Выбор и расчет насоса для перекачки керосина из напорного резервуара в приёмный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессиолнального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств»

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по курсу «Насосы и компрессоры»

Выполнил: студент IV-НТ-11 Киселёв В.И.

Самара 2015 г.

Реферат

Расход перекачиваемой жидкости, напор потребный, насос центробежный, коэффициент местного сопротивления, «точка рабочая», мощность, КПД.

Курсовая работа представляет собой расчёт параметров заданной технологической сети и выбор насоса, оптимально подходящего для перекачки заданной жидкости (керосина) из напорного резервуара в приёмный.

Необходимо обоснование целесообразности использования выбранного для сети центробежного насоса.

В работе представлены результаты расчёта технологической схемы, включающего в себя определение оптимального соотношения между диаметрами всасывающего и нагнетательного трубопроводов и скоростями потока в них с учётом всех местных сопротивлений и прочих потерь напора.

В итоге строится рабочая характеристика системы и соотносится с рабочей областью выбранного насоса; определяются его мощность и кпд.

Содержание

Введение

Исходные данные

. Расчет и выбор насоса для заданной сети

.1 Определение физических параметров перекачиваемой жидкости

.2 Определение потребного напора

.2.1 Определение геометрической высоты подъёма жидкости

1.2.2 Определение потерь напора

1.3 Определение диаметров трубопровода во всасывающем и нагнетательном тракте

.4 Определение режима течения жидкости в трубопроводах

.5 Определение коэффициента сопротивления трения

.6 Определение коэффициентов местных сопротивлений

.7 Определение потерь напора на преодоление сил трения и местных сопротивлений

.8 Определение потребного напора насоса

. Выбор насоса. Обоснование выбора

. Построение характеристики сети в масштабе характеристики насоса

. Проверка на бескавитационную работу насоса

. Описание конструкции и принципа действия насоса

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Насосное оборудование занимает огромную нишу в таких отраслях, как нефтегазопереработка и нефтехимическая промышленность и составляет очень большую долю от общих объёмов различного оборудования данных отраслей.

Абсолютно очевидным является факт, что выпускник специальности «машины и оборудование нефтегазопереработки» должен иметь о них не просто поверхностное представление, но и уметь проводить расчёты целых насосных установок, правильно подобрать насос, который будет обладать необходимыми для выполнения той или иной задачи по перемещению жидкостей характеристиками. Само собой разумеется, что на нефтеперерабатывающих заводах необходимо перекачивать жидкости абсолютно различной природы и свойств, что обусловливает разнообразие насосов, которые можно использовать для их перекачки.

Курсовой проект по дисциплине «Насосы и компрессоры» ставит перед студентами именно такую задачу, и его выполнение позволит приобрести важные знания и познакомит с процедурой расчёта и подбора нужного насоса, в чём и состоит главная цель работы.

Дана схема насосной установки, состоящей из напорного и приёмного резервуаров, трубопроводов с запорной арматурой, обратным клапаном, теплообменником и диафрагмой на них и, непосредственно, насоса, который должен обеспечивать соответствующий напор при заданном в условии значении подачи. Выбор насоса происходит на основании рассчитанного потребного напора, который представляет собой совокупность геометрической высоты подъёма жидкости, пьезометрической высоты (потерь на преодоление разницы давлений в ёмкости и колонне) и скоростного напора. На основании рассчитанного потребного напора и заданной подачи керосина, подбирается насос из стандартного ряда.

Для перекачивания нефтепродуктов с подачами 0-560 м³/ч в основном применяются центробежные насосы, обладающие рядом существенных преимуществ (простота конструкции, компактность).

трубопровод напор насос

Исходные данные

Наименование перекачиваемой жидкости: керосин;

Расход перекачиваемой жидкости, м3/ч: 60;

Давление (избыточное) в ёмкости, МПа: 0,15;

Давление (избыточное) в колонне, МПа: 1,1;

Температура перекачиваемой жидкости, ОС: 30.

Таблица 1. Геометрические характеристики сети.

Рисунок 1. Расчётная схема насосной установки.

Определяем следующие показатели перекачиваемой жидкости:

плотность перекачиваемой жидкости при температуре t₁=20°С: (приложение 1): с²⁰=850 кг/м³.

плотность перекачиваемой жидкости при заданной температуре t₂=30°С определяется по формуле:

с^t = с²⁰ - б(t₂ - 20)=850-0,699*(30-20)= 843кг/м³, (1)

где б - коэффициент средних температурных поправок плотности нефтепродуктов (Приложение 2).

Кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости равна н=0,025∙10^-4 м²/c=2,5 сСт (Приложение 1).

1.2 Определение потребного напора

.2.1 Определение геометрической высоты подъёма жидкости

Геометрическая высота подъёма жидкости определяется по формуле:

ДZ = Z₂ - Z₁, (2)

где Z₁ - уровень жидкости в ёмкости Е-1, м;

Z₂ - уровень жидкости в колонне К-1, м.

ДZ =45-3=42 м.

1.2.2 Определение потерь напора

Потери напора на преодоление разности давлений в приёмном и напорном резервуарах определяется по формуле:

 (3)

где Р₂ - избыточное давление в колонне К-1, Па - по заданию;

Р₁ - избыточное давление в ёмкости Е-1, Па - по заданию;

с - плотность перекачиваемой жидкости при заданной температуре, кг/м³.

.3 Определение диаметров трубопровода во всасывающем и нагнетательном тракте

Задаёмся рекомендуемой скоростью движения жидкости w для заданного материала перекачивания и его вязкости.

В нагнетательном трубопроводе принимаем среднее значение w_H=2,5 м/с; ([8] с. 21).

Во всасывающем трубопроводе принимаем среднее значение w_В=1,5 м/с; ([8] с. 21).

Определяем необходимый диаметр трубопровода, в соответствии с выбранной скоростью по формуле (4):

 (4)

где d - диаметр всасывающего (нагнетательного) трубопровода, м;

Q - расход перекачиваемой жидкости, м³ /с;

w - скорость течения жидкости, м/с.

Для дальнейшего расчёта диаметров необходимо определить секундный расход жидкости, м³/с.

 (5)

Тогда диаметр нагнетательного трубопровода:

В соответствии с таблицей из [8] (Приложение 1, с. 16-17) выбираем ближайшую к стандартному значению величину диаметра d_н=102 мм с толщиной стенки s=4 мм.

Диаметр всасывающего трубопровода:

В соответствии с таблицей из [8] (Приложение 1, с. 16-17). Выбираем ближайшую к стандартному значению величину диаметра d_в=133 мм с толщиной стенки s=4 мм.

Уточняем скорость течения жидкости по стандартным внутренним диаметрам трубопроводов. Внутренний диаметр трубопровода d_BH определяется по формуле:

 (6)

где d - наружный диаметр трубопровода, мм;

S - толщина стенки трубопровода, мм.

Для трубопровода нагнетания:

Для трубопровода всасывания:

Затем производим уточнение скорости в трубопроводе по формуле:

 (7)

Скорость движения жидкости в нагнетательном трубопроводе согласно формуле (7):

;

Значение практически совпадает с принятым; скорость определена верно.

Скорость движения жидкости во всасывающем трубопроводе согласно формуле (7):

Это значение также почти совпало с принятой величиной скорости во всасывающем тракте; скорость определена верно.

1.4    Определение режима течения жидкости в трубопроводах

Для определения режима течения жидкости в трубопроводах применяют критерий Рейнольдса Re, который определяется по формуле:

 (8)

где w - скорость течения жидкости, м/с;

d_вн - внутренний диаметр трубопровода, м;

v - кинематическая вязкость жидкости, м² /с.

Подставим известные значения и получим:

Критерий Рейнольдса для трубопровода нагнетания:

Критерий Рейнольдса для трубопровода всасывания:

Затем сравниваем числа Рейнольдса со значением зоны перехода от ламинарного режима течения жидкости к турбулентному, равное Re=2300. Числа Re>2300; это означает, что в трубопроводах турбулентный режим течения жидкости.

1.5    Определение коэффициента сопротивления трения

При развитом турбулентном режиме течения жидкости коэффициент сопротивления течения жидкости определяется по формуле:

 (9)

где e - относительная шероховатость трубопровода, равная:

 (10)

где ∆ - абсолютная шероховатость поверхности труб, мм.

Для старых стальных загрязненных труб

на линии всасывания:

Коэффициент сопротивления течения жидкости на линии нагнетания (при Re>560/e в формуле (9) пренебрегаем слагаемым 68/Re):

Коэффициент сопротивления течения жидкости на линии всасывания:

Длина нагнетательного трубопровода:

 (11)

где  - данные из задания, м.

Длина всасывающего трубопровода:

 (12)

где L - длина всасывающего тракта по заданию, м.

