ΜΜ917 Σχεδιασμός Ενεργειακών Συστημάτων ΑΝΤΛΙΕΣ Τύποι, Τρόπος Λειτουργίας, Φαινόμενο Σπηλαίωσης Βόλος, 11/10/18 ημήτριος Τζιουρτζιούμης ρ.μηχανολόγος Μηχανικός ΠΘ Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Θερμικών Μηχανών Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΠΘ
Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση Ι Οι αντλίες χρησιμοποιούνται για την μετακίνηση των υγρών. Η μετακίνηση πραγματοποιείται με μεταφορά ενέργειας στο υγρό, η οποία προσδίδεται στην αντλία από τον κινητήρα της. Ημετάδοσηενέργειαςσταυγράμέσωτηςαντλίαςσκοπόέχεισυνήθωςτην ανύψωση αυτών από μια στάθμη σε άλλη που έχει μεγαλύτερο ύψος. Οι αντλίες για την άντληση του νερού επινοήθηκαν πριν από τις κινητήριες μηχανές. Η επινόηση του ανυψωτικού τροχού πρέπει να θεωρηθεί σαν ένα σημαντικό βήμα προόδου στην άντληση του νερού για άρδευση. Στην περιφέρεια ενός μεγάλουτροχούήταντοποθετημέναδοχεία, που βυθίζονταν στο νερό, γέμιζαν και καθώς ο τροχός περιστρεφόταν, ανέρχονταν και άδειαζαν μέσα στο αυλάκι αρδεύσεως. Ως ενέργεια για την περιστροφή του τροχού χρησιμοποιούνταν η ανθρώπινη ή ζωική δύναμη και η δύναμη του ανέμου. Αργότερα ο ανυψωτικός τροχός μετατράπηκε σε «αυτοκινούμενο» με την προσθήκη πτερυγίων στην περιφέρειά του. Καθώς το νερό των ποταμών έρεε, ωθούσε τα πτερύγια και ο τροχός περιστρεφόταν για την ανύψωση των δοχείων. Άλλες διατάξεις για άντληση του νερού ήταν ο κοχλίας του Αρχιμήδη και η χειροκίνητη παλινδρομική αντλία (τουλούμπα). 2
Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙΙ 3
Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙΙ Κοχλίας Αρχιμήδη 4
Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙΙΙ 5
Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙV Εφευρέτης της φυγόκεντρης αντλίας θεωρείται ο Γάλλος Denis Papin ο οποίος το 1687 περιέγραψε ένα τύπο αντλίας της οποίας η αρχή λειτουργίας ήταν ίδια με τις σημερινές φυγόκεντρες αντλίες. Το 1839 ο W.D. Andrews πρόσθεσε σπειροειδές κέλυφος γύρω από την φυγοκεντρική πτερωτή. 6
Εφαρμογές Αντλιών Στα εργοστάσια είναι συνήθως εγκαταστημένες πολλές αντλίες για διάφορες χρήσεις (άντληση νερού από φρεάτια, κυκλοφορία νερού ψύξεως, τροφοδότηση καυστήρων πετρελαίου, τροφοδότηση ατμολεβητών κ.α. ) Στα αυτοκίνητα οι αντλίες χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία του κινητήρα με καύσιμο, καθώς και για την κυκλοφορία του νερού ψύξεως και του λαδιού λίπανσης. Στα πλοία χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των ατμολεβητών με νερό ή των πετρελαιοκινητήρων με καύσιμο. Οι φυγοκεντρικές αντλίες έχουν βρει εφαρμογή και στον τομέα της ιατρικής όπου αντλίες πολύ μικρού μεγέθους χρησιμοποιούνται ακόμη και για την ανακυκλοφορία του αίματος. 7
Ιατρικές Εφαρμογές Ι 8
Ιατρικές Εφαρμογές ΙΙ 9
Κατηγοροποίηση Αντλιών Οι αντλίες διαιρούνται σε 2 βασικές κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο μεταφοράς του υγρού από τον σωλήνα αναρροφήσεως στον σωλήνα καταθλίψεως: 1)Αντλίες θετικου εκτοπίσματος (Positive Displacement Pumps) 2)Αντλίες δυναμικές (Rotordynamic pumps or Kinetic Pumps) 1) Οι αντλίες θετικού εκτοπίσματος κατά τη λειτουργία τους μετατοπίζουν θετικά το υγρό και η παροχή τους δεν επηρεάζεται σημαντικά από την αντίσταση που παρουσιάζεται κατά την κίνηση του υγρού μέσα στους σωλήνες μεταφοράς. Οι αντλίες αυτές διακρίνονται σε i) Παλινδρομικές αντλίες (Reciprocating pumps) και ii) Περιστροφικές αντλίες (Rotary pumps). 2) Οι δυναμικές αντλίες κατά την λειτουργία τους μεταβάλλουν την κινητική κατάσταση του υγρού, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της κινητικής του ενέργειας σε στατική πίεση και αντίστροφα. Η παροχή τους επηρεάζεται σημαντικά από την αντίσταση που παρουσιάζεται κατά την κίνηση του υγρού μέσα στους σωλήνες μεταφοράς και από άλλα χαρακτηριστικά της ροής του υγρού. Υπάρχουν δύο τύποι δυναμικών αντλιών i) Φυγόκεντρες αντλίες (Centrifugal pumps) και 2) Στροβιλαντλίες (Turbine pumps). 10
Τομή Φυγόκεντρης Αντλίας 11
