Definicija i klasifikacija

Transcript

1 Pumpe

2 Definicija i klasifikacija Radne hidrauličke mašine koje mehaničku energiju dobijenu od motora predaju fluidu koji kroz njih protiče. Pumpe se primenjuju za transport tečnosti koje su praktično nestišljive, koje mogu biti čiste ili pomešane sa čvrstim materijalima, različite gustine i temperature, hemijski neutralne ili agresivne i dr. Pumpe se dele prema: Principu dejstva, Konstruktivnim karakteristikama, Oblastima primene. Prema vrsti fluida koji se tretira pumpe se dele na: Pumpe za čistu vodu; Pumpe za prljavu i hemijski agresivnu vodu; Pumpe za naftu i derivate nafte; Pumpe za hidromešavine; Pumpe za suspenzije, itd.

3 Klasifikacija pumpi Prema principu dejstva pumpe se dele na: Zapreminske, Obrtnostrujne (turbo) i Strujne pumpe. Zapreminske pumpe (radni fluid kroz njih struji periodično, a radni organ se kreće ili periodično (klip, membrana) ili obrtno (rotor, zupčanik, zavojno vreteno, itd.). U zapreminske pumpe spadaju : Klipne pumpe prostog dejstva dvostrukog dejstva diferencijalnog dejstva. Rotacijske pumpe Zavojne Zupčaste Krilne Membranske pumpe

4 Klasifikacija pumpi Kod turbomašina (turbo pumpi) radni element (radno kolo) rotirajući određenom ugaonom brzinom predaje energiju, dobijenu od motora, na fluid koji kroz njega protiče i povećava mu kinetičku energiju. Tako dobijen višak kinetičke energije transformiše se u pritisnu energiju u elementu iza radnog kola. U zavisnosti od pravca strujanja fluida u radnom kolu, turbo pumpe dele se na: Radijalne/Centrifugalne; Dijagonalne; Aksijane. Osnovni princip dejstva strujnih mašina je da se energija jednog fluida (voda, gas) koristi za povećanje energije drugog fluida.

5 Oblast primene pumpi u zavisnosti od protoka i napora -Кlipne pumpe velikog pritiska, -Klipne pumpe, 3-Samousisne pumpe 4- Jednostepene radijalne pumpe, 5-Visestepene radijalne pumpe, 6-Dvostrujne pumpe, 7-Dijagonalne pumpe, 8-Osne pumpe, 9-Zapreminske obrtne pumpe

6 PROTOK, NAPOR I SNAGA PUMPI Osnovni radni parametri za pumpe su: Protok, zapreminski q v, (m 3 /s) ili maseni q m, (kg/s) m ρ V Napor H (m) ili Jedinični rad Y (J/kg); Snaga P (W) i Stepen iskorišćenja η p (%). V m

7 Jedinični rad i napor Napor pumpe H (jedinični rad Y), predstavlja energiju koju, jedinica mase fluida, dobije prolaskom kroz radni prostor pumpe. z z Energija, kojom raspolaže jedinica mase, na ulazu u pumpu je: p ρ c E + + gz Energija, kojom raspolaže jedinica mase, na izlazu iz pumpe je: p c E + + gz ρ Razlika, energije na izlazu i energije na ulazu, je energija koju pumpa preda fluidu i definiše se kao jedinični rad (napor) pumpe: Pumpa-shema Y p c p c E E + + gz + + gz ρ ρ

8 Snaga pumpe Snaga pumpe se definiše izrazom: Snaga na vratilu je veća od hidraulićke snage za veličinu gubitaka

9 Stepen korisnog dejstva Gubici koji se javljaju pri radu pumpe mogu biti: zapreminski; hidraulički i mehanički. Zapreminski stepen korisnosti definiše gubitke do kojih dolazipri pretakanju fluida u procepima pumpe, pod dejstvom radnog pritiska. q vt - teorijski protok kroz pumpu. qvs qvs ηv q- gubitak protoka u pumpi. q vt q vs + q Hidraulički stepen korisnosti uzima u obzir sva gubitka koji nastaju u fluidu tokom razmene energije (trenje, vrtloženje): H T - teorijski napor pumpe (napor kola), m; H H H- napor pumpe, m; ηh HT H + H H- gubitak napora. Mehanički stepen korisnosti definiše gubitka nastale usled trenja u mehaničkim elementima pumpe i iskazuje se preko gubitka snage: P T - teorijska snaga pumpe, W; P P P- stvarna snaga pumpe, W; ηm PT P + P P- gubitak snage, W. Ukupan stepen korisnosti pumpe je: (0,6 0,85) η η v η h η m