1.6    Определение коэффициентов местных сопротивлений

Находим коэффициенты местных сопротивлений о по справочной литературе для элементов входящих, согласно заданию, во всасывающий и нагнетательный трубопроводы из ([8] с. 3-5):

• одно сужение в районе перехода от ёмкости к трубе о_вх = 0,2;

• проходной вентиль о_В.П. = 5;

• одно колено с поворотом на 90° о_П. = 1;

• одно отверстие при входе жидкости в насос о_Н. = 0,64;

• одно расширение в районе перехода от трубы к емкости о_вых = 1;

• один обратный клапан о_О.К. =5;

• одно отверстие при выходе жидкости из насоса о_Н = 0,42;

• теплообменник о_Т = 50…100;

• сопротивление диафрагмы о_Д= 85.

Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений на всасывающем трубопроводе будет равна:

 (13)

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательном трубопроводе будет равна:

 (14)

1.7    Определение потерь напора на преодоление сил трения и местных сопротивлений

Потери напора на преодоление сил трения и местных сопротивлений ДН вычисляется по формуле:

 (15)

где L - фактическая длина трубопровода, м;

d - диаметр трубопровода, м;

л - коэффициент трения;

 - сумма местных сопротивлений на рассматриваемом участке;

w - скорость течения жидкости, м/с.

Суммарная потеря напора во всасывающем трубопроводе:

Суммарная потеря напора в нагнетающем трубопроводе:

1.8    Определение потребного напора насоса

Потребный напор определяют путём сложения рассчитанных составляющих, а именно, геометрической разницы уровней в ёмкости и в колонне, потерь на преодоление разницы давлений в ёмкости и в колонне, а также местных суммарных потерь напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

 (16)

где ДZ - геометрическая высота подъёма жидкости;

ДН_р - потери напора на преодоление разности давлений в приёмном и напорном резервуарах;

ДН_В - сумма потерь напора во всасывающем трубопроводе;

ДН_Н - сумма потерь напора в нагнетательном трубопроводе.

2.      Выбор насоса. Обоснование выбора

На современных нефтеперерабатывающих предприятиях применяют, по большей части, центробежные насосы. Они получили широчайшее распространение в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Центробежные насосы выпускаются нескольких типов. Наиболее широкое применение нашли насосы горизонтальные консольные одно- и двухступенчатые (НК), горизонтальные межопорные секционные с осевым разъёмом корпуса (НС) и горизонтальные межопорные секционные двухкорпусные (НСД).

Основным типом нефтяных насосов по ГОСТ 23447-79 являются насосы консольного типа, предназначенные для работы при подаче 8-2000 м³/ч, напоре 25-500 метров столба жидкости и работающие в температурном диапазоне от -80єС до +400єС.

Насосы этого типа имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с другими насосами: равномерность подачи жидкости; малые габаритные размеры при большой производительности; удобство непосредственного соединения с двигателями (электромотором или турбиной); простота обслуживания и ремонта.

Наряду с перечисленными достоинствами, насосы этого типа обладают следующими недостатками: отсутствие сухого всасывания, зависимость напора от скорости вращения ротора, сравнительно невысокий КПД , снижение КПД с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости.

Однако, благодаря отмеченным выше значительным достоинствам, центробежные насосы занимают свою огромную нишу на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Поэтому, следуя полученным и заданным параметрам работы Н [м] и Q [м³/ч], подбираем нефтяной консольный насос, удовлетворяющий этим характеристикам. Согласно источнику [9] (с. 13), данным параметрам удовлетворяет насос НК65/35-240 (cм. рисунок 2).

Рис.2. Поля Q-H насосов типов НК и НПС

По каталогам подбираем двигатель с необходимой мощностью, удовлетворяющий требованию:

N_дв > N_н,

где N_пол = с•g•Н•Q (17)

где с - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения;

Н - напор, м;

Q - расход жидкости, м³/с.

N_пол =

 (18)

N_B>50 кВт, значит k=1,2 и необходимая мощность, согласно формуле (18):

Выбираем двигатель AB2808S2 с мощностью N_дв=90 кВт.

3. Построение характеристики сети в масштабе характеристики насоса

Рабочая точка определяется путём пересечения рабочих характеристик насоса и сети. Графическое изображение характеристики сети представим выражением:

(19)

Обозначим  через а, а выражение в квадратных скобках через b, получим:

 (20)

Подставляя данные из предыдущих расчётов значения в выражение  и значение Q, строим характеристику сети по данным таблицы 2 и совмещаем её с характеристикой насоса (рисунок 2). На пересечении двух характеристик определяют «рабочую точку» насоса.

Таблица 2. Характеристика сети.

Затем строим характеристику сети и насоса. «Рабочая точка» насоса (1) находится в точке с подачей равной Q=60 м³/ч и напором Н=199 м:

Рисунок 3. Характеристика насоса НК 65/35-240 и сети.

