivelul de referinta, NN, este un plan in raport cu care se determina cotele tuturor punctelor din instalatie. Punctele situate peste acest nivel au cote pozitive.

Planul de referinta al pompei este situat la cota Zp in raport cu NN, iar sectiunile de intrare si iesire din pompa la cotele Zi si Ze

Inaltimea(sarcina) de pompare (H) [mCA] - reprezinta inaltimea in coloane de apa  pe care o creeaza pompa pentru ca lichidul sa infranga rezistentele hidraulice si sa ajunga la destinatie cu o anumita presiune;

Randamentul (η) [%] - reprezinta raportul dintre cantitatea de energie acumulata de lichid in pompa si cantitatea de energie consumata de pompa  in aceeasi unitate de timp.

Puterea (N)[CP][KW] - reprezinta cantitatea de energie mecanica necesara pompei in unitate de timp pe timpul functionarii sale in scopul asigurarii  unui debit Q si a unei presiuni de refulare H;

In figura 2 este prezentata schematic un sistem hidraulic simplu in care pompa P extrage lichid din tancul R_a, unde este presiunea p_a si al carui nivel de lichid are cota z_a fata de planul de referinta N-N, si o varsa in tancul R_r , unde presiunea este p_r , si al carui nivel de lichid este z_r.

Figura 2. Schema unui sistem hidraulic

Vacuumetrul V masoara presiunea de intrare in pompa p_i, iar manometru M presiunea la iesire din pompa p_e. Pierderile pe tubulatura de aspiratie si pe cea de refulare sunt notate cu h_a si respectiv h_r; fluidul avand o viteza v_a pe aspiratie si o viteza v_r la refulare.

Aplicand ecuatia lui Bernoulli pe traseul de aspiratie vom avea :

z_a + + - h_{a =} z_i+ + = H_i .

Pe tubulatura de evacuare vom avea:

z_r + + + h_{r =} z_e+ + = H_e .

Inaltimea de pompare va fi :

H = H_e  - H_i = z_r - z_a+ + + h_a + h_{r =} Δz _{+ +} +

Relatia de mai sus arata principalele functii ale pompei, si anume : ridicarea lichidului pana la inaltimea Δz, ridicarea presiunii de la p_a la p_r ,modificarea energieie cinetice a lichidului prin cresterea vitezei, si invingerea pierderilor pe tubulatura de aspiratie si de refulare.

Pierderile pe tubulaturi sunt de doua feluri : locale si liniare.

= h_a + h_r =

Traseele de aspiratie si de refulare avand diametrele d_a  si d_r sunt acoperite de debitul Q :

= h_a + h_r =

si  

Inlocuind in relatia de mai sus , vom obtine :

H = Δz ₊ +

Expresia

K_r = +

este o constanta pentru o retea anume.

Vom nota cu :

H_s = Δz ₊ --- sarcina statica.

In acest caz expresia sarcinilor devine :

H = H_s + K_rQ².

Ecuatia de mai sus reprezinta caracteristica retelei, si se poate reprezenta dupa cum se observa ca o parabola. Daca fluidul ar curge in sens invers , expresia ar deveni:

H = H_s - K_rQ².

In figura 3 sunt prezentate mai multe caracteristici ale retelelor cu acceasi incarcare statica, dar care au valori diferite pentru K_r (diferite diametre ale tubulaturilor, coturilor, valvule, etc.).

Figura 3. Caracteristica retelei

Analitic sau experimental se poate determina functia H = f(Q), ce reprezinta caracteristica de sarcina a pompei sau caracteristica interna. In cazul de fata ea are urmatorul aspect

Figura 4. Caracteristica interna a pompei

Puterea hidraulica transmisa lichidului se calculeaza cu formula:

P_h = ρgQH.

Puterea electrica P_el,  este mai mare, trebuind sa acopere atat puterea hidraulica P_h, cat si pierderile din motor.

Randamentul pompei este η =

Randamentul depinde si el de debit. Reprezentarea functiilor P = f₂(Q) si   η = f₃(Q) conduce la curba caracteristica a puterii, respectiv curba caracteristica a randamentului.

Daca pe diagrama caracteristicii de sarcina a pompei (caracteristica interna) se traseaza si caracteristica instalatiei H_R (caracteristica externa), atunci la intersectia celor doua curbe se afla punctul de functionare F(vezi figura 5).

Figura 5. Caracteristica externa a pompei

Prin modificarea caracteristicii instalatiei (de exemplu prin actionarea unei vane) punctul de functionare F se muta in F' si pompa lucreaza la alti parametri: Q', H', P', η'.