10 KLIPNE PUMPE Klipne pumpe-radni ciklus Protok kroz klipne pumpe: Kod jednoradne klipne pumpe teorijski protok se definiše izrazom: gde su: A k - površina poprečnog preseka klipa (cilindra), m ; s - hod klipa, m; n - broj obrtaja vratila pumpe, o/min. Stvarni protok pumpe se definiše izrazom: gde je: A η v - zapreminski stepen korisnosti. q I q TI k s n 60 Ak s n ηv 60 7 s GMT DMT GMT s 5 DMT 7 4, m 3 /s.usisni cevovod,. Potisni cevovod, 3. Klip, 4. Klipnjača, 5. Cilindar,, m 3 /s 6. Usisni ventil, 7. Potisni ventil 5 4 D D d Klipne pumpe a) b) c)

11 KLIPNE PUMPE Klipne pumpe-radni ciklus Stvarni protok dvoradne klipne pumpe definiše se izrazom: q II ( Ak Akl ) s n ηv 60 Protok kroz pumpu diferencijalnog dejstva je praktično jednak protoku jednoradne klipne pumpe: Optimalna ravnomernost isporuke se postiže pri uslovu: gde su: D-prečnik klipa, m; d- prečnik klipne poluge. Klipne pumpe q TD η v Ak s n 60 Ak A kp D d 7D 0,, m 3 /s, m 3 /s 7 6 GMT s D DMT a) b) GMT s 5 DMT D d c) 5 4.Usisni cevovod,. Potisni cevovod, 3. Klip, 4. Klipnjača, 5. Cilindar, 6. Usisni ventil, 7. Potisni ventil

12 KLIPNE PUMPE Stepen korisnosti pumpe zavisi od vrste pumpe, konstruktivnih karakteristika pumpe, kvaliteta izrade i održavanja pumpe, itd. Za pumpe zapreminskog dejstva on je u granicama η 0,85-0,95; za centrifugalne pumpe η 0,55-0,85; za strujne pumpe η 0,-0,30. 5 GMT 7 D 8 6 s p p p const. p u const. Idealni DMT 3 4 V 0 o 80 o r k 4 Stvarni V Radni ciklus jednoradne klipne pumpe.kolenasto vratilo,. Klipnjača, 3.Ukrsna glava, 4 Klipna poluga, 5. Klip, 6. Cilindar, 7. Usisni ventil, 8. Potisni ventil

13 KLIPNE PUMPE Karakteristične krive klipnih pumpi Osnovna karakteristika klipne pumpe je zavisnost Hf(q) koja u koordinatnom sistemu q-h predstavlja pravu liniju. H,m n n n 3 a Klipne pumpe-konstrukcije a a 3 Pconst. 0 q q q 3 q,m 3 /s Karakteristične krive klipne pumpe, nvar. Dvoradna klipna pumpa za isplaku. Cilindarski blok,. Kućište, 3. Klipna poluga, 4. Ukrsna glava, 5. Transmisiono vratilo, 6, Ventil, 7. Klip, 8. Vetrenik, 9. Kolenasto vratilo, 0. Klipnjača. Postolje.

14 KLIPNE PUMPE Vrste zaptivača na klipovima pumpe za isplaku samozaptivni prstenovi sa metalnim prstenom kao ojačanjem a,c,d,e- sa konusnim; b,f- sa cilindričnim krajem klipnjače. Klip,. Zaptivač, 3. Podmetač, 4. Podloška, 5. Prsten. Ventil.Sedlo,. Prsten, 3.Navrtka, 4. Pečurka, 5. Vođica, 6. Čaura, 7. Prsten, 8. Poklopac, 9. Natega, 0. Telo. Tanjirasti ventili sa ulošcima između pečurke I sedla ventila tako da se obezbedjuje mirno naleganje i dobro zaptivanje.

