Основні характеристики насосів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основні характеристики насосів

До них відносяться: продуктивність, напір і потужність.

Продуктивність (подача) Q (м³/год.) - об'єм рідини, що подається насосом в нагнітальний трубопровід в одиницю часу.

Напір Н (м) характеризує питому енергію, котра надається насосом одиниці ваги рідини, що перекачується. Напір можна уявити як висоту, на яку може бути піднятий один кілограм рідини за рахунок енергії, яку надає їй насос.

Для визначення напору насосу використовують рівняння Бернуллі. Розглянувши це рівняння для перерізів I-I, і II-II, отримали рівняння для напору насосу:

З (3.1) ми бачимо, що напір насосу дорівнює сумі трьох складових:

висоти підйому рідини в насосі h_г;

різниці п'єзометричних напорів (р₂ - р₁),

загальним втратам напору при русі рідині по трубопроводу (в всмоктувальному та напірному) h_втр.

де h_тер - втрати напору на тертя у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводу, м;

h_м.о. - втрати напору на місцеві опори у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводу, м.

Схема насосної установки: 1, 3 - ємності; 2, 4 - всмоктувальний та нагнітальний трубопроводи; 5 - насос.

Рівняння (3.1) використовують при підборі насосів для технологічних установок.

Якщо тиски у ємностях 1 і 2 (рис. 24) однакові , то рівняння (3.1) набуває вигляду:

При русі рідини по горизонтальних трубопроводах (h_г =0):

В разі рівності тисків в ємностях і горизонтальному трубопроводі:

Висота всмоктування. Вертикальна відстань від рівню води в ємності до центру насосу Н_всм - називається висотою всмоктування; втрати енергії у всмоктувальному трубопроводі h_{втр.всм} називається втратами при всмоктувані.

Всмоктування рідини насосом відбувається під дією різниці тисків у ємності - і на вході в насос .

- швидкість зниження рівню в ємності.

Коли ₁0, тоді:

З (3.7) висота всмоктування насосу зростає зі зростанням р₁ в приймальній ємності і зменшується зі зростанням тиску р_всм, швидкості рідини і втрати напору в усмоктувальному трубопроводі.

Якщо рідина перекачується з відкритої ємності, то р₁р_атм.

Тиск р_вак на вході в насос повинен перевищувати тиск р_н.п. насиченої пари рідини при температурі всмоктуванні, оскільки в іншому випадку рідина в насосі почне кипіти.

При перекачуванні з відкритих водоймищ висота всмоктування не може перевищувати висоту стовпа рідини, що перекачується, яка відповідає атмосферному тискові. При температурі 20⁰C висота всмоктування на рівні моря навіть теоретично не може перевищувати 10 м. Із збільшенням температури внаслідок підвищення тиску висота всмоктування Н_всм зменшується.

При перекачуванні гарячих рідин насос встановлюється нижче рівня приймальної ємності, щоб забезпечити деякий підпір з боку всмоктування, або створюють надлишковий тиск у приймальній ємності. Таким же чином перекачують рідини з великою густиною і в'язкістю.

На припустиму висоту всмоктування впливає також кавітація. ЇЇ сутність: при високих швидкостях обертання робочих коліс відцентрових насосів і при перекачуванні гарячих рідин відбувається інтенсивне пароутворення в рідині, що знаходиться в насосі. Пухирці пари попадають разом з рідиною в область більш високих тисків, де миттєво конденсуються. Рідина заповнює порожнини, в яких знаходилась пара, а це супроводжується гідравлічними ударами, шумом і стуком. Кавітація призводить до швидкого руйнування насосів в результаті гідравлічних ударів і посиленої корозії в період пароутворення.

Максимальна практична висота всмоктування при перекачування води у залежності від температури складає:

Потужність

Корисна потужність витрачається на надання рідині енергії.

Потужність на валу більша за у зв'язку зі втратами в насосі, які враховуються за допомогою коефіцієнту корисної дії насосу :

Величина з_н характеризує досконалість конструкції та економічність експлуатації насосу; вона відображає відносні (у порівнянні з N_к) втрати потужності в насосі і є добутком трьох величин:

У рівнянні (3.12) - коефіцієнт подачі, або об'ємний к.к.д (Q, Q_теор - дійсна та теоретична продуктивності насосу), враховує втрати продуктивності насосу (через зазори, сальники і т.ін.). Гідравлічний к.к.д. (Н, Н_теор - дійсний та теоретичний напір), враховує втрати напору при русі рідини через насос. Механічний к.к.д. з_мех характеризує втрати потужності на механічне тертя в насосі.

