Насоси тертя і використання енергії

Зовнішнього потоку.

До цієї групи відносяться ті насоси у яких енергія рідині передається внаслідок використання сил тертя або використання енергії зовнішнього потоку. Із таких насосів в системах водопостачання і каналізації використовуються: вихрові, шнекові, вібраційні, струминні і повітряні водопідіймачі (ерліфти).

 

Вихрові насоси.

Вихрові насоси - це насоси тертя із спеціальними робочими колесами і боковими каналами в корпусі. Деякі автори відносять їх до лопасних. На нашу думку, вихрові насоси слід віднести до насосів змішаної дії. В них одинаково важливу роль мають і сили рідинного тертя, і силова дія лопаток на рідину. Завдяки простій конструкції, малій вазі і невеликим габаритам ці насоси широко розповсюджені. Схема вихрового насоса зображена на рисунку 64.

Рисунок 64. Схема вихрового насоса. а) - поперечний розріз; б) - колесо закритого типу; в) - колесо відкритого типу.

При обертанні робочого колеса рідина захвачується лопатками біля входу 1 в кільцевий канал 2. Потім під дією відцентрової сили вона викидається в цей канал, захвачується лопатками знову і знову викидається. За один оберт робочого колеса частка рідини кілька разів захвачується лопатками і викидається в кільцевий канал. Завдяки силі рідинного тертя в такий рух залучається уся маса рідини, яка знаходиться в кільцевому каналі. При цьому в каналі створюється складний вихровий потік рідини (тому і насоси називають вихровими). Таким чином, при проходженні від входу в кільцевий канал до виходу із нього кожна частка рідини декілька разів отримує приріст енергії. Тому при одинакових діаметрах робочого колеса вихрові насоси створюють напір в 2 - 4 рази більший ніж відцентрові. Завдяки цьому вихрові насоси мають менші габарити і масу у порівнянні з відцентровими насосами таких же робочих параметрів. Важливою перевагою вихрових насосів є їх здатність до самозасмоктування рідини, що дуже полегшує їх експлуатацію.

Робочі колеса вихрових насосів бувають закритого і відкритого типу. Закрите колесо (рисунок 64-б) - це плоский диск з короткими лопатками, які розміщені на його периферії. Відкрите колесо (рисунок 64-а) - це ступиця з довгими радіальними лопатками. Кількість лопаток у відкритих колес від 12 до 24, а у закритих - від 18 до 30.

Вихрові насоси випускають з подачею 1-50 м³/годину при напорах 25-100 метрів водяного стовпа. Висота всмоктування 4-8 метрів.

До недоліків вихрових насосів відносять відносно низький коефіцієнт корисної дії (25 - 45%) і швидке зношування робочих колес і ущільнюючих площин при подачі рідини з абразивними домішками.

Промисловість виробляє одноступеневі вихрові насоси типів ВК -  вихровий консольний, ВКС - вихровий консольний самозасмоктуючий і ВКО - вихровий консольний з підігрівом для транспортування густих при звичайній температурі рідин (наприклад мазуту). На напірних патрубках насосів ВКС є повітряні ковпаки з пристроями для відділення повітря від рідини.

Характеристики Q-H i Q-N у вихрових насосів близькі до лінійних. В позначенні марки вихрових насосів крім букв, які показують тип насоса, наводяться подача і напір. Наприклад, маркою ВКС-2/26 позначено вихровий консольний самозасмоктуючий насос з номінальною подачею 2 л/с при напорі 26 метрів водяного стовпа.

Вихрові насоси застосовують в тих випадках, коли потрібна невелика подача при відносно великих напорах. Самозасмоктуючі вихрові насоси часто використовують як дренажні для відкачки води із приміщень заглиблених насосних станцій.

Відцентрово-вихрові насоси мають два робочих колеса: відцентрове і вихрове. Це двохступеневі насоси змішаної дії. Здебільшого, відцентрове колесо розміщується перед вихровим, тобто рідина попадає спочатку у відцентрове колесо, де

створюється невеликий напір, а потім у вихрове колесо, де напір підвищується. При такому поєднанні робочих колес досягають великих напорів при відносно невеликій подачі.

