Насосы, вентиляторы и компрессоры в системах теплогазоснабжения и вентиляции


А. В. Толстых, Ю. Н. Дорошенко, В. В. Пенявский












НАСОСЫ, ВЕНТИЛЯТОРЫ И КОМПРЕССОРЫ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ

Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.65/.51:697.92
ББК38.762.2+31.38
     Т52

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и инженерных систем в строительстве Томского государственного архитектурно-строительного университета
Цветков Николай Александрович;
кандидат технических наук, доцент, начальник управления теплоэнергоэффективности ООО «Стройтехинновации ТДСК» Дегтяренко Алексей Владимирович

       Толстых, А. В.
Т52 Насосы, вентиляторы и компрессоры в системах теплогазоснабжения и вентиляции : учебное пособие / А. В. Толстых, Ю. Н. Дорошенко, В. В. Пенявский. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 176 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0936-0

      Рассмотрены принципы работы и конструкции насосов и вентиляторов, общие вопросы теории центробежных нагнетателей, размерные и безразмерные характеристики насосов и вентиляторов, закономерности работы нагнетателей в сети. Описана совместная работа насосов и вентиляторов в сети. Представлены способы регулирования работы нагнетателей. Изложены вопросы теории расчета и конструкции поршневых, центробежных и осевых компрессоров. Приведены примеры построения характеристик нагнетателей и сети, подбора насосов и вентиляторов, расчета оптимальных режимов работы нагнетателей.
      Для бакалавров по профилю подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция» для изучения теории и проведения практических занятий по дисциплинам «Насосы, вентиляторы и компрессоры в системах теплогазоснабжения и вентиляции», «Вентиляция», «Отопление».

УДК621.65/.51:697.92
ББК38.762.2+31.38




ISBN 978-5-9729-0936-0 © Толстых А. В., Дорошенко Ю. Н., Пенявский В.В., 2022 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение...................................................5

1. Классификация, принципы работы и области применения нагнетателей..........................7
  1.1. Классификация и принципы работы нагнетателей........7
  1.2. Области применения различных нагнетателей..........16

2. Основные параметры работы нагнетателей.................19

3. Теория центробежных нагнетателей.......................27
  3.1. Движение жидкости в колесе центробежного нагнетателя.27
  3.2. Уравнение Эйлера для работы лопастного колеса......29
  3.3. Теоретическая характеристика и потери энергии в колесе центробежного нагнетателя...............................33

4. Характеристики нагнетателей............................39
  4.1. Общее определение характеристики нагнетателя.......39
  4.2. Характеристики объемных нагнетателей...............39
  4.3. Характеристики центробежных нагнетателей...........40
  4.4. Подобие лопастных нагнетателей.....................43
  4.5. Универсальные характеристики.......................45

5. Работа нагнетателя в сети..............................51
  5.1. Характеристика сети................................51
  5.2. Метод наложения характеристик......................58
  5.3. Давление вентилятора, работающего в сети...........70
  5.4. Влияние изменения частоты вращения рабочего колеса и плотности перемещаемой среды на режим работы системы «нагнетатель - сеть»......................................77
  5.5. Влияние изменения гидравлического сопротивления сети на режим работы системы «нагнетатель - сеть»............83

6. Совместная работа нагнетателей.........................84


3

7. Устойчивость работы и регулирование нагнетателей......97
  7.1. Устойчивость работы нагнетателей..................97
  7.2. Принципы и способы регулирования нагнетателей.....98
  7.3. Дросселирование...................................99
  7.4. Регулирование с помощью перепускания части жидкости на рециркуляцию.......................................103
  7.5. Изменение частоты вращения рабочего колеса.......104
  7.6. Регулирование производительности вентиляторов с помощью направляющих аппаратов......................106

8. Конструкции вентиляторов.............................107
  8.1. Классификация вентиляторов.......................107
  8.2. Радиальные вентиляторы...........................111
  8.3. Осевые вентиляторы...............................115
  8.4. Канальные вентиляторы............................119
  8.5. Крышные вентиляторы..............................122
  8.6. Диаметральные вентиляторы........................124

9. Конструкции насосов..................................126
  9.1. Особенности работы насосов.......................126
  9.2. Центробежные насосы..............................131
  9.3. Осевые насосы....................................137
  9.4. Вихревые насосы..................................139
  9.5. Струйные нагнетатели.............................142
  9.6. Поршневые насосы.................................145