Значення з_н залежить від продуктивності насосу, його конструкції і степені зношення: - для відцентрових, - для відцентрових великої потужності, - для поршневих.

При виборі електродвигуна для насосу слід враховувати втрати потужності внаслідок механічних втрат в передачі від електродвигуна до насосу і у самому електродвигуні. Їх враховують за допомогою к.к.д. передачі з_пер та к.к.д. двигуна з_дв. Тоді потужність, що споживається двигуном :

де - має назву к.к.д. насосної установки.

Установочна потужність двигуна N_уст розраховується за величиною N_дв з урахуванням можливих перевантажень в момент пуску насосу, які виникають у зв'язку з необхідністю подолання інерції маси рідини, що покоїться.

де - коефіцієнт запасу потужності. Він залежить від потужності двигуна N_дв:

Принцип дії і типи насосів

Всмоктування й нагнітання рідини в поршневому насосі простої дії відбувається нерівномірно: за два ходи поршня рідина один раз всмоктується і один раз нагнітається.

За кількістю всмоктувань або нагнітань, які здійснюються за один оберт кривошипу, або за два ходи поршня, поршневі насоси поділяться на:

насоси простої дії;

насоси подвійної дії;

диференційні насоси.

За розташуванням поршня розрізняють вертикальні й горизонтальні поршневі насоси.

Схема насосу простої дії наведена на рис. 37. В циліндрі 5 поршень 3 здійснює зворотно-поступовий рух. При русі поршня вправо об'єм збільшується, тиск зменшується, всмоктувальний клапан 1 відкривається і рідина поступає в циліндр. Так відбувається процес всмоктування при закритому клапані 3. При русі поршня вліво об'єм рідини в циліндрі зменшується, тиск в циліндрі зростає. Під дією тиску всмоктувальний клапан 1 закривається, а нагнітальний клапан 3 відкривається і рідина потрапляє в напірний трубопровід. Далі при обертанні маховика 9 кривошипно-шатунний механізм 8 повторює цикл.

За один оберт маховика в поршневому насосі простої дії відбувається два хода поршня: один раз рідина всмоктується і один раз нагнітається.

Схема горизонтального насосу простої дії:

1 - всмоктувальний клапан; 2 - робоча камера; 3 - нагнітальний клапан; 4 - поршень; 5 - циліндр; 6 - шток; 7 - крейцкопф; 8 - шатун; 9 - маховик; а - графік подачі поршневого насоса.

Подача поршневого насосу за рахунок зворотно-поступового руху поршня пульсуюча. Це наглядно видно з графіка подачі а на рис. 37. Для зменшення пульсацій рідини в поршневому насосі встановлюють повітряні ковпаки (рис. 38), використовують насоси подвійної дії (рис. 39) або переходять на диференціальну схему подачі (рис. 40).

Повітряні ковпаки служать для вирівнювання подачі, вони являють собою циліндричної або іншої форми закриту судину 1, 5 (рис. 38), у верхній частині якої знаходиться повітря, що згладжує завдяки своєї пружності пульсації подачі.

В залежності від призначення встановлюють по одному ковпаку на нагнітальному і всмоктувальному трубопроводах або і на нагнітальному, і на всмоктувальному трубопроводах одночасно.

Поршневий насос з повітряними ковпаками: 1, 5 - повітряні ковпаки; 2, 6 - нагнітальний і всмоктувальний трубопроводи; 3, 4 - нагнітальний і всмоктувальний клапани; 7 - поршень; 8 - шток; 9 - крейцкопф.

Сутність дії ковпака нагнітальної сторони полягає в тому, що за такою схемою рідина подається насосом не безпосередньо в напірний трубопровід, а у ковпак, частково заповнений повітрям, яке при поточній підвищеній подачі стискається, а при зменшеній - розширюється. Внаслідок зміни об'єму повітря від V_max до V_min і навпаки, об'єм рідини у ковпаку змінюється у зворотному відношенні, тобто максимальному об'єму повітря в ковпаку відповідає мінімальний об'єм рідини і навпаки. Отже, повітряний ковпак приймає об'єм рідини при зростанні подачі насосу і повертає цей об'єм у нагнітальний трубопровід при зменшенні подачі. У зв'язку з цим тиск у ковпаку змінюється від p_mіn до р_mах і знову знижується до p_mіn. Однак, оскільки об'єм повітря в ковпаку може бути відносно великим, то при зменшенні його на величину V, що дорівнює об'єму акумульованої в ковпаку рідини, вказана зміна об'єму не супроводжується помітною зміною тиску, тобто при достатньому повітряному об'ємі ковпака тиск у ньому під час роботи насосу залишається практично незмінним. Тому рідина потрапляє в напірний трубопровід під сталим напором.