На рисунку 65 зображено відцентрово-вихровий насос типу ЦВК (відцентрово-вихровий консольний). Такі насоси виробляють з подачами 14 - 36 м³/годину і напорами до 280 метрів водяного стовпа. Ці насоси мають однобічний осьовий підвід рідини.

Графіки характеристик насосів типу ЦВК  близькі до прямих ліній. Коефіцієнт корисної дії досягає 45 - 48%. В позначення марки насоса, крім букв, входить подача і напір насоса при максимальному К.К.Д. (як і у вихрових насосів).

Насоси типу ЦВК  використовують, здебільшого, в контурах підживлення для водонагріваючих котлів малої потужності. Але їх можна застосовувати і для систем водопостачання невеликих об’єктів, коли необхідно створювати великі напори.

Рисунок 65. Відцентрово-вихровий насос типу ЦВК. 1 - кришка корпусу; 2 - відцентрове колесо; 3 - вставка корпусу; 4 - вихрове колесо; 5 - корпус; 6 - сальник; 7 - кронштейн; 8 - вал.

 

Насоси  ЦВК можуть бути обладнані повітряними ковпаками для створення самозасмоктуючого ефекту.

Вільно-вихрові насоси (інколи їх називають смерчовими) призначені для транспортування стічних вод, які містять

домішки відносно великих розмірів. Вони позначаються буквами  СДС або СМС.  СДС - длястічних вод динамічний, вільновихровий («свободно-вихревой»); СМС - стічно-масний вільновихровий. За принципом дії (рисунок 66) ці насоси відносяться до лопасних насосів тертя (як і вихрові).

Рисунок 66. Схема вільно-вихрового насоса. 1 - корпус; 2 - всмоктувальний патрубок; 3 - напірний патрубок;    4-робоче колесо.

Відкрите робоче колесо розміщено в кишені задньої стінки корпусу насоса. При цьому перед торцем колеса створюється камера, яка вільна від рухомих деталей. Ширина цієї камери дорівнює діаметру напірного патрубка. Через робоче колесо проходить тільки частина загального потоку рідини, що поступає в насос. Цей, так званий, циркуляційний потік  Q_ц складає 15 - 25% від подачі насоса. Решті рідини Q_o , яка поступає в насос, енергія передається шляхом вихрового енергообміну з циркуляційним потоком. Широка проточна камера без рухомих деталей і відкрите робоче колесо сприяють тому, що насос практично не закупорюється і, як наслідок, суттєво знижуються затрати праці на його експлуатацію. Але коефіцієнт корисної дії вільно-вихрових насосів (45 - 55%) нижче ніж у відцентрових. Зараз промисловість виробляє вільно-вихрові насоси з подачею 80 - 250 м³/годину.

 

Шнекові насоси.

Шнекові насоси (гвинти Архімеда) за принципом дії відносяться до насосів тертя. В цих насосах рідина переміщується через гвинтовий шнек в напрямі його осі. В Україні ці насоси не знайшли широкого розповсюдження, але за кордоном вони застосовуються в системах каналізації для підйому стічних вод на порівняно невелику висоту (до 7 - 8 метрів). Схема шнекової установки такого призначення зображена на рисунку 67.

Рисунок 67. Шнекова насосна установка. 1 - вхідний колектор; 2 - шибери; 3 - нижня опора шнека; 4 - захисне огородження;5 - шнек; 6 - верхня опора; 7 - підшипник; 8 - редуктор; 9 - електродвигун.

Робочим органом такого насоса є довгий шнек, який конструктивно виконано в виді трубчатого валу з навитою на нього спіраллю із листового металу. Завивка може бути одно-, двох- і трьохзахідною (здебільшого шнеки роблять трьохзахідними). Шнек установлюють в лоток із металу або залізобетону. Для збільшення об’ємного К.К.Д. зазори між шнеком і лотком повинні бути мінімальними. Лоток із шнеком ставлять з нахилом до горизонту під кутом 25-35°. Зверху лоток закривають захисним кожухом. Довжина шнека залежить від висоти підйому рідини і від кута його нахилу. Швидкість обертання шнека приймають такою, щоб окільна швидкість руху на його зовнішньому діаметрі була 2 - 5 м/с. Найчастіше частота обертання шнека знаходиться в діапазоні 20 - 100 об/хвилину. Тому в склад шнекової насосної установки входить редуктор або ремінна передача, щоб знизити частоту обертання привідного електродвигуна. Нижня підшипникова опора шнека знаходиться під рівнем рідини. Тому її герметизують сальником і змащують маслом.

