Классификация насосов и их основные характеристики

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. СЖАТИЕ И ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ГАЗОВ

Жидкости и газы в химических производствах часто необходимо перемещать через аппараты, а также по трубопроводам между аппаратами, установками, цехами, складами и т.д. Энергия, необходимая для перемещения жидкости, сообщается ей гидравлическими машинами, носящими название насосов.

Многие технологические процессы протекают в газовой фазе при высоких и низких давлениях. В этом случае приходится осуществлять как сжатие или разрежение газа, так и его транспортирование. Машины, предназначенные для осуществления таких процессов, называются компрессорными.

Насосы

Насосами называются гидравлические машины, в которых энергия двигателя передается перемещаемой жидкости вследствие повышения ее гидродинамического напора (давления).

Классификация насосов и их основные характеристики

Различают насосы двух основных типов: динамические и объемные.

Насосы трения представляют собой насосы, в которых жидкость перемещается преимущественно под воздействием сил трения. К ним относятся, в частности, вихревые и струйные насосы.

Объемные насосы – это такие, в которых жидкость, вытесняется из замкнутого пространства телом, движущимся возвратно-поступательно (поршневые, плунжерные, диафрагмовые насосы) или имеющим вращательные движения (шестеренные, пластинчатые, винтовые насосы).

Основные параметры насосов. Основными параметрами насоса любого типа являются производительность, напор и мощность. Производительность, или подача, (м /сек) определяется объемом жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени. Напор Н (м) характеризует удельную энергию, которая сообщается насосом единице веса перекачиваемой жидкости. Этот параметр показывает, насколько возрастает энергия жидкости при прохождении ее через насос, и определяется с помощью уравнения Бернулли. Напор можно представить как высоту, на которую может быть поднят 1 кг перекачиваемой жидкости за счет энергии, сообщаемой ей насосом. Поэтому напор не зависит от плотности перекачиваемой жидкости. Полезная мощность , затрачиваемая насосом на сообщение жидкости энергии, равна произведению удельной энергии Н на весовой расход жидкости:

. (8.1)

Мощность на валу больше полезной мощности в связи с потерями энергии в насосе, которые учитываются коэффициентом полезного действия (к.п.д.) насоса :

. (8.2)

Коэффициент полезного действия насоса характеризует совершенство конструкции и экономичность эксплуатации насоса. Величина отражает относительные потери мощности в самом насосе и выражается произведением

. (8.3)

В выражение (8.3) входят величины: – коэффициент подачи, или объемный к.п.д., представляющий собой отношение действительной производительности насоса к теоретической (учитывает потери производительности при утечках жидкости через зазоры и сальники насоса, а также вследствие неодновременного перекрытия клапанов и выделения воздуха из перекачиваемой жидкости при давлении ниже атмосферного во время всасывания); –гидравлический к.п.д. – отношение действительного напора насоса к теоретическому (учитывает потери напора при движении жидкости через насос); – механический к.п.д., характеризующий потери мощности на механическое трение в насосе (в подшипниках, сальниках и т.д.).

Значение зависит от конструкции и степени износа насоса и в среднем составляет: для центробежных насосов 0,6 ¸ 0,7; для поршне-вых насосов 0,8 ¸ 0,9; для совершенных центробежных насосов боль-шой производительности 0,93 ¸ 0,95.

Мощность, потребляемая двигателем,или номинальная мощность двигателя , больше мощности на валу вследствие механических потерь в передаче от электродвигателя к насосу и в самом электродвигателе. Эти потери учитываются введением в уравнение (8.2) к.п.д. передачи и к.п.д. двигателя :

. (8.4)

Произведение представляет собой полный к.п.д. насосной установки h, который определяется как отношение полезной мощности к номинальной мощности двигателя и характеризует полные потери мощности насосной установки:

. (8.5)

Из уравнений (8.3) и (8.5) следует, что полный к.п.д. насосной установки может быть выражен произведением пяти величин:

.(8.6)

