Компрессоры: схема и принцип работы

Компрессоры: схема и принцип работы

При необходимости подачи сжатого воздуха в различных технологических процессах в системах водоснабжения и водоотведения используют воздуходувки (менее 0,3МПа) и компрессоры (более 0,3МПа). Компрессоры делят на ротационные и поршневые. В отличие от многоступенчатых насосов, в многоступенчатых компрессорах последующие ступени имеют меньший размер по сравнению с предыдущими. КПД поршневых компрессоров 0,75…0,9. Мощность компрессора N = α_адQρ/η_мη_адη_об, где αад – работа адиабатического сжатия; Q – подача, нм³/ч; ρ – плотность перекачиваемого воздуха; η_м – механический кпд (0,97…0,99); η_ад – адиабатический кпд, выражающий отношение работы адиабатического сжатия к полной работе (0,6…0,75); η_об – объемные утечки (0,95…0,98).

α_ад = 35000Р₁((P₂/Р₁)^0,29 – 1), где Р₁ и Р₂ – начальное и конечное давления.

Поршневые компрессоры имеют воздушный резервуар-ресивер, т.к. они подают воздух неравномерно.

Шнековые и вибрационные насосы

Рабочий орган шнековых подъемников является шнек, представляющий собой вал с навитой на него спиралью. Как правило выполняют с трехзаходной спиралью. Это обеспечивает подачу воды и равнопрочность шнека при любом угле поворота. Угол наклона шнека принимают 25…30⁰, что при длине шнека 10…15м обеспечивает высоту подъема 5…8м. Чем больше подача, тем больше должно быть поперечное сечение шнека, а это увеличивает его жесткость. Поэтому при большей подаче можно принимать большую длину шнека, увеличивая тем самым высоту подъема. Подача 15…5000л/с при высоте подъема 6…7м. Средний КПД – 0,7…0,75.

Вихревые и струйные насосы

К струйным относят: водоструйные насосы, работающие на воде; эжекторы – на газе или воздухе; инжекторы – на паре; гидроэлеваторы – на горячей воде; газо- и пароструйные компрессоры – на газе или паре. Все они работают по общему принципу: кинетическая энергия рабочей жидкости (газа) передается перекачиваемой жидкости (газу) для ее засасывания и подъема.

+ - возможность перекачивать гравийно-песчаные смеси крупных фракций.

- - низкий КПД (15…27%) и необходимость подачи большого количества рабочей жидкости.

 

Насосы, применяемые при производстве строительных работ

Это грунтовые, песковые, растворо- и бетононасосы, насосы для перекачки сухого цемента. Чаще используют песковые и грунтовые насосы. Они исп для перекачки пульпы и производственных сточных вод с большим количеством тяжелых механических примесей, в т.ч. абразивных. Проточная часть изготавливается с футуровкой корундом или с изготовлением корпуса из износостойкого металла

Грунтовые насосы Гр, ГрА с подачей 7…16тыс.м³/ч, напором 8…80м

Песковые П и ПБ с подачей 5…1500м³/ч и напором 7…65м.

Растворонасосы – для подачи от растворных узлов к стройплощадкам с подачей 2…4м³/ч и напором 70…150м.

Растворо- и бетононасосы – объемные насосы. Насосы для цемента – винтовые или пневматические с подачей 20…200т/ч, дальность подачи – 200…400м. В рабочую смесительную камеру подается цемент и сжатый воздух. Смесительная камера герметична. НПВ 64-4 - насос пневматический винтовой с подачей 64т/ч и дальностью 400м. Все цементонасосы должны обеспечивать подачу цемента на высоту до 30м.

Воздушные водоподъемники

Эрлифт состоит из вертикальной трубы, погружаемой под уровень воды в скважине или в приемном резервуаре. Внутри трубы проходит воздуховод, по которому сжатый воздух подается компрессором и распыляется с помощью форсунки, находящейся на глубине Н_п ниже уровня воды в скважине. Плотность образующейся при этом смеси значительно меньше плотности воды, в результате чего смесь поднимается по трубе над уровнем воды в скважине на высоту Н. Напор Н = Н_п(ρ – ρ_см)/ρ_см.

КПД не превышает 0,3…0,4, а с учетом потерь в компрессоре общий КПД установки составляет обычно 0,15…0,2.