До складу шнекового насосного агрегату, який поставляється виробником, входять шнек з опорами, редуктор і електродвигун. Інколи в нього включають і металічний лоток.

Шнекові агрегати прості і надійні в експлуатації і мають досить високий К.К.Д. (65 - 75%), але вони дуже масивні і громіздкі. Головною їх перевагою є можливість транспортування рідини з крупними (до 100 мм) домішками, що суттєво спрощує експлуатацію насосної станції. Подачу шнекового насоса можна регулювати зміною швидкості обертання шнека. В літературі описані шнекові насоси з подачами до 16000 м³/годину і з напорами до 8 метрів.

 

Гідроструминні насоси.

Гідроструминні насоси відносяться до насосів тертя. В основу їх дії положено принцип безпосередньої передачі кінетичної енергії від робочої рідини до тієї, яку перекачують. В залежності від роду робочої рідини, а також від тієї рідини, яку слід транспортувати, гідроструминні насоси часто називають гідроелеваторами або ежекторами. Схема гідроструминного насоса зображена на рисунку 68.

Якщо знехтувати втратами напору, то питомий запас повної енергії (потенційної і кінетичної) для потоку рідини буде постійним. Згідно рівнянню Бернуллі, цей запас дорівнює Е_пит = Р/ r g + V²/2g. Це явище і використовується в гідроструминних насосах.

Рисунок 68. Схема установки струминного насоса. 1 - всмоктувальна труба; 2 - напір-на труба; 3, 4 - збірний і нижній резервуари; 5 - сопло; 6 - усмок-тувальна камера; 7 - камера змішування; 8 - дифузор;         9 - трубопровід.

Робоча рідина під напором по трубі 2 подається в сопло 5. В соплі її швидкість і кінетична енергія зростають, а потенційна енергія і, відпо-відно, тиск зменшуються. При досить великій швидкості рідини в соплі тиск в камері 6 стане менше атмосферного, тобто там виникне вакуум. Внаслідок цього, під дією атмосферного тиску вода із нижнього резервуару 4 по трубі 1 буде підніматися в камеру 6 і потім в камеру 7. В камері змішування потоки робочої рідини і рідини, що піднімається, змішуються. При цьому робоча рідина віддає частину своєї енергії тій рідині, яку піднімає. Потім змішаний потік рідини поступає в дифузор 8, де його швидкість поступово зменшується, а статичний напір збільшується. Далі по напірному трубопроводу суміш поступає в збірний резервуар 3.

Розрахунок гідроструминних насосів при заданих Q_э, Q_p, Н і Н₁  зводиться до знаходження оптимального діаметра отвору сопла, діаметра і довжини камери змішування, а також розмірів дифузора.

Відношення витрати Q_э рідини, яку піднімають, до витрати Q_p робочої рідини називають коефіцієнтом інжекції (або коефіцієнтом підмішування) a = Q_э / Q_p.

Відношення висоти підйому рідини Н  до робочого напору Н₁ називають коефіцієнтом напору: b = Н / Н₁.

Коефіцієнт корисної дії струминного насоса дорівнює добутку коефіцієнтів інжекції і напору: h = a * b. У кращих конструкцій гідроструминних насосів К.К.Д. досягає 25 - 30%.

Гідроструминні насоси застосовуються для підйому води із свердловин, для водовідливу і водопониження при будівельних роботах, для підмішування гарячої води в системах опалення. На каналізаційних очисних спорудах ці насоси використовують для видалення мулу із пісколовок і для перемішування мулу в метантенках. Гідроструминні насоси можна також пристосувати для відкачки повітря із відцентрових насосів перед їх пуском.

Перевагами гідроструминних насосів є простота конструкції, відсутність рухомих деталей, надійність в роботі, невеликі габарити і мала вартість. До недоліків можна віднести низький коефіцієнт корисної дії, і необхідність подачі до сопла відносно великої кількості робочої рідини під високим тиском.