Жидкости, содержащие газ

3 Особенности при подаче жидкостей, содержащих газ

м

кВт

Общая подача со стороны всасывания QS

Рисунок 54: Влияние нерастворенного воздуха на рабочую характеристику канального насоса для подачи предварительно очищенных сточных вод (открытое трехканальное колесо,
D = 250 мм, n = 1450 мин^-1, n_q = 37).

q_L = объем воздуха в % смеси со стороны всасывания.

В отличии от растворенных газов, нерастворенные газы, содержащиеся в жидкости(в объемном проценте), могут значительно изменять конструктивные данные, характеристические линии и рабочую характеристику центробежных насосов, как показано на примере канального насоса на рисунке 54. Такое содержание газа может быть вызвано производственным процессом, а также неплотными фланцами, или уплотнениями шпинделя на арматурах во всасывающем трубопроводе, или воздуховтягивающем вихрем в открытых всасывающих камерах при слишком низком уровне воды, см. главу 7.2.

В поле центробежной силы рабочего колеса газовые пузыри имеют тенденцию скопляться на определенных местах в насосе и нарушать поток. Такому эффекту способствуют следующие ситуации:

§ если далее насос работает в области неполной нагрузки, потому что из-за незначительных скоростей потока буксировочное влияние ослабевает,

§ если входной диаметр рабочего колеса меньше, потому что из-за объема газа влияние дросселя будет относительно сильным,

§ если удельная частота вращения рабочего колеса насоса n_q меньше,

§ если частота вращения насоса меньше.

Такое явление невозможно рассчитать. Если ожидают, что будет повышенное содержание газа в подаваемой жидкости, то могут быть предприняты следующие меры:

§ Достаточно большой незаполненный резервуар во всасывающем трубопроводе содействует удалению газа из жидкости и может уменьшить разрушающее влияние нерастворенных газовых пузырей.

§ Трубопроводы, которые служат для заполнения открытого всасывающего резервуара, должны быть ниже уровня жидкости, чтобы, например, свободное падение жидкости не могло волной принести газовые пузыри в резервуар; кроме того, отражательная стена должна предотвращать вихри во всасывающем трубопроводе (см. рисунки 64 и 65).

§ Установка особого насоса для неполной нагрузки позволяет избегать эксплуатации основного насоса при неполной нагрузке; если такой насос должен работать только время от времени, то его можно подобрать как самовсасывающий насос (с незначительным к. п. д.).

§ Трубопровод для отвода газа перед ступицей рабочего колеса нуждается в отсасывающем устройстве, так как при большем содержании газа подача ограничивается, что мешает нормальной эксплуатации насоса.

§

Жидкости, содержащие газ

Для боковоканальных насосов выгодно использовать открытые рабочие колеса (смотрите рисунок 4) по возможности с малым количеством лопастей, подобные предвключенному колесу (рисунок 41). Не принимая особые меры, канальные колеса (рисунок 43) могут подавать жидкость с содержанием газа до 3 %, а колеса со свободным потоком – от 6 до 7%.

§ Если высокое содержание газа запланировано, то боковоканальные насосы (меньшее к. п. д., более сильный шум и ограниченная подача) или водокольцевые насосы (по принципу вытеснения) работают более надежно.

Жидкости содержащие твердые частицы · Скорость оседания

4 Особенности при подаче жидкостей, содержащих твердые частицы

4.1 Скорость оседания

мм

Вода

Рисунок 55: Скорость оседания w_so отдельных шаровидных частиц (диаметр шара d_s) в неподвижной воде.

Подача твердых частиц (тяжелее воды) осуществляется тем лучше, чем меньше их скорость оседания и чем больше скорость потока. По причине многих факторов расчет скорости оседания возможен только при абстрагированных допущениях: скорость оседания отдельного шара в неограниченном пространстве (индекс₀) вытекает из равновесия сил

(41)

где

w_so скорость оседания в м/с,

g ускорение свободного падения, 9,81 м/с²,

d_s диаметр шара в м,

с_D коэффициент сопротивления шара, зависимый от Re_s,

ρ_s плотность твердой частицы в кг/м³,

ρ_f плотность жидкости в кг/м³.

Re_s = w_s0 · d_s/ν_f (42)

где

ν_f кинематическая вязкость жидкости в Па с.

