• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Основні параметри насосів.

Конструкції насосів інших типів.

Поршневі насоси.

Відцентрові насоси.

Визначення висоти всмоктування

Напір насосу.

Основні параметри насосів.

Насоси в хімічній промисловості

Лекція №10

В хімічній, харчовій, хіміко-фармацевтичній та інших галузях промисловості важливе значення має транспортування рідких або газоподібних продуктів по трубопроводах, як в межах підприємств між окремими апаратами і установками, так і поза їх межами. Таке переміщення рідин і газів здійснюється відповідно насосами, вентиляторами та компресорами.

Насоси – гідравлічні машини, які перетворюють механічну енергію двигуна в енергію рухомої рідини, підвищуючи її тиск. Різниця тисків в насосі і трубопроводі обумовлює її переміщення.

За принципом дії насоси діляться на лопатеві (відцентрові), об‘ємні, вихрові, осьові.

В лопатевих насосах тиск створюється відцентровою силою, що діє на рідину під час руху лопатевих коліс.

В об‘ємних насосах різниця тисків виникає при витісненні рідин із замкнутого простору робочими органами, які рухаються зворотньо-поступально (поршневі, плунжерні та діафрагмові насоси) або при їх обертанні (гвинтові, пластинчасті, шестеренчасті).

У вихрових насосах в енергію тиску трансформується енергія вихорів, які утворюються під час руху робочого колеса.

Дія осьових насосів базується на переміщенні рідини, яке виникає під час руху в ній гвинтових пристроїв.

Існує група пристроїв, в яких переміщення рідини забезпечується енергією іншої рідини або газу.

В струминних насосах переміщення рідин створюється рухомою струминою води, повітря, пари.

Переміщення рідин в газліфтах проходить за рахунок різниці густин рідин і газорідинної суміші, яка утворюється під час введення газу у відкриту з двох боків вертикальну трубу, нижній кінець якої опущений в рідину, що перекачується.

В монтежю для переміщення рідини використовується тиск повітря, газу або пари над її поверхнею .

1. Продуктивність або подача Q (м³/с)– об‘єм рідини, що подається насосом в нагнітаючий трубопровід в одиницю часу.

2.Напір Н (м) –це додаткова питома енергія, яку отримує рідина, при її проходженні через насос. Напір виміряється в метрах стовпа перекачуваної рідини і визначається за рівнянням Бернуллі.

Напір можна уявити собі як висоту, на яку може бути піднятий 1 кг рідини за рахунок енергії, яка передається насосом, тому напір не залежить від питомої ваги g або густини r рідини.

3. Корисна потужність насосу N_к (Вт) дорівнює добутку напору Н на масову витрату рідини g Q:

(1)

Потужність на валу N_e більша корисної, за рахунок втрат енергії в насосі:

; (2)

h_н – к.к.д. насосу, який характеризує його досконалість.

(3)

h_v – об’ємний коефіцієнт подачі, ; h_v –об’ємний ККД показує зменшення реальної продуктивності по відношенню до теоретичної, внаслідок невчасного спрацювання клапанів, втрат через сальники, виділення в об’ємі насосу розчиненого газу і т.д.

h_г – гідравлічний к.к.д. враховує зменшення дійсного напору по відношенню до теоретичного внаслідок втрат напору при проходженні рідини через насос.

h_мех – механічний к.к.д. враховує втрати потужності на механічне тертя в сальниках і підшипниках валу насосу.

В загальному к.к.д. насосу залежить від його типу і розмірів

Номінальна потужність, яку споживає двигун N_дв більша за потужність на валу:

; (4)

к.к.д. передачі h_пер і к.к.д. двигуна h_дв – характеризують втрати потужності від двигуна до насоса і в самому двигуні.

Потужність двигуна, який встановлюється N_вст розраховується по N_дв з врахуванням перевантажень в момент його запуску.

N_вст=bN_дв (5)

b - коефіцієнт запасу потужності. b=1,1¸2 в залежності від потужності двигуна.

2. Напір насосу.

Рис. Схема насосної установки: 1- прийомна ємність; 2- напірна ємність; 3- насос; М- манометр; В- вакуумметр

Введемо позначення: Н_н – висота нагнітання; Н_вс. – висота всмоктування; Н_г – геометрична висота подачі рідини; h – висота по вертикалі між рівнями розміщення манометра М і вакуумметра В; р₀ – тиск в ємності 1, з якої насосом засмоктується рідина; р₂ – тиск в напірній ємності 2; р_вс – тиск у всмоктуючому патрубку насоса; р_н – тиск в напірному патрубку насоса.

