РАЗДЕЛ 2
РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ КПД
НАГНЕТАТЕЛЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ
Большинство технологических систем в различных отраслях промышленности связано
с транспортированием жидкости и газов. Часто в этих системах осуществляются
процессы смешения, дозирования, гомогенизации, которые осуществляются в
специальных аппаратах. Исследуемые в диссертационной работе нагнетатели эрлифт
и струйный аппарат перспективны для комбинирования транспортных и
технологических функций, однако такое совмещение или комбинирование функций
редко используется из-за низкой эффективности или коэффициента полезного
действия этих аппаратов.
Во втором разделе разработана методика оценки эффективности технологической
системы в целом на основе КПД нагнетателя и эффективности элементов, входящих в
эту систему: поворотов, вентилей.
Расчет эффективности системы позволяет провести анализ влияния величин
эффективности отдельных элементов проточных частей нагнетателей с целью
повышения их КПД, а также влияние эффективности отдельных элементов системы на
эффективность системы в целом.
Взаимосвязь величин гидравлической эффективности и коэффициентов гидравлических
сопротивлений
Сегодня при проектировании гидравлических систем эффективность - hh или
коэффициент полезного действия - КПД определяется только для нагнетателей –
насос, вентилятор и др. Методов определения эффективности гидравлической
системы в целом не существует. При этом низкая эффективность систем транспорта
жидкостей и газов - это огромные бесполезные затраты энергии, которые в
конечном счете приводят к излишнему сжиганию топлива на тепловых
электростанциях и соответственно загрязнению окружающей среды и глобальному
потеплению.
2.1.1. Обобщенный расчет эффективности гидравлической системы.
Для обоснования необходимости введения понятия эффективность гидравлической
системы, а также разработки необходимых терминов рассмотрим схему
гидравлической системы (рис. 2.1), в которой насос перекачивает заданное
количество воды Q из водоема через гидравлическую систему на необходимую высоту
hГ.
Рис. 2.1. Схема гидравлической системы.
Для представленной системы по существующим методикам эффективность можно
определить только для насоса. Коэффициент полезного действия насоса hhнас равен
отношению полезной работы (произведению расхода Q на напор Н) к затраченной
мощности электродвигателя насоса N:
(2.1)
Методов определения эффективности гидравлической системы в целом не существует,
хотя обобщенную величину эффективности системы рассчитать не сложно. Анализ
схемы на рис. 2.1 показывает:
величину напора Н определяют две составляющие H = hГ + hW:
hГ - геометрическая высота подъема жидкости;
hW - потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в проточных
частях элементов системы.
Потери напора hW на преодоление гидравлических сопротивлений в проточных частях
элементов системы не могут быть полезной работой. В гидравлических справочниках
высокие значения гидравлических сопротивлений считаются неизбежными и косвенно
узаконены. Исследования последних десятилетий показали, что гидравлические
сопротивления можно существенно уменьшить, что позволит уменьшить потери напора
и снизить (в 2 и более раз) затраты электроэнергии на транспорт жидкостей и
газов.
Используя логику расчета величины коэффициента полезного действия,
эффективность гидравлической системы hhсист равна отношению полезной работы
(произведению расхода Q на геометрическую высота подъема hГ) к затраченной
мощности электродвигателя насоса N:
(2.2)
Получив обобщенный показатель эффективности гидравлической системы, логично
попытаться определить этот показатель на основе величин эффективностей
отдельных элементов системы – насосов, трубопроводов, поворотов, вентилей и
др.
Определение эффективности элементов системы исходя из величин коэффициентов
гидравлических сопротивлений.
Для выявления логики гидравлической эффективности отдельных элементов системы
транспортирования жидкостей и газов рассмотрим баланс энергий гидравлической
системы, который можно рассчитать на основании закона сохранения энергии
(уравнения Бернулли). Рассмотрим уравнение Бернулли для двух сечений
трубопровода: напорного патрубка насоса – индекс «н» и конечной точки
транспортирования жидкости – индекс «к»:
(2.3)
где a - коэффициент Кориолиса, принимаем равный 1.
Традиционно проектирование гидравлической системы сводится к подбору
трубопроводов для заданной величины расхода Q, исходя из расчета оптимального
сочетания минимальных потерь напора по длине и стоимости труб. Далее
подбирается измерительная, регулирующая, распределительная, запорная арматура
и, используя величины коэффициентов гидравлических сопротивлений из
гидравлических справочников, определяются местные потери напора.
В уравнении 2.3 отметка оси насоса Zн и конечного сечения трубопровода Zк
находятся на одном уровне Zн = Zк, поэтому этими величинами можно пренебречь.
Давление в конечном сечении трубопровода равно атмосферному рк/rg = ратм/rg, то
есть его можно не учитывать. После проведения расчета потерь на участке «н – к»
уравнение (2.3) приобретает следующий вид:
(2.4)
Из уравнения (2.4) можно определить реальную скорость Vр:
Если принять величины гидравлических сопротивлений равным нулю, то можно
определить теоретически предельную скоро