Скорость оседания w_s0 изоеражена графически на рисунке 55.

Концентрация твердых частиц имеет большое влияние:

c_T = Q_s/(Q_s + Q_f) (43)

где

c_T концентрация потоков транспортируемого материала,

Q_s подача твердого вещества в м³/с,

Q_f подача жидкости в м³/с.

Такая концентрация вместе с ограничивающими влияниями стенок трубопровода уменьшает скорость оседания, благодаря эффекту вытеснения, согласно эмпирически найденному соотношению.

w_s = w_s0 · (1-c_T)⁵ (44)

Неправильная форма твердых частиц, которая может значительно отличаться от формы шара, не поддается оценке.

Также влияние гранулометрического состава едва поддается оценке: на рисунке 56 примерно показан, через логарифмически разделенную шкалу диаметра крупинки d_s, тот процент массы, который не попадает через сетку с соответствующей шириной отверстий. На практике из крупинок различного диаметра почти всегда формируются потоки твердых частиц, так что гранулометрический состав показывает более или менее ярко выраженный S-образный удар (кривую). Благодаря этому можно воспользоваться таким простейшим способом: тот диаметр, который соответствует 50 % массы, обозначается как d₅₀, и его принимают как показательный для данной жидкости. В этом заключается важнейшая причина того, что все не может быть предусмотрено заранее в фазе планирования.

Жидкости, содержащие твердые частицы ×Скорость оседания

Следует понимать, что согласно всем этим предположениям и грубым упрощениям, точные прогнозы о воз

Жидкости содержащие твердые частицы · Скорость оседания

действиях твердых частиц на характер потока, характеристических линий, напоров и к. п. д. насосов и т. д. невозможны. Поэтому, чтобы рассчитать насосы для подачи твердого вещества, необходимо быть экспертом с достаточным опытом. В случае сомнения следует самим проводить эксперименты. Только некоторые общие тенденции могут быть указаны:

мм

Процент массы

Рисунок 56: Пример для гранулометрического состава.

6.2 Влияние на характеристические линии насосов

Твердые частицы ведут себя в поле центробежной силы рабочего колеса иначе, чем в несущей жидкости, в общей воде. Они пересекают линию обтекания водного потока, толкаются и трутся о стены гидравлических каналов. Благодаря этому твердые частицы уменьшают созданный напор Н в рабочем колесе на величину ∆Н. Сверх этого, существуют экспериментальные научные выводы, которые показывают влияния диаметра частиц d_s, концентрации c_T и плотности твердого вещества ρ_s, а также удельной частоты вращения n_q. Сообразно с этим, можно приближенно определить относительное уменьшение напора ∆Н/Н:

(45)

где

c_T концентрация потоков транспортируемого материала согласно уравнению 43,

ψ коэффициент давления насоса, здесь =1,

Re_s число Рейнольдса потока твердых частиц согласно уравнению 42,

n_q удельная частота вращения насоса согласно уравнению 3,

ρ_s плотность твердого вещества в кг/м³,

ρ_f плотность жидкости в кг/м³.

При гидравлической транспортировке твердого вещества необходимо изображать характеристические линии не как напор Н, а как давление ∆p, создаваемое насосом, через подачу Q, потому что усредненная плотность ρ_m смеси воды и твердых частиц (в противоположность к подаче воды) не остается постоянной. К тому же, в уравнении 1 пренебрегают разностью высот уровней z_s,d между всасывающим и напорным патрубками, как и разностью скоростных напоров (c_d² –c_s²)/2g, таким образом устанавливается потенциальный напор H_p ≈ H:

∆p = ρ_m · g · (H – ∆H) (46)

где

ρ_m усредненная плотность смеси воды и твердых частиц в кг/м³,

g ускорение свободного падения 9,81 м/с²,

Н напор в м,

∆H уменьшение напоров согласно уравнению 45 в м,

∆p давление в Н/м²

(для перевода в бары: 1 бар = 100 000 Н/м²)

Средняя плотность смеси рассчитывается согласно

ρ_m =c_T · ρ_s + (1 – c_T) · ρ_w (47)

где

ρ_m средняя плотность в кг/м³,

ρ_w плотность воды в кг/м³,

ρ_s плотность твердого вещества в кг/м³,

c_T концентрация потоков транспортируемого материала согласно уравнению 43.

