Лабораторная работа 5

Тема: Определение характеристик центробежного вентилятора.

Работа центробежного вентилятора на сеть.

Цель: построение экспериментальных характеристик вентилятора и сети и определение параметров рабочей точки.

Введение:

Вентиляторами называют машины, предназначенные для перемещения газов при атмосферном давлении или близком к нему. Перемещаемый газ подвергается в вентиляторе незначительному сжатию - разность давлений газа после вентилятора и до него не превышает 10⁴ Па (0, 1 кгс/см² или 1000 мм вод. ст.), а обычно бывает много меньше. По устройству вентиляторы разделяют на центробежные и осевые. Центробежные вентиляторы создают большую разность давлений, чем осевые.

Рисунок 1 Схема центробежного вентилятора где 1 - корпус; 2 - рабочее колесо

Сжатие и перемещение газа в центробежном вентиляторе происходит под действием центробежной силы, возникающей при вращении с большой скоростью рабочего колеса 1 вентилятора (рис.1). Это колесо имеет изогнутые лопатки, между которыми проходит газ. Газ всасывается рабочим колесом в центре и выбрасывается с периферии в улиткообразный корпус 2 вентилятора.

При постоянной частоте вращения (при постоянном значении развиваемой центробежной силы) работа центробежного вентилятора характеризуется следую­щими величинами:

1) объемным расходом перемещаемого газа Q, м /с;

2) создаваемой разностью давлений после вентилятора и до него *Лр, Па;

3) затрачиваемой мощностью N, Вт;

4) коэффициентом полезного действия г\, представляющим собой отношение
мощности QAp, требуемой теоретически для сжатия газа **, к мощности N,
затрачиваемой в действительности:

У центробежных вентиляторов Q, Др и N связаны между собой, и изменение одной из этих величин вызывает изменение остальных.

Графические зависимости Ар = f j (Q), N - f₂ (Q), r\ = f3 (Q) называют характеристиками вентилятора.

На основании теоретических расчетов эти характеристики с достаточной точ­ностью построить нельзя. Поэтому на практике применяют характеристики вентиля торов, полученные опытным путем. Типичные характеристики центробежного вен­тилятора при постоянной частоте вращения п показаны на рис. 2. При другой часто­те вращения характеристики вентиляторов будут другими. В небольших пределах изменения п изменения Q, Ар и N определяются следующими приближенными со­отношениями, называемыми часто законами пропорциональности:

Рисунок 2. Характеристики центробежного вентилятора.

Характеристики вентиляторов служат для исследования их работы в различных ус­ловиях и для подбора вентиляторов при проектировании вентиляционных устано­вок.

Первая часть данной лабораторной работы заключается в экспериментальном определении трех характеристик центробежного вентилятора при n - const. Для это­го, изменяя диафрагменным затвором, установленным на выходе из нагнетательного трубопровода (рис.3), диаметр выходного отверстия и расход перемещаемого вен­тилятором воздуха, измеряют соответствующими контрольно - измерительными приборами, как об этом сказано ниже, все величины, необходимые для определения Q, Ар и N.

Разность давлений, создаваемая вентилятором (см. рис.3):

p₂pi

(2)

здесь pi и р₂ - статистические давления воздуха перед вентилятором и после него в местах присоединения трубок дифманометра.

ется это тем, что газу приходится преодолевать гидравлическое сопротивление тру­бопровода, на что затрачивается часть энергии (давления) газа. Гидравлическое со­противление трубопровода складывается из сопротивления трения, сопротивлений при поворотах, в вентилях, задвижках и др. Следовательно, гидравлическое сопро­тивление трубопровода (сети) зависит от его геометрических параметров; зависит оно также и от расхода проходящего по трубопроводу газа. Для случая, когда про­ходящий по трубопроводу газ - воздух, и из сети он выходит в атмосферу, эта зави­симость выражается теоретическим уравнением:

(3)

здесь Ар_с - гидравлическое сопротивление - потеря давления в сети, Па; а -коэффициент, характеризующий геометрические параметры сети (постоянный для данной сети).

