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抽水機 (Pump)

抽水機 (Pump). Aquacultural Engineering W 10 -11. What are pumps. 泵是能夠將能量加進流體的機器。 水及其他流體順應能量梯度 (energy gradient) 移動，朝向總能量 (total energy) 降低的方向移動。 最普遍的需求是抵抗重力梯度將流體由低地移動到高地。 泵有時候也用於增加流體系統中之壓力，因而使流體可以做功 (do work) 承受負載 (load) 。. Purposes of this chapter. 根據操作原理特性及在不同流體系統之應用探討各種型式之泵

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Presentation Transcript

  1. 抽水機 (Pump) Aquacultural Engineering W 10 -11

  2. What are pumps • 泵是能夠將能量加進流體的機器。 • 水及其他流體順應能量梯度(energy gradient)移動，朝向總能量(total energy)降低的方向移動。 • 最普遍的需求是抵抗重力梯度將流體由低地移動到高地。 • 泵有時候也用於增加流體系統中之壓力，因而使流體可以做功(do work)承受負載(load)。

  3. Purposes of this chapter • 根據操作原理特性及在不同流體系統之應用探討各種型式之泵 • 討論抽水機選擇方法及驅動系統之選擇 • 正確選擇抽水機對水產養殖業非常重要因抽水費用為主要之費用

  4. DEFINITIONS • 自由水面(Free water surface) • 開放至大氣或水面只承受大氣壓力之水面 • 淨正吸水頭): Net positive suction head (NPSH) • 抽水機進水口超出流體蒸氣壓力之絕對總水頭

  5. a positive NPSH. • NPSH = hb – hv - hf+ hh (11.1) • hb = 大氣壓力 (Pa) • hv = 液體蒸氣壓 (Pa) • hf = 流體流經進水口管件產生之摩擦及黏滯力損失 (Pa) • hh = 抽水機進水口壓力損失 (Pa)

  6. 進水口在自由水面以上 • NPSH = hb – hv –hf– hh (11.2)

  7. 進水口與受壓力水槽連接 • NPSH = hb – hv – hf – hh + P1 (11.3)

  8. 壓力水頭(Pressure head) • = 抽水機必須做工抵抗之總水頭或總壓力= h + P2 + V22/2g + hf NPSH (11.4) h = 抽水機中心線以上至流體系統最高點之垂直距離 g = 重力加速度 P2 = 流體系統最高點之静水 V22/2g = 抽水機出水口速度水頭或動力水頭 hf = 流體系統中摩擦水頭損失 NPSH = 淨正吸水頭 (若大於大氣壓力則為負值, 低於大氣壓力則為正值)

  9. The total pressure head(h; 總壓力水頭) • 抽水機必須克服之總水頭 • Brake power (BP):(制動馬力) • 驅動器輸出之能量 = 抽水機需求之輸入能量 • Pump output power (POP):(泵輸出馬力) • 抽水機實際加於流體之能量 POP = CQh (11.5) • 單位重 1 g/ml 之淡水其 POP (watts) = 9800Q (m3/sec) h(m)

  10. Efficiency of a pump (e) e = output/input = POP/BP (11.7)

  11. PUMP CLASSIFICATION

  12. CENTRIFUGAL PUMPS • 離心式抽水機之基本元件 • 動力元件驅動抽水機軸心(shaft), 使驅動輪 (impeller)轉動 • 驅動輪上面葉片(vanes)導引水流方面及將能量加入水中 • 驅動輪轉動使其上所有粒子向外加速, 產生離心力 • 抽水機空間及進水口充滿水時, 驅動輪上水向外移動使驅動輪中心壓力下降, 使其他水由進水口吸入

  13. 驅動輪轉動使輪上邊緣水分子有較高的流速  • 這些水分子離開驅動輪時, 速度快速降低, 其所含動能水頭轉變為静水壓力水頭( static pressure head) • 因此離心式抽水機中水分子由進水口網出水口流動時壓力將增加 • 出水口壓力為進水口壓力及抽水機特性之函數

  14. 抽水機設有軸封盒(stuffing box) 內填有軸封材料, 使轉動軸能密封, 避免由轉動軸漏水

  15. Pump bearing: (軸承) • 抽水機有潤滑的軸承, 潤滑劑採用石化產品或水 • 水產養殖用抽水機以水潤滑較適當

  16. Volute (渦形) Centrifugal Pumps

  17. Diffuser (擴散器) Centrifugal Pumps

  18. Open impellers

  19. Semienclosed impellers

  20. Enclosed impellers

  21. Performance Characteristics • 抽水機之操作特性包含一些數據, 通常以圖形表示: 顯示抽水機水頭(head), 效率(efficiency), 出水量(discharge)及需求能量(power requirements)等主要參數間之關係

  22. Deep Well Turbine (深井渦輪式抽水機) • multistage centrifugal pumps, either volute or diffuser type

  23. ROTARY PUMPS • Rotary pumps consist of a casing and rotating member(s) that force the fluid from the low to high pressure side.

