3.3 Основные рабочие параметры насосов

Насосы характеризуются следующими основными параметрами:

Подачей (расходом) Q, напоромH, мощностьюN, полным КПД:𝔶и высотой всасыванияH_вс.

Подачей (расходом) насоса – объем жидкости, перекачиваемый в единицу времени. Подача насоса измеряется в м³/ч, м³/мин, л/с.

Напором насоса называют, разность полных удельных энергий потока у выхода и входа в насос, вычисленную в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Для пояснения сущности напора, развиваемого насосом, рассмотрим схему его работы при перекачивании жидкости из одного резервуара в другой. (рис. 3)

Рис. 3. Схема насосной установки:

1 – напорный резервуар; 2 – расходомер; 3 – задвижки; 4 – обратный клапан;

5 – манометр; 6 – напорный трубопровод; 7 – насос; 8 – вакуумметр;

9 – всасывающий трубопровод; 10 – всасывающая сетка; 11 – водоем

Установим величину удельной энергии жидкости сечения II–II, т.е до насоса , и в сеченииIII–IIIпосле насоса относительно плоскости сравнения, совмещенной со свободной поверхностью жидкости в водоеме, из которого перекачивается жидкость:

e₂=H_вс +p_вс/υ+U²_вс/(2g)

e₃ = H_вс + H₀ + p_H/υ + U²_H/(2g)

Где, H_вс– высота всасывания насоса;

H₀– расстояние по вертикали между точками установки вакуумметра и манометра;

p_вс иp_n – абсолютные давления во всасывающем и напорном трубопроводах;

U_всиU_в– средние скорости жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах.

Удельная энергия жидкости e₃после насоса всегда больше удельной энергииe₂до него. Разность этих величин есть напор, развиваемый насосом:

Н = e₃–e₂=H₀+ (p_H–p_вс)/υ+ (U²_H–U²_вс)/(2g)

Зная давление в насосной установки, т.е имея показания манометра и вакуумметра, можно определить p_Hиp_вс.Действительно, манометр, установленный на напорном трубопроводе, показывает избыточное давление в сеченииIII–III:

p_M=p_H –p_ат, откудаp_H=p_M+p_ат

Вакуумметр, установленный в сечении II–II, показывает разность между атмосферным и абсолютными давлениями в этом сечении:

р_вак= р_ат– р_вс, откуда р_вс= р_ат- р_вак

После подстановки в выражение значений p_Hиp_вс получим формулу для определения напора насоса по показаниям манометра и вакуумметра:

Н = Н₀+ (р_вак+ р_М)/υ + (U²_H–U²_вс)/(2g)

Таким образом, полный напор H, развиваемый насосом, определяется высотой столба перекачиваемой жидкости.H₀между манометром и вакуумметром, суммой показаний этих приборов и разностью кинетической энергии жидкости за и пред насосом. ВеличинаH₀в зависимости от условий монтажа установки может принимать различные значения, в том числе и отрицательные, если манометр будет расположен ниже вакуумметра.

В случае равенства диаметров всасывающего и напорного патрубков, получим формулу для определения напора:

Н = Н₀+ (р_вак+ р_М)/υ

Если насос питается от водопровода, обеспечивающего напор на выходе, то во всасывающем патрубке насоса будет не вакуум, а избыточное давление p_вх, и значитp_вс=p_ат+p_вх. Используя это выражение при подстановки в уравнение значенийp_Ниp_вс, получим следующую формулу для определения полного напора:

Н = Н₀+ (р_вак+ р_М)/υ + (V²_H–V²_вс)/(2g)

Уравнение используют для определения напора работающего насоса при его испытании. В практических расчетах насосно-рукавных систем часто за напор, развиваемый насосом, принимают показания манометра, выраженные в м, т.е H=p_M/υ.

Для определения напора по элементам насосной установки (2 способ определения напора) составим уравнения Бернулли для сечений I–IиII–II,III–IIIиIV–IV:

z₁+p₁/υ+V²₁/(2g) =z₂+p₂/υ+V²₂/(2g) +h_вс

z₃+p₃/υ+V²₃/(2g) =z₄+p₄/υ+V²₄/(2g) +h_H

Приняв за плоскость сравнения плоскость I–I, выясним значение величин, входящих в уравнения:

z₁= 0;z₂ =H_вс; z₃ = Н_вс+ Н₀;z₄= Н_вс+ Н₀+ Н_н;

р₁= р_ат; р₂= р_вср₃ = р_нр₄ = р₀

V₁= 0;V₂=V_всV₃=V_H V₄= 0

Тогда с учетом следующих замечаний будем иметь:

p_вс/υ=p₄/υ-H_вс-V²_вс/(2g) -h_вс

p_Н/υ=p₀/υ–H_Н-V²_Н/(2g) +h_Н

После подстановки значений p_вс/υиp_H/υв уравнение получим:

H=p₀/υ- р_ат/υ+H_вс+ Н₀+ Н_Н+h_вс+h_Н

Если учесть, что Н_вс+ Н₀+ Н_Н= Н_Г (Н_Г - геометрическая высота подъема жидкости), и положить (p₀–p_ат)/υ =H_св(здесь Н_св– свободный напор), то формула для определения напора насоса по элементам насосной установки примет вид:

H=H_Г+h_вс+h_Н+ Н_св

Это выражение используется в практике для определения необходимого напора. Из формулы следует, что напор, создаваемый насосом, расходуется на подъем жидкости, преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах и на создание свободного напора в конце линии.

Мощность насоса представляет собой работу, совершаемую насосом в ед. времени. Мощность определяют следующим образом:

Насос перекачивает υ Q, кг/cжидкости и поднимает ее на высоту, соответствующую напору Н. Следовательно, υQHпредставляет собой секундную работу или мощность. В данном случае затрачиваемая мощность расходуется только на полезную работу, связанную с перекачиванием жидкости, поэтому она называется эффективной мощностью:

N_э= υQH

По системе СИ мощность определяют в Вт или кВт.

В действительности мощность, потребляемая насосом , больше эффективной , так как во время работы часть мощности теряется.

Эффективность работы насоса оценивается полным КПД от 𝔶насоса , который равен отношению эффективной (полезной) мощностиN_энасоса к потребляемой им мощности двигателяN:

𝔶 = N_э/N

Потребляемая мощность NкВт, может быть посчитана по формуле:

N=Mn/975

Полный КПД насоса 𝔶определяют из выражения

𝔶 = 𝔶_Г𝔶_М𝔶₀

Величина полного КПД центробежных насосов зависит от их конструкции и изменяется в пределах 0,6 – 0,9 .

Высота всасывания и явление кавитации. Необходимо различать вакуумметрическую высоту всасывания Н_вак, характеризующую степень разряжения, возникающего у входа в насос, и геометрическую высоту всасывания Н_вс, которое определяет высоту установки оси насоса над уровнем жидкости.

Вакуумметрическая всасывания зависит от атмосферного давления, температуры и удельного веса перекачиваемой жидкости, величины потерь напора во всасывающей линии насоса, конструктивных особенностей и др. обычно допускаемая Н_вакуказано в каталогах насосов.

Связь между вакуумметрической и геометрической высотами всасывания может быть установлена из уравнения Бернулли, составленного для сечений I–IиII–IIотносительно плоскости сравненияI–I.

Считая, что давление по поверхности жидкости равно атмосферному, а скорость течения в водоеме равна 0, получим:

р_ат/υ= Н_вс+ р_вс/υ+U²_вс/(2g) +h_вс

Так как p_ат–p_вс=p_вакиp_вак/υ=H_вак, формулу можно записать таким образом :

Н_вс= (p_ат–p_вс)/υ-U²_вс/(2g) -h_вс

Н_вс=H_вак-U²_вс/(2g) -h_вс

Из формулы следует, что геометрическая высота всасывания меньше вакуумметрической на величину скоростного напора и потерь напора во всасывающем трубопроводе. С увеличением подачи насоса мах. допустимая высота всасывания уменьшается. Определяя высоту всасывания , необходимо иметь в виду, что при понижении давления p_всво всасывающем трубопроводе может происходить парообразование и нормальная работа насоса будет нарушена. Поэтому мин. давление в насосе должно быть выше давления парообразования жидкости при чем давление паров воды сильно увеличивается с повышением ее температуры.

Чем выше температура воды, тем меньше высота всасывания, и практически при t>70⁰Cзабор воды становится невозможен. Обычно геометрическая высота всасывания для центробежных насосов составляет не более 5 – 7м и лишь для некоторых типов насосов она доходит до 7,5 – 8 м.

Кавитация в насосе возникает из-за чрезмерного падения давления во всасывающей части насоса. Понижение давления происходит по ряду причин, основными из которых являются:

Чрезмерная высота всасывания

Высокая tперекачиваемой жидкости.

Низкое атмосферное давление.

Явление кавитации заключается в том, что выделяющиеся из жидкости пузырьки пара увлекаются потоком и, попадая в область повышенного давления, мгновенно конденсируются, в результате чего происходит местное повышение давлении. Кавитация сопровождается характерным шумом и треском, понижением напора и КПД насоса, иногда наблюдается вибрация насоса. Особенно быстро при этом разрушается чугун, более стойкими металлами являются бронза и нержавеющая сталь. Поэтому кавитация при работе насосов недопустимо, а высота всасывания должна быть такой при которой возникновение кавитации не возможна.