Τα τρία βασικά προβλήματα της Υδραυλικής

Transcript

1

2 Τα τρία βασικά προβλήματα της Υδραυλικής

3 Αντλίες: Βασικές αρχές αντλιοστασίου, προσεγγιστικός υπολογισμός ισχύος Αντλίες ονομάζονται τα μηχανικά μέσα με τα οποία επιταχύνεται η διακίνηση ενός υγρού σε μικρή ή μεγάλη απόσταση από ένα χώρο χαμηλής πίεσης σε ένα άλλο χώρο υψηλότερης πίεσης ή από μία υψομετρική στάθμη σε άλλη που βρίσκεται υψηλότερα. Υπάρχουν δύο βασικοί είδη αντλιών: Δυναμικές αντλίες και αντλίες θετικής εκτόπισης. Στις αντλίες θετικής εκτόπισης το νερό υφίσταται μεταβολή της κινητικής του κατάστασης λόγω πρόσδοσης ορμής σε αυτό από το κινούμενο στοιχείο της αντλίας (Παπαϊωάνου, 1996). Στις αντλίες θετικής εκτόπισης το αντλητικό στοιχείο της αντλίας παραλαμβάνει μία ποσότητα υγρού η οποία παγιδεύεται εντός θαλάμου και τη μετατοπίζει στο χώρο αυξάνοντας τη στατική του πίεση χωρίς όμως να μεταβάλλεται η κινητική του ενέργεια. Στην πράξη για τα συνήθη υδραυλικά έργα χρησιμοποιούνται δυναμικές αντλίες και συγκεκριμένα φυγόκεντρες αντλίες. Στις αντλίες αυτού του τύπου το σχήμα των πτερυγίων και η διάταξή τους είναι τέτοια ώστε το υγρό να εισέρχεται στο κέλυφος αξονικώς ενώ να κινείται και να εξέρχεται κάθετα προς τον άξονα της αντλίας δηλαδή ακτινικώς (Παπαϊωάνου, 1996). Τα κυριότερα ρ μέρη μιας αντλητικής διάταξης είναι τα παρακάτω: Αντλητικό συγκρότημα: ονομάζεται η αντλία μαζί με τον κινητήρα Αγωγός αναρρόφησης: ο αγωγός όπου άρχεται από το αντλούμενο νερό και καταλήγει στην αντλία Καταθλιπτικός αγωγός: ο αγωγός όπου άρχεται από την αντλία μέχρι τη κατάντη δεξαμενή όπου καταλήγει το νερό Γεωμετρικό ύψος: Υψομετρική διαφορά από την επιφάνεια του αντλούμενου νερού μέχρι τη στάθμη της κατάντη δεξαμενής όύψ όύψ λέ ύ λ λ ώ ( ώ Τσακίρης και Σπηλιώτης, 2010

4 Λιακόπουλος, Υδραυλική Είδη αντλιών

5 Φυγόκεντρες αντλίες (Ευστρατιάδης και Κουτσογιάννης, 2007) Πολύβαθμες αντλίες

6 Φυγόκεντρη αντλία (συνήθης χρήση) κλασσική περίπτωση ακτινικής αντλίας Elger F. Donald Williams C. Barbara Crowe T. Clayton Roberson A. John, Μηχανική Ρευστών, 10η Έκδοση, Επιστημονική επιμέλεια έκδοσης: Μ.Σπηλιώτης. Εκδόσεις Τζιόλα (2014).

7 Παράδειγμα αξονικής αντλίας

8 Συνολικές απώλειες Π.Γ ΔΕΞΑΜΕΝΗ Δεξα. Μανομετρικό ύψος Υψομετρική διαφορά Αντλιοστάσιο L Α καταθλιπτικός αγωγός (μετά την αντλία) Σχήμα 2.34: Αντλιοστάσιο με καταθλιπτικό αγωγό και αγωγό αναρρόφησης Είναι αναμφισβήτητα υπέρ της ασφαλείας να συνυπολογισθεί η διακύμανση της στάθμης στη δεξαμενή ρύθμισης θεωρώντας την ανώτατη στάθμη λειτουργίας ως τη στάθμη του πυθμένα. Σχήμα : Ολικό στατικό ύψος (α) αντλία υπεράνω της ανάντη δεξαμενής (β) αντλία κάτω από τη στάθμη της ανάντη δεξαμενής O βαθμός απόδοσης n σχετίζεται με τη χρησιμοποιούμενη αντλία, ή αντλίες, και τα χαρακτηριστικά του αντλητικού συγκροτήματος.