Жидкости, содержащие твердые частицы ×Характеристические линии насосов

Так как теперь повышение давления в насосе является произведением плотности и (при транспортировке твердых частиц уменьшенного) напора, то при пересчете в уравнении 46 появляются два независимые друг от друга влияния: повышенная средняя плотность и пониженный напор (H – ∆H) из-за доли твердой фазы. Эти влияния вызваны концентрацией, но они имеют противоречивую тенденцию, потому что плотность повышает давление, а уменьшение напоров снижает его. Поэтому, вообще невозможно предвидеть, будет ли характеристическая линия насоса при транспортировке твердых частиц с повышающейся концентрацией находиться выше или ниже, чем при подаче воды. Тяжелые мелкозернистые твердые частицы (например, руда) способствуют подаче, а крупные легкие твердые частицы (например, уголь) и маленькая удельная частота вращения скорее способствуют оседанию.

6.3 Влияние на характеристические линии установок

С уменьшающейся скоростью потока частицы твердого вещества в большом количестве оседают в горизонтальных трубопроводах и накапливаются на нижней стенке трубы. Вследствие этого, с одной стороны, сопротивления трения увеличиваются, а с другой стороны, поперечное сечение уменьшается, так что, несмотря на ослабевающие подачи, гидравлическое сопротивление повышается. В результате получилась необычная форма характеристической линии установки, как на рисунке 57. Так как минимум этих начерченных характеристических линий для больших концентраций является достоверным признаком начинающегося выпадения осадка и, наконец, засорения трубопровода, то он, вообще, считается нижней рабочей границей.

На более точное прогнозирование можно отважиться только имея достаточный опыт или проведя большое количество экспериментов.

(чистая жидкость)

(чистая жидкость)

рабочая граница

подача

стационарная рабочая точка

Рисунок 57: Давление ∆p, создаваемое насосом , и потери давления установки ∆р_А при различном содержании твердых частиц (концентрации с_ТА, с_ТР) при подаче Q. Давление, создаваемое насосом, ∆p_p = f(c_T) может также повышаться с увеличением концентрации с_ТР при твердом веществе высокой плотности (изображено на рисунке падающее с 10 до 20%)

Жидкости содержащие твердые частицы · Характеристические линии насосов

6.4 Рабочая характеристика

На рисунке 57 показана типичная рабочая характеристика центробежного насоса при гидравлической транспортировке твердого вещества по горизонтальному трубопроводу: с увеличением концентрации точка пересечения характеристической линии установки и характеристической линии насоса все больше перемещается к меньшим подачам так, что рабочая точка, наконец, может попасть ниже рабочей границы. Во избежание этого необходимо немедленно провести регулировку. Но так как дроссельная арматура подвергается сильному износу, значит следует обратить внимание на установку частоты вращения для регулирования подачи при гидравлической транспортировке твердого вещества. Регулирование частоты вращения дает следующее преимущество: если рабочее колесо при увеличивающемся износе из-за эрозии дает незначительное повышение давления, то это можно компенсировать с помощью повышения частоты вращения. В вертикальных трубопроводах соотношения при оседании твердых веществ значительно опаснее, потому что трубопроводы, если минимальная подача не была достигнута (а также, если насос выключен), могут самопроизвольно засоряться. По причине быстрого износа при подаче зернистых твердых частиц создана особая конструкция насоса. Такая надежная конструкция примерно показана на рисунке 58. Износ приводит к следующему последствию: считается, что рабочая область по близости от Q_opt должна быть ограничена.

Большие концентрации твердых частиц ограничивают использование центробежных насосов; граничное значение может быть получено только опытным путем.

Данные рассуждения должны убедить читателя в том, что расчет насосов для гидравлической транспортировки твердых частиц очень рискованное дело, если нет собственного основательного и богатого опыта, и поэтому им должны заниматься только специалисты!

Рисунок 58: Типичный центробежный насос для гидравлической транспортировки твердых частиц.

6.5 Длинноволокнистые твердые частицы

Перекачивание длинноволокнистых твердых частиц может привести к неполадкам в работе, особенно у пропеллерных насосов, если эти частицы ( например, растительные волокна, пластмассовые пленки, ветошь) будут застревать на передней стороне пропеллерной лопатки и здесь накапливаться. Последствием этого является увеличенная потеря напора и возрастание мощности, пока приводной двигатель не будет отключен из-за перегрузки.

