книги / Насосы и вентиляторы
..pdfМоГЬКал и нуш ки н НАСОСЫ
И ВЕНТИЛЯТОРЫ
Издание шестое,
переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1987
ББК 31.762 К 17
УДК 621.63
Р е ц е н з е н т ы —кафедра теплогазоснабжения и вентиля ции Киевского инженерно-строительного института (зав. кафед рой канд. техн. наук, доц. А. Я. Ткачук)
Калинушкин М. П.
К 17 Насосы и вентиляторы: Учеб, пособие для вузов
по |
спец. |
«Теплогазоснабжение и |
вентиляция», |
6-е |
изд., |
перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1987.— |
|
176 |
с.: ил. |
|
|
В |
книге |
рассмотрены основы расчета и методики |
подбора насосов, |
вентиляторов и компрессоров. По сравнению с предыдущими изданиями (5-е-издание 1974 г.) в настоящем приводятся сведения о новых научнотехнических достижениях, учитываются новейшие ГОСТы.
„ |
3206000000(4309000000)—495 |
0„ |
ББК 31.762 |
К |
001(01)—87 |
183 87 |
6С9.4 |
©Издательство «Высшая школа», 1974
©Издательство «Высшая школа», 1987, с изменениями
ОТ АВТОРА
В1947 г. вышло в свет учебно-методическое пособие «Насосы
ивентиляторы», которое переработанное и дополненное как учеб
ник для вузов было переиздано в 1952 г. В 1954 г. учебник был из
дан в Китае. После 1955 г., когда изменился учебный план и прог
рамма дисциплины была дополнена разделом по холодильной тех
нике, этот учебник в переработанном виде под названием «Гидрав
лические машины и холодильные установки» издавался еще в 1957, 1965 и 1975 гг. Опыт преподавания по новой программе показал ме тодическую целесообразность объединения двух различных дис
циплин: в учебном плане была восстановлена самостоятельная дис циплина «Насосы и вентиляторы» и автор подготовил настоящее
фактически шестое издание под прежним названием «Насосы и вен тиляторы».
Необходимо подчеркнуть, что при переработке и дополнениях методическое построение всех изданий сохранялось — автор стре мился сжато и по мере возможности доходчиво излагать только научно важное и практически существенное о насосах, и вентилято
рах, рекомендуя за дополнениями обращаться к обширной и непре
рывно пополняемой литературе по данному вопросу. Насосы и вен
тиляторы с компрессорами, как это было предложено автором еще
в 1947 г., можно объединить под названием «Нагнетатели», употреб ляемым при рассмотрении их действия вне зависимости от вида
нагнетаемой жидкости — воды или воздуха.
Не рассматриваются здесь турбины, гидроприводы и другие бес-
приводные гидравлические устройства (например, эрлифты), сами не нагнетающие жидкость. Струйные аппараты также не являются нагнетателями, но они достаточно широко используются в систе
мах отопления и вентиляции, подробно рассматриваются в спе
циальных дисциплинах, а кратко и здесь. Наиболее широко и раз
нообразно используются в этих системах вентиляторы и изложение
о них дополняется рядом примеров.
Специалисты, на подготовку которых рассчитана настоящая кни
га, призваны заниматься не расчетом и конструированием новых машин, а подбором и эксплуатацией готовых нагнетателей, чему здесь уделяется главное внимание. Поэтому вопросы, связанные с гидро аэродинамической теорией и тепловыми процессами, а также отра
жаемые в самостоятельных дисциплинах данной специальности све
дения по автоматизации, монтажу, технике безопасности здесь не
дублируются или при необходимости рассматриваются кратко.
Автор благодарит за полезные замечания кафедры «Теплогазо-
снабжения и вентиляции» инженерно-строительных институтов Москвы, Ростова-на-Дону и, особенно, Киева.
ВВЕДЕНИЕ
С давних пор применялись различные устройства для нагнета'
ния воды и воздуха при орошении полей, раздувании огня, провет-
ривании рудников и помещений. Для воды, например, применялись
колеса с черпаками, а для воздуха — мехи, опахала.