10. Компрессоры.........................................148
  10.1. Классификация компрессоров......................148
  10.2. Поршневые компрессоры...........................149
  10.3. Центробежные и осевые компрессоры...............160

Список рекомендуемой литературы.........................167
Приложения..............................................169


4

ВВЕДЕНИЕ


     Неотъемлемой частью инженерного оборудования различных зданий, систем и сооружений являются нагнетатели, к которым относятся насосы, вентиляторы и компрессоры. Без них невозможна работа систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и газоочистки, водоснабжения и водоотведения, т. е. всех тех систем, которые связаны с жизнью и деятельностью человека. Знание принципов работы, конструкций и способов выбора нагнетателей необходимо для решения многих инженерных задач строительного дела.
     Теоретическую часть дисциплины «Насосы, вентиляторы и компрессоры в системах теплогазоснабжения и вентиляции» следует изучать последовательно в соответствии с тематическими разделами настоящего учебного пособия. В первых двух разделах кратко даются классификация и основные параметры работы нагнетателей, а также их возможное применение. В третьем и четвертом разделах рассмотрены общие вопросы теории центробежных нагнетателей, размерные и безразмерные характеристики насосов и вентиляторов, а также способы их пересчета по методу подобия. В пятом и шестом разделах изучается работа нагнетателей в сети. При этом особое внимание обращено на закономерности работы вентиляторов в сети, связанные с их полным и статическим давлением. Подробно рассмотрен метод наложения характеристик, в том числе и при совместной работе насосов и вентиляторов. Способы и закономерности регулирования работы нагнетателей приведены в седьмом разделе. Вопросам конструкции насосов и вентиляторов, а также особенностям работы насосов, связанным с явлением кавитации, учетом максимальной высоты всасывания, посвящены восьмой и девятый разделы. В десятом разделе учебного пособия излагаются вопросы теории

5

расчета и конструкции поршневых, центробежных и осевых компрессоров.
     В целях лучшего усвоения и закрепления у обучающихся полученных теоретических знаний в учебное пособие включены необходимые справочные материалы и расчетные формулы, примеры решения задач. На примере решения практических задач разбираются наиболее важные вопросы выбора типа и оптимальных режимов работы нагнетателей в сети, от решения которых в значительной мере зависят технико-экономические показатели работы систем теплогазоснабжения и вентиляции.

6

1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАГНЕТАТЕЛЕЙ

 ...........
 1.1. Классификация и принципы работы нагнетателей

     Гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию жидкости, называется нагнетателем. Основное назначение нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды. В зависимости от степени сжатия воздуходувные машины разделяют на вентиляторы (степень сжатия до 15 кПа) и компрессоры (степень сжатия не менее 0,2 МПа).
     Нагнетатели разделяются на объемные и динамические [1-7]. Объемные нагнетатели работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся возвратно-поступательные и роторные насосы [1]. Динамические нагнетатели работают по принципу силового воздействия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные нагнетатели и нагнетатели трения (например, дисковые) [2,3].
     В лопастных нагнетателях движение жидкости происходит за счет вращения колеса со специальными профилированными лопатками.
     В центробежных, диаметральных и осевых лопастных машинах давление среды создается вследствие возникновения центробежных сил при закручивании жидкости лопатками вращающегося колеса.
     В вихревых машинах перемещение жидкости происходит за счет давлений, возникающих в вихрях, которые образуются на кромке лопаток и захватываются колесом.
     Основные достоинства лопастных нагнетателей: плавность подачи, простота регулирования производительности [4, 5]. Давление, развиваемое ими, меньше, чем у объемных

7

нагнетателей, однако, вполне достаточно для большинства систем теплоснабжения и вентиляции.
     Центробежные и осевые нагнетатели применяются в качестве насосов и вентиляторов, диаметральные - в качестве вентиляторов, вихревые - насосов.
     Рассмотрим принципы работы этих четырех типов машин.
     Конструкцию центробежных нагнетателей рассмотрим на примере центробежного вентилятора (рис. 1.1). Рабочее колесо 2 размещается в кожухе (корпусе) 3 и закрепляется на валу, который соединяется с электродвигателем. Через коллектор 1 жидкость входит в кожух нагнетателя, совершается поворот на 90°, проходит между лопатками колеса, поступает в кожух и. пройдя по спирали, выходит через нагнетательное отверстие. Центробежные нагнетатели имеют наибольший из всех лопастных машин коэффициент полезного действия (КПД).