График уравнения (3) называют характеристикой сети. На рис.4 представ­лены характеристики двух сетей, отличающихся геометрически. Применительно к нашей установке сеть а₂ геометрически отличается от сети aj тем, что в сети а₂ больше открыт диафрагменный затвор, поэтому при одинаковом расходе воздуха Q гидравлическое сопротивление сети а₂ меньше.

Для построения характеристики сети расход воздуха уже нельзя изменять диафрагменным затвором, так как при этом сеть геометрически изменяется, и при­ходится делать это другим путем - изменением частоты вращения вентилятора.

Из рис.3 видно, что полное гидравлическое сопротивление сети Ар_с, склады­вающееся из сопротивлений всасывающего (АВ) и нагнетательного (СД) трубопро­водов, равно:

здесь ро - атмосферное давление. Сопоставив уравнения (2) и (4), видим, что

(5)

т.е. вентилятор всегда создает такую разность давлений, которая равняется гидрав­лическому сопротивлению сети, другими словами, он сообщает воздуху такое коли­чество энергии, которое необходимо для преодоления этого сопротивления.

Совмещая характеристики вентилятора и сети, т.е. графики рис.2 и 4, получа­ют график работы центробежного вентилятора на сеть (рис.5). Точку пересече­ния линий Q - Ар и Q - Ар_с на этом графике, в котором Ар = Ар_с, называют рабочей точкой. Положение рабочей точки определяет все величины, характеризующие ра­боту вентилятора при той же частоте вращения могут сильно отличаться - см. ра­бочие точки А и В.

Вторую часть работы составляет посторонние характеристики сети и графика работы вентилятора на сеть.

Сетью называют тот трубопровод или канал, на который работает вентилятор. В данной установке сеть состоит из всасывающего и нагнетательного трубопрово­дов.

Рисунок 3. Схема измерения разности давлений, создаваемой вентилятором:

I - всасывающий трубопровод; 2- центробежный вентилятор; 3 - нагнетательный

трубопровод; 4 - диафрагменный затвор; 5 - дифманометр.

1] N Др, Др_с др.

Рисунок 4 Характеристики сетей

Рисунок 5 График работы центробежного вентилятора на сеть

Если по трубопроводу постоянного поперечного сечения проходит газ, то дав­ление его на выходе из трубопровода всегда будет меньше, чем на входе. Объясня-

Описание установки

Установка (рис.6) состоит из центробежного вентилятора 1, смонтированного на одном валу с электродвигателем 2 постоянного тока. Последний дает возмож­ность легко изменять частоту вращения вентилятора с помощью реостата.

К вентилятору присоединены нагнетательная 4 и всасывающая 5 трубы оди­накового диаметра (d_BHyTp = 220 мм). На входном участке всасывающей трубы имеет­ся плавный раструб 7, за которым установлена сетка 6 для предохранения от засасы­вания в трубопровод посторонних предметов. В выходном отверстии нагнетатель­ной трубы установлен диафрагменный затвор 3, позволяющий плавно изменять площадь выходного отверстия (и, следовательно, изменять сопротивление нагнета­тельного трубопровода).

Из всех составляющих гидравлического сопротивления сети наибольшее зна­чение имеют сопротивления сетки 6 и диафрагменного затвора 3, по сравнению с которыми остальные составляющие (трение, сопротивление на входе) очень малы.

Реостаты 14 и 16 служат для пуска и изменения частоты вращения электро­двигателя. На щите электродвигателя и на трубопроводах установлены следующие контрольно - измерительные приборы:

а) тахометр 12 для определения частоты вращения вентилятора;

б) амперметр 13 и вольтметр 15 для определения силы и напряжения постоян­
ного электрического тока;

в) трубки Пито 8 и 11, соединенные с дифференциальными манометрами 9 и
10.