Изобретение в XVIII в. парового двигателя поступательного
действия привело к использованию органически с ним связанных поршневых насосов и воздуходувок, а появление во второй поло вине XIX в. электродвигателей стало способствовать широкому распространению нагнетателей с вращающимся рабочим органом —
прежде всего центробежных и осевых. Стали также использоваться
для создания в паровозах и для других целей струйные аппараты.
Внашей стране приоритет в изобретении первых центробежных
иосевых нагнетателей, по своему устройству приближающихся к
современным, принадлежит русскому военному инженеру А. А. Саб-
лукову (1783—1857), который в 1835 г. применил свой центробеж
ный вентилятор для проветривания Чигирского рудника на Алтае.
Позже А. А. Саблуков применил для проветривания каменноуголь
ных выработок осевой вентилятор, а в 1840 г. приспособил свои ме
ханизмы для перекачивания воды, т. е. в качестве насосов.
Для создания циркуляции воды в системах центрального водя ного отопления в начале XX в. насосы были применены русскими
инженерами во главе с В. М. Чаплиным (1859—1931).
Вгоды первых пятилеток в связи с бурным ростом промышлен
ного и гражданского строительства возникла у нас острая необхо димость в разработке и массовом выпуске разнообразных по типам
иразмерам насосов, вентиляторов и других нагнетателей, ранее
ввозимых из-за границы.
Они требовались не только для технологических и энергетиче ских нужд, но и для обязательного оснащения зданий санитарно-
техническими системами теплогазоснабжения и вентиляции.
Насосы используются для циркуляции воды в системах централь ного отопления и районного теплоснабжения, питания котлов, пе рекачки конденсата; вентиляторы — для перемещения воздуха в различных системах вентиляции, воздушного отопления, дутья и отсасывания дымовых газов; воздуходувки и компрессоры — для подачи воздуха и газа на большие расстояния, пневматического уп равления регулировочной аппаратурой; все эти нагнетатели приме няются и для ряда других целей.
Всистемах кондиционирования, например, вентиляторы пере
мещают обрабатываемый воздух, насосы нагнетают увлажняющую
и охлаждающую воздух воду, а компрессоры или струйные аппара ты обеспечивают охлаждение воды.
Можно с полной уверенностью утверждать, что нагнетатели яв ляются самыми распространенными в технике механизмами, ис пользуемыми самостоятельно или встроенно в различные агрегаты (например, в автомобили).
Важную роль в развитии соответствующих отраслей науки и
техники сыграли отечественные ученые. Еще в XVIII в. в Россий ской Академии наук Леонард Эйлер разработал теоретические ос новы действия лопаточных машин. H. Е. Жуковский (1847—1921),
которого В. И. Ленин назвал «отцом русской авиации», создал тео
рию гребного винта, на основе которой рассчитываются осевые на сосы и вентиляторы. В организованном H. Е. Жуковским Цент
ральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) и в других
научно-исследовательских институтах и лабораториях его ученики
и последователи многое сделали и продолжают делать для разви
тия теории расчетов и создания новых типов нагнетателей. Главными направлениями в дальнейшем совершенствовании на
гнетателей является повышение их максимального КПД и улучше ние эксплуатационных качеств, т. е. надежности действия, удобст ва регулировки (с применением автоматики), простоты ремонта,
ограничения шума и вибрации при работе. Не малое значение также имеет уменьшение массы, использование при изготовлении недефи
цитных материалов, снижение стоимости.
Очень важно знать, что |
экономичность |
работы нагнетателей |
(а одни только вентиляторы |
потребляют до |
10 % всей вырабаты |
ваемой в стране электроэнергии) определяется не только их высо ким максимальным КПД, но и правильным выбором нужного типа, размера, режима работы и т. д.
В настоящее время в системах теплогазоснабжения и вентиля
ции наиболее широко используются приводимые в движение элект
родвигателями центробежные насосы и вентиляторы (по новому
ГОСТ в отличие от насосов такие вентиляторы стали называться ра диальными), но все шире применяются осевые нагнетатели, во мно
гих случаях обеспечивающие большую экономичность при эксплуа тации, удобство регулировки, компактность.
