Указания к решению задач. Задачи данного раздела сводятся к определению параметров рабочей точки водонасосной

Задачи данного раздела сводятся к определению параметров рабочей точки водонасосной установки, необходимых для определения мощности, потребляемой насосом по формуле (6.8).

Определение параметров рабочей точки выполняют графоаналитическим способом, то есть путем построения характеристики сети и напорной характеристики насоса на одном и том же графике в одинаковых масштабах.

Подробное изложение методики определения параметров рабочей точки при совместной работе нескольких насосов сети см. в учебном пособии [7].

Пример 17

Центробежный насос откачивает воду из сборного колодца в резервуар с постоянным уровнем Н = 12 м по трубопроводам с размерами l₁ = 8м, d₁ = 100 мм и l₂ = 16 м, d₂ = 75 мм (рис. 6.3).

1. На какой глубине h установится уровень воды в колодце, если приток в него = 8 л/с, а частота вращения насоса n = 1450 мин^-1.

2. Вычислить мощность на валу насоса, принимая во внимание потери во всасывающей и напорной трубах.

При расчетах принять коэффициенты сопротивления трения λ₁ = 0,03 и λ₂ = 0,035, а также суммарные коэффициенты местных сопротивлений в трубопроводах ζ ₁ = 6 и ζ₂ = 10.

Характеристики насоса при n = 1450 мин^-1:

Н, л/с
НН, м	22,0	22,4	22,6	22,4	21,5	20,0	18,0	15,0	11,0
η, %

Рисунок 6.3 – К примеру 17

Дано:

Н = 12 м; = 8 л/с; l₁ = 8м; d₁ = 100 мм;

λ₁ = 0,03; ζ ₁ = 6; l₂ = 16 м, d₂ = 75 мм;

λ₂ = 0,035; ζ₂ = 10.

Найти:

1. h.

2. Мощность на валу насоса N.

3.Мощность электродвигателя N_ДВ.

Решение

При установившемся режиме работы водонасосной установки приток в колодец и количество откачиваемой насосом воды одинаковы. Следовательно, подача насоса известна и составляет _Н = 8 л/с.

Кроме того, известен потребный напор сети, так как он при установившемся режиме равен напору насоса, который согласно исходных данных при = 8 л/с составляет 21,5 м.

С другой стороны, из расчетной схемы (рис. 6.3) имеем:

(6.10)

где – суммарные потери напора во всасывающей и напорной линиях, складывающиеся согласно исходных данных из потерь напора на трение и местные сопротивления, определяемых по формуле (6.5):

где К_с – суммарное сопротивление сети, равное при турбулентном режиме в данном случае:

.

Решаем выражение (6.10) относительно h:

, (6.11)

.

Для определения параметров рабочей точки выполним расчет характеристики сети, задавшись рядом произвольных значений . Расчет характеристики сети сводим в таблицу.

Таблица 6.1 Характеристика сети

, л/с
		0,2	0,8	1,9	3,4	5,3	7,6	10,3
	18,1	18,3	18,9	20,0	21,5	23,4	25,7	28,4

После этого на одном и том же графике строим в одинаковом масштабе в координатах -Н характеристику насоса и характеристику установки .

Рисунок 6.4 – Графическое определение параметров рабочей точки насоса

В результате пересечения характеристик получены параметры рабочей точки А, в том числе:

· подача насоса

_А = 8,1 л/с;

· напор

Н_А = 21,5 м.

С учетом полученных данных вычисляем мощность на валу насоса N, кВт:

где – плотность воды, = 1000 кг/м³;

– КПД насоса в рабочей точке, = 0,75.

Соответственно мощность электродвигателя равна:

где k = 1,25 – коэффициент запаса N_дв = 1,25 · 2,3 = 2,85 кВт.

Ответ: h = 6,1 м; N = 2,3 кВт; N_дв = 2,85 кВт

Задача 96 (рис.6.5). Вода при температуре t нагнетается насосом из колодца в водонапорную башню по вертикальному трубопроводу переменного сечения. До крана на первом участке диаметр нагнетательного трубопровода d₁, после крана на втором участке d₂.

Глубина установки насоса в колодце относительно основания башни H₀; высота башни H; высота уровня воды в баке h; длина участка трубопровода от насоса до крана h₀; его диаметр d₁; коэффициент сопротивления крана ζ_КР отнесен к диаметру d₁; показание манометра р_М; подача насоса _н. Требуется:

1. Определить диаметр нагнетательного трубопровода на 2-ом участке d₂.