15 DUBINSKE KLUPNE PUMPE - Mogućnost ispumpavanja sa velikih dubina (do 3000 m) m - Protok od nekoliko stotina m 3 na dan, m 3 /dan - Niska potrošnja energije - Jednostavna konstrukcija - Lako održavanje - Niski operativni troškovi I Pogonski sklop i oprema usta bušotine II Kolona klipnih šipki i potisni cevovod III Dubinska pumpa IV Usisni filter Postrojenje sa dubinskom pompom. Postolje,. Ram, 3. Elektromotor, 4. Prenosnik, 5. Krivajni mehanizam, 6. Protivteg, 7. Klipna poluga, 8. Protivteg, 9. Noseći stub, 0. Balanser,. Podešivač,. Glavni balanser, 3. Uže, 4. Poluga, 5. Usta bušotine, 6 Eksploataciona kolona, 7.Potisna cev, 8. Klipna poluga, 9. Dubinska pumpa, 0. Filter,. Zaptivač,. Spojnica, 3. Spajanje klipne poluge, 4. Cilindar, 5. Klip, 6. Potisni ventil, 7. Usisni ventil.

16 Dubinska klipna pumpa Sa zahvatnom klipnjačom Sa specijalnim zahvatom Ventili.Kućište,.Telo, 3.Kuglica, 4.Sedlo, 5.Konus.. Klipnjača ventila,. Spojnica, 3. Čaura, 4. Kućište, 5. Klip, 6. Izlazni ventil, 8. Krstasti umetak, Klip dubinske pumpe

17 Dubinska klipna pumpa Teorijski protok Istovremeno, kroz usisni ventil, dotiče: q u π D 4 s Pri kretanju poluge naniže : Ako se izabere da je: D d može se postići ravnomerna isporuka fluida: s hod klipa D prečnik klipa d prečnik gornjeg dela klipne poluge n broj dvojnih zahvata pumpe

18 Dubinska klipna pumpa Rad dubinskih pumpi je praćen: -unutrašnjim gubicima tečnosti - zapreminski gubici zbog - zazora klip cilindar - gubitaka na usisnom I potisnom ventilu - gubitaka usled stišljivosti fluida - gubitaka na spojevima potisnih cevi -deformacijama kolone klipnih poluga (skraćenje hoda) i -mehaničkim gubicima na sistemu za prenos snage. Količina tečnosti koja protiče kroz zazor klip-cilindar je: q Stepen zapreminskog iskorišćenja se definiše izrazom: η st < q Radni pritisak, napor pumpe je: p p ρ gh T T + p w + p u ρ gh g g e - radijalni zazor ν kinematička viskoznost H p napor pumpe

19 Efektivna snaga motora se definiše izrazom: P e M kω Trkω Broj hodova se, za zadati protok i maksimalan hod, definiše izrazom: n q q n max max Izborni dijagram dubinske klipne pumpe i kačaljke

20 Klipne pumpe sa hidrauličkim pogonskim uređajem - film

21 Turbo pumpe U zavisnosti od smera strujanja u radnom kolu, turbopumpe se dele na: -Centrifugalne (radijalne) -Dijagonalne -Aksijalne. Radno kolo je sistem sa više u ravni ili prostoru zakrivljenih lopatica, koje su smeštene izmedju jednog diska ili su pričvršćena za glavčinu pogonske mašine. Obrćući se, radno kolo deluje na fluid i prenosi mu energiju dobijenu od pogonske mašine. a) Radijalno b)dijagonalno c)aksijalno Radna kola pumpe

22 Centrifugalna pumpa. Konfuzor,. Radno kolo, 3. Sprovodni aparat, 4 Difuzor A b 4 A-A 4 b D D 3 A Zavojna pumpa. Konfuzor,. Radno kolo, 3. Sprovodni kanal, 4. Difuzor. Aksijalna pumpa. Usisni kanal,. Radno kolo, 3. Zakolo, 4. Potisni kanal

23 TURBOPUMPE Energija dobijena od pogonskog agregata se transgormiše u hidrauličnu energiju fluida. -Veliki protok -Jednostavna konstrukcija -Unifikacija delova -Lako upravljanje -Automatizacija I regulisanje -Lako održavanje w α c w β α u c β l u l ω r Kinematika ravanskog kretanja fluida u radnom kolu r c coo woo w w c cm α β α β Meridijanski presek radnog kola i trouglovi brzina u cuoo cu u

