KURZUS: Gépek üzemtana
MODUL: III. modul: Energetikai gépek és berendezések üzemtana
7. lecke: Szivattyúk üzemtani jellemzői
Tanulási cél | |||
A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz önállóan | |||
| |||
Tananyag | |||
Szivattyúnak nevezzük az olyan gépet, mely folyékony halmazállapotú közeg szállítását végzi. Energetikailag szemlélve ezt a munkavégzést, a szivattyú a bevezetett energiát átadja a folyékony halmazállapotú közegnek, mely ennek köszönhetően egy összes energiatartalmát tekintve kisebb energiatartalmú helyről egy nagyobb energiatartalommal bíró helyre áramlik. | |||
Ahhoz hogy a szivattyúk üzemére jellemző mennyiségekről beszélhessünk, meg kell ismernünk a szivattyúzás energia-, ill. teljesítményszükségletét meghatározó jellemzőket. | |||
Tekintettel a szivattyú alkalmazásának céljára, a legfontosabb üzemtani jellemző nyilvánvalóan az időegység alatt elszállított folyadék mennyisége, amit térfogatáramnak neveznek. Logikus tehát, hogy az eddig alapvető üzemtani jellemzőként használt munkasebesség (fordulatszám) helyébe a térfogatáramot helyezzük, melyről egyébként kimutatható, hogy a gép fordulatszámának első hatványával arányos mennyiség. A térfogatáram alapmértékegysége a "m3/s". Mivel a gyakorlatban előforduló térfogatáramok ebben a mértékegységben kifejezve a legtöbb esetben kényelmetlenül kis számok, gyakran használják a "m3/min", "m3/óra" mértékegységeket vagy a "m3"-ben kifejezett térfogatot liter mértékegységgel helyettesítik. Nem szabad tehát megfeledkezni a térfogatáram mértékegységének szemmel tartásáról. | |||
A nyomaték helyébe a szivattyúzás energiaszükségletét célszerű helyettesíteni, hiszen ez a térfogatárammal megszorozva a teljesítményszükséglettel arányos mennyiséget ad. | |||
A szivattyúzás energiaszükséglete alapvetően két részből tevődik össze a térfogatáramtól független és a térfogatáramtól függő részből. | |||
A térfogatáramtól függetlenül szükséges energiamennyiség a folyadék helyzeti és ún. nyomási energiájának megváltoztatásához szükséges. Mivel az áramló folyadék esetében nem értelmezhető a szállított folyadék tömege, az energiaszükségletet a szállított folyadék súlyegységére vonatkoztatják. Ezzel a fajlagos energiaszükséglet jellemzésére egy olyan kényelmes üzemtani jellemzőhöz jutnak, mely formálisan méter mértékegységű hiszen | |||
A helyzeti energia megváltoztatásához szükséges fajlagos energiamennyiség tehát nem más, mint az a szintkülönbség, amelyre a folyadékot a szivattyú szállítja. Ezt a szintkülönbséget geodetikus szállító magasságnak (Hg) is szokták nevezni. | |||
A folyadék nyomásának megváltoztatásához szükséges fajlagos energiamennyiség nyilván attól a nyomáskülönbségtől () függ, mely ellenében a folyadékot szállítani kell. Minden nyomáskülönbség kifejezhető az adott folyadék valamely magasságú oszlopának nyomásaként és így a nyomási energia megváltoztatásához szükséges fajlagos energiamennyiség, melyet a gyakorlatban nyomásmagasságnak (Hp) is szoktak nevezni | |||
E két tényező összege tehát a szivattyúzott térfogatáramtól függetlenül a folyadék súlyegységének szállításhoz szükséges energiamennyiség, melyet formális "m" mértékegysége miatt statikus szállítómagasságnak neveznek | |||
A 32. ábrán egy nyitott tartályból (folyadékfelszín feletti nyomás egyenlő az atmoszférikus nyomással) egy másik, zárt tartályba (a folyadékfelszín feletti nyomás kisebb vagy nagyobb az atmoszférikus nyomásnál) történő folyadékszállítás vázlatát láthatjuk. | |||
| |||
Megfigyelhető, hogy a geodetikus szállítómagasságot az alsó folyadékszinttől kell mérni és nem a csővezeték kezdetétől, hiszen ez a szint, ami a folyadék kezdeti helyezeti energiatartalmát kifejezi. Másként fogalmazva: a csővezetékben a folyadék a tartályban lévő szintig energia-befektetés nélkül felemelkedik a közlekedő edények törvénye szerint. | |||
Fontos megjegyezni, hogy a szivattyú helyzete az alsó folyadékszint felett nem lehet akárhol. Ennek vizsgálatához a teljes geodetikus szállítómagasságot két részre kell osztani: | |||