9 Ύψος αντλίας και υδροστροβίλου

10 Το Ύψος απαιτούμενο αντλίαςμανομετρικό ύψος προκύπτει από την εφαρμογή της εξίσωσης του Bernoulli μεταξύ αρχικής και τελικής θέσης: H H h h A H M B f f AB AB H H h h H M B f f A AB AB Όπου: HA το ύψος ενεργείας στην ανάντη θέση H το ύψος ενεργείας στην κατάντη θέση B AB AB h το σύνολο των γραμμικών απωλειών h f f το σύνολο των τοπικών απωλειών

11 Για το παρακάτω σχήμα ισχύει: 2 patm VA HA za g 2g H z p g atm B B V 2g 2 B H H zb za Οπότε: H z z h h M B A f f A B A B (2.105) Η υψομετρική διαφορά των στάθμεων των δύο δεξαμενών συμπεριλαμβανομένης της ανώτατης στάθμης λειτουργίας καθορίζει το ολικό στατικό ύψος το οποίο εξαρτάται αποκλειστικά από αυτήν την υψομετρική διαφορά και όχι από τις ενδιάμεσες διαδρομές των αγωγών

12 Ύψος αντλίας και μανομετρικό ύψος A αντλίας 1 (πριν, έλεγχος υποπίεσης) 2 Αμέσως μετά

13 Πριν την αντλία: αγωγός αναρρόφησης (ως καλαμάκι) έλεγχο για υποπίεση ώστε να αποφευχθεί η σπηλαίωση της αντλίας, έλεγχος πριν την αντλία αντλία Μετά την αντλία, αγωγός κατάθλιψης, ανάγκη για μεγάλης αντοχή σωλήνα

14 H P H R H s h L Προβλήματα υποπιέσεων σε αντλητικές διατάξεις (αγωγός αναρρόφησης)

15 Υδραγωγείο Δεξαμενή Οικισμός Εξωτερικό Υδραγωγείο Εσωτερικό Υδραγωγείο

16 Υδραγωγείο Δεξαμενή Οικισμός Εξωτερικό Υδραγωγείο Εσωτερικό Υδραγωγείο

17 (Παρθενιάδης, 1981)

18 Απαιτούμενο μανομετρικό αντλίας Ύψος ενεργείας στις θέσεις Α και Β H H A B z z A B H H z Εξ. Eνέργειας μεταξύ Α και Β H H h h H M A H M B f f AB AB H h h H B f f A AB AB Γενικά: Απαιτούμενο μανομετρικό H z(.. ) h h M f f AB AB

19 Η ισχύς που καταναλίσκεται από το ρευστό είναι: N Q H ό M Η γενική εξίσωση για οποιαδήποτε ρευστό στις διεθνής μονάδες για τον προσδιορσμό της ισχύος της αντλίας είναι: QH N M n, όπου Ν η ισχύς της αντλίας (W), g Το ειδικό βάρος του υγρού (Ν/m 3 ). Για το νερό μπορεί να θεωρεί πυκνότητα ίση με 1000 (Κg/m 3 ) Q η παροχή σχεδιασμού για τον καταθλιπτικό αγωγό (m 3 /s), H Μ. το μανομετρικό ύψος (m), n ο βαθμός απόδοσης του αντλητικού συγκροτήματος

20 Ισχύς που λαμβάνει το ρευστό: ρgqh M προφανώς, ισχύει: ρgqh M(ρευστό) < ρgqh M /n(αντλίας)

21 Ισχύς που χάνει το ρευστό: ρgqh Υδροστρόβιλος, θα λάβουμε ενέργεια: ρgqh M* n προφανώς, ισχύει: ρgqh M(ρευστό >ρgqh M* n(υδροστόβιλος υδροστόβιλος) ρgq M(ρευστό

22 Άσκηση με αντλία υπάρχει υψομετρική διαφορά, αλλά όχι τόση ώστε να έχουμε την παροχή που θέλουμε

23 Μικρή Παγίδα άσκησης: Υπάρχει υψομετρική διαφορά για παροχή νερού (ευεργετική) αλλά όχι αρκετή για την παροχή που θέλουμε. Στο απαιτούμενο μανομετρικό, η υψομετρική διαφορά στην άσκηση δρα ευεργετικά γιατί η δεξαμενή Β είναι χαμηλότερα της (ανάντη) Α δεξαμενής (σύγκρινες τις επόμενες δύο διαφάνειες)

24 Οπότε: κατάντη Για το παρακάτω σχήμα ισχύει: 2 patm VA HA za g 2g H z p g atm B B V 2g 2 B H H zb za Οπότε: H z z h h M B A f f A B A B (2.105) ανάντη Η υψομετρική διαφορά των στάθμεων των δύο δεξαμενών συμπεριλαμβανομένης της ανώτατης στάθμης λειτουργίας καθορίζει το ολικό στατικό ύψος το οποίο εξαρτάται αποκλειστικά από αυτήν την υψομετρική διαφορά και όχι από τις ενδιάμεσες διαδρομές των αγωγών 0( ) ώ z z ό B A Ζ Β Ζ Α >>0 Μεγάλο μανομετρικό Μεγάλη ισχύς

