Thông tin tài liệu
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH MÁY THỦY KHÍ DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2017 LỜI NÓI ĐẦU Máy thủy khí học phần kỹ thuật chuyên ngành chương trình đào tạo sinh viên chuyên ngành: Cơng nghệ khí mỏ Giáo trình Máy thủy khí tài liệu học tập cho sinh viên chuyên ngành tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành: Công nghệ điện mỏ, Công nghệ điện tuyển khống, Cơng nghệ kỹ thuật mỏ, Cơng nghệ kỹ thuật xây dựng mỏ cơng trình ngầm, Cơ điện tử … Giáo trình cung cấp kiến thức thiết bị khí quan trọng phục vụ ngành cơng nghiệp khai thác mỏ, tuyển khống ngành cơng nghiệp khác như: loại máy bơm nước, máy nén khí máy quạt gió Để sử dụng sách có hiệu quả, người đọc nên kết hợp nghiên cứu kỹ phần lý thuyết với việc trả lời câu hỏi tập vận dụng cuối chương Nội dung Giáo trình trình bày 03 phần, chia thành 08 chương, cụ thể là: Chương 1- Các máy bơm ly tâm; Chương 2- Các máy bơm thường dùng, Chương 3- Những vấn đề chung mạng thơng gió mỏ; Chương 4- Điều chỉnh quạt gió mỏ; Chương 5- Thiết bị thơng gió mỏ; Chương 6- Máy nén khí Piston; Chương 7- Máy nén khí cánh dẫn; Chương 8- Tính tốn thiết kế lựa chọn thiết bị cung cấp khí nén Trong giới hạn khn khổ Giáo trình, cộng với thiết bị thực tế đa dạng nên nhóm tác giả khơng thể giới thiệu chi tiết thiết bị cụ thể Giáo trình cung cấp kiến thức lý thuyết nhất, tập vận dụng liên quan với thực tế, để làm sở cho việc làm đồ án môn học môn học thực hành, trình tìm hiểu thực tế thực tập sản xuất tiếp cận công việc sau sinh viên trường Trong trình biên soạn, thời gian biên soạn ngắn, kinh nghiệm cịn đơi chút hạn chế nên khó tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong đóng góp ý kiến bạn bè đồng nghiệp bạn đọc nội dung hình thức để Bài giảng hoàn thiện Các tác giả CÁC THUẬT NGỮ THƯỜNG GẶP LIÊN QUAN Áp suất khí quyển: Là áp suất khí Trái Đất tác dụng lên vật bên lên bề mặt Trái Đất, hay đơn giản sức nặng lượng khơng khí đè lên bề mặt vật Trái Đất, ký hiệu: pa = 1at Càng lên cao, áp suất khí tác dụng vào vật giảm Át-mốt-phe tiêu chuẩn (ký hiệu: atm): Là đơn vị đo áp suất, không thuộc hệ đo lường quốc tế SI, thường dùng vật lí 1atm tương đương với áp suất cột thủy ngân cao 760mm nhiệt độ °C, gia tốc trọng trường 9,80665 m/s² 1atm= 101.325,0 Pa Át-mốt-phe kỹ thuật (ký hiệu: at): 1at định nghĩa áp suất vật nặng 1kg tạo diện tích 1cm2, tương đương với áp suất cột nước cao 10 mét; 1at = 98.066,5 Pa (1atm = 1,033at); Áp suất chân không (chân không): Độ chênh áp suất khí với áp suất tồn phần (tuyệt đối) chất lỏng (chất khí); Là giá trị áp suất đọc đồng hồ chân không kế Áp suất dư hay áp suất kế: Độ chênh áp suất chất lỏng (chất khí) so với áp suất khí quyển; Là giá trị áp suất đọc đồng hồ áp kế Áp suất tĩnh toàn phần (tuyệt đối): ứng suất nén chất lỏng thực tồn tại điểm xét Chất lỏng: Là vật chất có tính chảy, tức có khả dễ dàng thay đổi hình dạng tác dụng lực dù nhỏ, song khác với chất khí mật độ (khối lượng riêng hay khối lượng đơn vị) biến đổi thay đổi áp lực tác dụng lên Chất lỏng đồng nhất: Là chất lỏng mà mật độ điểm bên lòng chất lỏng Chất lỏng nhiều pha: Là chất lỏng hỗn hợp học gồm hai hay ba pha vật chất rắn, lỏng, khí (dưới dạng bọt) với Chất lỏng thực: Là chất lỏng có đầy đủ tính chất vật lý đặc trưng nó, đặc biệt tính nhớt (thường dùng thuật ngữ trái nghĩa với thuật ngữ “chất lỏnglý tưởng”) 10 Chiều cao đo áp: Chiều cao cột chất lỏng mà áp suất mặt thống (của nó) khơng, trọng lượng cột chất lỏng có diện tích đáy 1đvdt với áp suất điểm xét, tức chiều cao cột chất lỏng có giá trị tỷ số p/γ 11 Chiều cao vận tốc (cột nước vận tốc): Là chiều cao rơi tự phần tử chất lỏng để có vận tốc trung bình với vận tốc cho, từc chiều cao v2/2g 12 Cột nước: Là tổng ba chiều cao: chiều cao vị trí, chiều cao áp lực chiều cao vận tốc 13 Hệ số động dòng chảy (hệ số Côriôlit): Là tỷ số động đơn vị thực dòng chảy động đơn vị tính tốn theo giả thiết vận tốc điểm mặt cắt ngang đề vận tốc trung bình 14 Hệ số sức cản dọc đường λ (hệ số Đắc-xi): Là đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào độ nhám thành lòng dẫn số Reynolds (Re) 15 Lưu lượng: Khối (khối lượng thể tích) chất lỏng qua mặt cắt ngang dòng chảy đơn vị thời gian 16 Mặt tự (mặt thoáng): Là mặt ngăn cách chất lỏng với mơi trường chất khí có áp suất cố định 17 Tổn thất cột nước cục bộ: Tổn thất lượng đơn vị dòng chảy để thắng sức cản cục 18 Tổn thất cột nước dọc đường: Các tiêu hao lượng đơn vị dòng chảy để thắng lực ma sát, tỷ lệ thuận với chiều dài dòng chảy 19 Tỷ trọng chất lỏng: Là tỷ số trọng lượng vật thể với trọng lượng nước cất có thể tích nhiệt độ 40C 20 Vận tốc cục bộ: Là vận tốc điểm xét 21 Vận tốc trung bình: Là tỷ số lưu lượng dịng chảy (Q, m3/s) với diện tích mặt cắt ướt (ω, m2) 22 Xâm thực: Là tượng phá hoại tính liên tục dòng chất lỏng chuyển động tạo thành bọt khí bọt chất lỏng bên chất lỏng gây 23 Máy bơm: Là loại máy thủy lực, nhận lượng từ bên (cơ năng, điện năng, thủy năng…) truyền lượng cho dòng chất lỏng, nhờ đưa chất lỏng lên độ cao định dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống 24 Tổ máy bơm: Máy bơm, động kéo bơm thiết bị để truyền công suất từ động đến máy bơm hợp thành “tổ máy bơm” 25 Thiết bị bơm: Tổ máy bơm nối với ống hút ống đẩy tạo thành tổ hợp “thiết bị bơm” 26 Trạm bơm: Là tập hợp cơng trình kỹ thuật (cơng trình thu nước, nhà trạm, bể chứa …) thiết bị bơm tạo thành 27 Van chiều: Van chiều (Check valve) thiết bị cho phép dịng chất lỏngkhí qua theo hướng định ngăn cản dòng theo hướng ngược lại 28 Van an toàn: Van an toàn thiết bị thủy lực dùng để điều chỉnh áp suất ống dẫn chất lỏng, chất khí bình chứa khí, nhằm đảm bảo cho áp suất làm việc ln nhỏ áp suất giới hạn an tồn 29 Mặt chuẩn: Là mặt phẳng nằm ngang chọn làm gốc (có lượng khơng) để tính tốn lượng mặt cắt ướt, thường chọn mặt thoáng chất lỏng 30 Áp kế: Là thiết bị dùng để đo áp suất dư (phần áp suất lớn áp suất khí pa = 1at) 31 Chân không kế: Là thiết bị dùng để đo áp suất chân khơng (phần áp suất nhỏ áp suất khí pa = 1at) 32 Chiều cao hút nước: Là khoảng cách theo phương thẳng đứng tính từ mặt nước bể hút đến tâm trục máy bơm nước 33 Chiều cao hút nước cho phép: Là chiều cao hút nước giới hạn lớn để máy bơm làm việc bình thường (khơng bị cố xâm thực) PHẦN 1: THIẾT BỊ CẤP, THOÁT NƯỚC Chương MÁY BƠM LY TÂM 1.1 Giới thiệu phân loại 1.1.1 Giới thiệu chung Từ cổ xưa, người gắn liền sống với nước, tìm cách khai thác sử dụng nước Ở Việt Nam, Trung Quốc, Ấn Độ….từ lâu đời biết dùng lượng dòng nước kéo cối xay lương thực, máy mài, khoan đá, guồng nước để cung cấp nước cho nương, ruộng nước sinh hoạt… Mãi đến kỉ thứ XVII có nhiều nhà khoa học nghiên cứu cách khoa học sở lý thuyết máy thuỷ lực nói chung máy bơm nói riêng Ơ-le (1707 1783) viết lý thuyết tua-bin nước nói riêng máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung làm sở cho nhà bác học Phuốc-nây-rôn, Xa-blu-côp, Ju-côpski….phát minh tua-bin nước máy bơm ly tâm đầu kỉ XIX bước nhảy lớn lịch sử máy lượng Máy bơm nước có cấu trúc giống máy bơm ly tâm nhà vật lý người Pháp Denis Papin thiết kế năm 1869 Từ đó, máy bơm nước ly tâm sử dụng rộng rãi nhiều ngành kinh tế quốc dân Ngày nay, với tốc độ phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật, đặc biệt khoa học công nghệ, máy bơm có cấu trúc ngày hồn thiện, hiệu suất làm việc cao, chủng loại đa dạng để đáp ứng nhu cầu bơm loại chất lỏng khác lĩnh vực sản xuất, đời sống quốc phịng, cụ thể: Trong cơng nghiệp, máy bơm dùng để cung cấp nước cho lò cao, hầm mỏ, nhà máy sản xuất, bơm dầu khai thác dầu mỏ, kỹ nghệ chế tạo máy bay, nhà máy điện nguyên tử… Trong nông nghiệp, máy bơm dùng để bơm nước tưới tiêu úng cho trồng Trong đời sống, máy bơm cung cấp nước cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt người, gia súc… Trong ngành cơng nghiệp khai thác mỏ nói riêng, máy bơm ly tâm giữ vai trò quan trọng: nước cho hầm lị, cơng trường mỏ lộ thiên tạo khai trường khai thác khoáng sản, cấp nước cho thiết bị làm mát nước (động đốt trong, máy nén khí…), vận tải đường ống, cấp thoát nước cho phân xưởng tuyển than, cấp nước dập bụi cho máy khai thác, làm thiết bị cấp nước sinh hoạt… Yêu cầu thoát nước mỏ đảm bảo 20 với mỏ lộ thiên 16 với mỏ hầm lò phải bơm hết lượng nước lưu tụ 24 mỏ Yêu cầu đảm bảo có dự trữ thời gian khoảng từ đến Ở trạm thoát nước thường bố trí hai máy bơm, máy làm việc máy dự phòng Khi lượng nước lưu tụ cực đại lớn gấp nhiều lần lưu lượng lưu tụ trung bình, phải bố