| |||
A szivattyú elindítását követően a szívócsonknál a nyomás lecsökken, létrejön egy nyomáskülönbség az alsó folyadékszint feletti nyomás és a szívócsonknál kialakuló nyomás között. Ha ez a nyomáskülönbség elegendően nagy, akkor ennek hatására a folyadék a szívócsőben felemelkedik a szivattyú szintjére. Ebből következik, hogy a szívómagasság elméleti maximális értéke attól függ, hogy mekkora a nyomás az alsó folyadékszint felett. A szívóoldali folyadékszint feletti nyomást "p1"-el jelölve | |||
Ez az elméleti maximum akkor jöhetne létre, ha a szivattyú képes lenne tökéletes vákuumot létrehozni. A valóságban soha sem használható ki tökéletesen a szívóoldali folyadék felszín feletti nyomás, mivel annak "fedezetet" kell nyújtani a következőkre is: | |||
| |||
Láthatjuk tehát, hogy a szívómagasságnak tehát van egy korlátja. A valóságban a szívómagasság csak egyenlő vagy kisebb lehet, mint ez a küszöbérték. Ha az itt felsorolt tényezők mindegyikét formálisan méter mértékegységben fejezzük ki, akkor a szívómagasság lehetséges értékére a következő összefüggést kapjuk | |||
Az összefüggésből látszik, hogy a szívómagasság nem szükségszerűen pozitív, bizonyos körülmények között értéke lehet zérus, sőt negatív is. Amikor a szívómagasság pozitív szám, felszívó üzemmódról, ha zérus, akkor semleges üzemmódról és ha negatív, akkor hozzáfolyásos üzemmódról beszélünk (33. ábra). | |||
| |||
A szivattyúk többségét indítás előtt folyadékkal fel kell tölteni. Éppen ezért a gyakorlatban, hacsak erre lehetőség kínálkozik, célszerű a hozzáfolyásos üzemmódot választani, mert ilyenkor a szivattyú feltöltése nem okoz gondot, lévén a szivattyú a szívóoldali folyadékszint alatt. | |||
A geodetikus szállítómagasságot tehát az alsó folyadékszint és a legmagasabban elhelyezkedő csővezetéki keresztmetszet középpontja közötti szintkülönbség. Igaz ugyan, hogyha a csővezeték kilépő keresztmetszete alacsonyabban van ennél (34. ábra), akkor ezzel a szintkülönbséggel ((H) csökkenteni lehet a geodetikus szállítómagasságot, köszönhetően az ún. szivornyahatásnak, de indításnál szivornyahatás nem lévén, ezt mégis el szokták hanyagolni. | |||
| |||
A szivattyúzás energiaszükségletének térfogatáramtól függő hányada a csővezetékben lezajló áramlás során, a folyadék súrlódásossága következtében keletkező energiaveszteség. Tekintettel arra, hogy ezt az energiaveszteséget is a szivattyúzott folyadék súlyegységére kell és célszerű vonatkoztatni, ennek gyakorlatban használt neve a veszteségmagasság (h'). A veszteségmagasságot az ún. Hagen-Poiseuille összefüggés alapján számítják ki. Ez az összefüggés azt fejezi ki, hogy egy egyenes csővezetékben lezajló áramlás során keletkező energiaveszteség arányos a vezeték hosszával, a csővezetékbe áramló folyadék súlyegységére vonatkoztatott mozgási energiájával, az áramlásra jellemző ún. csősúrlódási tényezővel és fordítottan arányos a csővezeték átmérőjével. | |||
Az összefüggésben a csősúrlódási tényező az áramlásra jellemző Reynolds-számtól függ, de közelítő számításoknál az ún. Dupuit-féle állandó, melynek értéke 0,025, is jól használható. | |||
A csővezetékbe beépített ívek, szerelvények és más csővezetéki elemek okozta veszteségmagasság, továbbá a csővezetékből távozó folyadék által "magával vitt", szintén a szivattyúzás során befektetett fajlagos mozgási energia, mint kilépési veszteség figyelembevételéhez az összefüggést ki szokták egészíteni az alábbiak szerint | |||
Az összefüggés második tagjában szereplő "" veszteségtényezők csak a szakirodalomban találhatók meg, egyes esetekben időrabló munkával. Éppen ezért a közelítő számításokban a gyakorlatban elterjedt, hogy a tényleges egyenes hossz (l) értékét kb. 40%-al megnövelik és ezzel igyekszenek figyelembe venni a csővezetéki elemek veszteségmagasságát és az egyszerűség kedvéért a kilépési veszteséget is. | |||
