Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Республики Крым

«Крымская гимназия-интернат для одарённых детей»

г.Симферополь, ул. Гагарина, 18

Проектная работа

«Простейший водяной насос и его существенные параметры, влияющие на производительность»

Выполнила учащаяся 10 класса

Елисеева Полина Алексеевна.

Руководитель: Дячук Сергей Николаевич

Симферополь, 2024 год

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ. 3

ГЛАВА 1. НАСОС КАК УСТРОЙСТВО.. 5

1.1 Историческая справка. 5

1.2 Классификация центробежных насосов. 6

1.2.1 Главные области применения устройства. 7

1.3 Конструкция центробежного насоса. 8

1.4 Принцип работы центробежного насоса. 8

1.5 Центробежная сила. 9

1.5.1 Кинематические характеристики. 9

1.5.2 Динамические  характеристики. 9

ГЛАВА 2 ЗАВИСИМОСТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАСОСА ОТ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК.. 10

2.1 Определение характеристик влияющих на производительность насоса. 10

2.1.1 Сборка установки. 10

2.1.2 Модель процесса. 11

2.1.3 Выявление минимальной частоты проявления эффекта. 12

2.1.4 Выявление зависимости производительности от мощности двигателя. 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 16

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 17

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире центробежные насосы играют важную роль в различных промышленных и бытовых сферах. Их устройство и принцип работы основаны на использовании центробежной силы для перемещения жидкости. В данном исследовании обратим внимание на модель простого центробежного насоса.

Актуальность проекта заключается в изучении работы и основных параметров центробежного водяного насоса, что позволит улучшить его производительность, увеличить срок службы и снизить энергопотребление, что важно как для промышленных предприятий, так и для бытового применения в домашнем хозяйстве, сельском хозяйстве, строительстве и других отраслях.

Цель данного проекта: изучить принцип действия и основные параметры центробежного водяного насоса, которые оказывают влияние на его эффективность и производительность.

Гипотеза. Параметры, существенно влияющие на производительность насоса:

·        Частота вращения трубок

·        Угол наклона трубки

·        Радиус (от оси вращения до уровня воды)

·        Диаметр трубки

·        Длина трубки

·        Мощность двигателя 

Задачи, поставленные для достижения цели:

·     Собрать экспериментальную установку

·     Исследовать принцип работы насоса

·     Исследовать зависимость производительности насоса от частоты вращения и угла наклона трубки

·     Исследовать зависимость производительности от радиуса установки и диаметра трубок

·     Исследовать зависимость производительности от мощности двигателя

·     Сделать выводы о проделанной работе

Методы исследования:

·        Изучение, сбор и анализ информации по теме

·        Проведение экспериментов

ГЛАВА 1. НАСОС КАК УСТРОЙСТВО

Насос —  устройство, преобразующее механическую энергию приводного двигателя или мускульную энергию (в ручных насосах) в энергию потока жидкости, служащую для перемещения и создания напора жидкостей всех видов.

1.1 Историческая справка

Изобретение насоса относится к глубокой древности. Первые попытки цивилизованных поселений людей наладить водоснабжение относятся еще к 5 в до н. э. Такие древние развитые цивилизации, как Египет, Китай, Вавилон, располагали большими площадями при сухом климате, поэтому орошение территории было первоочередной сельскохозяйственной проблемой. При этом неизбежно возникал вопрос преодоления водой разности высот.

 Водоподъёмные машины-этот вид устройств археологи датируют, как наиболее древний. Основой механизма было колесо, на обод которого под углом примерно в 45 градусов крепились кувшины. В нижней точке емкость набирала воду, в верхней вода выливалась в специальный желоб. Колесо вращалось физической силой — мулов, быков или человека (приложение 1).

Винтовой насос для подъема воды изобрел греческий ученый Архимед, проживавший в 3 в. до н.э. на острове Сицилия. Устройство представляет собой полую трубу с винтом внутри. Весь механизм располагается под наклоном: нижний конец в воду, верхний — на возвышении. Винт имеет рукоять, за которую система и приводится в движение. При вращении нижняя лопасть забирает воду, она скользит по спирали вверх, где выливается в емкость или трубу (приложение 2).

Первый известный поршневой насос для тушения пожара, который изобрёл древнегреческий механик Ктесибий, упоминается ещё в I веке до н. э. в трудах как Герона Александрийского, так и Витрувия. Принцип работы таков: за счёт поступательного движения поршня создаётся разрежение в полости под ним, и туда засасывается жидкость из подводящего трубопровода. При обратном движении поршня на всасывающем трубопроводе закрывается клапан, предотвращающий протечку жидкости обратно, и открывается клапан на нагнетательном трубопроводе, который был закрыт при всасывании. Туда вытесняется жидкость, которая находилась под поршнем, и процесс повторяется (приложение 3).