Рисунок 6. Схема установки:

1 - центробежный вентилятор; 2 - электродвигатель постоянного тока; 3 - диа­фрагменный затвор; 4 - труба нагнетательная; 5 - труба всасывающая; б - сет­ка; 7 -раструб; 8, 11 - трубки Пито и дифманометры; 12 — тахометр; 13 - ам­перметр; 14, 16-реостаты; 15 - вольтметр; 17 - рубильник.

Методика проведения работы

Для получения характеристик вентилятора Q-Ap, Q-N и Q - г| проводят первую серию опытов (10 наблюдений) при постоянной частоте вращения п, кото­рую задает преподаватель (не более 1200 об/мин). Расход перемещаемого вентиля­тором воздуха изменяют диафрагменным затвором 3, меняя его открытие.

Для получения характеристики сети Q - Ар_с проводят вторую серию опытов (5 наблюдений), при которой открытие затвора 3, т.е. геометрическая характеристи­ка сети, остается постоянным (его задает преподаватель), а расход воздуха меняют путем изменения частоты вращения вентилятора.

Необходимые для построения характеристик вентилятора и сети значения Q, Ар, N, Т| определяют путем соответствующей обработки показаний контрольно -измерительных приборов, полученных во время испытания. Показания дифмано-метра 9, дифманометра 10, амперметра 13 и вольтметра 75 снимают одновременно по команде «отсчет». Эту команду подает студент, регулирующий частоту вращени вентилятора, после того как диафрагменный затвор 3 переставлен в новое положе­ние и восстановлена реостатами заданная частота вращения (1 серия опытов) или после того как установлена новая частота вращения (2 серия опытов).

После ознакомления с описанием работы и с установкой в натуре проверяют правильность положения трубок Пито в трубопроводах, нулевые положения жидко­сти в дифференциальных манометрах и с разрешения преподавателя пускают вента лятор - включают рубильник и плавно выводят сначала пусковой реостат 14, а. зате? регулировочный 16. Остановку вентилятора после окончания работы производят в обратном порядке.

Обработка опытных данных и составление отчета

Полученные данные обрабатывают в следующей последовательности.

1. Ар = р₂ - pi - разность давления, создаваемую вентилятором, определяют
(мм вод. ст) непосредственным замером по дифференциальному маномет­
ру 10.

Как видно из рис. 6, дифманометр 10 присоединен к трубкам Пито так, что он показывает разность между общим (статическое + динамическое) давлением в на­гнетательном трубопроводе и общим давлением во всасывающем трубопроводе. Эт(показание дифманометра равно разности статистических давлений воздуха после и до вентилятора, так как динамические давления во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковы, потому что одинаковы диаметры обоих трубопроводов.

2. N - мощность, потребляемую вентиляционной установкой, рассчитывают
по формуле:

N = UI (6)

Здесь U— напряжение постоянного тока, В; /-силатока, А.

3. Q - расход перемещаемого вентилятором воздуха рассчитывают по урав­
нению расхода для потока воздуха в трубопроводе:

Q = wf. (7)

Здесь w - средняя скорость воздуха в трубопроводе, м/с, f = 0, 785d - площадь по­перечного сечения трубопровода, м², d - внутренний диаметр трубопровода, м)

Среднюю скорость воздуха w находят следующим образом.

Дифференциальный манометр 9 (см. рис. 6), присоединенный к трубке Пито 8, которая установлена по оси всасывающего трубопровода, показывает (мм вод. ст.) скоростное (динамическое) давление Ар_ск - кинетическую энергию единицы объема воздуха в центре этого трубопровода:

(8)

здесь w_MaKC - скорость элементарной струйки воздуха, проходящей в центре трубопровода - осевая или максимальная скорость, м/с; р - плотность воздуха, кг/м³.

При развитом турбулентном режиме течения в трубопроводе, когда значение критерия Re > 10000, можно принять:

(9) из уравнений (7) - (9) получаем:

(Ю) Значение плотности воздуха р берут из таблицы.