Приймаємо за площину відліку рівень рідини в ємності 1 і на ділянці всмоктування напишемо рівняння Бернуллі для площин 0-0 і 1´- 1´.

Рівняння Бернуллі на ділянці нагнітання для площин 1´´-1´´ і 2-2, якщо за площину порівняння взяти площину 0-0

w₀ і w₂ – швидкості рідин в ємностях 1 і 2 відповідно в січеннях 0-0 і 2-2.

h_вт.вс. i h_вт.н – втрати напору у всмоктуючій і нагнітальній лініях. Можна прийняти, що швидкості в ємностях дуже малі в порівнянні зі швидкостями рідини в трубопроводах і прийняти, що: w₀ »0 і w₂ » 0.

р_вс і р_н – відповідно тиски всмоктування і нагнітання на вході в насос і на виході з нього.

Напір насосу Н визначається як різниця між питомою енергією на виході з насосу Е_вих і на вході Е_вх

Визначення напору насосу під час його роботи

(6)

Якщо (коли діаметри трубопроводів всмоктування і нагнітання однакові), тоді напір визначається по формулі

Враховуючи, що і повний напір H може бути визначений за показами манометра р_м і вакуумметра р_в:

(7)

Напір працюючого насосу визначається сумою показів манометра і вакуумметра (в м стовпа рідини, що перекачується) і віддалі по вертикалі між точками розміщення цих приладів h.

Для розрахунку напору насосу різницю H=E _вих - E _вх можна визначити з вище наведених рівнянь іншим способом.

Враховуючи ,що ; H _Г=H _вс+h+H_н ; h _вт.=h _вт.н.+h _вт.вс.

(8)

Повний напір насосу витрачається на підйом рідини на повну геометричну висоту Н_г , подолання різниці тисків в напірній і вихідній ємностях і компенсацію втрат напору у всмоктуючому і нагнітаючому трубопроводах( використовують в проектних розрахунках).

Якщо тиски р₀=р₂, то повний напір рівний:

При перекачуванні по горизонтальному трубопроводу Н_г=0 і

У випадку, коли р₂=р₀ і Н_г=0 то повний напір рівний Н=h_вт.

3.Визначення висоти всмоктування

Всмоктування рідин насосом відбувається під дією перепадів тисків у вихідній ємності р₀ і в насосі р_вс або під дією різниці напорів:

Висота всмоктування може бути визначена з рівняння Бернуллі, написаного для площини 0-0 і 1´-1´.

Приймаючи до уваги, що .

Таким чином висота всмоктування насосу збільшується із зростанням тиску Р₀ у вихідній ємності і зменшується із збільшенням тиску Р_вс , швидкості рідини _вс і втрат напору у всмоктуючому трубопроводі h_вт.вс.

Якщо рідина перекачується з відкритої ємності, то тиск р₀ =р_атм. Тиск на вході в насос р_вс повинен бути більшим тиску насиченої пари рідини р_t, що перекачується, при температурі всмоктування, оскільки рідина почне кипіти. Інакше в насосі утворюється пара і виникає розрив потоку, а висота всмоктування падає до нуля. Таким чином

(9)

Якщо температура рідини рівна температурі кипіння, то Н_вс0.

Тому при перекачуванні гарячих рідин насос встановлюють нижче рівня рідини, щоб створити певний тиск на лінії всмоктування. Теоретична висота всмоктування не може бути більше висоти стовпа рідини, який рівний атмосферному тискові і залежить від місця розміщення насоса (на рівні моря чи високо в горах), оскільки від цього залежить величина атмосферного тиску.

При розрахунку висоти всмоктування крім втрат напору на тертя і місцеві опори необхідно також врахувати інерційні втрати напору (для поршневих насосів h_н), або вводити кавітаційну поправку для відцентрових насосів h_к. В поршневому насосі має місце нерівномірність подачі, внаслідок чого стовп рідини, що рухається у всмоктуючому трубопроводі переміщається із змінним прискоренням, а сила інерції направлена в протилежну сторону рухові рідини. Кавітація виникає при великих швидкостях робочих коліс відцентрових насосів, при перекачуванні гарячих рідин, коли проходить інтенсивне випаровування рідини в насосі. Бульбашки пари попадають в область високих тисків в нагнітаючому трубопроводі і миттєво конденсуються. Рідина заповнює об‘єми газу, які значно більші за об‘єми рідини, це призводить до гідро ударів і супроводжується шумом і вібрацією насосу. Кавітація призводить до швидкої поломки насосу за рахунок гідро ударів і корозії, яка має місце в період пароутворення. При кавітації продуктивність і напір насосу різко падають.