2. Выбрать центробежный насос и построить его характеристики: H_н = f( _н) и η = f( ).

3. Рассчитать характеристику нагнетательного трубопровода H_потр= f( ) и построить её на том же графике, что и характеристику насоса.

4. Определить параметры режимной точки.

5. Определить мощность на валу насоса по параметрам режимной точки.

6. Определить мощность приводного двигателя. Исходные данные к задаче приведены в табл. 96. Задачу решить методом последовательного приближения, задавшись ориентировочно значениями d₂ в диапазоне, который указан в табл. 96.

Таблица 96

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
	л/с
рм	кПа
H0	м			5,5			5,7
H	м
h	м		1,75		1,4	2,2	1,9
h0	м		3,5	2,75	2,9	3,8	3,2
d1	мм
ζКР				4,5	1,5	5,7	3,5
t	˚С
d2	мм	40…70	70… 90	150…190	90… 120	40…60	50…80
Виды труб	М1	М4	М2	М3А	Нм2	М2

Задача 97(рис.6.6). Из резервуара A животноводческого помещения сточные воды перекачиваются центробежным насосом по трубопроводу в общий резервуар-накопитель B, где сточные воды проходят биологическую очистку. Перепад горизонтов в резервуарах A и B составляет ∆Z. При условии, что заданы длины и диаметры всасывающей и нагнетательной магистралей, расход сети и другие данные требуется:

1. Выбрать типоразмер насосного агрегата и установить режим его работы на сети.

2. Вычислить мощность на валу насоса и приводного двигателя.

3. Начертить схему параллельного подключения второго насоса на общий нагнетательный трубопровод и графическим способом определить, как изменится при этом расход сети. Местными потерями в нагнетательной магистрали пренебречь. Исходные данные к задаче приведены в табл. 97.

Таблица 97

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
	л/с
∆z=-Hг	м	1,5	2,0	1,75	2,5	1,25	1,0
ℓн	м
dн	мм
ℓв	м				6,9	7,5
dв	мм
∑ζвс			6,5	4,0	7,0	5,5
λ,10-2		4,29	3,5	3,7	4,1	2,9	3,2
Виды труб	М5А	М5Б	М3Б	М3А	Нм1	М5Б

Задача 98(рис.6.7). Центробежный насос перекачивает воду из поверхностного водоисточника A в закрытый бак B водонапорной башни, поднимая её при этом на геометрическую высоту H_г. В баке поддерживается постоянный уровень воды и давления на свободной поверхности р_м. По условию задачи заданы длины и диаметры всасывающего и нагнетательного участков сети. Местные потери напора во всасывающей линии принять в размере 100%, а в напорной 10% от потерь на трение. Температура воды в водоисточнике t°C. Требуется:

1. Выбрать типоразмер насосного агрегата, представить его рабочие характеристики и графическим способом определить режим работы насоса на сети.

2. Вычислить мощность на валу насоса и приводного двигателя.

3. Определить потребный напор, расходуемый в сети, при условии уменьшения подачи насоса методом дросселирования на 20%.

Коэффициент кинематической вязкости воды в зависимости от её температуры см. в Приложении 4; относительную шероховатость стенок всасывающей трубы в зависимости от материала см. в Приложении 5.

Исходные данные к задаче приведены в табл. 98.

Таблица 98

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
·	л/с
рм	кПа
Hг	м
ℓн	м
dн	мм
ℓв	м
dв	мм
t	ºC
Виды труб	М3Б	М1	Нм1, кл. Вт12	М2	М5Б	М5А

Задача 99(рис.6.8). Питательный раствор для подкормки растений подается из резервуара A центробежным насосом по нагнетательному трубопроводу в стеллажи гидропонной теплицы Д. С целью перемешивания раствора в резервуаре A нагнетательная магистраль имеет в узловой точке C ответвление, по которому часть раствора /4 отводится обратно в резервуар A по трубе CE, длина которой и диаметр указаны на расчетной схеме и табл. исходных данных.

Подача питательного раствора в стеллаж Д составляет 3/4 . Всасывающая труба имеет длину ℓ_в, диаметр d_в, коэффициент гидравлического трения λ. Требуется:

1. Найти дополнительное сопротивление ζ_КР, которое нужно задействовать на участке CE, чтобы обеспечить распределение на участках CД и CE в пропорции, указанной на расчетной схеме.

2. Выбрать типоразмер насосного агрегата для работы на сети, представить его рабочие характеристики и графоаналитическим способом определить режим работы насоса.

3. Вычислить мощность на валу насоса и приводного двигателя.