Рис. 1.1. Схемарадиальноговентилятора:
1 - коллектор; 2 - рабочее колесо; 3 - спиральный кожух; 4 - лопатка

8

     Диаметральные нагнетатели (рис. 1.2) имеют следующие основные элементы: рабочее колесо 2, коленообразный кожух 3, всасывающее 1 и нагнетательное 4 отверстия. К достоинствам этих машин относятся: простота конструкции, меньший, по сравнению с центробежными нагнетателями, уровень шума. Кроме того, КПД диаметральных нагнетателей меньше, чем у центробежных машин.


Рис. 1.2. Схемадиаметрального вентилятора:
1 - вход воздуха; 2 - рабочее колесо; 3 - кожух; 4 - выход воздуха

     Пример устройства осевого нагнетателя - схема осевого вентилятора показана на рис. 1.3. Его конструкция включает осевое лопастное колесо 3, цилиндрический кожух 5, обтекатель на входе воздуха 6. Таким образом, осевые нагнетатели обладают следующими достоинствами: простотой конструкции, компактностью, высокой производительностью. К их недостаткам следует отнести то, что создаваемое ими давление и КПД меньше, чем у центробежных машин.
     Схема вихревого насоса показана на рис. 1.4. Колесо 1 представляет из себя сплошной диск, по краям которого расположены лопатки 2. Диск размещается в плоском корпусе так, что лопатки почти касаются его верхней части и свободно проходят в нижней части.
     Жидкость подводится к корпусу трубопроводом 4 и выходит через трубопровод 5. К преимуществам вихревых нагнетателей можно отнести простоту конструкции,

9

высокое, по сравнению с другими лопастными машинами, давление, однако, КПД вихревых машин ниже, чем у большинства других нагнетателей.
     Перемещение жидкости в объемных нагнетателях производится за счет движения твердого рабочего тела, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение.
     Различают три типа объемных нагнетателей: поршневые, зубчатые, пластинчатые.



Рис. 1.3. Схемаосевоговентилятора:
1 - коллектор; 2 - входной направляющий аппарат;
3 - рабочее колесо; 4 - выходной направляющий аппарат;
5 - цилиндрический кожух (обечайка);
6 - обтекатель

10

Рис. 1.4. Схемавихревогонасоса:
1 - рабочее колесо; 2 - лопатка; 3 - корпус;
4 - всасывающее отверстие; 5 - выходное отверстие

     Схема поршневого нагнетателя приведена на рис. 1.5. В цилиндре 1 перемещается поршень 2. При его движении вверх под ним образуется разрежение, и жидкость из всасывающей трубы через клапан 3 поступает в цилиндр. При обратном ходе поршня под ним образуется повышенное давление, клапан 3 закрывается, клапан 4 открывается, и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод.


Рис. 1.5. Схемапоршневого нагнетателя:
1 - корпус; 2 - поршень; 3 - всасывающий клапан;
4 - нагнетательный клапан

11

     Достоинствами поршневых машин являются: высокий КПД, высокое давление. Поршневые нагнетатели имеют определенные недостатки: неравномерность подачи жидкости, сложность соединения с электродвигателем, совершающим вращательное движение, быстрый износ клапанов, сложность регулирования производительности.


Рис. 1.6. Схемазубчатого насоса:
1 - корпус; 2 - шестерня

     Последний недостаток присущ всем объемным нагнетателям.
     В качестве примера зубчатого нагнетателя рассмотрим конструкцию и принцип действия зубчатого насоса (рис. 1.6). Зубчатый шестерной насос состоит из двух шестерен, расположенных в корпусе. Зубчатые нагнетатели имеют следующие достоинства: компактность, простота конструкции, отсутствие клапанов, возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, независимость подачи от противодавления в сети, реверсивность возможность получения высоких давлений (5 МПа для шестерного насоса). Недостатками зубчатых машин являются: быстрый износ рабочих органов, невысокая подача, низкий КПД.


12