Pentru a imbunatatii performantele pompei intr-un sistem hidraulic, putem schimba pozitia punctului de functionare, prin modificarea caracteristicilor retelei. Acest lucru se poate obtine prin mai multe metode. Calea cea mai simpla este sa modificam constanta K_r, prin varierea coeficientilor locali de pierdere ξ si a armaturilor adiacente. De asemenea putem sa schimbam sarcina statica a retelei.

Legarea in serie si in paralel a pompelor centrifuge

Pentru a creste debitul sau sarcina sistemului hidraulic, putem monta pompele in serie sau in paralel.

A) Legarea in paralel

In cazul in care doua sau mai multe pompe sunt legate in paralel, se va obtine un debit mai mare la o sarcina constanta. Pentru doua pompe vom avea :

Q_c = Q₁ + Q₂,

expresie care este de fapt o relatie a continuitatii.

H_c = H₁ = H₂,

arata echilibrul sistemului pompa-retea.

Figura 6. Legarea pompelor in paralel

Cand doua pompe identice sunt legate in paralel, caracteristica interna se obtine prin dublarea abscisei punctelor a caracteristicii interne a unei singure pompe.

Punctul de functionare al sistemului Fc se afla la intersectia celor doua curbe : curba retelei si curba caracteristicii interne. Eficienta sistemului pompelor centrifuge legate in paralel depinde de caracteristicile retelei.

Figura 7. Caracteristicile a doua pompe identice legate in paralel

Se poate observa ca in cazul retelei R, cresterea debitului cu ΔQ in comparatie cu a sistemului cand functioneaza doar o singura pompa, este mai importanta decat cresterea ΔQ' in cazul retelei R'. Se constata de asemenea ca in cazul legarii a doua pompe in paralel apare o crestere a sarcinii, care de asemenea depinde de caracteristicile retelei.

Randamentul celor doua pompe identice este : η₁ = η₂ = η

Randamentul reprezinta fractia dintre puterea utila si puterea consumata.

η = =

Intr-un regim cuplat, fiecare pompa lucreaza la punctul de functionare F, si Q_F = ½ Q_c.

Prin urmare :

P₁ = P₂ =

Randamentul legarii in paralel va fi :

η_CP = =

In cazul in care legam in paralel doua sau mai multe pompe, randamentul general va fi egal cu randamentul fiecarei pompa.

B)    Legarea in serie

Pentru a creste sarcina de pompare folosim legarea in serie a doua sau mai multe pompe centrifuge.

Debitul care curge prin cele doua pompe legate in serie este acelasi :

Q_c = Q₁ = Q₂

iar sarcina de pompare este :

H_c = H₁ + H₂

Figura 8. Legarea pompelor in serie

Pentru a ridica caracteristicile al sistemului insumam odonatele punctelor caracteristice pentru fiecare pompa.

Figura de mai jos prezinta caracteristicile comune a doua pompe identice legate in serie.

Figura 9. Caracteristicile a doua pompe identice legate in serie

Putem usor observa ca in cazul unei retele R obtinem o crestere a sarcinii de pompare decat in cazul retelei R'. De asemenea se va obtine si o crestere a debitului.

Randamentul inserierii este egal cu randamentul fiecarei pompe luata separat.

η_CP = =

DESCRIEREA STANDULUI

Unitatea de demonstratie G.U.N.T HM284 permite investigarea unor procese diferite fiind potrivit pentru experimentele de laborator in institutiile tehnice si universitati.

Aceasta unitate de demonstratie se compune din doua pompe centrifuge a caror parametrii se doresc a fii urmariti, tubulatura propriu-zisa , rezervorul de apa, senzorii care transmit datele inregistrate la calculator, un modulul de colectare a informatiilor ce asigura tensiunea necesara senzorilor si care transmite semnalele masurate la cardul de date din PC, si indicatorul de puterii cedata  sistemului.

Figura 10. Unitatea de demonstratie G.U.N.T HM284

Cu acestea putem efectua diferite determinari:

masurare debitului si presiunii pompei centrifugale;

inregistrarea curbelor caracteristice;

- interdependenta diferentelor debitului si presiunii pompei centrifugale;

- stabilirea curbei caracteristice a pompei;

- curbele caracteristice pentru conectarea in serie sau paralel a doua pompe;

- determinarea eficientei pompei.

Circuitul de apa este compus din :

Tanc transparent de alimentare (1) de 15 litrii cu o vanade golire(14);

Tubulatura de admisie cu supapele fluture de admisie (2), si senzor de presiunea la admisie (4);

Pompe centrifuge ce functioneaza cu un motor alimentat la curent alternativ;

Tubulatura de refulare(13) cu senzorii de presiune la refulare (6) , vana fluture de refulare (7) , cu diafragma de masurare a debitului (8) si cu senzorii de presiune diferentiala (9);

Tubulatura de legare in serie a celor doua pompe (3);

Doua regulatoare de viteza/turatie, ce ne permite sa controlam turatia pompelor printr-un potentiometru (10);

Intrerupatoare inductive ce inregistreaza turatiile n1 si n2 ale rotorului(11);

Casete de protectie (12) ce protejeaza echipamentele electrice de transmite a datelor la calculator.