Σπειροειδές κέλυφος Φυγόκεντρης Αντλίας Ι Το σχήμα του περιβλήματος είναι σπειροειδές και η πτερωτή τοποθετείται έτσι ώστε το υγρό, το οποίο φεύγει από την πτερωτή υπό την επίδραση της φυγοκέντρου δυνάμεως και ωθείται προς τη χοάνη καταθλίψεως, να κινείται σε αγωγό με διάμετρο συνεχώς αυξανόμενη. Η προοδευτική αύξηση της διατομής του αγωγού του περιβλήματος είναι τέτοια ώστε η παροχή ανά μονάδα επιφανείας να είναι περίπου σταθερή σε όλη τη διαδρομή του υγρού μέσα στο περίβλημα. Κατ' αυτό τον τρόπο η ταχύτητα κινήσεως του υγρού ελαττώνεται προοδευτικά και η κινητική του ενέργεια μετατρέπεται σε στατική πίεση με όσο το δυνατό μικρότερες απώλειες. Η ελάττωση αυτή της ταχύτητας του υγρού μετά την έξοδο από την πτερωτή της αντλίας είναι απαραίτητη, διότι αν το υγρό οδηγηθεί στο σωλήνα καταθλίψεως με την ταχύτητα που έχει κατά την έξοδο από την πτερωτή, οι απώλειες τριβών θα είναι πολύ μεγάλες. 12
Σπειροειδές κέλυφος Φυγόκεντρης Αντλίας ΙΙ Το κύριο πλεονέκτημα της διπλής σπείρας είναι η συμβολή της στην εξισσορόπηση των ακτινικών φορτίων που δέχεται η φτερωτή. Κατασκευαστικά το διπλό σημείο ανακοπής οδηγεί σε ισοδύναμη κατανομή πιέσεων στα τοιχώματα των σπειρών. Μειώνοντας το ακτινικό φορτίο στα ρουλεμάν του άξονα της αντλίας αυξάνεται η διάρκεια ζωής της. 13
Σπειροειδές κέλυφος Φυγόκεντρης Αντλίας ΙIΙ 14
Φτερωτή φυγόκεντρης αντλίας Κλειστού τύπου Ανοιχτού τύπου Ημί-Ανοιχτού τύπου 15
Ιnline pump 16
Rotary pumps I Main types are listed below Gear Pumps Screw Pump Lobe Pump Vane Pump Radial Piston Pump 17
Rotary pumps II 18
Rotary pumps III 19
Rotary Pump - External Gear Pump The most common uses for these pumps are to supply fuel oil for burners, gasoline transfer, kerosene, fuel oil, and diesel oil. They are used for hydraulic devices such as elevators and damper controls. 20
Rotary Pump - Internal Gear Pump Internal gear pumps are applied in petrochemical, marine, terminal unloading, chemical, and general industrial applications for transfer, lubrication, processing, and low-pressure hydraulics handling a wide range of fuel oils, lube oils, and viscous chemicals (both corrosive and noncorrosive). 21
Rotary Pump - Lobe Pump Lobe pumps are frequently used in food applications because they handle solids without damaging the product. Particle size pumped can be much larger in lobe pumps than in other positive displacement types. Since the lobes do not make contact, and clearances are not as close as in other Positive displacement pumps, this design handles low viscosity liquids 22
Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης Ι Η εμφάνιση του φαινομένου της σπηλαίωσης αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα των βιομηχανικών μονάδων (π.χ. παραγωγής ενέργειας, επεξεργασίας) διότι έχει επιπτώσεις σε ένα βασικό εργαλείο, τη φυγοκεντρική αντλία. Μια ξαφνική αύξηση της τοπικής ταχύτητας του αντλούμενου υγρού προκαλεί πτώση της τοπικής πίεσης, μερικές φορές κάτω από την πίεση ατμοποίησης του υγρού. Το αποτέλεσμα είναι η ατμοποίηση του υγρού και η ανάπτυξη ενός θύλακα ή «σπηλιάς» ατμού δηλ. ατμοποιημένου υγρού και φυσαλίδων. Όμως, η πίεση ατμοποίησης κάθε υγρού είναι χαρακτηριστικό θερμοδυναμικό μέγεθος του κάθε υγρού που εξαρτάται από τη θερμοκρασία του. Συνεπώς, ακόμη και μια τοπική αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί επίσης να έχει τα παραπάνω αποτελέσματα. Κάθε υγρό έχει μια σταθερή σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας στην οποία αρχίζει να βράζει και της πίεσής του. Η ύπαρξη διαφόρων αερίων υπό την μορφή φυσαλίδων στο εσωτερικό του αντλούμενου υγρού επίσης μπορεί να αποτελέσει έναν άλλο λόγο δημιουργίας ενός τύπου σπηλαίωσης. 23
Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης ΙΙ 24
Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης ΙΙΙ 25
Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης ΙV 26
Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης V 27
Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης VI 28