4. л - КПД вентилятора (с электродвигателем) вычисляют по уравнению (1)
С целью проверки режима течения воздуха в трубопроводе вычисляют значе­
ние критерия Рейнольдса для того опыта, в котором расход воздуха наимень­
ший: Re = wdp/u, Вязкость воздуха ц (Па • с) берут из таблицы.

Отчет о выполненной работе должен включать:

а) задание;

б) схему установки со спецификацией;

в) отчетные таблицы;

г) расчет значений Q, N, л (табл. 1) для какого-либо одного опыта; расчет критерия
Re для наименьшего расхода воздуха;

д) график работы вентилятора на сеть и определение параметров рабочей точки.

Таблица 1 Характеристика вентилятора при постоянной частоте вращения (п =...об/мин)

Таблица 2 Характеристика сети при постоянном открытии диафрагменного затвора

Контрольные вопросы

1. Как устроен и работает центробежный вентилятор?

2. Разность каких давлений показывает дифманометр, присоединенный к плюсу и
минусу трубки Пито, установленной во всасывающем трубопроводе вентилято­
ра?

3. Почему при определении характеристик вентилятора можно изменять расход
воздуха диафрагменным затвором, а при определении характеристики сети -
нельзя?

4. Какой физический смысл имеют характеристики сети и рабочая точка?

5. В чем преимущество дифманометра с наклонной шкалой по сравнению с обыч­
ным U - образным дифманометром?

6. Чем общее давление отличается от статического?

7. Какие конструкции вентиляторов применяются в промышленной практике?

8. Какое давление (пределы изменения) создают вентиляторы различных групп
(центробежные и осевые; низкого, среднего и высокого давления)?

Дополнительная литература

Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977. 424 с

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

Изучение работы центрифуги.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Практическое ознакомление с устройством и работой центрифуг, проведение процесса центрифугирования, снятие характеристик (опытных данных) и расчет производительности, центробежной силы, фактора разделения, степень осушки материала и остаточность влажности материала.

Аппараты, в которых осуществляется центрифугирование, называют центрифугами. Основная часть любой центрифуги- вращающийся с высокой скоростью цилиндрический барабан- ротор (с перфорированными или сплошными стенками), внутрь которого подается суспензия. Суспензия вращается, и твердые частицы стремятся осесть с ускорением w²R, где w- угловая скорость вращения, К-радиус вращения. Интенсивность разделения суспензии под действием центробежных сил определяется фактором разделения K,, ~w li/g Суспензия разделяется на осадок и осветленную жидкую фазу, называемую сливом (иногда- фугатом),

1.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

1.1 Центрифуга периодического действия с вертикальным валом закрепленным в
центральном буфере с нижним приводом от электродвигателя.

1.2 Корпус состоит из обечайки крышки, горловины, выполнен из листовой стали.
Внутри корпуса приварен кольцевой желоб для сбора отжатой жидкости, которая
удаляется через сливной патрубок. На верхнюю часть обечайки крепится
горловина.

1.3 Крышка корпуса крепится к горловине шарнирно на оси, корпус крепится болтами
к станине.

1.4 Ban монтируется к станине на 2-х подшипниках качения. Стакан снаружи имеет
фланец, который зажат между резиновыми амортизаторами. На конической
шейке вала крепится ступица ротора.

1.5 Ротор- рабочий орган центрифуги, в котором жидкость отделяется от
материала. Обечайка ротора выполнена из листовой нержавеющей стали,
перфорирована, отверстия в ней расположены в шахматном порядке, к нижнему
торцу обечайки прикреплено днище со ступицей для посадки на вал. Вращение
ротора осуществляется от электродвигателя через кттаремениую передачу.

1.6 В электрооборудование входит электродвигатель, пусковая кнопка, конечный
выключатель, смонтированный на щетке, блок автоматики, состоящий из
магнитного пускателя, реле времени и сигнальной лампы.

2. МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ

2.1 При работе на центрифуге необходимо соблюдать правила техники безопасности.