Проблема может быть разрешена благодаря тому, что передние кромки лопаток пропеллера из-за смещения отдельных плоскостей профиля при покоробленности лопаток прогибаются назад соизмеримо с наклоном стреловидного крыла. Затем волокна могут сползать вдоль передней кромки лопатки, пока они не будут разрезаны на внешнем диаметре пропеллера в зазоре и не будут смыты. Эти самоочищающиеся лопатки называются лопатки- ЕСВ (= постоянно чистые лопатки) (5).

Коммунальные неочищенные сточные воды часто содержат текстиль, который у рабочих колес с большим количеством межлопаточных каналов или подобных делителей потока может привести к “косообразованию” и засорению рабочего колеса. Однолопатные рабочие колеса, шнековые рабочие колеса или колеса со свободным потоком (см. рисунок 43) меньше подвергаются опасности в такой ситуации.

5 Периферийное оборудование

7.1 Виды установки насосов

Периферийное оборудование · Виды установок

Видами установки называются особенности сборки, благодаря которым формы насосов различаются в одном конструктивном виде (вообще, в конструктивном ряде).

На следующих рисунках 59 1а – о показаны примеры наиболее часто применяемых видов установок для горизонтальных и вертикальных центробежных насосов [1].

Рисунки 59 а – о: Примеры видов установок

Периферийное оборудование · Виды установок

Важными параметрами для выбора вида установки насоса являются:

горизонтальное или вертикальное положение вала (рисунки а и b, i и с, h и f),

установка лап насоса внизу или близко к оси вала (рисунки d и e),

установка агрегата на фундаменте или без него (рисунки b и f),

установка приводной машины на собственной или общей фундаментной плите или на фланцах насоса (рисунки g, a. h и i),

распределение веса насоса и приводной машины,

а также

установка напорного патрубка у насосов с прямым трубным корпусом (рисунки k, l, m и n),

корпус насоса снаружи сухой или смоченный (рисунки b и о).

7.2 Форма входа насоса

7.2.1 Зумпф насоса

Зумпф насоса со стороны всасывания служит для аккумуляции и прерывистых откачек подаваемой жидкости, если скапливающийся средний подводящий поток меньше, чем подача насоса.

Его величина зависит от подачи насоса Q и от предельно допустимой частоты включений электродвигателей z, см. главу 3.3.3.1.

Полезный объем V_N зумпфа насоса рассчитывается по:

(48)

где

Z максимально допустимое число переключений в 1/ч,

Q_zu подводящий поток в м³/ч,

Q_m = (Q_e + Q_a)/2

Q_e подача при включении в м³/ч,

Q_a подача при отключении в м³/ч,

V_N полезный объем зумпфа насоса, включая возможный подпирающий объем в м³/ч.

Максимальная частота включений получается тогда, когда усредненная подача Q_m удваивается и становится равной протекающему потоку жидкости Q_zu. Максимальное число переключений за час Z_max становится

Z_max = Q_m/4V_N (49)

Периферийное оборудование · Зумпф насоса

При загрязненных жидкостях следует принимать меры, чтобы твердые частицы не оседали и не запруживали воду в застойных зонах и на грунте. Здесь могут помочь стенки, срезанные на конус, по меньшей мере, на 45°, а лучше на 60°, как показано на рисунке 60.

Всасывающая труба

до

Рисунок 60: Косые стенки зумпфа насоса, препятствующие оседанию и скоплению твердых частиц.

7.2.2 Всасывающий трубопровод

Всасывающий трубопровод должен быть, по возможности, коротким и плавным, при данных условиях следует предусмотреть эксцентрические всасывающие трубы согласно рисунку 61 (с достаточно длинным прямым отрезком трубы перед насосом L≥d), чтобы предотвратить скопления воздуха.

Рисунок 61: Эксцентрический переходник и ответвление для предотвращения скоплений воздуха.

Если невозможно избежать конструктивно короткого колена, то выгодно применять сужающееся колено (рисунок 62), чтобы течение было равномерным; перед двупоточными насосами или насосами с полуосевыми (или полностью осевыми) рабочими колесами необходимо использовать поворотную решетку в колене (см. рисунок 63), поскольку это позволяет подаваемая жидкость (не для длинноволокнистых твердых частиц, см. главу 6.5).