trí đến ba máy bơm nhiều (một số máy làm việc, vài máy dự trữ vài máy chuẩn bị thay thế, máy bơm có hệ thống ống riêng) Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị bơm ly tâm mỏ Hình 1-1 : Hình 1-1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị bơm ly tâm mỏ - hộp lọc nước; - van đáy; - ống hút; - vỏ bơm; - trục máy bơm; cánh dẫn; - bánh công tác; - đoạn ống đẩy gắn liền với vỏ bơm; - van chiều đường ống đẩy; 10, 11 - khóa đường ống mồi nước gián tiếp cho bơm; 12 ống đẩy; 13 - khóa xả nước sửa chữa bơm; 14 - khóa điều chỉnh suất, áp suất máy bơm; 15 - lỗ mồi nước trực tiếp, xả e Trước cho máy bơm nước ly tâm làm việc, ta phải mồi đầy nước cho máy bơm để đẩy hết khơng khí bên bơm ngồi Việc mồi nước thực hai phương pháp mồi trực tiếp mồi gián tiếp: mồi nước trực tiếp đổ nước trực tiếp qua lỗ mồi số 15 nằm vỏ bơm (phương pháp thường áp dụng cho máy bơm có cơng suất nhỏ); mồi nước gián tiếp (khi đường ống đẩy có nước) cách mở khóa số 10, nước từ đường ống đẩy chảy vào điền đầy đường ống hút bánh công tác (BCT) máy bơm Cả hai phương pháp mồi nước coi mồi đủ, nước chảy qua lỗ 15 thành dịng liên tục, khơng cịn lẫn bọt khí Hiện nay, trạm bơm có cơng suất lớn, quan trọng người ta thường sử dụng máy bơm phụ để thực mồi nước tự động cho máy bơm Với biện pháp này, trước bơm làm việc cảm biến “nhận biết mức nước mồi” tự động kiểm tra lượng nước mồi cho bơm chính, bơm mồi đủ, báo tín hiệu xử lý trung tâm, đóng điện cho bơm làm việc; Ngược lại bơm chưa mồi đủ, tự động đóng điện cho bơm phụ làm việc mồi nước cho bơm Khi bơm mồi đầy nước thiết bị xử lý trung tâm cắt điện cho bơm phụ đồng thời đóng điện cho bơm làm việc Khi động lai máy bơm làm việc, chuyển động quay từ trục động truyền động truyền đến BCT máy bơm số BCT quay với trục bơm số 5, làm xuất lực ly tâm tác dụng lên phần nước máng dẫn bánh công tác Dưới tác dụng lực ly tâm đó, chất lỏng máng dẫn bị văng khỏi BCT số 7, thời điểm khoảng trống có áp suất thấp (áp suất chân khơng) cửa vào BCT xuất Dưới tác dụng áp suất khí trời mặt thống bể hút, nước bị nén qua hộp lọc số 1, qua đường ống hút số vào chiếm chỗ cửa vào BCT, sau chất lỏng chuyển động vào lại bị văng khỏi BCT, theo phần ống mở rộng phía cửa đẩy Q trình dịng nước chuyển động theo ống mở rộng động giảm dần, áp tăng dần tạo nên vùng có áp suất cao cửa đẩy máy bơm Do chênh lệch chất lỏng từ cửa đẩy bị nén qua ống đẩy số 12 chảy khỏi bơm Cứ vậy, chất lỏng tạo thành dòng chảy liên tục từ bể hút qua ống hút, qua máy bơm đường ống đẩy lên bể chứa Hình 1-2 Tam giác vận tốc máy bơm nước ly tâm Trong trình chất lỏng bị văng từ điểm vào đến điểm khỏi BCT, chất lỏng tham gia chuyển động tương đối dọc theo cách dẫn với thành phần vận tốc tương đối w , chuyển động tròn quay theo BCT với vận tốc vòng u chuyển động với vận tốc thực tế c Trong đó, vận tốc thực tế xác định phương pháp đường chéo hình bình hành với hai cạnh vận tốc tương đối vận tốc vòng Các thành phần vận tốc biểu thị tam giác vận tốc (Hình 1-2) 1.1.2 Phân loại Máy bơm ly tâm loại máy thuỷ lực cánh dẫn, nhận lượng từ bên (cơ năng, điện năng, thuỷ năng…) truyền lượng cho dòng chất lưu (dòng chất lỏng làm việc), nhờ đưa chất lỏng lên độ cao định dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống - Phân loại theo cột áp máy bơm nước: + Bơm ly tâm cột áp thấp: H < 20mH20; + Bơm ly tâm cột áp trung bình: H = (20÷60)mH20; + Bơm ly tâm cột áp cao: H > 60mH20 - Phân loại theo số cấp (số bánh xe công tác) + Bơm ly tâm cấp: Trên trục bơm gắn bánh xe công tác; + Bơm ly tâm nhiều cấp: Trên trục bơm lắp từ bánh xe công tác trở lên Cột áp bơm tạo nên tổng cột áp bánh xe công tác tạo - Phân loại theo cách dẫn chất lỏng váo bánh xe công tác: + Bơm nước vào phía (máy bơm có bánh cơng tác hút nước phía); + Bơm nước vào phía (máy bơm có bánh cơng tác hút nước hai phía) - Phân loại theo vị trí trục máy bơm: + Bơm ly tâm trục đứng; + Bơm ly tâm trục ngang - Phân loại theo phạm vi làm việc: + Máy bơm ly tâm chính: Được lắp đặt trạm cấp - nước thường đặt đặt cố định với áp suất cao, lưu lượng lớn; + Máy bơm ly tâm phụ: Thường loại bơm có áp suất thấp, lưu lượng nhỏ dùng di động để cấp thoát nước nước cho gương lò hay khu vực nhỏ mỏ - Phân loại theo mục đích sử dụng: + Bơm nước