2. Перемещение жидкостей. Насосы

1. Общие сведения

Рисунок 3.1 – Схема насосной установки: 1 – заборная емкость; 2 – всасывающий трубопровод; 3 – насос; 4 –нагнетательный (напорный) трубопровод; 5 – запорно-регулирующая арматура; 6 – расходомер; 7 – приемная емкость; 8 – привод; 9 – обратный клапан; 10 – сетка (фильтр); 11 – манометр

Перемещение жидкостей по трубопроводам и аппаратам осуществляется с помощью гидравлических машин (насосов), преобразующих механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости.

Типовая схема насосной установки представлена на рис. 3.1.

Насос является основным элементом насосной установки, состоящей из всасывающей линии, насоса, нагнетательной линии и привода. Забор жидкости во всасывающий трубопровод производится через сетку и всасывающий обратный клапан. Подача жидкости осуществляется по нагнетательному трубопроводу в напорную (приемную) емкость. На нагнетательном трубопроводе устанавливается запорно-регулирующая арматура и расходомер.

В зависимости от способа передачи энергии жидкостям насосы подразделяются на объемные, лопастные, струйные и разнотипные пневматические.

В объемных насосахэнергия передается путем периодического изменения объема рабочих камер. По конструкции они бывают поршневые, роторно-пластинчатые и роторно-зубчатые.

В лопастных насосахкинетическая энергия сообщается жидкости с помощью вращающихся лопастей. Преобразование энергии двигателя в них происходит в процессе обтекания жидкостью лопастей рабочего колеса и их силового воздействия на поток. При этом создается непрерывное перемещение жидкости от центра колеса к его периферии (центробежные насосы) либо в осевом направлении (осевые насосы). К этому типу насосов относят также вихревые насосы.

В струйных насосахдля передачи энергии используется кинетическая энергия струи пара или жидкости, которая преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости.

В пневматических насосахэнергия жидкости сообщается сжатым газом (чаще всего воздухом). К пневматическим насосам относятся воздушные подъемники, сифоны, монтежю.

2. Основные характеристики насосов

Рабочими параметрами насосов являются производительность (подача), создаваемый напор и затрачиваемая мощность.

ПроизводительностьVопределяется количеством жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени. Обычно ее выражают в единицах измерения объемного расхода (м³/с). Определение производительности насосов осуществляется либо по их конструктивным характеристикам, либо исходя из опытных данных.

В процессе эксплуатации производительность насоса можно регулировать изменяя число оборотов привода либо его передаточное число, путем перепуска части жидкости из нагнетательной линии обратно во всасывающую, изменяя положение задвижки на нагнетательном трубопроводе. Если заданная производительность не может быть обеспечена работой одного насоса, к нагнетательной линии подключается несколько насосов.

Напор Нявляется мерой удельной энергии, сообщаемой жидкости насосом, т.е. показывает, на какую величину возрастает удельная энергия жидкости при прохождении ее через насос.

При перекачивании жидкости с глубины h₁на высотуh₂полная геометрическая высота подачиН_г =h₁ +h₂.Подъем жидкости на эту высоту связан с гидравлическими потерями на всасывающейи нагнетательнойлиниях трубопровода. Сумманосит название манометрической высоты подачи и находится суммированием показаний вакуумметра и манометра, подсоединенных непосредственно перед входом жидкости в полость насоса и на выходе из него:

,

где – показания манометра, Па;– показания вакуумметра, Па.

Напоры жидкости на входе и на выходе из насоса можно рассчитать, воспользовавшись уравнениями Бернулли, составленными для всасывающей и нагнетательной линий насосной установки (рис. 3.1).

Для всасывающей линии

, (3.1)

отсюда напор жидкости на входе в насос

(3.2)

Для нагнетательной линии

, (3.3)

напор жидкости на выходе из насоса

. (3.4)

В последних уравнениях: w_всиw_н – скорости движения жидкости во всасывающем и напорном трубопроводе соответственно;w₁иw₂ – скорости движения жидкости на входе и выходе из насоса;p_всиp_н– давление жидкости на входе и выходе из насоса.

Напор Н, развиваемый насосом, равный разности напоров жидкости на входе в насос и выходе из него:

(3.5)

Так как ,то

. (3.6)

Если диаметры всасывающего и нагнетательного трубопровода одинаковы, то w_н w_вси уравнение (3.6) принимает вид:

. (3.7)

Напор, создаваемый насосом, может быть определен также по показаниям вакуумметра и манометра, установленных на всасывающей и нагнетательной линиях:

(3.8)

где h– расстояние между манометром и вакуумметром.