25 Άσκηση με αντλία υπάρχει υψομετρική διαφορά, αλλά όχι τόση ώστε να έχουμε την παροχή που θέλουμε ανάντη κατάντη 0( ) ώ z z ό B A

26 2 2 A p p atm B z H M V V atm h 2g g A 2g g zb f Για τις δεξαμενές ισχύει: V V 0 and A B p A p B [ατμοσφαιρική πίεση] H h M f z z ( ) Μεταξύ δύο δεξαμενών: το μανομετρικό είναι το άθροισμα της υψομετρικής διαφοράς (κατάντη ανάντη)+ σύνολο απωλειών ενέργειας Στρογγυλοποιώ προς τα επάνω

27 2 D 4 Q Q V V 159m/s D

28 V V V 2g 2g 2g L hf ( ) f m D H M z z 0 N QHM ,300W=6.3W ό QH N M n N

29 Χρυσάνθου, 2013

30 Υδροστρόβιλος: Ενεργειακό ισοδύναμο είναι η τοπική απώλεια ενέργειας (πτώση) Αντλία: Μοναδική περίπτωση ανόδου της Γ.Ε ακολουθώντας την κίνηση του ρευστού Χρυσάνθου, 2013

31 Υδροστρόβιλοι Χρυσάνθου, 2013

32 Αγγελίδης, 2015

33 Χρυσάνθου, 2013

34

35 Ωφέλιμο φορτίο, υδρ. δράσεως

36 Αγγελίδης, 2015

37 Αγγελίδης, 2015

38 Λικακόπουλος, Υδραυλική

39 Αγγελίδης, 2015

40 Λικακόπουλος, Υδραυλική

41 Ωφέλιμο φορτίο, υδρ. αντιδράσεως Σε πολλά εισαγωγικά βιβλία υδραυλικής το πρόβλημα παρουσιάζεται θεωρώντας σύστημα σωληνώσεων με δύο δεξαμενές. Δεν είναι απόλυτα σωστό γιατί σε υδροστρόβιλους αντιδράσεως α ως κατάντη υπάρχει ένα ύψος ταχύτητας που πρληψιεί υπόψη

42

43 Yδρ. σε μοντέλο δύο δεξαμενών Λιακόπουλος, Υδραυλική Ύψος στροβίλου Έλεγχος για υποπίεση μετά την πτερωτή

44 Άσκηση σε υδροστρόβιλους δράσεως

45 Elger F. Donald Williams C. Barbara Crowe T. Clayton Roberson A. John, Μηχανική Ρευστών, 10η Έκδοση, Επιστημονική επιμέλεια έκδοσης: Μ.Σπηλιώτης. Εκδόσεις Τζιόλα (2014). Υψομετρική διαφορά 650 m άρα ορθά επιλέγεται υδροστρόβιλος δράσεως

46 ιδέα: εφαρμογή της εξίσωσης της ενέργειας πριν την πτερωτή, επομένως, δεν υπάρχει άγνωστο ύψος στροβίλου Ταχύτητα φλέβας αμέσως μετά το ακροφύσιο V j

47 Q = Α αγωγού V αγωγού =πd j^2/4*v j Φλέβα: p = patm Ακροφύσιο, ταχύτητα V J Αγωγός: απώλειες ςμε βάση την ταχύτητα του αγωγού Q d j, V j H κινητική ενέργεια που έχει το ρευστό κατά την έξοδο από το ακροφύσιο είναι η θεωρητικά διαθέσιμη στον υδροστρόβιλο PELTON 2 2 V j V j P Q AV j j 2g 2g Θεωρ. Ισχύς (ενέργεια στη μονάδα του χρόνου)

48 Εξ. ενέργειας Θεωρητικά διαθέσιμη ισχύς (μεικτή ισχύς) ρευστό 2 2 V j V j PQ AV j j 2g 2g λαμβάνουμε

49 P FV Fr T

50 Κρίσιμο ήταν ότι βρήκαμε τη θεωρητικά διαθέσιμη ισχύς με βάση την εξίσωση της ενέργειας από τη δεξαμενή έως και την έξοδο από το ακροφύσιο (με κάποια απλοποίηση περί του ακροφυσίου). Έτσι δεν μεσολαβεί ο στρόβιλος και το συνακόλουθο ύψος στροβίλου. Η κινητική ενέργεια του πίδακα αμέσως μετά το ακροφύσιο είναι η μεικτή διαθέσιμη της διάταξης του υδροστροβίλου. Με βάση το ποσοστό απόδοσης ένα ποσοστό από την παραπάνω ισχύς θα είναι απολήψιμη μηχανική ενέργεια. Προφανώς, το μοντέλο των δυο δεξαμενών + στρόβιλος σε αυτή την περίπτωση του υδροστρβίλου δράσεως θα ήταν αδόκιμο.