Осевые насосы, например, имеют бесспорные преимущества по сравнению с центробежными в системах центрального водяного отоп ления.
Появляются и другие новые по типу нагнетатели — вихревые,
диаметральные, дисковые, смерчевые. Очень просты в конструк
тивном отношении и безотказны в эксплуатации струйные аппараты, хотя они и недостаточно экономичны.
В соответствии с решениями XXVII съезда КПСС в двенадцатой пятилетке уделяется большое внимание повышению производитель ности труда, созданию наиболее благоприятных условий в произ водственных помещениях. В этой связи возрастает роль вентиля ционных систем, совершенствование которых рассмотрено в этой книге.
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ИКЛАССИФИКАЦИЯ НАГНЕТАТЕЛЕЙ
1.1.Некоторые сведения из физики жидкостей
Вгидроаэродинамике термин «жидкость» применяется к малосжимаемым капельным веществам (воде, маслу), а также к легко-
сжимаемым газообразным (воздуху, парам).
При незначительных давлениях, когда практически возможно пренебрегать сжатием жидкостей, представляется возможность
обобщать расчет разных нагнетателей, например насосов и венти
ляторов.
Жидкости изменяют свое состояние и свойства при изменении внешних условий — температуры, давления. Вода при нормальном атмосферном давлении и уменьшении температуры ниже О °С начи
нает превращаться в лед, несколько расширяясь при этом в объеме,
апри увеличении температуры свыше +100 °С начинает испаряться.
При уменьшении давления температура парообразования снижает
ся. Что касается газов, а в том числе и воздуха, то и они при извест ных условиях могут быть сжижены, а также и доведены до твердо го состояния.
Капельные и жидкости по сравнению с газами имеют гораздо
большую плотность. Вода (дистиллированная) при температуре t = + 4 °С и барометрическом давлении 5 = 7 6 0 мм рт. ст. имеет плот
ность р=1000 кг/м3.
Плотность капельных жидкостей очень мало зависит от давле ния и при увеличении его, например, на 1 МПа (около 10 ат) объем воды уменьшается всего на 0,05 %.
Мало зависит плотность капельных жидкостей и от темпера
туры — для воды, например, при повышении температуры от 0 до 100 °С объем увеличивается не более чем на 4 %. Однако этого до статочно для создания без насосов естественной циркуляции тепло носителя в простых системах центрального отопления.
Плотность газов, существенно зависящих от температуры и дав
ления, можно определить из характеристического уравнения p/p = R T ,
откуда
Здесь R — газовая постоянная данного газа; pi, pi и Т± — извест
ные значения плотности, давления и абсолютной температуры, а без
индекса — искомые при неизменности значения одного из них. Плотность газов в весьма малой степени зависит от их влажности.
При увеличении относительной влажности, определяемой отно
шением парциального давления содержащихся водяных паров к
их парциальному давлению при полном насыщении с 0,5 до 1, плот
ность газов при обычной температуре уменьшается не более чем на 0,5 %. Поэтому влажность газов при пересчетах обычно не учи
тывают, используя при необходимости более сложные зависимости,
диаграммы.
Окружающий нас атмосферный воздух представляет собой смесь
различных газов, водяных паров и твердых пылевых примесей. В нем содержится около 78 % азота и 21 % кислорода, а также не
значительные количества водорода, углекислоты, аргона, гелия и некоторых других газов. Такой воздух при температуре /0= + 2 0 °С,
барометрическом давлении В0—760 мм рт. ст. и относительной влаж
ности ф0= 0 ,5 называют |
стандартным и плотность |
его |
составляет |
|
р0= 1,2 кг/м3, т. е. почти в 800 раз меньше, чем воды. |
|
|
||
Помимо |
плотности |
жидкости характеризуются |
вязкостью — |
|
силами внутреннего трения, возникающими при ее движении. |
||||
Обычно |
принимаемый коэффициент кинематической |
вязкости |
||
V (M2/C) при |
нормальных условиях для воды равен 1,8*10“ °, а для |
воздуха— 14,9*10“°. При использовании этого коэффициента и известных значений скорости v (м/с) и геометрического размера, например для труб диаметра d (м), может быть вычислен характер движения жидкостного потока — критерий Рейнольдса Re=vd/v.