sạch; + Bơm nước bẩn, nước thải; + Bơm hóa chất; + Bơm bùn đất, cát… Bảng 1-1 Ký hiệu tên ý nghĩa số máy bơm ly tâm TT KÝ HIỆU TÊN BƠM VÀ Ý NGHĨA VÍ DỤ Bơm nước: LT AB – XY (LT – Kiểu bơm ly tâm; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; XY – cột áp máy bơm, mH20) Bơm dung dịch hóa chất: LTH AB – XY (LT – Kiểu bơm ly tâm; H – hóa chất; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; XY – cột áp máy bơm, mH20) Bơm chất sệt (nước+bùn cát): LTS AB – XY (LT – Kiểu bơm ly tâm; S – chất sệt bùn cát với nước; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; XY – cột áp máy bơm, mH20) Bơm ly tâm nhiều cấp trục ngang: LTC AB – D × EF (LT – Kiểu bơm ly tâm; C – nhiều cấp; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; D – cột áp cấp bơm, mH20); EF – Số cấp bơm) Bơm ly tâm nhiều cấp trục đứng: LTCĐ AB – D × EF (LT – Kiểu bơm ly tâm; C – nhiều cấp; Đ – bơm trục đứng; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; D – cột áp cấp bơm, mH20); EF – Số cấp bơm) Bơm ly tâm hút hai phía: LT2 – AB – XY (LT – Kiểu bơm ly tâm; – hút hai phía; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; XY – cột áp máy bơm, mH20) Bơm giếng sâu: LTG – AB – XY/DE (LTG – Kiểu bơm ly tâm trục ngang dùng bơm giếng; AB – Lưu lượng máy bơm, m3/h; XY – Chiều cao hút nước cho phép máy bơm nước; DE – cột áp b) Lưu lượng tức thời máy bơm piston: Lưu lượng máy bơm piston tác dụng đơn thời điểm (tức thời) xác định: (2- 12) Q = F.C đó: F - tiết diện ngang dịng chảy bơm, phụ thuộc vào kích thước hình học máy bơm nên khơng thay đổi; C – vận tốc tức thời dòng chất lỏng bơm (là vận tốc tức thời piston) Vậy biến đổi lưu lương bơm phụ thuộc vào biến đổi vận tốc chuyển động piston Để đánh giá mức độ không lưu lượng người ta dùng hệ số không lưu lượng (m), xác định theo công thức: m= Qmax Qtb (2- 13) * Lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng đơn Hình 2-3 Đồ thị lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng đơn Ta thấy lưu lượng bơm thay đổi theo chu kỳ: φ = (0÷π) Qb ≠ 0; φ= π/2 Qb = Qmax; φ= (π÷2π) Qb = Qmin = Trong q trình đẩy (nửa vịng quay đầu φ = (0÷π)), lưu lượng thay đổi theo quy luật hình sin; nửa vịng quay (φ= (π÷2π)) q trình hút nên khơng có chất lỏng bị đẩy ra, đồ thị nằm trùng với trục hoành (Hình 2-3) Qmax = F Cmax = F R. = F R Qtb = F Ctb = n 30 F S n F R.n F R.n = = 60 60 30 (2- 14) (2- 15) Hệ số không lưu lượng bơm là: m= Qmax = = 3,14 Qtb * Lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng kép 60 (2- 16) Trong máy bơm tác dụng kép gồm xi lanh tác dụng đơn, chốt khuỷu trục khuỷu đặt lệch góc 1800 Như vậy, piston thực trình đẩy piston thực trình hút Điều hồn tồn với loại máy bơm piston có xi-lanh tác dụng kép (Hình 2-4) Hình 2-4 Đồ thị lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng kép Lưu lượng max trung bình máy bơm là: Qmax = F Cmax = F R. = F R Qtb = F Ctb = n 30 F S n F R.n F R.n =2 = 60 60 15 (2- 17) (2- 18) Hệ số không lưu lượng bơm: m= Qmax = = 1,57 Qtb (2- 19) * Lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng ba Trong máy bơm tác dụng ba, ba xi lanh tác dụng đơn làm việc hoàn toàn nhau, tay quay chúng đặt lệch góc 1200 (Hình 2-5) Ở thơi điểm mà hai xi-lanh thực trình đẩy, ta phải dùng phương pháp cộng đồ thị để tìm lưu lượng tổng cộng (Qb) ống đẩy Cuối ta đường cong lưu lượng tổng cộng Qb = f ( ) (Hình 2-6) Lưu lượng max trung bình máy bơm là: n 30 F S n F R.n F R.n Qtb = F Ctb = =3 = 60 60 10 Qmax = F Cmax = F R. = F R 61 (2- 20) (2- 21) 120 Hình 2-5 Sơ đồ cấu trúc bơm piston tác dụng ba Hình 2-6 Đồ thị lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng ba Hệ số không lưu lượng bơm: m= Qmax = = 1,05 Qtb (2- 22) * Lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng bốn Loại máy bơm chế tạo gồm 04 xi-lanh tác dụng đơn, chốt khuỷu đặt lệch góc 900 gồm hai xi-lanh tác dụng kép chốt khủy lệch góc 1800 Đường biểu diễn lưu lượng máy bơm tổng tung độ đồ thị lưu lượng bốn buồng làm việc bốn xi-lanh sinh Lưu lượng đạt cực đại bốn lần sau vòng quay trục khuỷu (Hình 2-7) 62 Hình 2-7 Đồ thị lưu lượng tức thời máy bơm piston tác dụng bốn Lưu lượng max trung bình máy bơm là: F S n F R.n F R.n = = 60 60 15 F R. n = F .R.sin = 30 Qtb = 4.F Ctb = (2- 23) Qmax = 2Qb ( /4) (2- 