Figura 11. Schema modulului experimental

LUCRARI DE LABORATOR

Pregatirea echipamentului de lucru

Se alimenteaza modulul de colectare a informatiilor la o sursa de curent alternativ  si si porneste;

Se porneste indicatorul de putere;

Se acceseaza programul HM280.03, apoi trebuie selectat unitatea de demonstratie,in cazul nostru HM284 - Series/Parallel Pump Demonstratator. Apoi se acceseaza fereastra principala de unde se pot porni diferite subprograme.

Lucrarea 1 : Functionarea unei pompe singulare

Figura 12.  Functionarea unei pompe singulare

F1  - diafragma pentru masurarea debitului;

n1, n2  - senzori ce indica turatia;

P1, P2, P3   - senzori de presiune;

V1, V2, V3, V4, V5 , V6  - vana fluture.

Etapele ridicarii caracteristicii de functionare a pompei

Inchideti complet vana V5;

Alegeti turatia dorita a pompei si notati aceasta valoare;

Pentru a produce o noua curba, mai intai trebuie specificate variabilele masurate pentru a fi prezentate. Pentru a face asta apasati butonul (9)(vezi figura 13).

Figura 13

Apoi veti vedea o lista cu variabilele masurate disponibile. Daca pentru abscisa poate fi folosita doar o singura variabila masurata, pentru ordonata pot fi folosit maximum 4 variabile diferite. Se va alege pe abscisa volumetric flow iar pe ordonata differenatial presure, si ce alte caracteristici se doresc ai fi urmarite(turatia, puterea, etc.).

Apoi trebuie sa ii dati un nume fisierului. Pentru a face asta,apasati butonul (4). O fereastra se va deschide, in care puteti introduce numele fisierului si orice comentariu.

Daca valorile masurate sunt satisfacatoare si stabile,butonul (6) este folosit pentru a da un nou punct de masurare pe curba.

Deschideti vana V5 usor si dati inca un nou punct de masurare.

Repetati aceasta procedura, in pasi mici, pana se deschide complet vana V5 si toata curba este afisata.

Observatii

Daca vreti sa stergeti un punct de masurare, selectati-l folosind (3) si apoi apasati butonul (5).Valoarea curenta x este afisata.

Intr-un singur grafic pot fi inserate mai multe curbe,prin crearea unei noi curbe folosind butonul ( 4).Daca sunt mai multe curbe,curbele pot fi activate individual si editate folosind butonul (1). Aceasta iti permite sa adaugi puncte de masurare mai tarziu.

Butonul (7) este folosit pentru printarea curbei, in timp ce butonul (8) printeaza valorile masurate in forma tabelara.

Cand ati terminat curba,valorile masurate pot fi salvate intr-un fisier cu 'Save curve' sau 'Save all curves' in meniul fisierului.

Puteti de asemenea sa reincarcati o masurare mai veche pentru a fi folosita ca si comparatie cu comanda 'load curve'.

Pentru a sterge o curba,mai intai trebuie sa alegeti pe care vreti sa o stergeti cu 'select curve'.

Puteti sa stergeti apoi curba folosind 'Delete curve' din  meniul fisierului.

Pentru a schimba scara, puteti alege limitele inalte si joase de pe axele x si y direct in fereastra graficului folosind mouse-ul si apoi introduceti alte valori.

Lucrarea 2 : Functionarea a doua pompe legate in serie

Figura 14.  Functionarea a doua pompe legate in serie

F1    - diafragma pentru masurarea debitului;

n1, n2  - senzori ce indica turatia;

P1, P2, P3   - senzori de presiune;

V1, V2, V3, V4, V5 , V6  - vana fluture.

Etapele de ridicare a caracteristicii de functionare a pompei sunt asemanatoare cu cele prezentate la functionarea unei pompe singulare.

Lucrarea 3 : Functionarea a doua pompe legate in paralel

Figura 15.  Functionarea a doua pompe legate in serie

F1 - diafragma pentru masurarea debitului;

n1, n2  - senzori ce indica turatia;

P1, P2, P3   - senzori de presiune;

V1, V2, V3, V4, V5 , V6  - vana fluture.

Etapele de ridicare a caracteristicii de functionare a pompei sunt asemanatoare cu cele prezentate la functionarea unei pompe singulare.