抽水機 (Pump)Aquacultural Engineering W 10 -11Date1What 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)。 Date2Purposes 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Date3DEFINITIONS 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Date4a positive NPSH. 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) NPSH = hb hv - hf + hh (11.1) hb = 大氣壓力 (Pa)Date5 NPSH = hb hv hf hh (11.2) 進水口在自由水面以上 Date6進水口與受壓力水槽連接 NPSH = hb hv hf hh + P1 (11.3) Date7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)Date8 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) Date9 Efficiency of a pump (e)e = output/input = POP/BP (11.7) Date10PUMP CLASSIFICATION Date11CENTRIFUGAL 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Date12Date13 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Date14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Date15Pump 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 Date16Volute (渦形) Centrifugal Pumps Date17Diffuser (擴散器) Centrifugal Pumps Date18Open impellers Date19Semienclosed impellers Date20Enclosed impellers Date21Performance 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Date22Date23Date24Date25Deep Well Turbine (深井渦輪式抽水機 ) multistage centrifugal pumps, either volute or diffuser type Date26ROTARY PUMPS Rotary pumps consist of a casing and rotating member(s) that force the fluid from the low to high pressure side. Date27Propeller (螺槳) Pumps Propeller pumps are best used for conditions of low head and high discharge Date28Date29 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. Date30Flexible Tube Pumps Date31 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. Date32RECIPROCATING PUMPS Piston (活塞) Pumps - theoretical suction lift of 10.3 m and a practical limit of 7 or 8 m Date33 Diaphragm (隔膜) Pumps 高壓、高 揚程、低 流量抽水 機 定量抽水 機Date34 Airlift Pumps (氣提泵) hmm = hs1 Date35若連續地注入足夠之空氣，則 hm hs h1 ，氣提泵可連續運 轉。 使hmm恰好等於hs1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) Date36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 Date37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。 Date38Date39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) Date40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 Date41Date42Fitting 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 Date43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。 Date44 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。 Date45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 Date46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 Date47