24) Hệ số không lưu lượng máy bơm là: m= Qmax = Qtb 2 = 1,11 (2- 25) *Nhận xét: Từ phương trình (2-16), (2-19), (2-22) (2-25) nhận thấy hệ số không lưu lượng (m) máy bơm piston tác dụng ba thấp Điều có nghĩa lưu lượng loại máy bơm dao động nhất, ổn định loại bơm xét 2.1.4.3 Công suất hiệu suất Công suất thủy lực: công suất thực tế mà máy bơm cung cấp cho dòng chất lỏng: Ntl = Q.H 10 = p 1 Q lv = plv Q , (kW) 10 10 (2- 26) Do có tổn thất: tổn thất khí, tổn thất lưu lượng, tổn thất cột áp nên công suất phải cung cấp trục bơm là: N tr = QH QH p Q = = lv , (kW) 10 Q tl ck 10 10 (2- 27) - hiệu suất chung bao gồm: hiệu suất truyền động khí (ck ), hiệu suất lưu lượng rò rỉ (Q ) hiệu suất thủy lực ( tl ) 63 2.1.4.4 Chiều cao hút bơm piston Xét bơm piston tác dụng đơn làm việc hệ thống (Hình 2-8) Viết phương trình Béc-nu-li cho đoạn dịng chảy từ mặt cắt ướt (1-1) đến mặt cắt ướt (2-2), mặt chuẩn chọn trùng với mặt cắt (1-1), ta được: p1 = Hh + p2 + c2 + H oh + HV + H qt 2g (2- 28) đó: p p1 - áp suất mặt thoáng chất lỏng bể hút, (N/m2); M Hh - chiều cao hút nước máy bơm piston, Hd (m); p2 - áp suất buồng làm việc, (N/m2); c - vận tốc chất lỏng buồng làm việc (bằng vận tốc chuyển động piston), (m/s); Dd Hoh - tổng tổn thất cột áp đường ống hút, (mH20); Dh Hh Hv - tổn thất cột áp van hút, (mH20); Hqt - tổn thất cột áp quán tính chuyển động khối chất lỏng đường ống hút, (mH20) Khi áp suất buồng làm việc p2 đạt đến giá trị áp suất hóa (phh) chất lỏng, bắt đầu có tượng xâm thực (khí thực) xảy chiều cao hút nước đạt giá trị cực đại (Hh max) H hmax = H1 − H hh − p1 1 Hình 2-8 Sơ đồ tính tốn chiều cao hút nước máy bơm piston c2 − H oh − HV − H qt 2g (2- 29) Điều kiện tránh xâm thực bơm: H h H h max (2- 30) 2.1.5 Chuyển động không ổn định chất lỏng bơm piston Sự chuyển động không ổn định chất lỏng trình làm việc máy bơm piston lưu lượng áp suất thay đổi gây ra, làm tăng tổn thất thuỷ lực, gây chấn động Nếu bơm làm việc thời gian dài, xuất va đập thuỷ lực làm hỏng phận làm việc giảm tuổi thọ hệ thống Trong trường hợp nhiều bơm làm việc hệ thống, biên độ dao động áp suất hệ thống tăng lên lớn cộng hưởng Ngồi ra, dao động áp suất lưu lượng bơm ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc hệ thống thủy lực Do đó, cần 64 phải có biện pháp hạn chế tính chất khơng ổn định dịng chảy bơm piston Nói chung có ba biện pháp sau đây: - Dùng bơm piston tác dụng hai chiều (bơm piston tác dụng kép); - Dùng bơm ghép, hệ số khơng điều hịa lưu lượng bơm piston ghép nhỏ nhiều so với hệ số bơm piston tác dụng đơn; - Dùng bình khơng khí để điều hịa lưu lượng áp suất, gọi bình điều hịa Đó bình kín có chứa khí đặt ống hút ống đẩy Cách làm việc bình điều hịa hút (Hình 2-9): trình hút bơm phần chất lỏng tích lũy bình điều hịa hút Nếu kích thước bình đủ lớn dao động mực chất lỏng bình nhỏ Mặt khác có chênh lệch áp suất mặt thoáng bể hút mặt thống chất lỏng bình điều hịa hút mà chất lỏng chảy từ bể hút lên bình cách liên tục gần ổn định Chuyển động không ổn định xuất đoạn ngắn từ bình khí điều hịa hút đến mặt piston Do đó, lực quán tính ống hút xuất đoạn ngắn từ bình điều hịa hút đến bơm, giảm tổn thất lượng ống hút Cách làm việc bình điều hịa đẩy (Hình 2-10): Trong q trình đẩy phần lưu lượng bơm (lớn lưu lượng trung bình) tích lũy lại bình khí điều hịa đẩy Chất lỏng dâng lên nén phần khơng khí phía bình lại, tạo nên áp suất lớn Khi van đẩy đóng, nhờ có áp suất cao khơng khí bị nén bình nên chất lỏng tiếp tục nén ống đẩy Vì vậy, dao động lưu lượng áp suất ống đẩy giảm đi, dòng chảy qua ống đẩy điều hòa Cũng bình điều hịa hút, bình điều hịa đẩy có tác dụng làm giảm lực qn tính chất lỏng ống đẩy bơm piston Lực quán tính cịn xuất đoạn ống ngắn từ máy bơm đến bình điều hịa đẩy, giảm tổn thất ống đẩy Hình 2-9 Bình khí điều hịa hút Hình 2-10 Bình khí điều hịa đẩy Để bình điều hịa đẩy có tác dụng, cần phải đảm bảo thường xun lượng khơng khí cần thiết định bình 65 Trên thực tế, người ta sử dụng máy bơm piston có bình khí điều hịa phía ống hút phía ống đẩy sử dụng lúc hai bình khí điều hịa lưu lượng đặt hai phía 2.1.6 Đặc tính máy bơm piston Bơm piston có đường đặc tính thể đặc điểm khả làm việc bơm Trên hình 2-11a đường đặc tính làm việc bơm piston H = f(Q) với hai số vòng quay