Воздуходувки: конструкция, область применения

При необходимости подачи сжатого воздуха в различных технологических процессах в системах водоснабжения и водоотведения используют воздуходувки (менее 0,3МПа) и компрессоры (более 0,3МПа). Воздуходувки – это ц/б насосы, только подача его выражается в нм³/ч – нормальный м³/ч (т.е. при t = 20⁰C и P = 760мм рт. ст.).

По подаче воздуходувки бывают: малые (до 200нм³/мин), средние (до 360нм³/мин), большие (360…750 нм³/мин).

ТВ-175-1,6 - турбовоздуходувка с подачей 175нм³/мин и развиваемым давлением в 1,6МПа.

Характеристики воздуходувок аналогичны характеристикам лопастных насосов, только по оси ординат не напоры, а разность давлений нагнетания и всасывания ΔР. Характеристика ΔР-Q нестабильна. Это может вызвать нестабильную работу воздуходувки – явление помпажа. Для защиты воздуходувки от этого явления устанавливают противопомпажные устройства с выпускным клапаном, к-е обеспечивают сброс избыточного воздуха. Мощность воздуходувки N = α_адQρ/η_мη_адη_об, где αад – работа адиабатического сжатия; Q – подача, нм³/ч; ρ – плотность перекачиваемого воздуха; η_м – механический кпд (0,97…0,99); η_ад – адиабатический кпд, выражающий отношение работы адиабатического сжатия к полной работе (0,6…0,75); η_об – объемные утечки (0,95…0,98).

α_ад = 35000Р₁((P₂/Р₁)^0,29 – 1), где Р₁ и Р₂ – начальное и конечное давления.

 

Водокольцевые насосы. Вакуум-насосы

Водокольцевые насосы используются для удаления газов или воздуха из закрытой системы с целью создания вакууметрического давления (на всасывающих линиях ц/б насосов при заливке их водой перед пуском при положительной высоте всасывания). Главное требование – герметичность. Наибольшее применение получили водокольцевые вакуум-насосы.

Схема вакуум-насоса: рабочее колесо (1), корпус (2), водяное кольцо (3), серповидная полость (4), нагнетательная и всасывающая полость (5) и (6), нагнетательный и всасывающий патрубки (7) и (8). На валу насоса располагается РК с радиальными лопатками эксцентрично по отношению к цилиндрической камере (2), частично заполненной водой. При вращении РК вода засчет ц/б сил отбрасывается к стенке корпуса, образую водяное кольцо (3) и полость (4).

Теоретическая подача вакуум-насоса Q_T = πbn/4((Д₁ – 2а) – zs(l-a)), где Д₁ и Д₂ – диаметр РК и его ступицы, z – число лопаток, l – длина лопатки, а – глубина погружения лопатки в водяное кольцо, s – толщина лопатки, b – ширина лопатки, n – частота вращения ротора (об/с).

Действительный расход подаваемого/откачиваемого воздуха Q_В = η_обQ_Т, где Q_Т = 0,7…0,8.

Водокольцевые насосы могут служить как вакуумные насосы (ВВН – вакуумный водокольцевой насос) или нагнетатели (ВК – водокольцевой компрессор). Промышленность выпускает вакуум-насосы с номинальной подачей Q_н = 0,75…50нм³/мин.

Насосы для перекачки сточных вод

Предназначены для перекачивания бытовых и промышленных сточных вод с рН = 6…8,5; плотностью до 1050кг/м³ и t до 80⁰С. С содержанием твердых абразивных частиц размером до 5мм по массе < 1%.

Состав сточной жидкости обусловливает конструктивные особенности насосов, используемых для перекачки:

1. РК закрытого типа – оно значительно шире и имеет меньшее число лопастей (2…5), т.е. большие проточные каналы.

2. лопатки имеют более обтекаемую форму

3. наличие на корпусе насоса и на входном патрубке люков-ревизий для осмотра и прочистки насосов

4. к сальнику подается чистая вода под давлением на 0,03…0,05МПа превышающим давление в напорном патрубке насоса.