4. По какой схеме необходимо присоединить второй насос с целью увеличения напора? Начертить схему совместной работы насосов при их работе на один нагнетательный трубопровод.

Местные потери напора во всасывающей линии принять за 100% от потерь по длине. Местные потери напора в нагнетательной магистрали принять равными k % от потерь по длине.Исходные данные к задаче приведены в табл. 99.

Таблица 99

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
·	л/с		8,6
HгД	м
-HгЕ	м	0,5	0,6	0,55	0,5	0,9	0,8
ℓв	м			7,5
dв	мм
ℓ	м
dн	мм
λ,10-2		3,5	4,1	3,1	3,7	3,8	3,6
k	%
Виды труб	М1	М2	Нм1 ВТ3	Нм1 ВТ9	М3Б	Нм2

Задача 100(рис.6.9). Насосная станция перекачивает воду в количестве по горизонтальному трубопроводу длиной ℓ и диаметром d из подземного водоисточника в водонапорную башню. Требуется:

1. Подобрать насос для работы насосной станции.

2. Определить мощность на валу насоса, учитывая только потери напора на трение.

3. Указать, где и какой мощности надо установить станцию подкачки, чтобы по тому же трубопроводу пропускать увеличенный расход ₁ и обеспечивая по всей длине трубопровода свободный напор h_СВ. Считать, что при увеличении расхода напор насосной станции в соответствии с характеристикой насоса уменьшится на b %.

4. Для обоих значений построить пьезометрические линии.

Исходные данные к задаче приведены в табл. 100.

Таблица 100

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
	л/с
1	л/с			28,5
ℓ	м
d	мм
Zmax	м
Zmin	м
b	%			13,6	10,7		13,5
hcв	м
Виды труб	М2	М3А	М4	M5A	Нм1	M1

Задача 101(рис.6.10). Центробежный насос, расположенный на уровне с отметкой _B перекачивает воду из открытого резервуара с уровнем _А в закрытый резервуар с уровнем _C и избыточным давлением на свободной поверхности, равном р₀. Требуется:

1. Выбрать типоразмер насосного агрегата для работы водонасосной установки.

2. Графоаналитическим способом установить параметры режимной точки выбранного насоса.

3. Вычислить мощность на валу насоса и приводного двигателя.

4. Как изменится подача, напор и мощность насоса, если частоту вращения рабочего колеса изменить с n до n₁?

При определении потребного напора системы местные потери напора в нагнетательной магистрали не учитывать, а во всасывающей – принять во внимание наличие обратного клапана с сеткой ζ_ОК. Исходные данные к задаче приведены в табл. 101.

Таблица 101

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
A	м		1,5	8,5
B	м		5,1	10,1		8,2
C	м		17,5
рм	кПа
р0	кПа
ℓв	м
dв	мм
ℓн	м
dн	мм
λ,10-2		2,5		2,7	2,2		2,4
ζок		4,5				4,5
n	мин-1
n1	мин-1
Виды труб	М2	М1	М3Б	М3Б	Нм1	Нм2

Задача 102(рис.6.11). Центробежный насос подает воду одновременно в два резервуара Е и Д, служащих для накопления воды. Резервуары Е и Д находятся на разных высотах относительно свободной поверхности водоисточника, соответственно Hг_Е и Hг_Д. Участки нагнетательного трубопровода СД и СЕ имеют одинаковые длины и диаметры.

1. Определить величину дополнительного сопротивления ζ_КР, которое необходимо задействовать на участке СД, с целью обеспечения равенства объемов воды, поступающей в резервуары Д и Е.

2. Выбрать типоразмер насоса.

3. Построить суммарную характеристику потребного напора для сложного трубопровода.

4. Установить параметры режимной точки выбранного насоса, построив на одном и том же графике в одинаковых масштабах напорную характеристику насоса и нагнетательного трубопровода.

5. Местные потери напора во всасывающей трубе принять за 100% от потерь по длине.

Местные потери напора в нагнетательной магистрали принять равными k % от потерь по длине. Исходные данные к задаче приведены в табл. 102.

