ΜΜ917 Σχεδιασμός Ενεργειακών Συστημάτων

ΑΝΤΛΙΕΣΤύποι, Τρόπος Λειτουργίας, Φαινόμενο Σπηλαίωσης

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐

∆ημήτριος Τζιουρτζιούμης∆ρ.Μηχανολόγος Μηχανικός ΠΘΕργαστήριο Θερμοδυναμικής και Θερμικών ΜηχανώνΤμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΠΘ

Βόλος, 11/10/18

Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση Ι

• Οι αντλίες χρησιμοποιούνται για την μετακίνηση των υγρών. Η μετακίνησηπραγματοποιείται με μεταφορά ενέργειας στο υγρό, η οποία προσδίδεται στηναντλία από τον κινητήρα της.

• Η μετάδοση ενέργειας στα υγρά μέσω της αντλίας σκοπό έχει συνήθως τηνανύψωση αυτών από μια στάθμη σε άλλη που έχει μεγαλύτερο ύψος.

• Οι αντλίες για την άντληση του νερού επινοήθηκαν πριν από τις κινητήριεςμηχανές.

• Η επινόηση του ανυψωτικού τροχού πρέπει να θεωρηθεί σαν ένα σημαντικόβήμα προόδου στην άντληση του νερού για άρδευση. Στην περιφέρεια ενόςμεγάλου τροχού ήταν τοποθετημένα δοχεία, που βυθίζονταν στο νερό, γέμιζανκαι καθώς ο τροχός περιστρεφόταν, ανέρχονταν και άδειαζαν μέσα στο αυλάκιαρδεύσεως. Ως ενέργεια για την περιστροφή του τροχού χρησιμοποιούνταν ηανθρώπινη ή ζωική δύναμη και η δύναμη του ανέμου.

• Αργότερα ο ανυψωτικός τροχός μετατράπηκε σε «αυτοκινούμενο» με τηνπροσθήκη πτερυγίων στην περιφέρειά του. Καθώς το νερό των ποταμών έρεε,ωθούσε τα πτερύγια και ο τροχός περιστρεφόταν για την ανύψωση τωνδοχείων.

• Άλλες διατάξεις για άντληση του νερού ήταν ο κοχλίας του Αρχιμήδη και ηχειροκίνητη παλινδρομική αντλία (τουλούμπα).

2Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙΙ

3Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙΙΚοχλίας Αρχιμήδη

4Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙΙΙ

5Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Σύντομη Ιστορική Ανασκόπηση ΙV

6Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

• Εφευρέτης της φυγόκεντρης αντλίας θεωρείται ο Γάλλος Denis Papin ο οποίος το 1687 περιέγραψε ένα τύπο αντλίας της οποίας η αρχή λειτουργίας ήταν ίδια με τις σημερινές φυγόκεντρες αντλίες.

• Το 1839 ο W.D. Andrews πρόσθεσε σπειροειδές κέλυφος γύρω από την φυγοκεντρική πτερωτή.

Εφαρμογές Αντλιών

7Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

• Στα εργοστάσια είναι συνήθως εγκαταστημένες πολλές αντλίες για διάφορεςχρήσεις (άντληση νερού από φρεάτια, κυκλοφορία νερού ψύξεως,τροφοδότηση καυστήρων πετρελαίου, τροφοδότηση ατμολεβητών κ.α. )

• Στα αυτοκίνητα οι αντλίες χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία του κινητήραμε καύσιμο, καθώς και για την κυκλοφορία του νερού ψύξεως και του λαδιούλίπανσης.

• Στα πλοία χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των ατμολεβητών με νερό ήτων πετρελαιοκινητήρων με καύσιμο.

• Οι φυγοκεντρικές αντλίες έχουν βρει εφαρμογή και στον τομέα της ιατρικήςόπου αντλίες πολύ μικρού μεγέθους χρησιμοποιούνται ακόμη και για τηνανακυκλοφορία του αίματος.

Ιατρικές Εφαρμογές Ι

8Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Ιατρικές Εφαρμογές ΙΙ

9Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Κατηγοροποίηση Αντλιών

10Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Οι αντλίες διαιρούνται σε 2 βασικές κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο μεταφοράς του υγρού από τον σωλήνα αναρροφήσεως στον σωλήνα καταθλίψεως:

1)Αντλίες θετικου εκτοπίσματος (Positive Displacement Pumps)2)Αντλίες δυναμικές (Rotordynamic pumps or Kinetic Pumps)

1) Οι αντλίες θετικού εκτοπίσματος κατά τη λειτουργία τους μετατοπίζουν θετικά τουγρό και η παροχή τους δεν επηρεάζεται σημαντικά από την αντίσταση πουπαρουσιάζεται κατά την κίνηση του υγρού μέσα στους σωλήνες μεταφοράς.Οι αντλίες αυτές διακρίνονται σε i) Παλινδρομικές αντλίες (Reciprocating pumps) καιii) Περιστροφικές αντλίες (Rotary pumps).2) Οι δυναμικές αντλίες κατά την λειτουργία τους μεταβάλλουν την κινητική κατάστασητου υγρού, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της κινητικής του ενέργειας σε στατική πίεση καιαντίστροφα. Η παροχή τους επηρεάζεται σημαντικά από την αντίσταση πουπαρουσιάζεται κατά την κίνηση του υγρού μέσα στους σωλήνες μεταφοράς και από άλλαχαρακτηριστικά της ροής του υγρού.Υπάρχουν δύο τύποι δυναμικών αντλιών i) Φυγόκεντρες αντλίες (Centrifugal pumps)και 2) Στροβιλαντλίες (Turbine pumps).

