книги / Насосы и вентиляторы

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

вентиляторов и компрессоров. По сравнению с предыдущими изданиями (5-е-издание 1974 г.) в настоящем приводятся сведения о новых научнотехнических достижениях, учитываются новейшие ГОСТы.

©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.

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.

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

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.

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

кг/м3, g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Напоры можно измерять пьезометрами по высоте вытесняемого

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

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.