Степінь нерівномірності тиску в ковпаку характеризується величиною

Очевидно, що чим більша різниця (р_max - p_min) і відповідно , тим сильніші коливання швидкості рідини, що витікає з ковпака в нагнітальний трубопровід під дією тиску в ньому. На практиці вважають, що при = 0,025 зміни швидкості рідини в трубопроводі настільки малі, що рух можна вважати сталим.

Аналогічне міркування можна провести і стосовно ковпаку на всмоктувальному трубопроводі (рис. 38, поз. 5), з тією лише різницею, що в цьому випадку тиск в ковпаку змінюється по ходу поршня в протилежному порядку.

У відповідності зі сказаним раніше, розрахунок ковпаків зводиться до визначення таких їхніх розмірів, при яких ступінь нерівномірності не перевершує заданої величини.

При наявності повітряних ковпаків в обох циліндрах можна приймати при розрахунках, що насос перекачує рідину з нижнього (всмоктувального) ковпака у верхній (нагнітальний), долаючи різницю тисків між ними.

Істотно знижується нерівномірність в насосах багаторазової дії. Насоси подвійної мають два всмоктувальних і два нагнітальних клапани. Насос потрійної дії являє собою потроєні насоси простої дії з загальним трубопроводом всмоктування і нагнітання й колінчастим валом, причому кривошипи кожного з трьох насосів простої дії розташовані під кутом 120⁰ один відносно одного. За один оберт колінчастого валу рідина три рази всмоктується і три рази нагнітається.

Диференціальні поршневі насоси відрізняються від насосів простої дії більш рівномірною подачею, оскільки повна подача за подвійний хід розподіляється рівномірно між ходами. У цих насосах при ході поршня або плунжера вправо утворюється розрідження в камері А над усмоктувальним клапаном, і вона заповнюється рідиною. Одночасно об'єм рідини (який дорівнює об'єму поршня або плунжера, що виходить з внутрішньої порожнини насосу) витискується з напірної камери Б при закритому нагнітальному клапані. При зворотному ході (вліво) усмоктувальний клапан закривається, і об'єм рідини, що поступив до цього у камеру А, витискується з неї через нагнітальний клапан.

Поршневий насос подвійної дії Рис. 40. Диференціальний насос

При роботі в умовах високих тисків поршневі насоси потребують складних ущільнюючих пристроїв (поршневі кільця, еластичні манжети), високоточної обробки поверхні поршня та циліндра. Тому для створення високих тисків поршень замінюють порожнім або суцільним плунжером (скалкою). У залежності від конструкції насоси поділяються:

на власно поршневі (рис. 35, 37);

плунжерні (скальчасті - рис. 40).

Різниця між поршневим насосам і плунжерним насосом: в поршневих насосах робочим органом є поршень, який має ущільнюючі кільця, що пришліфовані до внутрішньої дзеркальної поверхні циліндру; плунжерні насоси не мають циліндричних кілець і відрізняються від поршневих значно більшим відношенням довжини до діаметру.

В плунжерному насосі роль поршня відіграє плунжер, який ущільнюється за допомогою сальника.

Є плунжерні насоси подвійної дії, які мають більш рівномірну подачу. Є насоси потрійної дії - триплекс.

На рис. 41 представлений плунжерний горизонтальний насос простої дії, в якому всмоктування й нагнітання рідини відбувається внаслідок зворотно-поступового руху плунжера 1 в циліндрі 3. Ущільнення плунжера здійснюється за допомогою сальника 2. В промисловості плунжерні насоси знайшли більш широке використання, ніж поршневі, оскільки потребують менш ретельної обробки внутрішньої поверхні циліндру і простіше ущільнюються (підтягуванням або заміною набивки 2). У зв'язку з цим їх використовують для перекачування забруднених і в'язких рідин, а також для створення більш високих тисків. За швидкістю обертання валу кривошипа поршневі насоси підрозділяють на тихохідні (40-60 об./хв.), нормальні (40-60 об./хв.) та швидкохідні (120-180 об./хв. і більше).