Если Re меньше 2000 (это число не является стабильным), то движение ламинарное, струйное, а если больше, то турбулентное,
неорганизованное. При работе нагнетателей практически всегда приходится иметь дело с потоками турбулентными.
Капельные жидкости в отличие от газов обладают капилляр ностью, т. е. свойством подниматься или опускаться по капилляр ным трубкам под действием сил поверхностного натяжения между молекулами жидкости и твердого тела. Подъем жидкости происхо дит в том случае, когда она смачивает поверхность трубки, при липает к ней (например, вода и спирт поднимаются по стеклянным капиллярам). Опускается жидкость по стеклянным капиллярам в
том случае, если она не смачивает стенок трубки (например, ртуть).
На этом свойстве капельных жидкостей основано действие капил лярных насосов. Поверхность жидкости в капилляре сферическая и называется мениском. В жидкостных манометрах для большей точности отсчета следует при стеклянных капиллярах применять спирт, который не только труднее замерзает, но и образует наиболее
плоский мениск.
1.2. Некоторые сведения из гидроаэродинамики
Основные уравнения гидроаэродинамики (уравнение неразрыв ности (расхода) и уравнение Д. Бернулли) широко применяются
при расчете, анализе работы и испытании нагнетателей.
При установившемся движении и неизменной плотности жидко сти уравнение расхода (рис. 1.1) имеет вид
L = fvx = F V2,
где для соответствующих сечений L — объемный расход или подача
(термин «расход» более применителен |
к трубопроводам, а термин |
||||||
|
«подача» — к |
нагнетателям), |
|||||
|
м3/с; F и / — поперечные сечения |
||||||
|
канала |
(в некоторых |
случаях |
||||
|
площадь |
поперечного |
сечения |
||||
|
потока может |
быть меньше, |
чем |
||||
|
для |
канала), |
м2; |
v — средние |
|||
|
скорости |
потока, м/с. |
|
|
|||
|
|
Подачу насосов |
обычно изме |
||||
|
ряют в м3/ч или л/с, вентилято |
||||||
|
ров — в |
м3/ч, |
компрессоров — |
||||
К уравнениям расхода и |
в м3/мнн. |
|
|
|
|
||
|
Неразрывность |
потока |
при |
||||
Д. Бернулли |
движении капельных жидкостей |
||||||
|
может быть нарушена, причиной |
чего, например, является местное понижение давления, сопровож
дающееся закипанием жидкости и парообразованием.
При установившемся движении и практически несжимаемой жидкости (р = const), что справедливо для работающих при малых давлениях вентиляторов и перемещающих капельные жидкости насосов, уравнение Д. Бернулли можно записать так (см. рис. 1.1):
Рст, + ZiPë + |
у |
v\ = /?СТз + |
Z2pg + Y v\ + Д/7, |
|
где для соответствующих |
сечений |
рсг — статическое |
давление; |
|
Zpg — весовое давление |
(Z — высота, отсчитываемая от |
условной |
отметки, м; р — плотность перемещаемой жидкости, кг/м3; g — уско рение силы тяжести м/с2); — динамическое давление (v — сред
няя скорость, м/с); Ар — потери полного давления между выбран
ными сечениями, складывающиеся из всех трех упомянутых давле ний (здесь все члены уравнения имеют размерность в паскалях).
Весовое давление можно исключить, когда канал располагается
горизонтально или плотность движущейся по каналу жидкости
не отличается от плотности окружающей среды (например, в вен
тиляционных установках).
В этом случае уравнение приобретает еще более простой вид.