Идея применения центробежных сил для перемещения жидкой среды зародилась еще в 15 столетии у знаменитого Леонардо да Винчи. Агостино Рамелли можно считать последователем Да Винчи, так в 1588 г. им был изобретён прототип роторного (то есть вращательного) насоса. Основной принцип работы роторного насоса заключается в том, что два или более ротора вращаются внутри корпуса насоса, создавая полость с переменным объемом. В процессе вращения образуется разрежение, и жидкость или газ втягивается в насос. Затем, при дальнейшем вращении, роторы перемещаются, создавая давление и выталкивают среду через выходной клапан (приложение 4).

Первым центробежным насосом, опробованным на практике, является устройство, разработанное ле Демуром в 1732 г. под углом к вертикальному валу прикреплена прямая труба, которая нижним концом погружена в жидкость; при вращении валa эта труба, жестко связанная с валом соединительным стержнем, приводится во вращение. Центробежные силы вызывают перемещение жидкости во вращающейся трубе (приложение 5).

Современный вид центробежные насосы приобрели в 1818 году. В Бостоне Адреасом был построен «Массачусетс-насос» с колесом радиального типа.

1.2 Классификация центробежных насосов

Центробежный насос - лопастный насос, в котором жидкость перемещается от центра к периферии вращающегося рабочего колеса под действием центробежных сил.

Центробежный насос классифицируются по:

·          Числу рабочих колёс (одноступенчатые, многоступенчатые);

·          Способу подвода жидкости к рабочему колесу (односторонние, двусторонние);

·          Расположению вала насоса (горизонтальные, вертикальные);

·          Роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, песковые, иловые, грязевые и др.).

1.2.1 Главные области применения устройства

·        Центробежные насосы широко применяются в системах водоснабжения и водоотведения. Они используются для перекачки воды из реки, озер или подземных источников, в системы водоснабжения городов и поселений. Также они используются для откачки сточных вод.

·        Центробежные насосы играют важную роль в нефтегазовой промышленности. Они применяются для перекачки нефти, газа и других жидкостей в процессе добычи, транспортировки и переработки. Центробежные насосы также используются в системах охлаждения и смазки в различных оборудованиях нефтеперерабатывающих заводов.

·        В химической промышленности центробежные насосы применяются для перекачки различных химических реагентов, растворов и сырья. Они используются в производстве пластика, удобрений, красителей и многого другого.

·        Центробежные насосы широко используются в системах охлаждения электростанций, для перекачки пара и воды в системах турбин и генераторов. Кроме того, они необходимы для кондиционирования воздуха и отопления зданий.

·        В пищевой промышленности центробежные насосы обеспечивают гигиеническую и безопасную перекачку молока, соков и других напитков, масла.

·        В системах водоочистки насосы помогают на разных стадиях –  фильтрации, осаждения и дезинфекции.

1.3 Конструкция центробежного насоса

Рис. 1 Устройство центробежного насоса

Далее рассмотрим как строение устройства влияет на выполнение заданных целей и объясним этот принцип.

1.4 Принцип работы центробежного насоса

Перекачивание жидкости организовано за счет центробежной силы.

Процесс работы центробежного насоса можно разделить на несколько основных этапов. Сначала жидкость поступает в насос через входное отверстие или трубу. Затем она попадает в центральную часть насоса, где находится вращающийся ротор. Он размещается на валу, соединяемом с приводом электромотора. При пуске двигателя ротор начинает вращаться,  он имеет лопасти, называемые крыльчаткой, которые создают вихревое движение жидкости и переносят ее к периферии насоса. По мере движения жидкости к периферии, ее давление увеличивается, что позволяет насосу перекачивать жидкость на требуемую высоту или дальность. В конечном итоге, она выталкивается из насоса через выходное отверстие или трубу и направляется в нужное место.

1.5 Центробежная сила

Центробежная сила – это фиктивная сила, возникающая в неинерциальных системах отсчёта, при вращательном движении.

1.5.1 Кинематические характеристики

Вращательное движение — вид механического движения. При вращательном движении материальная точка описывает окружность. При вращательном движении абсолютно твёрдого тела все его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Углы поворота всех точек тела одинаковы.

Угловая скорость — физическая величина, характеризующая быстроту и направление вращения материальной точки или абсолютно твёрдого тела относительно оси вращения.

Частота обращения - количество оборотов в единицу времени.

1.5.2 Динамические  характеристики

Момент инерции - мера инертности во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении.

Кинетическая энергия твердого тела при вращательном движении.

ГЛАВА 2 ЗАВИСИМОСТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАСОСА ОТ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Определение характеристик влияющих на производительность насоса.

2.1.1 Сборка установки

Рис. 2 Внешний вид установки

2.1.2 Модель процесса

⁃ рассмотрим частицу воды в неинерциальной системе отсчёта

⁃ неинерциальная система отсчёта используется для упрощения математического решения задачи

⁃ согласно второму закону ньютона рассматриваем проекции сил на оси

⁃ ось ох направленна по направлению движения частицы

Рис. 3 Силы, действующие на частицу воды

Распишем проекции действующей на тело силы тяжести на оси абсцисс и ординат.

