ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΝΤΛΗΤΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Εισαγωγικά Στην περίπτωση που επιθυμείται να διακινηθεί υγρό από μία στάθμη σε μία υψηλότερη στάθμη, απαιτείται η χρήση αντλίας/ αντλιών. Γενικώς, ονομάζεται δεξαμενή αναρρόφησης η δεξαμενή που βρίσκεται στη χαμηλότερη στάθμη και από την οποία αντλείται το υγρό. Σημειώνεται ότι η έννοια της δεξαμενής είναι ευρεία και μπορεί να αναφέρεται εκτός από την τυπική δεξαμενή σε ποταμό, λίμνη κ.ο.κ. Η δεξαμενή που βρίσκεται στην υψηλότερη στάθμη και στην οποία μεταφέρεται το υγρό ονομάζεται δεξαμενή κατάθλιψης. Η εγκατάσταση που περιλαμβάνει την αντλία, τις σωληνώσεις, το χώρο αναρρόφησης και κατάθλιψης καθώς και τα σχετικά εξαρτήματα ονομάζεται αντλητική εγκατάσταση. Στο Σχήμα 1, δίνεται σχηματικά μία απλή αντλητική εγκατάσταση, με ανοικτές δεξαμενές, δηλαδή δεξαμενές με ελεύθερη επιφάνεια. Στην περίπτωση του Σχήματος 1, η αντλία αντλεί το υγρό από τη δεξαμενή αναρρόφησης Ε και το καταθλίβει στη δεξαμενή κατάθλιψης Α. Σχήμα 1. Σκαρίφημα αντλητικής εγκατάστασης με ανοικτές δεξαμενές (Πηγή: Παπαντώνης, 00) Τα μεγέθη που αναφέρονται στο σχήμα προσδιορίζονται συνοπτικά στη συνέχεια και όπου κρίνεται απαραίτητο γίνεται μια σύντομη αναφορά σε σχετικές με αυτά έννοιες: - ze: Στάθμη της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού στη δεξαμενή αναρρόφησης (m) - za: Στάθμη της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού στη δεξαμενή κατάθλιψης (m)
- ΗΒ: Στατική πίεση στις δεξαμενές αναρρόφησης και κατάθλιψης, εκφρασμένη σε m στήλης υγρού (mσυ). Η πίεση, σε mσυ, προκύπτει από τη σχέση Η=p/(ρ*g), όπου p η πίεση σε N/m, ρ η πυκνότητα του υγρού και g η επιτάχυνση της βαρύτητας. Για την υπό μελέτη περίπτωση, επειδή οι δεξαμενές είναι ανοικτές η στατική πίεση είναι ίδια και στις δύο δεξαμενές και ίση με την ατμοσφαιρική. Επίσης, σημειώνεται, ότι η στατική πίεση αντιστοιχεί στο βάρος στήλης υγρού με συγκεκριμένο ύψος και διατομή (υδροστατική πίεση). - zα: Στάθμη στην οποία βρίσκεται η αντλία (m) - Hα: Η στατική πίεση στην έξοδο της αντλίας (mσυ) - Ηe: Η στατική πίεση στην είσοδο της αντλίας (mσυ) Ορίζονται τα ακόλουθα μεγέθη: - he = zα ze: Γεωμετρικό ύψος αναρρόφησης - he = za zα: Γεωμετρικό ύψος κατάθλιψης - h = za ze = he + ha: Γεωμετρικό ύψος ανύψωσης Τέλος, υπενθυμίζεται ότι η διακίνηση υγρών πραγματοποιείται υπό κάποια τιμή παροχής (Q), η οποία εντός σωλήνωσης διατομής A, είναι ίση με Q = c*a, όπου c η ταχύτητα του υγρού στη σωλήνωση. Καθορισμός σημείου λειτουργίας αντλητικής εγκατάστασης Ουσιαστικά, η «καρδιά» της αντλητικής εγκατάστασης που είναι η αντλία πρέπει κατά τη λειτουργία της να «ξεπεράσει» το γεωμετρικό ύψος ανύψωσης που ορίστηκε παραπάνω αλλά και τις υδραυλικές απώλειες της εγκατάστασης που θα εξεταστούν στη συνέχεια. Το άθροισμα του γεωμετρικού ύψους ανύψωσης και των υδραυλικών απωλειών αποτελούν