Тому розрахункову висоту всмоктування зменшують на величину h_к. для попередження виникнення в насосі кавітації.

4.Відцентрові насоси

Принцип дії насоса

У відцентрових насосах всмоктування і нагнітання рідини проходить рівномірно і безперервно під дією відцентрової сили, що виникає при обертанні робочого колеса з лопатками, яке розміщене в спіралеподібному корпусі.

В одноступінчатому відцентровому насосі рідина із всмоктуючого трубопроводу 1 поступає вздовж осі робочого колеса 2 в корпус 3 насосу і попадаючи на лопатки 4, набуває обертового руху. Відцентрова сила відкидає рідину в канал змінного перерізу між корпусом і робочим колесом, в якому швидкість рідини зменшується до значення рівного швидкості в нагнітальному трубопроводі 5.

Рис. Схема відцентрового насоса: 1- всмоктуючий трубопровід; 2- робоче колесо; 3- корпус; 4- лопатки; 5- нагнітальний трубопровід.

Як випливає з рівняння Бернуллі, відбувається перетворення кінетичної енергії потоку рідини в статичний напір, що забезпечує підвищення тиску рідини. На вході в колесо створюється понижений тиск і рідина з ємності безперервно поступає в насос.

Рис. Схема багатоступінчатого насоса:

1- робоче колесо; 2- корпус; 3- вал; 4- відвідний канал.

Основне рівняння відцентрових машин Ейлера

В каналах між лопатками робочого колеса рідина, рухаючись вздовж лопаток, одночасно здійснює обертовий рух разом з колесом.

Визначимо повний напір, що розвиває колесо при транспортуванні ідеальної рідини. Абсолютні швидкості руху рідин на вході в колесо С₁, на виході з колеса С₂ є кожна геометричною сумою відносної і колової швидкостей і їх можна розкласти на відносні складові ω₁ і ω₂ направлені вздовж лопаток, а також колові (направлені по дотичній до кола руху колеса) u₁ і u₂ .

Рис. До виведення основного рівняння відцентрових машин.

Приймемо за площину порівняння площину робочого колеса, складемо баланс енергії рідини при проходженні її через колесо за рівнянням Бернуллі (z₁ =z₂)

При обертанні колеса рідина на виході отримує додаткову енергію А на шляху довжиною r₂ - r₁.

Тоді

Якщо колесо рухається з кутовою швидкістю ω, то відцентрова сила С, яка діє на частину рідини масою m, рівна:

де r – біжучий радіус обертання частинки.

Робота А_G, яка здійснюється відцентровою силою при переміщенні цієї частини на шляху r₂ - r₁ складає:

Добуток ω·r=u.

Тоді А_G рівна:

Питома робота, віднесена до одиниці ваги рідини, рівна питомій енергії, яку отримує рідина в насосі:

Рівняння перепишеться у вигляді:

звідки:

Згідно рівняння Бернуллі, напори рідини на вході в колесо Н₁ і на виході з нього Н₂ складають:

Тоді теоретичний напір Н_т рівний:

Підставивши значення у рівняння отримуємо:

З паралелограмів швидкостей на вході в колесо і виході з нього

Тоді рівняння запишеться у вигляді:

(11)

Рівняння є основним рівнянням відцентрових машин і може бути використано для розрахунку всіх відцентрових машин (турбогазодувок, турбокомпресорів, вентиляторів та інш.).

Звичайно рідина, поступаючи із всмоктуючого трубопроводу, рухається по колу в радіальному напрямку. Кут між абсолютним значенням швидкості рідини на вході в робоче колесо і коловою швидкістю (умова без ударного поступлення рідини в колесо), тоді рівняння спрощується:

(12)

Дійсний напір насоса менше теоретичного, оскільки частина енергії рідини витрачається на подолання гідравлічних опорів всередині насоса і рідина в ньому при кінцевій кількості лопаток не рухається за подібними траєкторіями.

де - гідравлічний к.к.д. насоса, рівний 0.8-0.95; - коефіцієнт, який враховує кінцеву кількість лопаток в насосі, рівний 0.6-0.8.