По 2 закону Ньютона:

2.1.3 Выявление минимальной частоты проявления эффекта

Рассмотрим момент статичного состояния частицы.

В состоянии покоя тело не имеет ускорения, поэтому проекция на ось х будет выглядеть следующим образом:

Сократим массу с обеих сторон уравнения.

Перенесём синус угла альфа в правую часть уравнения, получим произведение ускорения свободного падения на котангенс угла альфа, тем самым выразим ускорение частицы.

Заменим значение ускорения частицы на его эквивалентную формулу, выраженную через угловую скорость.

Заменим значение угловой скорости его эквивалентной формулой, выраженной через частоту.

Выражаем частоту. Получилось значение, превысив которое, будет наблюдаться эффект.

Вывод: частота вращения зависит как от угла, так и от радиуса. Так как в формуле масса сократилась, следовательно от диаметра трубки производительность не зависит.

Убедимся в достоверности полученных выводов. С помощью компьютерной программы будем измерять минимальную частоту, на которой проявляется эффект, при изменении углов.

На основе полученных данных построим график зависимости частоты проявления минимального эффекта от угла наклона трубки.

Рис. 4 График зависимости частоты вращения установки от угла наклона трубок

•  Синяя (1) кривая отображает результат теоретических расчётов

•  Красная (2)  кривая отображает результат эксперимента

Заметим, что минимальная частота проявления эффекта проявляется при максимальном угле наклона ( максимальный угол равен 49 градусов, минимальная частота равна примерно 3,5 гц )

2.1.4 Выявление зависимости производительности от мощности двигателя 

Так как в эксперименте использовались довольно низкие обороты и слабые токи ( 1А и 0,5В ), то кпд такого насоса будет иметь значение от 10-15 % (приложение 7).

- работа электрического тока, работа двигателя

 - потенциальная энергия частицы

 -кинетическая энергия частицы

За производительность насоса принимается масса вытолкнутая за единицу времени.

Подставим в формулу коэффициента полезного действия эквивалентные значения.

Рассмотрим угловую часть установки:

    Рис. 5 Угловая часть установки с тригонометрическими обозначениями

Подставим это значение в формулу:

Подставляем в формулу кпд, заменяя угловую скорость на эквивалентную формулу, выраженную через частоту:

Выносим интересующее нас значение производительности:

Вывод: производительность зависит от мощности и длины трубки.

Убедимся в достоверности полученных выводов. С помощью кухонных весов измерим вес чаши с водой до и после работы установки фиксированное количество времени. (приложение 8)

Сравним результаты:

Предполагаемое значение производительности: 0,0232 кг/с

Практическое значение: 0,026 кг/с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проекта поставленная цель была достигнута. Были проверены  все гипотезы.

Производительность простого центробежного насоса зависит от:

·        Частоты вращения трубок

·        Угла наклона трубки

·        Радиуса (от оси вращения до уровня воды)

·        Длины трубки

·        Мощности двигателя 

Выдвинутая гипотеза о том, что производительность насоса зависит от диаметра трубки не была доказана.

Влияние этих параметров подчеркивает необходимость грамотного подбора насосного оборудования для оптимизации его работы и повышения эффективности технологических процессов. Исследование параметров, влияющих на производительность насоса, помогло мне лучше понять принципы работы этого важного технического устройства и осознать важность учета различных факторов при его выборе и эксплуатации. Полученные знания пригодятся мне в будущем при решении различных задач, связанных с насосным оборудованием в инженерной практике.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Изобретение наоса. Древность . [Электронный ресурс].-https://www.arkronix.ru/blog/istoriya_razvitiya_nasosov_izobretenie_nasosa_vazhnye_etapy_ot_drevnosti_do_nashikh_dney/

2.     История возникновения насоса [Электронный ресурс].-https://re-st.ru/articles/istoriia-vozniknoveniia-nasosa-drevnii-mir/

3.     История насосов [Электронный ресурс].-https://nauka.club/istoriya/kto-kogda-izobrel-nasos-i-kak-on-izmenil-mir.html

4.     История насосостроения [Электронный ресурс].- https://nasoselprom.ru/nasosi-istoriya-nasosostroeniya

5.     Лермантов В. В. Насосы // Энциклопедический словарь / под ред. И. Е. Андреевского. – Санкт-Петербург : Ф. А. Брокгауз, И. А. Ефрон, 1897. – Т. 20а. – С. 650–655.

6.     Кривченко.Г.И. «Гидравлические машины: Турбины и насосы»// М. Энергия, 1978

7.     Воробьев Е. М, Смирнов Н.Н « Анализ конструктивных особенностей простейших водяных насосв»// Журнал «Водоснабжение и санитарная техника» №12, 2020

8.     https

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

Скачано с www.znanio.ru