n1 n2 (n2 > n1) a) b) Hình - 11 Đối với bơm piston cột áp không phụ thuộc vào lưu lượng, nên đường đặc tính lý thuyết bơm biểu diễn đường thẳng song song với trục tung (OH) ứng với lưu lượng không đổi (đường AB, CD) Nhưng đường đặc tính thực nghiệm bơm khơng hồn toàn (đường AG, CR) Khi cột áp bơm tăng lên lưu lượng có giảm tổn thất lưu lượng tăng Sự chênh lệch đường đặc tính cột áp lý thuyết thực nghiệm nhiều số vòng quay làm việc n lớn, tổn thất lưu lượng tăng khơng phải rị rỉ mà cịn đóng mở van đẩy hút khơng kịp thời Hình 2-11b biểu diễn đường đặc tính làm việc Q = f(H); N = f(H); ηQ = f(H) ứng với số vịng quay n = const Đối với bơm piston có n = const, thường biểu diễn thông số làm việc theo H lưu lượng Q khơng đổi việc điều chỉnh chế độ làm việc bơm thường thực cách thay đổi áp suất làm việc Khi áp suất làm việc H bơm khơng đổi, số vịng quay n tăng lên Q, N, ηQ tăng (Hình 2-12a) 66 a) b) Hình 2-12 Hình 2-12b thể đường đặc tính xâm thực bơm piston theo hai số vòng quay n1 n2 (n1 < n2) Từ đường đặc tính xâm thực xác định chiều cao hút nươc cho phép bơm piston 2.2 Bơm Airlift Bơm Airlift bơm dâng chất lỏng khí nén hay cịn gọi bơm sục khí, dâng nước từ giếng khoan Loại bơm thường sử dụng để bơm hỗn hợp nước bùn cát từ giếng khoan trước dùng bơm nhúng (bơm chìm) ly tâm Nguyên tắc hoạt động loại bơm theo ngun tắc bình thơng Sơ đồ cấu tạo bơm Airlift mơ tả Hình 2-13 Cấu tạo bơm airlift gồm có: - ống dâng chất lỏng (ống đẩy hay ống áp lực); - ống dẫn khí nén; - cổ góp khí; - máy nén khí; - bể tách khí; - cửa tháo nước; - cửa khí Khí nén có áp suất cao từ bình chứa khí nén theo đường ống dẫn số qua cổ góp số vào ống dâng số Trong ống dâng số nước khí nén tạo thành hỗn hợp nước khí (nhũ tương) Do khối lượng riêng hỗn hợp nước khí nhỏ khối lượng riêng nước giếng khoan nên hỗn hợp bị đẩy lên theo đường ống dâng (số 1) phun vào bể tách khí số Tại bể tách số 5, nước khí Hình 2-13 Sơ đồ cấu tạo hệ thống máy phân tách khác trọng lượng bơm Airlift riêng – khí nhẹ nên lên qua cửa tháo số 7, nước nặng nên rơi xuống đáy bể chảy qua cửa tháo số Giếng khoan đầy nước ống dâng đầy hỗn hợp nước với khí nên tạo thành bình thơng Trong ống dâng động tăng, giảm gây chênh lệch áp suất nên nước hút từ giếng vào ống dâng qua đầu 67 ống Hỗn hợp khí nước dâng lên độ cao hd (m) thỏa mãn phương trình (2-31): h = hh ( h + hd ) (2- 31) đó: , hh - trọng lượng riêng nước hỗn hợp khí với nước, N/m3; h - độ sâu ngập cổ góp so với mực nước động, m; hd - độ cao dâng hỗn hợp nước khí, m Như vậy, chiều cao dâng nước phụ thuộc vào trọng lượng riêng nước, hỗn hợp độ sâu đặt cổ góp khí so với mực nước động Từ phương trình (2 - 31) ta có: H= đó: K = h = K hd − hh d (2- 32) - hệ số nhúng cổ góp, nói lên H lớn hh − hh lần Bảng 2-1 đây, thể mối quan hệ hệ số nhúng K, hiệu suất bơm b với chiều cao dâng hỗn hợp hd Bảng 2-1 Hệ số nhúng chiều cao dâng nước bơm Airlift Hệ số K b Chiều cao dâng hỗn hợp, hd (m) < 15 15÷30 30÷60 60÷90 90÷120 3,0÷2,5 0,59÷0,57 2,5÷2,2 0,57÷0,54 2,2÷2,0 0,54÷0,5 2,0÷1,75 0,5÷0,41 1,75÷1,65 0,41÷0,4 Đầu cuối ống dâng cần thấp miệng phun từ 3m đến 6m Lượng tiêu hao khí nén cần thiết để dâng 1m3 nước với hiệu suất b áp suất khí trời mặt thống bể hút, gọi suất tiêu hao khí nén q (m3): q= hd H − hd + 10 23b lg 10 (2- 33) đó: b - hiệu suất bơm dâng khí nén tính theo cơng thức (Nicklin1963): b = Qb hd pa Qk ln (2- 34) pin pa đó: Qb - lưu lượng nước cần bơm lên độ cao dâng, lưu lượng thực tế máy bơm, m3/s; 68 - trọng lượng riêng chất lỏng cần bơm, N/m3; pa - áp suất khí quyển; Qk - lưu lượng khí nén từ cổ góp phun vào ống dâng; pin - áp suất khí nén cổ góp Lưu lượng khí nén cần thiết để dâng lưu lượng nước Q (m3/s) điều kiện nhiệt độ khơng khí khoảng từ (15÷20)0C là: W= q.Q , m /ph 60 (2- 35) Khi nhiệt độ khơng khí nằm ngồi khoảng (15÷20)0C, phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh k (vùng Trung Á - Liên Xô cũ lấy k = 1,2) Áp suất khí nén cần thiết để nâng nước [TL3]: p = 0,01. kn ( H − hd + hw ) (2- 36) đó: hw - tổn thất cột áp ống dẫn khí đoạn từ máy nén khí đến cổ góp (thơng thường hw < 5m); kn - trọng lượng riêng khí nén, N/m3 Máy bơm Airlift có ưu điểm đơn giản, an tồn, có khả dâng nước từ hố đứng sâu Nhưng nhược điểm hiệu suất thường thấp (20÷25%) dâng nước hố sâu, dẫn đến phải đặt ống sâu mực nước động 2.3 Bơm khí nén Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc máy bơm khí nén mơ tả Hình 2-14 Máy bơm đặt giếng số có hai đường ống nối với máy: đường ống dẫn khí vào khỏi bơm, đường ống khác đóng vai trò ống đẩy bơm (đường ống số 2) Bơm thực hai trình làm việc hút đẩy sau: - Quá trình hút: Van số đóng van số mở, khơng khí buồng làm việc số hút qua van số đường ống số Khi khơng khí buồng làm việc hút ngồi tạo mơi trường áp suất chân khơng p0 (p0 < p2); Do chênh lệch áp suất mặt thoáng chất lỏng giếng (áp suất p1) với áp suất chân khơng buồng làm việc p0, van số bị đẩy mở ra, chất lỏng từ giếng số chảy vào buồng làm việc số Quá trình hút kết thúc chất lỏng điền đầy thể tích làm việc buồng số van hút số đóng lại p1 p2 - Quá trình đẩy: Van số mở đồng thời van số Hình 2-14 Sơ đồ cấu tạo máy bơm khí nén đóng, khí nén có áp suất cao chảy qua khóa theo ống dẫn vào khoảng khơng buồng làm việc số 1, tạo áp áp 69 lực nén chất lỏng buồng số chảy qua ống dẫn số khỏi máy bơm Việc đóng mở van số số thực nhờ hệ thống điều khiển tự động Cứ vậy, trình hút đẩy diễn liên tục lặp đi, lặp lại nước liên tục hút và đẩy khỏi máy bơm Hiệu suất máy bơm loại đạt đến 50% 2.4 Bơm phun tia Máy bơm phun tia gọi máy bơm tia (Jet pump) thuộc loại máy bơm ma sát Nguyên lý làm việc dùng nguồn tia chất lỏng (có áp suất dư) từ bên ngồi (chất lỏng cơng tác) để truyền động kéo chất lỏng cần bơm di chuyển Hình 2-15 trình bày sơ đồ nguyên lý làm việc máy bơm phun tia Chất lỏng công tác dẫn theo đường ống 2, qua vòi phun vào buồng hỗn hợp Tại buồng hỗn hợp chất lỏng công tác phun vào với vận tốc cao cọ sát, hòa trộn với chất lỏng cần bơm để thực q trình truyền lượng Sau đó, dịng hỗn hợp chất lỏng chảy vào đoạn ống khuếch tán số 8, vận tốc chất lỏng giảm dần, cột áp tĩnh tăng lên, dòng chất lỏng bị nén qua đường ống số theo ống dẫn lên bể chứa số Trong buồng hút số vận tốc chất lỏng cần bơm tăng lên (động tăng), áp giảm nhỏ áp suất khơng khí xuất chân không Do chênh lệch áp suất nên chất lỏng từ bể hút số bị nén qua ống hút số vào buồng hút số 6, chảy qua buồng hỗn hợp 7, ống mở rộng ống đẩy lên bể chứa số Hình 2-15 Sơ đồ nguyên lý làm việc bơm phun tia Nếu bỏ qua tổn thất cột nước cơng suất tiêu phí bơm phun tia để bơm nước từ bể lên bể là: N = ct Qct H1 , (kW) Công suất hữu ích là: 70 (2- 37) N hi = Qp H , (kW) (2- 38) đó: Qct - lưu lượng chất lỏng công tác, m3/s; ct - trọng lượng riêng chất lỏng công tác, kN/m3; H1 - cột nước công tác, m; - lượng riêng hỗn hợp chất lỏng, kN/m3; Qp - lưu lượng máy bơm phun tia, m3/s; H - chiều cao nước hình học (chiều cao nâng), m; Hiệu suất máy bơm tia chất lỏng công tác chất lỏng cần bơm nước: = Qp H (2- 39) Qct H1 Tỷ số lưu lượng chất lỏng cần bơm (Qp) với chất lỏng công tác (Qct) gọi hệ số pha trộn ( ) Tỷ số chiều cao nước hình học (H) với cột nước công tác (H1) gọi hệ số cột nước ( ) Vậy hiệu suất bơm tia = , thường hiệu suất máy bơm phun tia thấp khoảng từ (15÷25)% Lưu lượng chất lỏng cơng tác qua vòi phun là: Qct = Qp H ( H1 − H ) (2- 40) Bơm tia sử dụng rộng rãi để bơm nước từ hố đào, vận chuyển bùn quặng, tháo nước thi công, tháo nước mưa, ghép liên hợp máy bơm với máy bơm ly tâm để hút nước từ giếng sâu vượt chiều cao hút giới hạn riêng bơm ly tâm Ưu điểm bơm phun tia là: kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ, an tồn rẻ tiền Nhược điểm hiệu suất thấp chất lỏng làm việc yêu cầu phải có áp lực cao 71 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ƠN TẬP CHƯƠNG Câu Hãy trình bày cấu tạo bản, nguyên lý làm việc, đặc điểm máy bơm piston tác dụng đơn? Nêu thông số máy bơm này? Câu Trình bày nguyên nhân, tác hại nội dung biện pháp khắc phục tượng chất lỏng chuyển động không ổn định bơm piston tác dụng đơn? Câu Phân loại bơm piston? Vẽ giải thích ý nghĩa đặc tính máy bơm piston? Câu Hãy trình bày cấu tạo bản, nguyên lý làm việc đặc điểm máy bơm Airlift? Tính tốn suất lượng tiêu hao khí nén làm việc bơm Airlift? Câu Hãy trình bày cấu tạo bản, nguyên lý làm việc đặc điểm máy bơm khí nén? Câu Hãy trình bày cấu tạo bản, nguyên lý làm việc đặc điểm máy bơm phun tia? Câu Hãy xác định kích thước máy bơm piston tác dụng đơn theo điều kiện sau: Lưu