το ολικό ύψος της αντλίας. Η βάση της ανάλυσης είναι η γενικευμένη εξίσωση Bernoulli, η οποία περιγράφει, στην ουσία, τη διατήρηση της ολικής πίεσης. Εφαρμόζοντας τη γενικευμένη εξίσωση Bernoulli στη διατομή εξόδου της αντλίας, θα είναι: Η oa = Η α + z α + c a g = H B + z A + δh faa (1) Με δhfαa συμβολίζονται οι υδραυλικές απώλειες της σωλήνωσης, στη συγκεκριμένη περίπτωση από την αντλία μέχρι τη δεξαμενή κατάθλιψης. Όσον αφορά στην είσοδο της αντλίας, θα είναι: Η oe = Η e + z e + c e g = H B + z A δh fee ()
Αφαιρώντας κατά μέλη τις εξισώσεις (1) και (), προκύπτει το ολικό ύψος της αντλίας: Η = Η οα Η oe = h + (δh faa + δh fee ) = h + δh fea (3) Ο τελευταίος όρος της εξίσωσης (3) εκφράζει το σύνολο των υδραυλικών απωλειών στις σωληνώσεις αναρρόφησης και κατάθλιψης. Οι απώλειες αυτές χωρίζονται σε γραμμικές απώλειες (απώλειες κατά τη διαδρομή του ρευστού στα διάφορα τμήματα της σωλήνωσης) και εντοπισμένες απώλειες (απώλειες στα διάφορα εξαρτήματα της εγκατάστασης). Οι υδραυλικές απώλειες μπορούν να περιγραφούν, στη γενικής τους μορφή, από την εξίσωση (4): δh fea = λ i i L i c i d i g + ζ κ k c k g + c A g (4) di: Η διάμετρος κάθε επιμέρους τμήματος (i) της σωλήνωσης λi: Ο συντελεστής γραμμικών απωλειών κάθε τμήματος (i) της σωλήνωσης, για τον οποίο θα γίνει ειδικότερη μνεία στη συνέχεια. ζκ: Ο συντελεστής εντοπισμένων απωλειών κάθε εξαρτήματος (k) της εγκατάστασης Όσον αφορά στο συντελεστή λ των γραμμικών απωλειών, προκύπτει ως συνάρτηση της σχετικής τραχύτητας του αγωγού (ν = ε/d, όπου ε η απόλυτη τραχύτητα του αγωγού) και του αριθμού Reynolds (Re = ci*di/ν). Σε όλες τις πρακτικές εφαρμογές η ροή είναι τυρβώδης κι αυτό σημαίνει ότι σε κάθε τμήμα της σωλήνωσης ο αντίστοιχος συντελεστής λ παραμένει σταθερός. Ο συντελεστής λ μπορεί να προσδιοριστεί από το διάγραμμα Moody, με τον τρόπο που περιγράφεται στη συνέχεια.
Χρήση διαγράμματος Moody: (1) εύρεση σχετικής τραχύτητας, () εύρεση αριθμού Reynolds, (3) φέρουμε καμπύλη παράλληλη σε αυτές του διαγράμματος από την τιμή της σχετικής τραχύτητας έως ότου συναντήσει την κάθετο από τον οριζόντιο άξονα, η οποία ξεκινά από τον αριθμό Reynolds, (4) από το σημείο τομής φέρουμε παράλληλη στον οριζόντιο άξονα με κατεύθυνση προς τον αριστερό κατακόρυφο άξονα και το σημείο τομής αντιστοιχεί στο συντελεστή απωλειών λ
Όσον αφορά στο συντελεστή εντοπισμένων απωλειών, στην περίπτωση της τυρβώδους ροής, είναι επίσης σταθερός για τα διάφορα εξαρτήματα. Στον Πίνακα 1, αναφέρονται ορισμένες χαρακτηριστικές του τιμές. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι συντελεστές που αναφέρονται στον Πίνακα 1 είναι ενδεικτικοί. Σε μελέτες υψηλών απαιτήσεων ακριβείας, οι κατασκευαστές εξαρτημάτων δίνουν χαρακτηριστικές καμπύλες και τιμές για τους συντελεστές εντοπισμένων απωλειών. Πίνακας 1. Τιμές συντελεστή εντοπισμένων απωλειών για βασικά εξαρτήματα υδραυλικών εγκαταστάσεων (Πηγή: ΤΟΤΕΕ 411/1986)