Схема горизонтального плунжерного насосу простої дії: 1 - плунжер (скалка); 2 - сальник; 3 - циліндр; 4 - всмоктувальний клапан; 5 - нагнітальний клапан

Діафрагмовий насос: 1 - плунжер; 2 - циліндр; 3 - корпус; 4, 7 - всмоктувальний і нагнітальний клапани; 5, 6 - всмоктувальний і нагнітальний патрубки; 8 - діафрагма; 9 - сальник; 10 - грунбукса

Різновидом поршневого насосу простої дії є діафрагмовий (мембранний) насос (рис. 42), який використовують для перекачування забруднених і агресивних рідин. У цьому насосі циліндр 2 і плунжер 1 відокремлені від рідини, що перекачується, гнучкою перегородкою-діафрагмою 8 з гуми або спеціальної сталі. При русі плунжера наверх діафрагма під дією різниці тисків з двох її боків прогинається вправо, при цьому відкривається всмоктувальний клапан 4 і рідина потрапляє у насос. При ходе плунжера вниз діафрагма прогинається вліво, відкривається нагнітальний клапан 7 (всмоктувальний клапан при цьому закривається), і рідина потрапляє в нагнітальний трубопровід 6.

Продуктивність

Об'єм рідини, який всмоктується насосом за один хід поршня зліва направо при безперервному русі рідини за поршнем, дорівнює FS (позначення після формули 3.37); при відсутності витоків такий самий об'єм при ході поршня зворотно повинний подаватися в нагнітальний трубопровід. Тому теоретична продуктивність Q_теор (м³/с) насосу простої дії при числі обертів валу n (с^-1) кривошипно-шатунного механізму визначається за формулою:

для насосу простої дії:

насос потужність продуктивність

де F - площа перерізу поршня; S - довжина ходу поршня;

для насосу подвійної дії:

де - площа перерізу штоку.

Продуктивність насосу потрійної дії, який складається з трьох насосів простої дії, при f F складе:

Дійсна продуктивність поршневих насосів визначається за формулою:

Зміну продуктивності поршневого насосу за один оберт валу кривошипу можна зобразити графічно, що дає наглядне уявлення про послідовність всмоктування та нагнітання, а також можливість оцінити ступінь нерівномірності подачі.

Зміна миттєвої швидкості руху _м поршня в часі з достатнім ступенем наближення підкоряється синусоїдальному закону

де r - радіус кривошипу; - кутова швидкість; - кут повороту кривошипу; - час.

Відповідно миттєва продуктивність (подача) насосу

Зміна функції за один оберт валу кривошипу показана на рис. 43, а. Замінимо площу, обмежену синусоїдою і віссю абсцис графіка, площею рівновеликого прямокутника, побудованого на відрізку прямої довжиною 2r. Обидві площі виражають об'єм рідини, який подається насосом в нагнітальний трубопровід за один оберт кривошипу. Висота прямокутника, таким чином, буде представляти у прийнятому масштабі середню подачу, а найбільша висота синусоїди - максимальну подачу. Відношення максимальної подачі Q_max до середньої Q_сер (ступінь нерівномірності подачі) складе .

Діаграми подачі рідини поршневими насосами: а - для насосу простої дії; б - для насосу подвійної дії; в-для насосу потрійної дії (триплексу). - кут повороту кривошипу

Площа прямокутника на рис. 43, а дорівнює , звідки . Тоді , тобто у поршневого насосу простої дії максимальна продуктивність (подача) в 3,14 рази більша, ніж середня.

Для насосу подвійної дії (рис. 43, б), отримуємо дві синусоїди. При цьому , звідки . Отже, , тобто максимальна подача більша за середню у 1,57 рази.

Для отримання сумарної кривої подачі насосу потрійної дії (триплекс-насосу) потрібно побудувати три синусоїди, зміщені одна відносно одної на 120°, і потім скласти їх ординати (рис. 43, в). Площа діаграми, обмежена зверху сумарною кривою, зображує подачу всіма трьома циліндрами. Найбільша ордината графіка дорівнює F, оскільки вона отримана від додавання двох відрізків аb і bс, кожний з яких складає ; у цьому випадку маємо . Тоді ступінь нерівномірності подачі .

При розрахунку висоти всмоктування поршневих насосів у рівнянні (3.8) треба враховувати ще і втрати напору на подолання сил інерції у всмоктувальному трубопроводі. Ці втрати обумовлені нерівномірністю роботи поршневого насосу, в результаті чого на стовп рідини, що знаходиться у всмоктувальному трубопроводі й рухається з деяким перемінним прискоренням, діє сила інерції, спрямована у бік, протилежний напрямку руху рідини.

де l - висота стовпа рідини в трубопроводі; f - площа перерізу поршню; f₁ - площа перерізу трубопроводу; u - окружна швидкість обертання кривошипу; r - радіус кривошипу.

Размещено на Allbest.ru