Таблица 102

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
	л/с	9,4	30,6	10,2	5,5	47,2
HгД	м	13,5
HгЕ	м			5,5
ℓВ	м
dВ	мм
ℓ	м
dН	мм
λ,10-2		4,1	3,4	3,88	4,6	3,7	3,9
k	%
Виды труб	М1	М2	М4	Нм2 Тип Т	Нм1, кл Вт12	М5Б

Задача 103(рис. 6.12,а). Насос подает воду в накопительный резервуар на высоту Н_Г. Всасывающий трубопровод имеет длину ℓ_В и диаметр d_В, напорный трубопровод соответственно ℓ_Н и d_Н. Суммарные коэффициенты местных сопротивлений во всасывающем и нагнетательном трубопроводах соответственно равны ζ_ВС и ζ_Н. Коэффициент сопротивления трения во всасывающем трубопроводе λ (рис. 6.12,а). Требуется:

1. Выбрать типоразмер насосного агрегата, обеспечивающего подачу воды .

2. Графоаналитическим способом установить режим работы выбранного насоса.

3. Определить мощность на валу насоса по параметрам режимной точки и приводного двигателя.

4. Определить графоаналитическим способом параметры режимной точки, если два одинаковых насоса будут работать параллельно на общий нагнетательный трубопровод с теми же данными. Начертить схему подключения насосов. Исходные данные к задаче приведены в табл. 103.

Таблица 103

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
	л/c	4,8	5,5			8,5	5,7
Hг	м
ℓН	м
dН	мм
ℓВ	м					7,5
dВ	мм
λ,10-2		4,4	4,4	3,88	4,3	3,8	4,1
ζВС		10,5	9,8	11,3	10,9	9,5
ζН		1,2		1,4	1,3	1,05	1,35
Виды труб	М2	М4	М5Б	М1	Нм1, кл. Вт3	М2

Задача 104 (рис. 6.12,б). Центробежный насос поднимает воду на высоту Hг по всасывающей и нагнетательной магистралям. Размеры магистралей, в том числе диаметры и длины указаны в таблице исходных данных. Требуется:

1. Определить подачу насоса _Н и мощность на валу N при частоте вращения рабочего колеса n = 900 мин^-1.
2. Определить мощность, потребляемую насосом, при уменьшении его подачи на 25% дросселированием задвижкой.
3. Пересчитать главные параметры насоса: подачу, напор и мощность при изменении частоты вращения рабочего колеса с n до n₁ по формулам подобия.

Исходные данные к задаче приведены в табл. 104.

Задачу следует решить методом последовательного приближения, задавшись ориентировочно из графика характеристики насоса, приведенной на рис. 6.12,б. Задача считается решенной, если при ориентировочном значении , напор насоса Н_н (график) и потребный напор Н_потр сети (расчет) будут равны между собой или расхождение между ними будет не более 10%.

Таблица 104

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
Hг	м				9,4	3,5	2,4
ℓв	м
dв	мм
ℓн	м
dн	мм
λ,10-2		2,0	2,5	1,8	4,3	1,8	3,2
n1	мин-1
Виды труб	М4	М1А	М3А	Нм1	Нм2,тип Т	М2

Задача 105(рис. 6.13). Вода подается насосом из водоема в приемный резервуар на высоту h. Всасывающая труба снабжена обратным клапаном с сеткой и имеет длину ℓ_вс. Требуется:

1. Подобрать диаметры трубопроводов обоих участков сети водонасосной установки.

2. Выбрать типоразмер центробежного насоса и построить его характеристики H = f₁( ) и h = ₂( ) по справочным данным (Приложение 14).

3. Графоаналитическим способом установить параметры режимной точки выбранного насоса.

4. Определить мощность на валу насоса по параметрам режимной точки.

5. Определить мощность приводного двигателя.

Местные потери напора в нагнетательном трубопроводе принять равными 10% от потерь на трение. Диаметры труб системы подобрать, руководствуясь Приложениями 8;9,10, а также оптимальными значениями скоростей: во всасывающей трубе 0,7…1,1м/с; в нагнетательном трубопроводе в зависимости от материала труб по данным раздела 4 табл. 4.1. Диаметр всасывающей трубы водонасосной установки, согласно практики их эксплуатации, принять несколько большим по сравнению с диаметром нагнетательного трубопровода или равным ему. Исходные данные к задаче приведены в табл.105.

Таблица 105

Исходные данные	Единицы измерения	Значения для вариантов
	л/c	16,5	47,5	28,5
h	м
ℓвс	м
ℓн	м
l,10-2		2,1	1,8	1,9	1,82		1,88
Виды труб	М1	Нм2	М4	Нм3	М2	М5А

Рисунки 6.5…6.13 к задачам темы 6

Рисунок 6.5	Рисунок 6.7
Рисунок 6.6
Рисунок 6.8	Рисунок 6.9
Рисунок 6.10	Рисунок 6.13
Рисунок 6.11
Рисунок 6.12