Обычно уравнение (3.8) используют для расчетов напора при проектировании насосов, а уравнение (3.7) – при выборе насоса по каталогу.

При включении насоса в технологическую схему необходимо учитывать, что высота всасывания его ограничена и определяется равенством:

, (3.9)

что следует из уравнения (3.1).

Таким образом, высота всасывания насоса увеличивается с повышением давления в заборной емкости p₁ и уменьшается с увеличением давления на входе в насосp_вс, скорости жидкости во всасывающем трубопроводеw_вси потерь напора на линии всасывания.

Давление жидкости на входе в насос p_всдолжно быть больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при рабочей температуре, так как в противном случае жидкость в насосе начинает кипеть. При этом в результате интенсивного выделения образующихся и растворенных в жидкости газов возможно нарушение сплошности потока и падение высоты всасывания.

При увеличении температуры перекачиваемой жидкости высота всасывания насоса уменьшается и при температуре, близкой к температуре кипения, может упасть до нуля. Поэтому при перекачивании горячих жидкостей насос устанавливают ниже уровня заборной емкости.

Практически высота всасывания насосов при перекачивании воды не превышает следующих значений:

t, °C	10	20	30	40	50	60	65
hвс	6	5	4	3	2	1	0

Высота всасывания из открытых емкостей не может быть больше высоты столба жидкости, соответствующему атмосферному давлению. Так, при перекачивании воды из открытых водоемов высота всасывания насоса не может быть больше 10 м при атмосферном давлении, равном 10⁵Па.

В некоторых типах насосов можно производить регулирование напора путем изменения числа оборотов привода либо последовательным включением в напорную линию нескольких насосов.

Измеряется напор в мстолба перекачиваемой жидкости, поэтому он не зависит от ее плотности.

Мощность,затрачиваемая на сообщение жидкости энергии (полезная мощность N_п),определяется удельной энергиейН и количеством перекачиваемой жидкости:

(3.10)

Мощность на валу насоса (действительная мощность) N_дпревышаетN_пвследствие потерь энергии по разным причинам (гидравлические потери внутри насоса, утечки жидкости из-за инертности клапанов и неплотностей клапанов и неплотностей в системе, трение в подшипниках, сальниках и т.д.). Эти потери выражаются коэффициентом полезного действия насосаη_н , характеризующего совершенство конструкции и экономичность эксплуатации.

С учетом отдельных причин увеличения реальной мощности по сравнению с полезной мощностью величина η_нвыражается произведением

, (3.11)

где η_о– коэффициент подачи или объемный коэффициент представляет собой отношение действительной производительности насосаVк теоретическойV_т;η_г – гидравлический к.п.д. – отношение действительного напора к теоретическому;η_мех– механический к.п.д. – характеризует потери мощности на механическое трение в насосе.

Примерные значения η_ндля различных типов насосов лежат в пределах:

объемные насосы η_н= 0,65÷0,85;

лопастные насосы

малой и средней подачи η_н= 0,4÷0,7;

большой подачи η_н= 0,7÷0,9;

осевые насосы η_н = 0,7÷0,9.

При выборе двигателя к насосу необходимо еще учесть потери мощности в самом двигателе и в передаче энергии от двигателя к насосу. Эти потери учитываются к.п.д. двигателяη_дви к.п.д. передачиη_пер .

Коэффициент полезного действия двигателя зависит от его номинальной мощности:

Nдв, кВт	0,4–1	1–3	3–10	10–30	30–100	100–200	200
	0,7–0,78	0,78–0,83	0,83–0,87	0,87–0,9	0,9–0,92	0,92–0,94	0,94

Коэффициент полезного действия передачи зависит от способа передачи энергии. Если вал двигателя непосредственно связан с валом насоса, то η_пер≈ 1, при зубчатой передачеη_пер= 0,93÷0,98.

Таким образом, полный к.п.д. насосной установки

. (3.12)

С учетом перегрузок во время пуска насоса установочная мощность двигателя N_устрассчитывается с запасом:

, (3.13)

где β– коэффициент запаса мощности, определяемый по номинальной мощности двигателяN_дв :

Nдв, кВт	1	1–5	5–50	50
	21,5	1,51,2	1,21,15	1,1