A szivattyúzás teljes, fajlagos energiaszükséglete, a szállító magasság tehát | |||
A 35. ábra szemléletesen mutatja a szivattyúzás energiaszükségletét a térfogatáram függvényében, ami tehát a szivattyú számára a terhelés jelleggörbéje. | |||
| |||
A veszteségmagasság változását kifejező görbe természetesen másodfokú függvény, hiszen a sebességet, mint a térfogatáram és a csővezeték keresztmetszetének hányadosát helyettesítve a Hagen-Poiseuille összefüggésbe | |||
Felhívjuk a figyelmet itt arra, hogy az összefüggés szerint állandó térfogatáram esetében a veszteségmagasság a csőátmérő ötödik hatványával fordítottan arányos, tehát a csőátmérő kis mértékű csökkentése vagy csökkenése (pl. elpiszkolódás miatt), a veszteségmagasság progresszív növekedését eredményezi. | |||
A térfogatáram és a szállítómagasság ismeretében a szivattyúzás teljesítményszükséglete | |||
A nevezőben szereplő hatásfok a szivattyúgép belső veszteségeinek figyelembevételére szolgál és több hatásfok szorzataként értelmezhető. Az egyes részhatásfokok a következők: | |||
| |||
A mechanikai hatásfok a szivattyúban lévő gépelemek mechanikai súrlódásának következtében keletkező veszteségeket veszi figyelembe. | |||
A volumetrikus hatásfok, nevéből levezethetően egy térfogati veszteség figyelembevételére szolgál. A szivattyú nyomó- és szívóoldala között nyomáskülönbség van. Ennek következtében a gép belsejében, a gép szerkezetétől, tömítettségétől függően, egy bizonyos mennyiségű folyadék "visszaszökik" a szívóoldalra a mozgó gépelemek között. Tekintettel arra, hogy ezt a folyadékmennyiséget a szivattyú már "megmozgatta", az ehhez szükséges energiamennyiség veszteségnek tekintendő. | |||
Hidraulikai hatásfok speciálisan az áramlástani elven működő szivattyúk ún. járókerekén átáramló folyadék áramlási veszteségét veszi figyelembe. | |||
Az egyes részhatásfokokat a valóságban még méréssel sem lehet külön-külön meghatározni. Kizárólag a szivattyú összhatásfoka határozható meg a gépen végzett mérések segítségével. |
Önellenőrző kérdések | ||
1. Mi a szivattyú feladata? ![]() | ||
2. Mi a szivattyú legfontosabb üzemtani jellemzője? ![]() | ||
3. Mit fejez ki a térfogatáram? ![]() | ||
4. Mi a szállító magasság? ![]() | ||
5. Mi a statikus szállítómagasság? ![]() | ||
6. Mi a veszteségmagasság? ![]() | ||
7. Hogyan lehet kiszámítani az egyenes csövek veszteségmagasságát? ![]() | ||
8. Mitől függ a csősúrlódási tényező és milyen közelítő értékkel helyettesíthető az egyszerűsítő számításokban? ![]() | ||
9. Milyen viszonyban van a veszteségmagasság a csővezeték átmérőjével? ![]() | ||
10. Mit értenek kilépési veszteség alatt a csővezeték esetében? ![]() | ||
11. Milyen módon veszik figyelembe a gyakorlatban a közelítő számítások során a csővezetéki szerelvények és ívek okozta veszteséget? ![]() | ||
12. Mi szívómagasság? ![]() | ||
13. Mitől függ a szívómagasság elméleti maximális értéke? ![]() | ||
14. Milyen okok miatt nem lehet egyenlő a valóságban a szívómagasság az elméleti maximummal? ![]() | ||
15. Mi a telítési gőznyomás? ![]() | ||
16. Mi történik akkor, ha a folyadék felszíne felett a nyomás a telítési gőznyomás értékéig csökken? ![]() | ||
17. Mi a nyomómagasság? ![]() | ||
18. Hogyan változik a szivattyúzás összes energiaszükséglete a térfogatáram függvényében? ![]() | ||
19. Hogyan lehet kiszámítani a szivattyú teljesítményszükségletét? ![]() | ||
20. Mit értenek hozzáfolyásos üzemmód alatt? ![]() | ||
21. Mit értenek felszívó üzemmód alatt? ![]() | ||
22. Miért előnyösebb a hozzáfolyásos üzemmód a felszívó üzemmódnál? ![]() | ||
23. Milyen részhatásfokokból tevődik össze a szivattyú hatásfoka általában? ![]() | ||
24. Milyen veszteségeket vesz figyelembe a mechanikai hatásfok? ![]() | ||
25. Milyen veszteségeket vesz figyelembe a volumetrikus hatásfok? ![]() | ||
26. Milyen veszteségeket vesz figyelembe a hidraulikai hatásfok? ![]() | ||
27. Hogyan határozható meg egy szivattyú hatásfoka? ![]() |