lượng bơm Qb = 5m3/h, áp suất chất lỏng làm việc p = 20at, số vòng quay trục động dẫn động bơm nđc = 150v/ph, hiệu suất ηQ = 0,85, ηck = 0,95 Giải: Các kích thước bơm piston đường kính piston, đường kính cần piston hành trình piston Đường kính piston bơm tác dụng đơn xác định từ cơng thức tính lưu lượng bơm: Qltb = FSn D Sn D3 K s n = = 60 240 240 đó: F - tiết diện mặt piston; S - hành trình piston; n - số vịng quay trục động S cơ; D - đường kính piston; K s = - hệ số tỷ lệ, Ks chọn tùy theo áp suất chất D lỏng làm việc vận tốc quay trục động cơ: Ks lớn chọn cho bơm cao áp có số vịng quay nhỏ, , hệ số Ks nhỏ chọn cho bơm thấp áp có số vịng quay lớn Thơng thường Ks có giá trị khoảng (1,5÷4) Bơm có áp suất p = 20at thuộc loại bơm thấp áp nên chọn Ks = 1,5 Đường kính piston có giá trị bằng: D = 4, 25 1390 = 8, 25 , cm 1,5.150.0,85 (trong công thức ta thay Qb = 1390cm3/s = 5m3/h) Lấy trịn đường kính theo tiêu chuẩn D = 80mm Ta xác định hành trình S cho đảm bảo lưu lượng thiết kế bơm: S= 4qb D2 72 Lưu lượng riêng bơm: Qb 5.106 qb = = = 655 cm3/vg Q n 60.0,85.150 S= 4.655 = 13,0 cm = 130mm 3,14.82 Đường kính cần piston xác định theo tỷ số: K d = d chọn theo áp suất D xilanh lực Chọn Kd = 0,5, suy ra: d = 0,5.80 = 40mm Công suất bơm: Nb = pQb 20.5.103 = = 2,73 kW 612 612.60 đó: áp suất p tính at Qb l/ph Cơng suất động truyền động: N ®c = Nb Qck = 2,73 = 3,56 kW 0,85.0,95 Câu Hãy xác định thông số làm việc máy bơm piston tác dụng đơn cho biết: đường kính piston D = 145mm, hành trình piston S = 450mm, công suất trục động N = 58,6kW, tốc độ quay trục động 75v/ph, hiệu suất bơm Q = 0,98 , ck = 0,96 Giải: Các thông số làm việc bơm lưu lượng bơm Qb, áp suất làm việc p, công suất bơm Nb Theo điều kiện tốn ta có: Lưu lượng riêng bơm: qb = FS = D2 S= 3,14.14,52 45 = 7400 cm3/vg Lưu lượng bơm: Qb = qb nQ = 7,4.7,5.0,98 = 545 , l/ph Công suất bơm: Nb = N®cQck = 56,8.0,98.0,96 = 53,5 , kW Áp suất chất lỏng làm việc: 73 p= 612 N b 612.53,5 = = 60at Qb 545 Câu Bơm piston tác dụng kép có đường kính xi-lanh D = 200mm, đường kính cần piston d = 40mm, hành trình piston S = 200mm, tốc độ quay trục bơm n = 70v/ph, bơm nước nhiệt độ 500C, áp suất khí nơi đặt máy bơm pa = 707mmHg, ống hút bơm có đường kính dh = 150mm, chiều dài ống hút lh = 8m, có khuỷu ( C = 0,5) , khóa ( k = 1,0 ) van nhận ( v = 2,5 ) , hệ số ma sát thủy lực = 0,03 Tổn thất van hút bơm hwv = 0,6mH20 Xác định chiều cao hút cho phép bơm thông số thay đổi sử dụng bình khí điều hịa hút, chia ống hút thành hai phần l1 = 7m, l2 = 1m ĐS: Hh1 = 0,31m; Hh2 = 6,6m Câu 10 Xác định kích thước công suất bơm piston tác dụng đơn cho biết: lưu lượng bơm Qb = 0,6m3/h, áp suất chất lỏng làm việc p = 200at, tốc độ quay trục động nđc = 195v/ph, hiệu suất Q = 0,85 , ck = 0,95 ĐS: chọn Ks = 4, D = 25mm, d = 20mm, S = 123mm, N = 3,27kW, Nđc = 4,04kW Câu 11 Xác định thông số làm việc bơm piston tác dụng kép, cho biết: đường kính piston D = 75mm, đường kính cần piston d = 25mm, hành trình piston S = 150mm, cơng suất động dẫn động bơm Nđc = 2,8kW, số vòng quay trục động nđc = 60v/ph Hiệu suất bơm ηQ = 0,865, ηck = 0,935 Đ/S: Qb = 65l/ph, p = 21at, Nb = 2,26kW Câu 12 Xác định kích thước công suất bơm piston tác dụng ba, biết: lưu lượng bơm Qb = 30m3/h, áp suất chất lỏng làm việc p = 22at, số vòng quay trục động nđc = 105v/ph Hiệu suất thiết kế ηQ = 0,9, ηck = 0,95 Hướng dẫn: đường kính bơm piston tác dụng ba (có xilanh) xác định tương tự đường kính bơm piston tác dụng đơn Lưu lượng xilanh 1/3 lưu lượng bơm Đ/S: D = 120mm, d = 60mm, S = 157mm, Nb = 17,6kW, Nđc = 20,5kW Câu 13 Xác định thông số làm việc bơm piston tác dụng ba (3 xilanh), biết: đường kính piston D = 82mm, hành trình piston S = 120mm, công suất trục động Nđc = 15kW, số vòng quay trục động nđc = 75v/ph Hiệu suất thiết kế ηQ = 0,88, ηck = 0,95 Đ/S: Qb = 125l/ph, p = 61at, Nb = 12,54kW Câu 14 Bơm tác dụng bốn (2 xilanh) có đường kính piston D = 120mm, đường kính cần piston d = 42mm, hành trình piston S = 200mm, áp suất chất lỏng làm việc p = 12at, công suất trục động Nđc = 10,6kW Hiệu suất bơm ηQ = 0,962, ηck = 0,96 Xác định cơng suất, lưu lượng số vịng quay làm việc bơm Đ/S: Nb = 9,8kW, Qb = 500l/ph, nb = 61,2v/ph 74
Ngày đăng: 10/10/2023, 18:30
Xem thêm:
