Компрессоры и насосы: понятие, классификация, область применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский

Томский политехнический университет"

Институт электронного обучения

Электроэнергетика и Электротехника

Индивидуальное домашнее задание

Компрессоры и насосы: понятие, классификация, область применения

Исполнитель:

студент группы З-5Г2А1

Герасимов Артем Владимирович

Руководитель:

преподаватель Сапожников А.И.

Томск - 2014



Содержание

Введение

1. Компрессоры

1.1 Общие сведения

1.2 Поршневые компрессоры

1.3 Поршневые вакуум-насосы

1.4 Ротационные компрессоры

1.5 Турбокомпрессоры

1.6 Компоновка сооружений компрессорных станций

1.7 Определение местоположения компрессорной станции

2. Насосы

2.1 Общие сведения

2.2 Классификация насосов

2.2.1 Типы насосов

2.3 Устройство и принцип действия поршневых насосов

2.4 Насос простого действия

2.5 Дифференциальный насос

2.6 Насос двойного действия

2.7 Диафрагменные насосы

2.8 Устройство и классификация центробежных насосов

2.9 Пропеллерные (осевые) насосы

2.10 Вихревые насосы

2.11 Насосные станции

2.11.1 Классификация насосных станций

2.12 Достоинства и недостатки насосов различных типов

Заключение

Список литературы



Введение

Силовые общепромышленные установки - это установки, которые имеются практически на каждом промышленном предприятии независимо от специфики и характера технологического процесса. К общепромышленным установкам относят компрессорные, насосные, вентиляционные, воздуходувные установки и подъемно-транспортные устройства. Расход электроэнергии силовыми общепромышленными установками составляет 45-60% общезаводского электропотребления, а именно (для крупного машиностроительного завода): 20-25% электроэнергии потребляют компрессорные для выработки сжатого воздуха; 15-20% - вентиляционные установки; 5-6% - насосные водозабора и перекачки воды; 7-8 % - подъемно-транспортные устройства.

В силовых установках применяют асинхронные и синхронные двигатели трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и напряжением от 127 В до 10 кВ, а при необходимости регулирования производительности установок - двигатели постоянного тока. Мощность таких силовых установок в общем случае изменяется в широком диапазоне от долей единицы, единиц (например, электродвигатели задвижек, затворов, подачи масла) до десятков (30-60) мегаватт (кислородные турбокомпрессоры и воздуходувки доменных печей). Характер нагрузки, как правило, ровный, особенно для мощных компрессорных, насосных и вентиляционных установок, а толчки нагрузки имеют место только при пусках двигателей. Двигатели основных механизмов (компрессоры, вентиляторы, насосы) имеют продолжительный режим, а двигатели вспомогательных устройств (например, задвижки, затворы, дозаторы) - повторно-кратковременный или кратковременный режим работы. Коэффициент мощности таких приемников электроэнергии достаточно стабилен (0,8-0,9). Для электропривода крупных насосов, компрессоров и вентиляторов чаще всего применяют синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения (с опережающим коэффициентом мощности). Расположение электрооборудования силовых установок стабильно. Требуемая степень бесперебойного электроснабжения приемников электроэнергии силовых установок зависит от назначения и мощности установки, характера и требований технологического процесса конкретного производства.

Насосами называются машины, служащие для перекачки и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкостей с твердыми и коллоидными веществами и газов. Следует заметить, что машины для перекачки и создания напора газов (газообразных жидкостей) выделены в отдельные группы и получили название вентиляторов и компрессоров.



1. Компрессоры

1.1 Общие сведения

Машины, предназначены для повышения давления и перемещения различных газов, называются компрессорами. Повышение давления газа в компрессорах происходит при увеличении или преобразование энергии газа.

Классифицировать компрессоры можно по принципу действия, по конструктивной схеме. по отношению давлений, по области применения.

Область преимущественного применения машин объемного действия характеризуется средними и высокими отношениями давлений и сравнительно малыми расходами рабочего тела.

Турбокомпрессоры применяют при существенно больших расходах газов и меньших отношениях давлений.

Под принципом действия понимается совокупность физических явлений, которые используется для повышения давления газа и способы подвода энергии к газу

Повышением давления можно достичь уменьшением объема замкнутого пространства, в котором находится сжимаемый газ, за счет перемещения стенок (например, поршня в цилиндре). Поскольку в этом случае газ при сжатии неподвижен, указанный способ условно называется статистическим. Этот способ является основным принципом работы объемных компрессоров. Характерная особенность этих машин - периодичность рабочего процесса. К объемным компрессорам относятся винтовые, поршневые, пластинчатые, ротационные машины.

Второй способ повышения давления газа заключается в использовании сил инерции в потоке. Например, при замедлении потока газа происходит переход кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления. Этот способ назван динамическим. Повышение давления динамическим способом является основным принципом работы турбокомпрессоров. Характерная особенность этих машин - непрерывный поток газа и непрерывность процесса сжатия.

По конструктивной схеме компрессоры динамического действия могут быть разделены на турбокомпрессоры (осевые, радиальные, диагональные, вихревые) и струйные компрессоры.

На промышленных компрессорах станциях, в зависимости от необходимого давления и расхода, наиболее часто устанавливаются поршневые компрессоры и центробежные турбокомпрессоры.

Классификация компрессоров

У каждого из типов компрессорных машин имеются свои преимущества и недостатки, которые должны быть учтены при выборе установки в каждом конкретном случае.

Центробежные машины имеют ряд существенных преимуществ перед поршневыми. У центробежных машин отсутствуют быстро изнашивающиеся части - поршни, клапаны и т.д. Они не требуют внутренней смазки и поэтому не загрязняют сжатый воздух или газ, что очень важно в пищевых производствах. Благодаря большой частоте вращения роторов центробежных компрессоров их можно непосредственно соединять с электродвигателями или паровыми турбинами.

Установки с трубокомпрессорами более компактны - они имеют меньший вес, занимают меньшую производственную площадь. Так как воздух или газ проходит равномерно через компрессор в одном направлении, отпадает необходимость установки рессиверов между отдельными ступенями. При работе турбокомпрессоров не возникают инерционные усилия, а поэтому их фундаменты легче, чем фундаменты поршневых компрессоров.

Существенным недостатком турбокомпрессоров является их меньший КПД и невозможность получения высоких давлений при относительно малых подачах.

1.2 Поршневые компрессоры

Принцип действия поршневого компрессора такой же, как и поршневого насоса. Отличием является только то, что поршень насоса выталкивает жидкость в течение всего нагнетательного хода, а компрессор выталкивает воздух или газ лишь после того, как давление в цилиндре компрессора превысит давление в нагнетательной линии.

В зависимости от способа действия поршневые компрессоры бывают простого и двойного действия. По расположению цилиндров подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с наклонными цилиндрами; по числу ступеней сжатия подразделяются на одно-, двух- и многоступенчатые, а по способу охлаждения - с воздушным и водяным охлаждением.

По своему назначению различают компрессоры воздушные, кислородные, аммиачные, углекислотные и др. В пищевых предприятиях применяются стационарные и передвижные компрессоры.

Основные элементы компрессорной установки.

Обычная компрессорная установка производственного назначения должна обладать также некоторым вспомогательным оборудованием, необходимым для нормальной работы компрессора (рис. 1.).



Рис. 1. Схема установки воздушного поршневого компрессора.

Непосредственно за воздушным компрессором обычно устанавливают газосборник. Его назначение - выравнивать неравномерную синусоидальную подачу воздуха поршнем компрессора. Газосборник должен быть оборудован приспособлениями для улавливания масла и отделения сконденсировавшейся влаги. Газосборник - это закрытый резервуар 5, чаще всего цилиндрический, оборудованный предохранительным клапаном 4 и спускным краном 6, а также манометром 3. При нагревании смазки, подаваемой в цилиндр компрессора, наиболее летучие фракции ее испаряются и поступают с воздухом в газосборник, в результате чего может образовываться взрывчатая смесь, которая представляет особую опасность при недостаточном охлаждении компрессора.

Между компрессором и газосборником устанавливают обратный клапан 2 для предотвращения обратного течения газа в случае разрыва труб у компрессора. Перед воздушным поршневым компрессором обязательно устанавливают фильтр / (обычно масляного типа) для очистки всасываемого снаружи воздуха. Попадание в компрессор запыленного загрязненного воздуха приводит к быстрому загоранию и износу цилиндра.

Установки поршневых компрессоров отличаются многообразием схем выполнения и компоновки.

В значительной степени это обусловлено:

а) подачи, которая колеблется в пределах от 1-2 л/мин до 500 м³/мин;

б) давлений, изменяются в пределах от сотых долей МПа до 150 МПа;

в) расхода мощности, которая зависит от подачи и давления и меняется от десятых долей киловатт до 7000 кВт и более.

1.3 Поршневые вакуум-насосы

Насосы, всасывающие газ или воздух при давлении ниже атмосферного и выталкивающие их в атмосферу, называются вакуум-насосами.

В пищевой промышленности вакуум-насосы применяются, главным образом, для отсасывания не сконденсировавшихся паров и газов в выпарных станциях, варочных станциях заводов и фабрик, оборудованных вакуум-аппаратами, а также для создания вакуума в секциях вакуум-фильтров. Чаще применяются вакуум-насосы низкого вакуума, которые создают у своего всасывающего патрубка вакуум до 93,3-96 кПа, т.е. до 92-95% от атмосферного давления (абсолютный вакуум 101,3 кПа).

По принципу действия вакуум-насосы являются компрессорами, всасывающими газ при пониженном давлении, сжимающими, а затем и нагнетающими его. Хотя практически давление нагнетания не намного превышает атмосферное, степень сжатия р2/р1 в вакуум-насосах оказывается значительно большей, нежели в обычных компрессорах.

1.4 Ротационные компрессоры

Ротационные компрессоры работают по тому же принципу, что и поршневые машины, т.е. по принципу вытеснения. Основная часть энергии, передаваемой газу, сообщается при непосредственном сжатии.

Сущность действия ротационного компрессора (рис. 2.) заключается в том, что, независимо от его конструктивных особенностей, всасывание газа или воздуха производится той полостью компрессора, объем которой увеличивается при вращении ротора. Засосанный газ попадает в замкнутую камеру, объем которой, перемещаясь при вращении ротора, уменьшается. Сжатие за счет уменьшения объема приводит к увеличению давления и выталкиванию газа в нагнетательный патрубок.

Ротационные нагнетатели, развивающие избыточное давление до 0,28-0,3 МПа (при атмосферном давлении на входе), называются воздуходувками, а создающие более высокое давление - компрессорами. Ротационные компрессоры и воздуходувки имеют ряд преимуществ перед поршневыми: уравновешенный ход из-за отсутствия возвратно-поступательного движения; возможность непосредственного соединения с электродвигателем; равномерная подача газа; меньший вес конструкции, отсутствие клапанов и т.д. Вместе с тем, по сравнению с поршневыми, ротационные компрессоры имеют более низкий механический КПД, развивают более низкое давление.

Рис. 2. Ротационный пластинчатый компрессор.

1.5 Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры - это центробежные компрессорные машины, работающие по такой же схеме, как центробежные насосы. Применяют их преимущественно при подаче относительно больших количеств газа или воздуха под небольшим давлением (0,15-1,0 МПа).

Ввиду того, что плотность воздуха значительно меньше плотности капельных жидкостей, степень сжатия p2/p1 в одной ступени турбокомпрессора не превышает значений 1,2-1,3 при обычно применяемых окружных скоростях на ободе рабочих колес 2= 150-200 м/с.

Для получения более высоких степеней сжатия 1,6-1,8 необходимо довести окружную скорость до 400 м/с, что связано с применением стали высокого качества для изготовления рабочих колес. Часто для увеличения степени сжатия воздуха применяют многоступенчатые машины с сохранением обычных окружных скоростей.

1.6 Компоновка сооружений компрессорных станций

Компоновка компрессорной станции - это размещение ее сооружений на отведенный площадке; расположение производственных бытовых и вспомогательных помещений в главном здании станции и размещение основного и вспомогательного оборудования в указанных помещениях.

К сооружениям компрессорной станции относятся: главное здание, трансформаторные подстанции, насосные станции и воздухо-охлаждающие устройства, воздухосборники, воздухозаборные устройства и т.д.

За основу при выполнение компоновки принимают: технологическую схему получения сжатого воздуха; габариты и конструкции используемых компрессоров и вспомогательного оборудования, а также тип используемых на станции грузоподъемных устройств.

Процесс выполнения компоновки проводят по стадиям:

Определение размеров площадей и объемов помещений, необходимых для размещения в них оборудования.

Выбор варианта компоновки основных сооружений на отведенной площадке.

Выбор варианта размещения помещений в главном здании.

Определение состава сооружений компрессорных станций.

Компоновка компрессоров и обеспечивающих их работу устройств в машинном зале главного здания.

Компоновка оборудования во вспомогательных и бытовых помещениях.

При выполнении компоновки необходимо:

1. Соблюдать требование техники безопасности и охраны труда, санитарных и строительных норм, обеспечивающих надежность, безопасность и удобство обслуживания оборудования.

2. Создавать компактность размещения помещений в здании станции и оборудования в них, приводящее к сокращению необходимых площадей и объемов здания, снижению протяжности коммуникаций, т.е. к снижению стоимости строительства компрессорной станции.

3. Размещать взрыво-и пожароопасное оборудование и материалы в отдельных помещениях, отвечающих специальным нормам.

4. Предусмотреть возможность расширения и увеличения производительности компрессорной станции без нарушения условий эксплуатации установленного оборудования.

Как правило, компрессорная станция размещается в отдельном здании. Расположение компрессорной станции в общем здании с производственными цехами (сблокированная компоновка) не рекомендуется из-за сложности решения проблем естественного освещения, как в помещениях компрессорной станции, так и в производственных цехах. Она допускается только в том случае, если здание одноэтажное, и в нем, возможно, такое расположение машинного зала, при котором он будет иметь две стены. Одна из них используется для размещение окон, вторая - как торец расширения.

1.7 Определение местоположения компрессорной станции

Проектирование воздухоснабжения промышленного предприятия нужно выполнять на основе централизованного источника сжатого воздуха - компрессорной станции.

Наличие двух и более компрессорных станций оправдывается только для заводов с очень большим потреблением сжатого воздуха, свыше 1500-2000 м³/мин., а так же необходимость иметь рассредоточенные источники воздухоснабжения.

Центральная компрессорная станция должна размещаться в ближайшем соседстве от наиболее крупного потребителя сжатого воздуха и в центре нагрузок по отношению ко всем остальным потребителям. Это условие позволяет обеспечить минимальность гидравлических потерь в воздухопроводах.

В общем случае центр нагрузок или месторасположение компрессорной станции на рассматриваемом предприятии определяется подобно центру тяжести системы материальных точек.

Однако расположение станции может быть и с определенным смещением в связи с учетом планирования предприятия и его технологии.

Располагать компрессорную станцию надо так, чтобы всасывающие устройства выходили на север (теневую сторону).



2. Насосы

2.1 Общие сведения

Насосы представляют собой гидравлические машины, предназначенные для перекачивания жидкостей. Преобразуя механическую энергию приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости, насосы поднимают жидкость на определенную высоту, перемещают ее на необходимое расстояние в горизонтальной плоскости или заставляют циркулировать в какой-либо замкнутой системе.

Выполняя одну или несколько упомянутых функций, насосы в любом случае входят в состав оборудования насосной станции. Для привода насоса используется электродвигатель, подключенный к электрической сети. Вода для другая рабочая жидкость всасывается насосом из нижнего бассейна и перекачивается по напорному трубопроводу в верхний бассейн за счет преобразования энергии двигателя в энергию жидкости. Энергия жидкости после насоса всегда больше, чем энергия перед насосом.

Основными, параметрами насосов, определяющими диапазон изменения режимов работы насосной станции, состав ее оборудования и конструктивные особенности, являются напор, подача, мощность и коэффициент полезного действия.

Напор представляет собой разность удельных энергий жидкости в сечениях после и до насоса, выраженную в метрах. Напор, создаваемый насосом, определяет предельную высоту подъема или дальность перекачки, жидкости.

Подача, т.е. объем жидкости, подаваемой насосом в напорный трубопровод в единицу времени, измеряется обычно в л/с или м³/ч.

Мощность, затрачиваемая насосом, необходима для создания нужного капора и преодоления всех видов потерь, неизбежных при преобразовании подводимой к насосу механической энергии в энергию движения жидкости по всасывающему и напорному трубопроводам. Измеряемая в кВт мощность насоса определяет мощность приводного двигателя и суммарную (установленную) мощность насосной станции.

Коэффициент полезного действия учитывает все виды потерь, связанных с преобразованием механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости. КПД определяет экономическую целесообразность эксплуатации насоса при изменении остальных его рабочих параметров (напора, подачи, мощности).

История возникновения и развития насосов показывает, что первоначально они предназначались исключительно для подъема воды. Однако в настоящее время область их применения настолько широка и многообразна, что определение насоса как машины для перекачки воды было бы односторонним. Помимо водоснабжения и канализации городов, промышленных предприятий и электростанций насосы применяются для орошения и осушения земель, гидроаккумулирования энергии, 'транспортирования материалов. Существуют питательные насосы котельных установок тепловых электростанций, судовые насосы, специальные насосы для нефтяной, химической, бумажной, пищевой и других отраслей промышленности. Насосы используются при производстве строительных работ (намыв земляных сооружений, водопонижение, откачка 'воды, из котлованов, подача бетона и строительных растворов к сооружениям и т.п.), при разработке месторождений и транспортировании полезных ископаемых гидравлическим способом, при гидроудалении "отходов производственных предприятий. В качестве вспомогательных устройств насосы служат для обеспечения смазки и охлаждения машин.

Таким образом, насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин, причем их конструктивное разнообразие чрезвычайно велико. Поэтому классификация насосов по их назначению весьма затруднительна. Более логичной представляется классификация, основанная на различиях в принципе действия. С этой точки зрения все существующие в настоящее время насосы могут быть разделены на следующие основные группы: лопастные насосы, объемные насосы и струйные насосы. Особую группу составляют водоподъемники некоторых специальных типов.

Лопастные насосы преобразуют энергию за счет динамического взаимодействия потока перекачиваемой жидкости и лопастей вращающегося колеса, которое и является основным рабочим органом насоса.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения, который заключается в создании гидравлической системы, имеющей изменяющийся объем. Если этот объем заполнить перекачиваемой жидкостью, а затем его уменьшать, то жидкость будет вытесняться в напорный трубопровод.

Струйные насосы работают по принципу смешения потока перекачиваемой жидкости со струей жидкости, пара или газа, обладающей "большим запасом кинетической энергии.

Необходимо отметить, что, несмотря на большие различия в принципе действия, конструкции насосов всех типов, включая насосы, применяемые в системах водоснабжения и канализации, должны удовлетворять требованиям, к числу которых в первую очередь относятся:

надежность и долговечность работы;

экономичность и удобство эксплуатации;

изменение рабочих параметров в широких пределах при условии сохранения высокого КПД;

минимальные габариты и вес;

простота устройства, заключающаяся в минимальном числе деталей и полной их взаимозаменяемости;

удобство монтажа и демонтажа.

Выбор типа насоса в каждом конкретном случае производится с учетом его эксплуатационных и конструктивных качеств, наиболее полно удовлетворяющих технологическому назначению рассматриваемой насосной станции.

Насосы, применяемые в различных производственных установках, должны выполнять одну, две или все три перечисленные функции. Насосная установка состоит из собственно насоса 3; резервуара 5, из которого насос всасывает жидкость при помощи всасывающего трубопровода 4; напорного резервуара 2, в который подается жидкость с помощью нагнетательного трубопровода 1.

Рис. 2

компрессор насос общепромышленный

Расходом или подачей насоса Q называют объемное количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени в нагнетательный трубопровод. Следовательно, под расходом понимают то количество жидкости, которое получает потребитель. В действительности, через рабочие органы насоса, его проточную часть проходит большее количество жидкости Q0, которое учитывает объемные потери жидкости, например, через сальниковое или другое уплотнения.

Манометрическим называют напор, создаваемый насосом для преодоления геометрической высоты всасывания Z1 и высоты нагнетания Z2, для преодоления разности давлений на концах трубопровода р2-p1, т.е. разности между внешним давлением над поверхностью жидкости в нагнетательном резервуаре р2 и внешним давлением на поверхности жидкости во всасывающем резервуаре р1. Кроме того, манометрический напор затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов насосной установки на всасывающей линии h'w и нагнетательной линии h''w.

Поэтому манометрический напор, создаваемый насосом, можно выразить так:

Одним из основных параметров работы насоса является расход мощности N, т.е. количество затрачиваемой насосом энергии для подъема, перемещения и нагнетания жидкости в единицу времени.

Различают теоретическую мощность NT, т.е. такую, которую необходимо было бы затратить для подачи жидкости, преодолевая необходимый манометрический напор при полном отсутствии потерь энергии в самом насосе.

Очевидно, теоретическая мощность (кВт) определяется величиной

В действительности, полная мощность, затрачиваемая двигателем, т.е. мощность на валу насоса или эффективная мощность N больше теоретической N> NT. Поэтому отношение NT/N всегда меньше единицы. Это отношение показывает, какая часть из всей использованной насосом энергии затрачивается полезно.

Вследствие этого указанное отношение принято называть общим коэффициентом полезного действия насоса и обозначать



откуда следует, что

.

2.2 Классификация насосов

Все насосы подразделяются на 2 группы: динамические и объемные.

1) динамические подразделяются на лопастные насосы и насосы трения.

Лопастные насосы объединяют в свою очередь две группы насосов: центробежные и осевые.

Насосы трения и инерции - это группа динамических насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется силами трения и инерции. в эту группу входят шнековые, вихревые, лабиринтные, червячные и струйные насосы.

Объемные насосы объединяют в свою группу: поршневые, плунжерные, диафрагменные, роторные, шестеренные, винтовые и другие типы насосов.

Насосы каждой из перечисленных групп отличаются друг от друга конструктивными решениями отдельных деталей и узлов. в зависимости от этого их классифицируют также и по конструктивным признакам. например, центробежный насос консольного типа или консольный насос.

Кроме того, насосы подразделяются и по эксплуатационным признакам (например, скважинные насосы, дозировочные насосы и т.п.).

В системах водоснабжения мы имеем дело с насосными агрегатами: насос и двигатель, соединенные между собой.

Насосная установка - это насосный агрегат с комплектом оборудования, смонтированного по определенной схеме.



2.2.1 Типы насосов

По числу комплектов рабочих органов (рабочих колес, направляющих аппаратов и т.п.) различают одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые насосы.

Одноступенчатые насосы с осевым входом, как правило, бывают консольного типа согласно гост 8337-87 насосы такого типа имеют входные патрубки от 37 до 200 мм и рассчитаны на подачу от 5до 360 м³/ч.

Промышленность выпускает центробежные консольные насосы двух типов: типа "к" - с горизонтальным валом и отдельной стойкой и типа "к"м - с горизонтальным валом, моноблочные.

В обозначении насоса кроме букв входят две группы цифр: первая группа цифр обозначает диаметр входного патрубка в мм, уменьшенный в 25 раз, а цифры после буквы - коэффициент быстроходности, уменьшенный в 10 раз и округленный до целого числа.

Например, насос 4к-6 имеет входной патрубок d=100мм и коэффициент быстроходности 60.

Насос 3км-9 является моноблочным консольным насосом с входным патрубком d=75мм и коэффициентом быстроходности 87.

Промышленностью выпускаются насосы 4к-8, 11/2к-6, 2к-6 и 3к-9, 4к-25.

В установках с большой подачей воды широкое распространение получили одноступенчатые насосы с двусторонним подводом жидкости к рабочему колесу типа д и нд.

Согласно гост 10272-87 подача насосов этого типа находится в пределах 120-12000 м³/ч, а напоры, развиваемые ими, составляют 10…140м вод.ст.

Например, насос 10д-9 имеет входной патрубок диаметром d=250мм и коэффициент быстроходности "90.

Насосы одноступенчатые вертикальные применяются для установки в заглубленных насосных станциях, если необходимо сократить их площадь.

Согласно гост вертикальные насосы должны изготовляться с подачей от 1 до 18 м³/с и напором от 18 до105 мм вод.ст.

В настоящее время изготовляются насосы следующих типоразмеров: 28в-12; 32в-12; 36в-12; 40в-16; 52в-11; 52в-17 и 72в-22 с подачей до12 м³/с. "в"- нерегулируемые; "вр"- регулируемые.

Многоступенчатые горизонтальные насосы развивают большие напоры при относительно небольших подачах.

ГОСТ регламентирует параметры двух типов многоступенчатых насосов: секционных - мс с подачей от 10 до 1300 м³/ч нормальных от 20 до 650 м вод.ст. и высоконапорных и спиральных двухступенчатых и многоступенчатых типа м.

Осевые насосы согласно гост изготовляют осевые вертикальные насосы двух типов:

тип о - с жестко закрепленными лопастями колеса и тип оп - с поворотными лопастями колеса ("о" - регулируемые и "оп"- нерегулируемые)

Насосы рассчитаны на подачу больших расходов жидкости (до 140000 м³/ч) при относительно небольших напорах (4-20 м вод.ст.).

Осевые насосы просты и компактны, их можно использовать для подачи загрязненных жидкостей.

Центробежно-вихревые насосы типа цв изготавливают с подачей от 14 до 36 м³/ч и напором до 280 м ст. жидкости. насосы имеют осевой подвод жидкости.

Насосы типа цв применяют главным образом в качестве питательных насосов для котлов малой мощности.

Основными деталями лабиринтных насосов являются - шнек (ротор) и обойма корпуса.

Лабиринтные насосы находят применение преимущественно в химической промышленности, иногда применяют для подачи реагентов в системах водоснабжения.

Струйные насосы - гидроэлеваторы или эжекторы струйные насосы используются для подъема воды из артезианских скважин, для отлива воды при производстве строительных работ.

Например, струйный насос (гидроэлеватор) типа всн-50 обеспечивает подачу 14-17 л/с.

В водоснабжении нашли применение следующие типы насосов:

- плунжерный насос - дозатор типа нд, используется для дозирования коагулянта, известкового молока и других реагентов. промышленность выпускает насосы марок нд 160/10 нд 1000/10 с подачей 160, 400, 630 и 1000 л/с и максимальным давлением 10 атм. для перекачивания осадка (например, из первичных отстойников) применяют плунжерные насосы типа нп (нп-28, нп-50 с подачей 28 и 54 м³/ч при напоре 30 м ст.).

- диафрагменные насосы развивают небольшой напор. применяется для откачки воды при производстве строительных работ. некоторые типы насосов применяют в качестве дозировочных в сооружениях для очистки воды и обработки сточных вод.

- винтовые насосы по принципу действия относятся к роторным насосам. в зависимости от числа рабочих винтов различают одно-, двух-, трех- и многовинтовые насосы.

В системах водоснабжения применяются одновинтовые насосы. например, внм 18-2.

Шестеренные насосы, также как и винтовые, по принципу действия являются объемными, и применяются главным образом для перекачивания масла в гидроприводах машин и системах смазки крупных механизмов.

2.3 Устройство и принцип действия поршневых насосов

Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса. Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).

Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям:

1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные;

2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы);

3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия.

4) по количеству поршней: однопоршневые; двухпоршневые; многопоршневые.

Рис. 3. Насос поршневой простого действия

2.4 Насос простого действия

Схема насоса простого действия изображена на рис. 3. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу 5 поступает в рабочую камеру 7. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9.

Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет

где F - площадь поршня, мІ; l - ход поршня, м; n - число оборотов двигателя, об/мин.

Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.

Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.

Отношение действительной подачи Q к теоретической QT называется объемным КПД поршневого насоса:

Объемный КПД - основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.



2.5 Дифференциальный насос

Рис. 4. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем

Дифференциальный насос. В дифференциальном насосе (рис. 4) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 или малый зазор со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F - f)l; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный fl.

Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный

(F - f)l + fl = Fl

т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.



2.6 Насос двойного действия

Рис. 5. Насос поршневой двойного действия

Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 5), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны.

Теоретическая производительность насоса двойного действия будет

где f - площадь штока, м².

2.7 Диафрагменные насосы

Насосы представляет собой мембрану, поршнем, выполненную из эластичного материала (резины, кожи, ткани, пропитанной лаком, и др.).

Мембрана отделяет рабочую камеру от пространства, в которое жидкость не должна проникнуть.

В диафрагменном насосе, представленном на рисунке 6, а, клапанная коробка с всасывающим 4 и нагнетательным 5 клапанами расположена отдельно, а прогиб диафрагмы 3 осуществляется благодаря возвратно-поступательному движению плунжера 2 в цилиндре насоса 1, заполненном специальной жидкостью. Диафрагменные насосы подобного типа часто применяются для перекачки жидкостей, загрязненных различными примесями (песком, илом, абразивными материалами), а также химически активных жидкостей и строительных растворов.

Рис. 5. Схемы диафрагменного насоса с плунжерным приводом диафрагмы

Диафрагму можно приводить в движение не только с помощью плунжера, но и обычным рычажным механизмом.

2.8 Устройство и классификация центробежных насосов

Центробежные насосы классифицируют по:

1) числу колес (одноколесные многоколесные); кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала - консольные;

2) напору (низкого напора до 2 кгс/см², среднего напора от 2 до 6 кгс/см², высокого напора больше 6 кгс/см²);

3) способу подвода воды к рабочему колесу (с односторонним входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания));

4) расположению вала (горизонтальные, вертикальные);

5) способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса);

6) способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство - направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);

7) степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные);

8) роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др.);

9) способу соединения с двигателем (приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт). Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.

Основными частями центробежного насоса (рис. 6) являются: корпус 6 насоса со всасывающим 1 и нагнетательным 3 патрубками. Внутри корпуса имеется рабочее колесо 4, жестко посаженное на вал 2. В корпусе вокруг рабочего колеса смонтирован направляющий аппарат 5.

Рис. 6. Центробежный насос.

Корпус насоса с патрубками служит для подхода жидкости к рабочему колесу и для отвода жидкости после воздействия на нее рабочего колеса в нагнетательный трубопровод. При вращении рабочее колесо своими лопастями непосредственно воздействует на жидкость, а также создает внутри насоса поле центробежных сил за счет энергии двигателя.



Рис. 7. Рабочее колесо.

Обычно рабочее колесо центробежного насоса (рис. 7) представляет собой два диска: один плоский со втулкой, а второй имеет вид широкого кольца 2. Между дисками смонтированы лопасти 3 рабочего колеса, образующие расширяющиеся каналы. В центральной части колеса имеется втулка 4, при помощи которой оно монтируется на валу, Все перечисленные элементы рабочего колеса изготовляются в виде единой отливки либо при помощи сварки.

Принцип работы центробежного насоса состоит в следующем. При пуске корпус насоса должен быть заполнен капельной жидкостью. При быстром вращении рабочего колеса его лопасти оказывают непосредственное силовое воздействие на частицы жидкости. Кроме того, создается поле центробежных сил в жидкости, находящейся в межлопастном пространстве рабочего колеса. Таким образом, жидкость, подвергаясь силовому воздействию лопастей рабочего колеса, с большой скоростью перемещается от центра к периферии, освобождая межлопастные каналы рабочего колеса. Поэтому в центральной части рабочего колеса давление снижается и под действием внешнего, чаще всего атмосферного давления, жидкость входит во всасывающий патрубок и вновь подводится к центральной части рабочего колеса.

Жидкость, выходящая из каналов рабочего колеса по его выходному диаметру, попадает в межлопастное пространство неподвижного направляющего аппарата. В направляющем аппарате жидкость, имеющая большую скорость, как бы тормозится и ее кинетическая энергия частично преобразуется в потенциальную энергию давления в благоприятных условиях течения через плавно изменяющиеся каналы. Если направляющий аппарат отсутствует, то преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления происходит в спиральном корпусе насоса в условиях менее благоприятных.

Спиральная форма корпуса насоса и эксцентричное расположение в нем рабочего колеса обусловлены следующим. В корпусе насоса по направлению вращения рабочего колеса собирается все больший объем жидкости, выходящей из межлопастных каналов. Вся эта жидкость направляется к нагнетательному патрубку и отводится в нагнетательный трубопровод. Спиральная форма обеспечивает увеличение внутреннего объема корпуса насоса, примерно пропорциональное количеству жидкости, направляющейся к нагнетательному патрубку. Поэтому скорость жидкости, проходящей через корпус насоса, во всех сечениях примерно одинакова.

Очень часто нагнетательный патрубок насоса имеет вид диффузора. В этом случае преобразование кинетической энергии в потенциальную продолжается и при движении жидкости через нагнетательный патрубок. В принципе, при отсутствии специального направляющего аппарата, преобразование кинетической энергии, приобретенной жидкостью в рабочем колесе центробежного насоса, должно происходить именно в этом диффузоре.

2.9 Пропеллерные (осевые) насосы

Как известно, коэффициент быстроходности ns характеризует в некоторой степени геометрические формы лопастного насоса:



Исходя из этого, можно полагать, что основные параметры работы лопастного насоса - подача Q, напора N и частота вращения рабочего колеса n - определяют конструктивные особенности насоса.

С увеличением подачи насоса и частоты вращения рабочего колеса, при уменьшении напора коэффициент быстроходности насоса растет. Вместе с этим изменяется соотношение размеров рабочего колеса - уменьшается отношение выходного диаметра D2 к входному D1, достигая значения D2/D1=1. Лопасти рабочего колеса принимают перпендикулярное направление по отношению к валу насоса (рис. 8). Рабочее колесо 1 приобретает вид пропеллера, и поток жидкости под его воздействием перемещается в осевом направлении, приобретая также вращательное движение.

При выходе из рабочего колеса жидкость попадает в направляющий аппарат 2, где вращательное движение прекращается.

Далее жидкость отводится в напорный трубопровод. Вал насоса 4 свободно проходит через втулку направляющего аппарата 3.

Рис. 8. Пропеллерный насос.

Пропеллерные насосы являются наиболее быстроходными из вращательных лопастных машин (ns=500-1200). Они применяются при относительно больших подачах от Q=0,1 м³/с до Q = 25-30 м³/с и напорах до H = 12-15 м.

Высота их всасывания незначительна до Hвс=2-3 м. Чаще всего они работают погруженными в жидкость, не требуя специальной заливки перед пуском.

Эти насосы, работающие с подпором, в значительной степени ограждены от кавитации. КПД пропеллерных насосов довольно высок и для крупных насосов достигает значений =0,9-0,92. У таких насосов лопасти рабочего колеса делаются поворотными. Это дает возможность регулировать подачу насоса без снижения его КПД.

По сравнению с другими типами пропеллерные насосы имеют следующие преимущества: компактность и конструктивную простоту; малую металлоемкость; возможность применения большой частоты вращения для уменьшения размеров насоса и электродвигателя; малую чувствительность к загрязненным жидкостям; уменьшение строительных работ особенно в условиях погружения насоса в перекачиваемую жидкость.

2.10 Вихревые насосы

В практике часто требуется подача небольшого количества жидкости при относительно большом напоре. Использование центробежных насосов в этих целях приводит к применению тихоходных машин или к использованию многоступенчатых насосов. Добиться высокой экономичности такой насосной установки не удается.

Для создания относительно высоких напоров при малой подаче чистых невязких жидкостей применяют вихревые насосы (рис. 9).

Наиболее распространенным является насос типа В-одноступенчатый с вихревым рабочим колесом, консольно посаженным на вал насоса.



Рис. 9.

Вихревые насосы предназначены для перекачки воды н других невязких жидкостей с подачей Q = l-35 м³/ч при напоре от H=9,5 м до H=90 м с температурой до 90°С без абразивных примесей. Вязкость жидкости не должна превышать 0,36 см²/с, при большей вязкости характеристика насоса значительно изменяется.

2.11 Насосные станции

Водопроводные насосные станции являются наиболее ответственными сооружениями в системах водоснабжения, обеспечивающие подачу необходимого количества воды под требуемым напором.

Насосные станции представляют собой достаточно сложный комплекс механического оборудования и энергетических установок (электродвигателей, силовых трансформаторов, распредустройств), трубопроводов, арматуры, контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации.

2.11.1 Классификация насосных станций

1. По надежности действия насосный станции (нс) подразделяются на три категории:

первая категория - не допускается перерыв в подаче воды, т.к. это может привести к повреждению технологического оборудования или даже к аварии;

вторая категория - допускается кратковременный перерыв в подаче воды на время, необходимое для включения резервных агрегатов обслуживающим персоналом;

третья категория - допускается перерыв в подаче воды на время ликвидации аварии, но не более 1 суток.

2. По расположению в общей схеме водоснабжения насосные станции подразделяются на:

станции 1 подъема - предназначены для подачи воды из источника водоснабжения на очистные сооружения. если очистка воды не требуется, то насосные станции i подъема служат для подачи воды в резервуары или водонапорную башню.

в некоторых системах водоснабжения (чаще всего малых) насосная станция 1 подъема может быть единственной в данной системе, тогда ее просто называют насосной станцией;

станции 2 подъема - предназначены для подачи очищенной воды из резервуаров в водоводы и распределительную сеть. Иногда насосную станцию ii подъема блокируют с очистными сооружениями или (при благоприятном рельефе местности) с насосной станцией 1 подъема;

станции оборотного водоснабжения, где одна группа насосов подает отработанную на производстве горячую воду на охлаждающие устройства, а другая возвращает охлажденную воду в цеха; или отработавшая горячая вода поступает на охлаждающие устройства самотеком под остаточным напором, а группа насосов возвращает охлажденную воду в цеха;

Повысительные станции служат для повышения напора в сети либо в отдельных или нескольких зданиях.

3. По виду обслуживания объектов (по назначению) насосные станции подразделяются на станции, подающие воду на технические, хозяйственно-питьевые и противопожарные нужды.

4. По расположению насосного оборудования относительно поверхности земли насосные станции подразделяются на:

- наземные - с полом на уровне или выше поверхности земли;

- заглубленные - с наземным строением и полом ниже поверхности земли;

- подземные - с перекрытием на уровне или ниже поверхности земли.

5. По степени автоматизации управления различают насосные станции с ручным управлением, автоматизированные нс и станции с дистанционным управлением.

Насосные станции противопожарных и объединенных противопожарных водопроводов относятся к первой категории надежности.

Ко второй категории надежности относятся нс противопожарных и объединенных водопроводов при наличии на сети емкостей с необходимым противопожарным запасом воды, обеспечивающих требуемый напор.

Насосные противопожарных и объединенных противопожарных водопроводов при расходе воды на наружное пожаротушение до 20 л/с, а также насосные станции, подающие воду на полив, подающие воду во вспомогательные цеха промышленных предприятий, относятся к третьей категории надежности.

2.12 Достоинства и недостатки насосов различных типов

Если говорить о возможной подаче, то по мере ее возрастания насосы располагаются в следующем порядке: объемные насосы, центробежные насосы и осевые насосы. Если же в качестве основного параметра рассматривать максимально возможное значение напора, то порядок будет обратным. Что касается водоподъемников специальных типов, то все они, включая струйные насосы, занимают области, прилегающие к осям координат и характеризуемые малыми значениями либо напора, либо подачи. Таким образом, практически весь диапазон напоров от 1-2 до 10 000 м и подач от нескольких литров до 150 000 м3 в 1 ч перекрывается большим числом типоразмеров, хорошо освоенных промышленностью насосов.

В то же время при решении вопроса об использовании какого-либо насоса в той или иной технологической установке решающее' значение, помимо рабочих параметров, приобретают его эксплуатационные качества.

Проанализируем в этой связи достоинства и недостатки рассмотренных нами насосов и определяющие области их возможного применения в сооружениях систем водоснабжения и канализации.

Все эти положительные качества центробежных и осевых насосов привели к тому, что они являются, по существу, основными насосами всех сооружений водоснабжения и канализации. Центробежные и осевые насосы широко используют также в системах оборотного движения жидкостей, в судоподъемных сооружениях, на оросительных и осушительных насосных станциях.

К недостаткам центробежных насосов следует отнести ограниченность их применения в области малых подач и высоких напоров, что объясняется снижением КПД при увеличении числа ступеней. Известные сложности в эксплуатации насосных установок с центробежными насосами возникают также из-за необходимости их заполнения перекачиваемой жидкостью перед включением в работу.

Эти недостатки отсутствуют у вихревых и центробежно-вихревых насосов. Однако вследствие невысокого КПД они находят применение лишь в небольших автономных системах водоснабжения и, кроме того, используются в качестве вспомогательных на крупных водопроводных и канализационных насосных станциях.

Объемные насосы. Несомненными достоинствами поршневых и плунжерных насосов являются высокий КПД и возможность подачи незначительных объемов жидкости под сколь угодно большим давлением. В то же время неравномерность подачи, сложность соединения с приводным двигателем, наличие легко изнашивающихся клапанов, тихоходность, а следовательно, большие размеры и масса исключают возможность их применения на современных высокопроизводительных насосных станциях систем водоснабжения и канализации. Лишь чрезвычайно редко вертикальные поршневые насосы еще применяются для подъема воды из скважин 'малого диаметра (до 200 мм). Модифицированные поршневые насосы предназначены для подачи бетона и растворов при производстве строительных работ.

Объемные насосы с вращательным движением рабочего органа конструктивно более просты и обеспечивают плавную подачу перекачиваемой жидкости. Однако очень маленькие подачи шестеренных и винтовых насосов в сочетании с их способностью перекачивать вязкие жидкости определяли область их применения в качестве питательных насосов систем гидропривода, автоматики и смазки.

Водоструйные насосы. Достоинствами гидроэлеваторов являются небольшие размеры, простота устройства, способность перекачивать жидкости с большим содержанием взвешенных наносов и высокая надежность работы. Водоструйные насосы находят широкое применение при производстве земляных работ способом гидромеханизации. Их применяют также для откачки воды из глубоких колодцев, артезианских скважин, котлованов, траншей, для понижения уровня грунтовых вод в иглофильтровых установках. На канализационных очистных сооружениях водоструйные насосы применяют для подъема шлама, осевшего в песколовках песка и для перемешивания ила в метантенках. На крупных насосных станциях водоструйные насосы используются в качестве вспомогательных для отсасывания воздуха из основных насосов перед их запуском и для повышения всасывающей способности центробежных насосов.

К недостаткам водоструйных насосов относятся низкий КПД и необходимость подачи большого объема рабочей воды под давлением. Поэтому применение гидроэлеватора в каждом конкретном случае должно быть обосновано экономическими расчетами.

Воздушный подъемник. Простота устройства, легкий уход и надежность работы эрлифтов позволяют им при определенных условиях успешно конкурировать с центробежными насосами при подъеме воды из глубоких скважин, подаче химических реагентов и ила на водопроводных и канализационных очистных сооружениях. Однако необходимость большого заглубления форсунки и малый КПД установки заставляют каждый раз обосновывать принимаемое решение технико-экономическим сравнением вариантов с использованием насосов различных типов.

...