Продуктивність відцентрового насоса рівна:

де - товщина лопаток; z – число лопаток; b₁ і b₂ – ширина робочого колеса на внутрішній і зовнішній поверхнях; С_1r і С_2r – радіальні складові абсолютних швидкостей на вході в колесо і виході з нього.

Закони пропорційності

Продуктивність і напір відцентрового насосу залежать від числа обертів робочого колеса. Продуктивність насосу прямо пропорційна радіальній складовій абсолютної швидкості на виході з колеса. Якщо змінити число обертів насосу від n₁ до n₂, то і продуктивність змінюється від Q₁ до Q₂, тобто:

(13)

Рис. Подібність паралелограмів швидкостей при зміні числа обертів колеса від n₁ до n₂.

Напір відцентрового насосу пропорційний квадрату колової швидкості, тобто: (14)

Потужність насосу пропорційна добутку продуктивності на його напір, звідки випливає, що:

(15)

Приведені рівняння носять назву законів пропорційності.

Характеристика насосу

Графічна залежність напору Н, потужності N_e і коефіцієнта корисної дії h_н від його продуктивності Q при постійному числі обертів n називається характеристикою насосу. Ці характеристики отримують при випробуванні насосів.

Рис. Характеристика відцентрового насоса.

Із приведених графічних залежностей випливає, що із збільшенням продуктивності при n=const напір насосу зменшується, потужність зростає, а к.к.д. h_н переходить через максимум.

Універсальна характеристика.

Рис. Універсальна характеристика відцентрового насосу.

Робота насосу на мережу

При виборі насосу необхідно враховувати характеристики насосу і мережі (система трубопроводів і апаратів, через які проходить рідина )

Рис. Суміщення характеристик насоса і мережі.

Відомо, що напір, який розвиває насос і враховуючи, що і відповідно

Одержимо (16)

Характеристика мережі виражається залежністю, яка являє собою рівняння параболи .

(17)

Точка Р – перетин двох кривих, називається робочою точкою і вона відповідає найбільшій продуктивності насосу Q₁ при його роботі на дану мережу.

Послідовне і паралельне з‘єднання насосів

Рис. Сумісна робота насосів: а- паралельне з’єднання; б- послідовне з’єднання.

Часто виникає необхідність в роботі кількох насосів на одну мережу. Розрізняють паралельне і послідовне з‘єднання. При паралельному з‘єднанні двох насосів продуктивність зростає майже у два рази і дещо зростає напір, а при послідовному - навпаки.

Послідовне з’єднання двох насосів доцільно застосовувати при наявності крутих характеристик для збільшення напору ( приблизно збільшується в два рази).

Паралельне з’єднання двох насосів доцільно застосовувати при наявності похилих характеристик, коли продуктивність збільшується приблизно в два рази)

5. Поршневі насоси

В поршневому насосі всмоктування і нагнітання рідини здійснюється при зворотно-поступальному русі поршня 1 в циліндрі 2. При русі поршня вправо в замкнутому просторі між кришкою 3 циліндра і поршнем 1 створюється розрідження. Під дією різниці тисків рідина піднімається по всмоктуючому трубопроводі і подається в циліндр через клапан 4, який при цьому відкривається. Клапан 5 в цей час закритий.

Рис. Схема горизонтального поршневого насоса простої дії: 1- поршень; 2- циліндр; 3- кришка циліндра; 4- всмоктуючий клапан; 5- нагнітальний клапан; 6- кривошипно-шатунний механізм; 7- ущільнюючі кільця.

При ході поршня вліво у циліндрі створюється тиск, під дією якого клапан 4 закривається, а клапан 5 відкривається і рідина поступає в напірний трубопровід.

Такий насос носить назву насосу простої дії. В ньому за два ходи поршня має місце одне всмоктування і одне нагнітання що спричиняє нерівномірності подачі.

В насосах подвійної дії за два хода поршня відбувається два всмоктування і два нагнітання. Зростає не тільки продуктивність, але і рівномірність подачі. Поршневі насоси, в залежності від конструкції поршня, ділять на поршневі і плунжерні насоси.

Рис. Схема горизонтального плунжерного насоса простої дії: 1- плунжер; 2- циліндр; 3- сальник; 4- всмоктуючий клапан; 5- нагнітальний клапан.

Рис. Схема горизонтального плунжерного насоса подвійної дії: 1- плунжер; 2- циліндри; 3,4- всмоктуючі клапани; 5,5- нагнітальні клапани.