Установочная мощность двигателя рассчитывается по величине с учетом возможных перегрузок в момент пуска насоса, возникающих в связи с необходимостью преодоления инерции покоящейся массы жидкости:

, (8.7)

гдеb – коэффициент запаса мощности, значения которого определяют в зависимости от номинальной мощности двигателя :

Напор. Высота всасывания. Рассмотрим схему насосной установки, представленной на рис. 8.1. Введем обозначения: p₀– давление в емкости 1 (приемная емкость), из которой насосом 2 засасывается жидкость; p₂– давление в напорной емкости 3; pвс– давление во всасывающем патрубке насоса; рн– давление в нагнетательном патрубке насоса; Нвс– высота всасывания; Нн– высота нагнетания; Нг– геометрическая высота подачи жидкости; h – расстояние по вертикали между уровнями установки манометра М и вакуумметраВ.

Используем для определения напора насоса уравнение Бернулли (5.34). Примем за плоскость сравнения уровень жидкости в приемной емкости (сечение 0 - 0). Уравнение Бернулли для плоскостей 0 - 0 и
1 - 1:

. (8.8)

Рис. 8.1. Схема насосной установки: 1 – приемная емкость; 2 – насос; 3 – напорная емкость, М – манометр, В – вакуумметр

Уравнение Бернулли для плоскостей 1'- 1' и 2 - 2:

. (8.9)

В этих условиях: и – средние скорости жидкости в приемной и напорной емкостях (в плоскостях 0 - 0 и 2 - 2 соответственно); , – средние скорости жидкости во всасывающем и нагнетательном патрубках насоса; hп.вс, hп.н– потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Скорость жидкости пренебрежимо мала по сравнению со скоростью во всасывающем трубопроводе и может быть исключена из уравнения (8.8). Тогда из этого уравнения удельная энергия Евхжидкости на входе в насос

. (8.8а)

Аналогично << ; пренебрегая величиной и учитывая, что , определяем по уравнению (8.9) удельную энергию жидкости на выходе из насоса:

. (8.9а)

Вычитая из левой части уравнения (8.9а) левую часть уравнения (8.8а), находим напор насоса:

. (8.10)

Если диаметры всасывающего и нагнетательного патрубков равны, то = и уравнение (8.10) упрощается:

. (8.11)

Уравнения (8.10) и (8.11) применяют для расчета напора при проектировании насосов. Для определения напора действующего насоса пользуются показаниями манометра (pм) и вакуумметра (pв). Выразим абсолютные давления pни pвсчерез показания манометра и вакуумметра:

; ,

где pа– атмосферное давление.

Подставив полученные значения pни pвсв уравнение (8.11), имеем

(8.12)

Иное выражение для напора насоса может быть получено, если из правой части уравнения (8.9а) вычесть правую часть уравнения (8.8):

, (8.13)

где hп= hп.н+ hп.вс– суммарное гидравлическое сопротивление всасывающего и нагнетательного трубопроводов.

Уравнение (8.13) используют при подборе насосов для технологических установок. Всасывание жидкости насосом происходит под действием разности давлений в приемной емкости p₀ и на входе в насос pвсили под действием разности напоров . Высота всасывания может быть определена из уравнения (8.8)

. (8.14)

Поскольку ~ 0, то

. (8.15)

Если жидкость перекачивается из открытой емкости, то p₀ = p_а (p_а – атмосферное давление). Давление на входе в насос p_вс должно быть больше давления насыщенного пара p^н перекачиваемой жидкости при температуре всасывания (p_вс > p^н), в противном случае жидкость в насосе начнет кипеть. При образовании пара и выделении из жидкости растворенных в ней газов возможен разрыв потока и уменьшение высоты всасывания до нуля, следовательно,

. (8.16)

На высоту всасывания насосов оказывает влияние явление кавитации. Кавитация возникает при высоких скоростях вращения рабочих колес центробежных насосов в условиях, когда происходит интенсивное парообразование в жидкости, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому его разрушению. При кавитации производитель-ность и напор насоса резко снижаются.