Из рисунка 3 видно, что мощность насоса НК 65/35-240-1б при подаче Q=60 м³/ч равна N=68кВт, и КПД насоса составляет около 50%.

4.      Проверка насоса на бескавитационную работу

Проверку величины кавитационного запаса производят по формуле:

 (21)

где ДН_В - потери напора во всасывающем трубопроводе, м;

р_нас=3940Па- давление насыщенных паров при температуре t = 20 °С (см. Приложение 1);

р_изб - избыточное давление в ёмкости Е-1, Па;

ДZ - геометрическая высота подъёма жидкости;

Дh_доп=3,1м - допустимый кавитационный запас, ([9], cтр. 13);

г - удельный вес жидкости:

г = сg=843∙9,81=8270 Н/м³,

где с - плотность перекачиваемой жидкости при заданной температуре работы насоса;

g - ускорение свободного падения, м/c².

;

,16 >3,6

Условие выполнено, кавитационный запас выдержан.

5.  Описание конструкции и принципа действия насоса

Основные детали сборочные единицы насоса НК65/35-240: корпус спирального типа, крышка, направляющий аппарат, кронштейн подшипниковый, вал, рабочее колесо, уплотнение вала. Проточная часть насоса расположена в корпусе и направляющем аппарате.

Корпус насоса, в котором расположена проточная часть, отлит заодно с опорными лапами, входными и выходными патрубками. Опорные поверхности лап лежат в горизонтальной плоскости, проходящей через ось вала насоса.

Со стороны привода к корпусу насоса присоединена крышка. Стык между фланцами корпуса насоса и крышки, расположенный в вертикальной плоскости, уплотнён спирально навитой прокладкой.

Ротор насоса вращается в двух шарикоподшипниковых опорах, установленных в подшипниковом кронштейне, который фланцем присоединяется непосредственно к крышке насоса, а опорной лапой к фундаментной плите. Подшипники - радиально-упорные. Смазка подшипников циркуляционная, осуществляемая масляным туманом, создаваемым брызговиком, вращающимся вместе с валом. Охлаждение подшипников - водяное.

Рабочее колесо установлено на цилиндрической шейке консольной части вала и закрепляются гайкой. Уплотнение вала в местах выхода его из корпуса насоса торцевое или сальниковое.

Для снижения давления уплотнением в насосах с колесами одностороннего входа жидкости предусмотрено разгрузочное устройство, которое представляет собой каналы во вращающихся частях щелевого уплотнения, сообщающиеся через отверстия в валу со всасывающим пространством насоса.

Разгрузка осевых усилий осуществляется сверлением в ступице рабочего колеса и установкой радиально-упорных подшипников.

Валы насоса и электродвигателя соединены зубчатой муфтой с промежуточным валом типа МЗП.

Насос изготавливается с общей для насоса и электродвигателя фундаментальной плитой.

Заключение

В ходе курсовой работы была изучена технологическая схема, установлены все её параметры, включая гидравлическое сопротивление, потребный напор и др. На основании значений Q-H и в соответствии с характеристикой сети был выбран насос НК 65/35-240, способный обеспечить необходимые значения подачи и напора. Насос был проверен гидравлически, он обладает необходимым кавитационным запасом и запасом по напору в случае форсированной работы.

Были определены основные параметры работы насоса, а именно:

Q=60 м³/ч - подача;

Н=200 м - развиваемый напор;

з=50% - КПД; =68 кВт- мощность.

Список использованной литературы

1. Абдурашитов С.А., Тупиченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц СМ. Насосы и компрессоры. М.: Недра. 1974. - 296 с.

2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков и др. 2-е изд., перераб. и дополн. М: Химия, 1991.-496 с.

3.      Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. Штейнберга, М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

.        Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.3.Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - 5-е изд., стереотипное - М.: Химия, 1968. - 848 с.

.        Чекмарёв А.А., Осипов В.К. Справочник по машиностроительному черчению - 2-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2001. - 493 с.

.        Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: энергоатомиздат, 1984. -416 с, ил.

.        Методическое руководство к выполнению расчётно-графической работы по курсу «Гидравлика и гидромашины»./ Сост. Аверкиева В.И., Стариков В.П., Игнатенков Ю.И. Куйбышев: КПтИ, 1983. - 24 с.

.        Каталог насосного оборудования, часть 1 - нефтегазовая и энергетическая промышленность/ «Гидромашсервис», 2007 - 100 с.

Приложение 1

Приложение 2

Значения средних температурных поправок плотности нефтепродуктов