24 TURBOPUMPE - Centrifugalne c z 0, c m c r - Dijagonalne c z 0, c m c r - Aksijalne c m 0, c m c z

25 Radijalne pumpe Moment količine kretanja na radijusu r, ulazna ivica lopatice, je: Moment količine kretanja na radijusu r, izlazna ivica lopatice, je: Moment spoljnih sila je: M L ρ ( c l c ) k Lk qt l Kako je; l r α l r cos ; cos α Zamenom i množenjem leve i desne strane sa ω (ugaona brzina) dobija se: Zamenom izraza za: dobija se: U uprošćenim razmatranjima može se prihvatiti da je: pa je izraz za teorijski napor (H, m): H T u c g u P Mω ρghq T uc cosα uc cosα g H T c u 0

26 Radijalne pumpe Teorijski napor radnog kola se može izraziti i formulom: Jedinični rad (Y, J/kg) se definiše izrazom: Stvarni napor je: p-koeficijent koju uvažava uticaj oblika lopatice radnog kola, njihov broj, debljinu i dr. Hidraulički stepen korisnosti. ( ) β ctg c u g u H m T u T T c u gh Y p H H T k + ε r r z p ψ + sin sin β β π ψ r r H η k H k

27 k T o g u H ctg η β β ; 0; ; 90 max. ; 0; ; 90 < > < k T o g u H ctg η β β min. ; 0; ; 90 > < > k T o g u H ctg η β β Radna kola - konstruktivna izvođenja

28 SPECIFIČNA UČESTANOST OBRTANJA I KLASIFIKACIJA TURBOPUMPI Specifična učestanost (specifičan broj obrtaja) n q definiše se kao brzina obrtanja n (o/min) turbopumpe koja radi sa naporom Hm i protokom qm 3 /s: Odnosno kada se pređe na mere koje su date u SI sistemu (n, s - ; Y, J/kg; q, m 3 /s) dobija se izraz: CENTRIFUGALNE PUMPE DIJAGONALNE PUMPE nq n q 333 AKSIJALNE PUMPE n q Y 3 4 nq H 3 4 D o D D D o D o D D o D D D o D D D D D n q... n q...4 n q n q n q D /D o,5(3) D /D o D /D o,8..,4 D /D o,.., D /D o 0,8..0,6 Klasifikacija turbopumpi

29 Kavitacija Proces nastanka mehurića pare u struju tečnosti konstantne temperature, na mestima sniženog pritiska (ispod pritiska zasićene pare na odgovarajućoj temperaturi) i njihovog nestajanja u zoni povišenog pritiska. Faze: Sistem u ravnoteži, pritisak okoline je iznad pritiska zasićene pare, p > p p p p p i dalji pad pritiska p < p p formiraju se mehurići pare koji sa daljim padom pritiska rastu Sa porastom pritiska, p > p p dolazi do kondenzacije i prodora okolne tečnosti u prazan prostor, do njegovog potpunog popunjavanja. Nagli porast pritiska (red veličine MPa), zvučni efekti, razaranje površinskog sloja (kacvitaciona erozija).

30 Dozvoljena visina usisavanja Usisavanje je deo radnog procesa koji u znatnoj meri utiče na kvalitet rada pumpe Pritisak u radnom cilindru klipne pumpe: p c p ρgh ρgσh a u w p iu h ud h u - vertikalno rastojanje od nivoa tečnosti u rezervoaru do najviše tačke radnog prostora pumpe, m; h w - zbir svih hidrauličkih otpora u usisnom cevovodu, m; p a - atmosferski pritisak, Pa; p iu - pad pritisak izazvan inercijom neravnomernog kretanja tečnosti, Pa. Pad pritiska p iu se definiše izrazom: p iu ρlurk n 900 A A l u - dužina usisnog cevovoda, m; r k - poluprečnik kolena kolenastog vratila, m; A kl - površina poprečnog preseka klipa, m ; A u - površina poprečnog preseka usisnog cevovoda, m ; n- nroj obrtaja vratila pumpe, o/min. kl u Kritična vrednost pritiska je: p c p p (pritisak zasićene pare na odgovarajućoj temperaturi) h ud p a ρg p p Σh w piu ρg