2.2 К работе на.маши не допускать лиц, ознакомившихся с инструкцией по
эксплуатации.

2.3 При работе необходимо строго соблюдать следующие указания:

2.3.1 Начинать работу на центрифуге только с разрешения преподавателя или
лаборанта.

2.3.2 Запрещается открывать крышку при работе центрифуги.

2.3.3 Остановка центрифуги в необходимых случаях производится кнопкой " стоп".

2.3.4 Запрещается прикасаться к вращающимся частям машины.

2.3.5 Внимание! Пуск центрифуги осуществляется только по разрешению
преподавателя или лаборанта.

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

3.1 Взвесить сухой материал.

3.2 Намочить материал водой и взвесить его.

3.3 Мокрый материал укладывается в ротор. Укладка должна производится
равномерно и плотно по всему периметру ротора. Материал на должен выступать
из ротора. Время загрузки материала замеряется (Т, _П, у_ут1)-

3.4 По окончании загрузки закрыть крышку и нажатием на кнопку " пуск" включить
электродвигатель. Если при разгоне ротора появляется повышенная вибрация и
стук, центрифугу остановите и материал переложите более равномерно.
Продолжительность отжима устанавливается преподавателем,

3.5 После окончания отжима автоматически отключается двигатель. С момента
отключения электродвигателя по секундомеру замеряется время торможения Т_т
до полной остановки ротора.

3.6 Затем открыть крышку и выгрузить материал. Время разгрузки замеряется по
секундомеру (Т_ртг)..

3. 7 Отжатый материал взвесить.

4. ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

4.1 Техническая характеристика центрифуги:
Д= 500 мм Диаметр ротора

Н= 250 мм Высота ротора

п- 1400 об/мин. Число оборотов ротора

М_б= 10 кг Масса барабана

4.2 Определяется

4.2.1 Фактор разделения центрифуги
К_р=0, 85п²11/900

где R - радиус барабана, м

и -число оборотов ротора, об/с

4.2.2 Центробежная сила С, Н.
C=MRn² /900

где М -вес вращающегося тела, кг

м=м_м+м_б

Мб -масса барабана

М_м -масса влажного материала

4.2.3 Объем барабана У_б, лг
¥ ₆=тгД²Н/4

где Д -диаметр ротора, м Н -высота ротора, м

4.2.4 Период работы центрифуги Т, с
Складывается из:

Т₃агр времени загрузки

времени центрифугирования времени торможения времени разгрузки

4.2.5 Теоретическую производительность центрифуги 0_Т, м³/с
Qr-Vo/T

4.2.6 Условную среднюю производительность центрифуги по фугату за один цикл ее
работы

Qycn., M^J/C

Qyc*=V, /T где V\ -объем фугата,.\Г

V_t= (M_M-M_oc)/p где М_м -мокрый.материал, кг

М_ос -осушенный материал, кг

р -плотность фугата, кг/м'

Сравнить результаты и опр. сушки материала

4.2. 7 Сравнить результаты теистической и условной производительности и вывести
коэффициент использования центрифуги, Z

4.2.8 Степень осушки материала, ц

4.2.9 Остаточную влажность материала W, %

W=(M_OC -М_С)М_ОС *100%

ВЫВОД ПО РАБОТЕ:

ВОПРОСЫ ДЛЛ САМОПРОВЕРКИ

/. Сущность процесса центрифугирования и область его применения в химической технологии

2. Виды центрифуг

3. Что такое фактор разделения

4. Как характеризуется интенсивность центробежного поля

5. Объясните методику проведения работы

В результате выполнения данной работы учащиеся должны знать:

• теоретические основы центрифугирования

• устройство и принцип действия центрифугирования

методику проведения лабораторной работы

методику выполнении необходимых расчетов

Рисунок 6 – Схема центрифуги

где, 1 - колонны; 2 - корпус привода; 3 - ротор; 4 - вал; 5 - электродвигатель;

6 - фундаментная плита; 7 - тормоз