Τομή Φυγόκεντρης Αντλίας

11Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Σπειροειδές κέλυφος Φυγόκεντρης Αντλίας Ι

12Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Το σχήμα του περιβλήματος είναι σπειροειδές και η πτερωτή τοποθετείται έτσι ώστε το υγρό, τοοποίο φεύγει από την πτερωτή υπό την επίδραση της φυγοκέντρου δυνάμεως και ωθείται προς τηχοάνη καταθλίψεως, να κινείται σε αγωγό με διάμετρο συνεχώς αυξανόμενη.Η προοδευτική αύξηση της διατομής του αγωγού του περιβλήματος είναι τέτοια ώστε η παροχήανά μονάδα επιφανείας να είναι περίπου σταθερή σε όλη τη διαδρομή του υγρού μέσα στοπερίβλημα. Κατ' αυτό τον τρόπο η ταχύτητα κινήσεως του υγρού ελαττώνεται προοδευτικά και ηκινητική του ενέργεια μετατρέπεται σε στατική πίεση με όσο το δυνατό μικρότερες απώλειες.Η ελάττωση αυτή της ταχύτητας του υγρού μετά την έξοδο από την πτερωτή της αντλίας είναιαπαραίτητη, διότι αν το υγρό οδηγηθεί στο σωλήνα καταθλίψεως με την ταχύτητα που έχει κατά τηνέξοδο από την πτερωτή, οι απώλειες τριβών θα είναι πολύ μεγάλες.

Σπειροειδές κέλυφος Φυγόκεντρης Αντλίας ΙΙ

13Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Το κύριο πλεονέκτημα της διπλής σπείρας είναι η συμβολή της στην εξισσορόπηση των ακτινικών φορτίων που δέχεται η φτερωτή. Κατασκευαστικά το διπλό σημείο ανακοπής οδηγεί σε ισοδύναμη κατανομή πιέσεων στα τοιχώματα των σπειρών.Μειώνοντας το ακτινικό φορτίο στα ρουλεμάν του άξονα της αντλίας αυξάνεται η διάρκεια ζωής της.

Σπειροειδές κέλυφος Φυγόκεντρης Αντλίας ΙIΙ

14Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Φτερωτή φυγόκεντρης αντλίας

15Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Κλειστού τύπου Ανοιχτού τύπου Ημί-Ανοιχτού τύπου

Ιnline pump

16Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Rotary pumps I

17Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Main types are listed below

• Gear Pumps• Screw Pump• Lobe Pump• Vane Pump• Radial Piston Pump

Rotary pumps II

18Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Rotary pumps III

19Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Rotary Pump - External Gear Pump

20Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

The most common uses for these pumps areto supply fuel oil for burners, gasoline transfer,kerosene, fuel oil, and diesel oil.

They are used for hydraulic devices such as elevators and damper controls.

Rotary Pump - Internal Gear Pump

21Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Internal gear pumps are applied in petrochemical, marine, terminal unloading,

chemical, and general industrial applications for transfer, lubrication,

processing, and low-pressure hydraulics handling a wide range of fuel oils, lube oils, and viscous chemicals (both corrosive and

noncorrosive).

Rotary Pump - Lobe Pump

22Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Lobe pumps are frequently used in food applications because they handle solids without damaging the product. Particle size pumped can be much larger in lobe pumps than in other positive displacement types. Since the lobes do not make contact, and clearances are not as close as in other Positive displacement pumps, this design handles low viscosity liquids

Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης Ι

23Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Η εμφάνιση του φαινομένου της σπηλαίωσης αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα των βιομηχανικώνμονάδων (π.χ. παραγωγής ενέργειας, επεξεργασίας) διότι έχει επιπτώσεις σε ένα βασικό εργαλείο,τη φυγοκεντρική αντλία.

Μια ξαφνική αύξηση της τοπικής ταχύτητας του αντλούμενου υγρού προκαλεί πτώση της τοπικήςπίεσης, μερικές φορές κάτω από την πίεση ατμοποίησης του υγρού. Το αποτέλεσμα είναι ηατμοποίηση του υγρού και η ανάπτυξη ενός θύλακα ή «σπηλιάς» ατμού δηλ. ατμοποιημένου υγρούκαι φυσαλίδων.

Όμως, η πίεση ατμοποίησης κάθε υγρού είναι χαρακτηριστικό θερμοδυναμικό μέγεθος του κάθευγρού που εξαρτάται από τη θερμοκρασία του.Συνεπώς, ακόμη και μια τοπική αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί επίσης να έχει τα παραπάνωαποτελέσματα.

Κάθε υγρό έχει μια σταθερή σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας στην οποία αρχίζει να βράζει και τηςπίεσής του.

Η ύπαρξη διαφόρων αερίων υπό την μορφή φυσαλίδων στο εσωτερικό του αντλούμενου υγρού επίσης μπορεί να αποτελέσει έναν άλλο λόγο δημιουργίας ενός τύπου σπηλαίωσης.

Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης ΙΙ

24Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης ΙΙΙ

25Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης ΙV

26Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης V

27Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines

Το φαινόμενο της Σπηλαίωσης VI

28Laboratory of Thermodynamics and Thermal Engines