  24. Propeller (螺槳) Pumps • Propeller pumps are best used for conditions of low head and high discharge

  25. Single-stage propeller pumps are limited to heads of 7 to 8 m, whereas multistage pumps are built for heads up to about 40 m. • Pump discharges are available up to several thousand cubic meters per minute. • Propeller pump speed is limited by cavitation at the propeller tips. • Since the tip velocity increases with diameter, the larger the propeller diameter, the slower it must turn. • Large pumps commonly operate in the 100 to 300 rpm range, too slow for direct coupling to an electric motor.

  26. Flexible Tube Pumps

  27. Low volume pumps. • Generally used as metering pumps for metering corrosive liquids • Provide adjustable and accurate flow rates and are particularly applicable for corrosive liquids. • Pressure capabilities of flexible tube pumps are relatively low, the maximum pressure depending on flexible tube strength.

  28. RECIPROCATING PUMPS • Piston (活塞) Pumps - theoretical suction lift of10.3 mand a practical limit of 7 or 8 m

  29. 高壓、高揚程、低流量抽水機 • 定量抽水機 • Diaphragm (隔膜) Pumps

  30. Airlift Pumps (氣提泵)hmm = hs1

  31. 若連續地注入足夠之空氣，則hm – hs > h1，氣提泵可連續運轉。 • 使hmm恰好等於hs1之氣流，為維持氣提泵運轉之最小氣流量。 • 設泵恰好可運轉時之h1 = ho，則管子浸於水中之高度hs及氣體體積分量Qa之關係 (by Andeen, 1974) 為 ho = Qa/(1 - Qahs)

  32. 最小氣流量(by Todoroki et al., 1973): • 管徑25 - 100 mm、管長4 - 42 m及浸水比例0.4 - 0.8 Qam = [0.35 (1 – Ms) A(gd)1/2]/(1.2 Ms – 0.2]) Qam = 啟動泵之最小氣流量，cm3/s Ms = hs/hm A = 氣提管斷面積，cm2 g = 重力加速度，cm/s2 d = 氣提管管徑，cm

  33. 氣泡與液體之相對速度差(slip) 與氣泡尺寸成比例，氣泡越小slip越小，能量損失越小，氣提泵效率越高。 • 靜止流體中氣泡之上升速度為slip之近似值 • 氣提泵中，氣泡之理想直徑為越小越好，但管柱中氣泡流僅於氣體體積10%以下時才能產生，氣－液比更高時，氣泡將結合成大氣泡。注氣流量維持10%，則氣提泵之水頭提升為0.1 hs。

  34. 氣泡之產生：by orifice Rb = {(St)(Ro)/[g(e - g)]}1/3 Rb = bubble radius (cm) St = surface tension (g-cm/s2) Ro = orifice diameter (cm) g = acceleration of gravity (cm/s2) e = density of liquid (g/cm3) g = density of gas (g/cm3)

  35. 氣提泵之效率 • 經驗公式：提升1 liter 水所需之空氣體積(m3) Q = 0.8 h1/{C log [(hs + 10.36)/10.36]}

  36. Fitting a pump to the system • 為一特定用途，選用正確水泵，需先瞭解：各種型式泵之特性、系統總水頭與出水量需求及待泵送流體之性質。另外需知泵之吸水高度及井之液降特性。 • 首先考慮泵水成本降低，應使泵操作於最佳效率，並參考設備成本、操作成本及維修成本，綜合決定選用之泵。 • 泵之NPSH不可超過限度，否則產生穴蝕 (cavitation)，將增加維護費及降低效率。 • 泵所需總水頭 = 靜壓水頭 + 流體摩擦損失 + 流速水頭

  37. 井洩降 • 洩降影響泵之選擇：泵於形成之洩降錐條件下，仍有足夠之出水量，不可超過最大出水量；相鄰之井，洩降錐相互影響。

  38. 繪出井之水頭－流量曲線， • 就所需流量決定水頭，設A點為井之操作點； • 其次將泵之特性曲線加入圖中， • 適用之泵為其特性曲線通過A點者或稍上方者，且為泵之最佳效率點B， • 泵所需動力為C點之馬力。

  39. 選用泵時所需之基本資訊 • 需求總水頭 • 需求流量 • 需求吸水高 • 泵送之液體與其性質 • 連續或間歇性操作 • 可用能源 • 空間、重量及相關限制 • 特殊需求

  40. 泵之動力來源 • 電力及引擎(engine) • 泵之輸出動力 (POP) = Qh • 驅動泵所需之制動馬力(BP) = Qh /e

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