31 Kavitacija Kavitacijska rezerva pumpnog postrojenja, definiše se energijskom jednačinom za preseke - i -. p ρg c p c + + z + + z g ρg g + h w Iz uslova: p p a ; c 0; z 0; z h u dobija se: p a ρg p ρg + c g + h u + h w Kavitacijska rezerva pumpnog postrojenja Totalni pritisak na ulazu u pumpu je: p t NPSH p po c + ρ p t ρg p t -totalni pritisak na ulazu u pumpu, Pa; p p - pritisak pare hw hidraulični otpori u usisnom cevovodu p p h ud Dozvoljena visina usisavanja h ud se definiše izrazom: h ud pa p p ϕ ρg NPSH po h w

32 Karakteristične krive turbopumpi Karakterističnim krivama turbopumpi nazivaju se zavisnosti Hf(q), Pf(q); ηf(q) koje se definišu pri nconst. Teorijska zavisnost Hf(q) je veza izmedju napora idealne turbomašine i njenog kapaciteta uz odsustvo vrtloženja na ulazu u radno kolo. H T u c g u Iz trougla brzina, na izlazu iz radnog kola: c u u - c m ctgβ gde je: c m -meridijanska komponenta apsolutne brzine. Teorijski kapacitet turbomašine definiše se izrazom: qt πdbcm H u ctgβ T q T g g πdb u

33 Karakteristične krive turbopumpi Uočava se, da je zavisnost Hf(q T ) linearna funkcija protoka: H A + T Bq T H T,m b >90 o b 90 o Polazeći od izraza za snagu: i napor dobijamo zavisnost P T f(q T ): b <90 o P ρg( Aq + T T Bq T ) q T,m 3 /s η ρgh P T q T

34 H,m H,m H,m Radna granica q,m 3 /s q,m 3 /s q,m 3 /s η,% η,% η,% q,m 3 /s q,m 3 /s q,m 3 /s P,kW P,kW P,kW q,m 3 /s q,m 3 /s q,m 3 /s NPSH q,m 3 /s NPSH q,m 3 /s NPSH q,m 3 /s Karakteristične krive centrifugalne pumpe Karakteristične krive dijagonalnih pumpi Karakteristične krive aksijalnih pumpi

35 Definisanje karakteristike cevovoda Ako kroz cilindričnu nagnutu cev protiče realna tečnost (gustine ρ), Bernulijeva jednačina za preseke - i - glasi: p c p c + + z + + z + h w ρg g ρg g c, c - brzine fluida u karakterističnim presecima, m/s; p, p pritisci u karakterističnim presecima, Pa; z, z - visinske razlike, m; h w - pad pritiska na pravolinijskom delu puta i na lokalnim otporima. Visinska razlika z -z h g naziva se geodezijska visina dizanja tečnosti. Pretpostavka c c c, d const. Brzina ce se definiše iz jednačine kontinuitata H c p p 8 l ghg + q 4 λ + Σξ ρg π d d q. Ac Zamenom izraza za: geodezijsku visinu dizanja, brzinu i ukupan pad pritiska h w u Bernulijevu jednačinu dobijamo jednačinu: πd 4q c c 4 πd l z c Karakteristika cevovoda H c a + bq c z Kretanje tečnosti kroz nagnutu cev

36 Klipna pumpa-cevovod Krive cevovoda Hcf(q) i krive pumpe Hpf(q). H,m n n Pconst. n 3 n 4 n 5 n 6 n 7 H,m + Pconst. h g H 5 H 3 H 0 q q q 3 H c f(q) Pf(q) q 4 q 5 q 6 q 7 P,kW P 5 P P q,m 3 /s h g H A H H 0 q q A q +q q,m 3 /s Definisanje radne tačke klipne pumpe Paralelna veza klipnih pumpi

37 hg HA Turbo pumpa - cevovod H,m A Hc f(q) Hp f(q) η f(q) P f(q) qa 3 q,m /s Definisanje radne tačke turbo pumpe