Pcт, + ÜÎ = Рст, + Y О* + Д/7•
Давления выше атмосферного (избыточные) обозначают со зна
ком плюс, а ниже атмосферного (разрежение, вакуум) со знаком минус. Высокие давления можно выражать в технических атмосфе рах (напоминаем, что 1 ат=0,0981 МПа) и если отсчет идет от абсо
лютного вакуума, то их обозначают ата (абсолютные), а если от ба
рометрического давления, то ати (избыточные).
В применении к насосам и в некоторых других случаях давле
ние |
выражают |
напором — высотой |
уравновешивающего столба |
данной жидкости |
|
||
|
|
H = p/pg, |
|
где |
Н — напор, |
м, р — давление, |
Па, р — плотность жидкости, |
кг/м3, g — ускорение силы тяжести, м/с2.
Напоры можно измерять пьезометрами по высоте вытесняемого
жидкостного столба в м или мм. |
|
|
Давлению в 1 Па эквивалентен |
напор |
водяного столба (р = |
= 1000 кг/м3) |
|
|
1/1000-9,81 =0,000102 |
м, или |
0,102 мм, |
а стандартному барометрическому давлению (напору) в 760 мм рт. ст.
р = 13 600 кг/м3 0,76-13 600.9,81 = 101 400 Па, или 0,101 МПа.
Последний член уравнения Д. Бернулли, как уже указывалось,
выражает собой потерю полного давления на пути движения жид
кости между выбранными сечениями. Эту потерю давления, скла
дывающуюся из потерь на трение и в местных сопротивлениях, мож
но для каждого участка канала определить по формуле
где А, — коэффициент сопротивления трению, зависящий от режима движения (Re) и шероховатости стенок — для стальных трубопро водов ориентировочно 0,02; / — длина участка; d — диаметр попе речного сечения (для некруглых каналов размеры поперечных се чений приводят к эквивалентным диаметрам по соответствующим
формулам); |
для прямоугольных сечений размером а Хб например, |
d° = |q ^ ; |
— сумма коэффициентов местных сопротивлений, за |
висящих главным образом от геометрических параметров и прини маемым по справочникам; ^и2 — динамическое давление протекаю
щей жидкости.
1.3. Классификация нагнетателей
Нагнетатели — нагнетательные машины для перемещения ка пельных жидкостей называются насосами, а газов — вентиляторами и компрессорами. По развиваемому давлению область применения насосов и компрессоров практически не ограничена, а вентилято ров в соответствии с рекомендациями СЭВ ограничивается 30 кПа,
а в соответствии с нашими ГОСТами — 15 кПа. Компрессоры для небольших давлений, когда не требуется охлаждать сжимаемый газ, часто называют воздуходувками.
По принципу действия нагнетатели разделяются (рис. 1.2) на
объемные и лопастные *.
1.2. Классификация нагнетателей по принципам действия
Объемные нагнетатели, работающие при поступательном движе нии рабочего органа,— это поршневые, при вращательном — пла стинчатые и зубчатые.
Все лопастные нагнетатели, работающие при вращательном дви
жении рабочего органа (колеса),— центробежные (радиальные),
осевые, вихревые.
Центробежные насосы так и продолжают называться центробеж
ными, а центробежные вентиляторы теперь стали называться ради альными.
Центробежные (радиальные) нагнетатели, главным образом в применении для газов, бывают прямоточные, смерчевые, дисковые
и несколько условно — диаметральные.
Давление в объемных нагнетателях повышается за счет непо
средственного сжатия жидкости, а в лопастных — при ее закру
чивании.
Нагнетатели классифицируются также по целому ряду других признаков — например, в зависимости от привода — электриче
ские, пневматические, паровые, ручные; вида соединения — одно
ступенчатые, многоступенчатые, параллельные (двойного всасы вания); особенностей расположения — насосы вертикальные, по
груженные (артезианские), вентиляторы — крышные; используемые
для перемещения нагретых жидкостей — насосы сетевые и кон
денсатные, вентиляторы-дымососы; для перемещения жидкостей с
* Струйные аппараты не являются нагнетателями, но ввиду их приме нения в системах теплогазоснабжения и вентиляции ниже в гл. 6 кратко рассматриваются.