Рис. Схема насоса потрійної дії (триплекс – насоса): 1- циліндри; 2- плунжери; 3- колінчатий вал; 4- шатуни.

Плунжерний насос відрізняється великим відношенням довжини циліндра до діаметру. Плунжерні насоси не вимагають високої чистоти обробки внутрішньої поверхні циліндр

Продуктивність поршневих насосів

Теоретична продуктивність насосу простої дії дорівнює:

(18)

F – площа перерізу поршня; S – довжина ходу поршня; n - число обертів кривошипно-шатунного механізму.

Теоретична продуктивність насосу подвійної дії

(19)

f – площа перерізу штока.

Дійсна продуктивність поршневого насосу:

(20)

- об‘ємний коефіцієнт корисної дії, в середньому складає 0.85¸0.99.

Характеристика насосу

Характеристика поршневого насосу показує, що його продуктивність є величина постійна і не залежить від напору. Із збільшенням тиску, внаслідок збільшення втрат рідини через нещільності, дійсна продуктивність поршневого насосу дещо зменшується (пунктирна лінія на рис).

Рис. Характеристика поршневого насоса.

Нерівномірність подачі насосів

Швидкість поршня, що приводиться в рух кривошипно-шатунним механізмом, не є постійною. Вона змінюється від нуля до деякого максимального значення. Рідина рухається безвідривно за поршнем і тому подача насосу простої дії буде змінюватися у відповідності до закону руху поршня

Рис. Діаграми подачі поршневих насосів: а- простої дії; б- подвійної дії; в- потрійної дії (триплексного насоса).

Насоси подвійної і потрійної дії (триплекс насоси) відзначаються більш рівномірною подачею.

Для зменшення нерівномірності подачі і пом’якшення гідравлічних ударів, при швидкому закритті вентиля на напірному трубопроводі поршневі насоси компонуються з повітряними ковпаками, які встановлюють на вході рідини в насос і на виході з насосу

Повітряний ковпак представляє собою буферну проміжну посудину, в якій приблизно 50% об’єму займає повітря. При прискоренні руху поршня, повітря що знаходиться в буфері стискається. Надлишок рідини поступає в ковпак і видаляється з нього, коли подача менше середньої.

При цьому тиск повітря в ковпаку змінюється незначно і рух рідини в нагнітаючому і всмоктуючому трубопроводі близький до рівномір

Індикаторна діаграма.

Індикаторна діаграма показує залежність абсолютного тиску в циліндрі поршневого насосу від довжини ходу поршня або об’єму, який описує поршень. На рис. 4.17. представлена спрощена індикаторна діаграма поршневого насосу простої дії. Лінія аb відповідає процесу всмоктування. Тиск в циліндрі р_о в цей момент менше атмосферного р_а. Під дією різниці тисків (р_а - р_о) всмоктуючий клапан підтримується у відкритому стані (точка b) відповідає правому крайньому положенню поршня.

В цей момент всмоктуючий клапан закривається і поршень рухається вліво. Тиск в циліндрі різко зростає (лінія bс) до р_н, при якому відкривається нагнітаючий клапан (точка c).

Подача рідини в нагнітаючий трубопровід проходить при постійному тискові р_н (лінія сd). Точка d відповідає лівому крайньому положенню поршня, після чого поршень починає рухатися вправо, нагнітаючий клапан закривається і тиск в циліндрі різко падає до значення р_о, при якому відкривається всмоктуючий клапан. В точках (а, с) в моменти відкриття клапанів виникає деяке коливання тиску, яке викликане інерцією клапанів.

Рис. Повітряні ковпаки: а- на всмоктуючій лінії; б- на нагнітальній лінії.

Рис. Індикаторна діаграма поршневого насоса простої дії.

Читайте також:

1. II. Основні закономірності ходу і розгалуження судин великого і малого кіл кровообігу
2. Адвокатура в Україні: основні завдання і функції
3. Амортизація основних засобів, основні методи амортизації
4. Аналітичні параметри
5. Аналітичні параметри
6. Артеріальний пульс, основні параметри
7. Банківська система та її основні функції
8. Біржові товари і основні види товарних бірж. Принципи товарних бірж.
9. Будова й основні елементи машини
10. Будова оптоволокна та основні фізичні явища в оптоволокні.
11. Будова, характеристики і параметри біполярного транзистора
12. Бюджетування (основні поняття, механізм).

Переглядів: 11679