38 hg HA hg HA Zajednički rad turbo pumpa-cevovod H,m A HRHp+Hp Hc f(q) HpHp f(q) H,m Hc f(q) A HPf(q) HpHp f(q) qa 3 q,m /s qa 3 q,m /s Redna veza pumpi Paralelno vezane pumpe

39 Radijalne (centrifugalne) pumpe A b 4 A-A b D D A 3 Centrifugalna pumpa. Konfuzor,. Radno kolo, 3. Sprovodni aparat, 4 Difuzor

40 Radijalne (centrifugalne) pumpe Jednostepena centrifugalna pumpa NS. Priključna prirubnica,. Čep, 3. Podloška, 4. Zaptivni prsten, 5. Radno kolo, 6. Navrtka, 7. Podloška, 8. Klin, 9. Prsten, 0. Prsten,. Raspršivač,. Spiralno kućište, 3. Čep, 4. Podloška, 5. Telo zaptivača, 6.Zavrtanj,7. Zaptivni prsten, 8. Pletenica, 9. Potiskivač, 0. Zavrtanj,. Poklopac,. Raspršivač, 3. Ležaj, 4. Telo 5. Zavrtanj, 6. Vratilo, 7. Klin, 8. Poklopac, 9.Ležaj, 30. Zavrtanj 3. Podloška, 3. Nosač.

41 Višestepena centrifugalna pumpa Višestepena centrifugalna pumpa VP

42 Primena centrifugalnih pumpi u rudarstvu nafte Eksploatacija, priprema za transport i transport nafte Transport i utiskivanje fluida sa ciljem povećanja iskorišćenja ležišta Višestepene centrifugalne pumpe, m 3 /h, m, 4 MW Izvlačenje ležišnih fluida sa dna bušotine (dubinske potapajuće pumpe, ESP) Transport nafte Sirova nafta sa sadžajem čvrste komponente do 0,%, krupnoće do 0, mm jednostepene pumpe m 3 /h, 4-40 m, 70-88% Magistralni naftovod, redna veza više pumpi, 4000 m 3 /h, 7MPa, 00 km Zaptivanje pomoću ćelija zaptivača sa mekim punjenjem

43 Višestepena centrifugalna pumpa VP. Ležaj,.Nosač ležaja, 3. Radno kolo 4. Meko punjenje, 5. Vratilo 6 Meko punjenje, 7. Usisni kanal, 8. Zaptivni prsten, 9. Sprovodni kanal, 0. Međustepen,.Potisni kanal

44 Dubinska centrifugalna pumpa. Hidrodinamički ležaj. Radijalni ležaj 3. Vratilo 4. Kućište 5. Sprovodni aparat 6. Klin 7. Radno kolo 8. Usisna korpa 9. Nosač Elementi dubinske pumpe.radno kolo,.sprovodno kolo, 3.Zaptivač

45 Postrojenje sa dubinskom centrifugalnom pumpom.kompezator.pogonski elektro-motor 3.Zaštitnik 4.Pumpa 5. i 9. Napojni kabl 6. i 7. Ventili 8.Prirubnica 0.Potisni cevovod.oprema usta bušotine.komandni pult 3.Transformator

46 Pumpa za transport nafte sa dvostranim usisom. Oslonci vratila,. Vratilo, 3.Potisna caura, 4.Zaptivaci, 5.Potisni poklopac, 6.Kuciste 7.Radno kolo, 8.Usisni poklopac, 9.Oslonac vratila

47 Radna kola, a-otvoreno, b-zatvoreno, c- sa dvostranim usisom Radna kola centrifugalne pumpe Vrste radnih kola Ćelije zaptivača. Telo,. Meko punjenje, 3 Zavrtanj 4.otiskivač, Kontaktni zaptivači a, b- Sa čeonim kontaktnim prstenovima; c-sa mehom; d-sa oprugama. Prsten,. Prsten, 3. O-prsten, 4. Opruga

48 a- Poluspiralni, b-prstenasti, c- Konfuzor Elementi ispred radnog kola pumpe a-spiralni, b- Prstenasti, c- Lopatični Sprovodni kanal Spiralni sprovodni kanal jednostepene pumpe

49 VpKc-Q ZpaFQM PbCBgQ