Выпускаются динамические насосы для сточных жидкостей типа СД (ц/б насос) и СДС (свободно-вихревой). Принцип работы аналогичен насосам типа К. Подача 6…10тыс.м³/ч; напор 5,5…110м; кпд = 45…83%.

По расположению вала бывают горизонтальными, вертикальными (СДВ) и полупогружными (СДП).

Скважинные насосы

Агрегаты со скважинными насосами делят на:

1) полупогружные – электродвигатель находится на поверхности над скважиной и соединяется с насосом трансмиссионным валом, длина которого зависит от глубины скважины. Наиболее распространены п/п насосы АТН, НА, А, ЦТВ – артезианские.

Схема п/п насоса: э/д, трансмиссионный вал, соединительная муфта, секция вала, РК, водоподъемная труба. Погружной насос имеет несколько РК, закрепленных на общем валу. Колеса открытого типа (закрытого типа имеют более высокий КПД, но непригодны при больших примесях песка).

+ - возможность наблюдения за работой двигателя без демонтажа сей установки.

- - необходимость устройства длинного трансмиссионного вала и строго вертикальной его центровки, обязательность прямого ствола скважины, быстрое изнашивание вала и деталей насоса, трудоемкость монтажа/демонтажа установки, большая металлоемкость и масса.

2) погружные – весь агрегат представляет собой единый блок и полностью погружается под динамический уровень. К ним относятся АП и ЭЦВ.

Схема п. насоса: э/д, многоступенчатый насос, водоподъемная труба, ствол скважины, задвижка, электрокабель, щит управления. Δh – подпор (для малых и средних >1м, для крупных > 2…6м). Исп. для подъема воды в скважинах d > 100мм в системах водоснаб., водопониж., вертикального дренажа. Всегда многоступенчаты!

+ - отсутствие длинного вала, возможность установки в искривленных скважинах, простота конструкции, уменьшаются размеры эксплуатационного здания над скважиной.

- - высокие требования к качеству воды (<0,06% примесей по массе).

В настоящее время разработаны насосы, способные работать в мутной воде.

Многоступенчатые ц/б насосы

Используются для получения высоких напоров. Бывают секционного и спирального типа. Подача 30…350м³/ч; напор 25…800м; кпд = 60…73%.

 

Вертикальные насосы

При определенных условиях (заглубленная НС, много агрегатов) может получиться, что целесообразнее использовать насосы не с горизонтальным, а с вертикальным расположением вала. Это позволяет сократить площадь и стоимость НС. В случае использования подземных источников применяют только вертикальные насосы. Чаще используются типовые ц/б вертикальные насосы типа В, к-е предназначены для подачи воды и аналогичных жидкостей с t < 35⁰С. Их подача – 1…35м³/с, напор – 15…110м, кпд<90%. По конструкции и назначению они аналогичны насосам типа К.

Маркировка: d_НВ – Q/H, где d_н – d напорного патрубка, мм.

Серийно изготавливают насосы 600В – 1,6/100 и 800В – 2,5/40. Остальные – по спецзаказу. Цифра I или II обозначает, что рабочее колесо обточено. Буква А в конце маркировки означает, что РК отличается от базового, буква О - что частота вращения РК отличается от номинального, буква М – в составе агрегата двухскоростной двигатель.

Классификация насосов

1. Динамические (по виду силового воздействия на жидкость):

1.1. Лопастные (ц/б, осевые, диагональные);

1.2. Трения (Вихревые, струйные, эрлифты, шнековые).

2. Объемные (по форме движения рабочих органов):

2.2. Возвратно-поступательные (поршневые, плунжерные, диафрагменные);

2.3. Роторно-вращательные (шестеренные, винтовые, шиберные).

Повысительные НС

Конструкция, оборудование и схема компоновки ПНС зависят от типа водоводов, по которым вода подводится к станции и отводится от нее. ПНС, используемые для повышения давления в системе напорных трубопроводов (станции подкачки), очень похожи на небольшие водопроводные НС-II. Насосы забирают воду из сети водопровода низкого давления и подают ее в сеть высокого напора.

Оросительные НС

Это мелиоративные НС. Их работа носит сезонный характер (кроме южных территорий). Они имеют самую большую производительность из всех. Допускают временное уменьшение подачи, а в аварийных случаях - полную остановку на 2…3 дня.

Осушительные НС

Это мелиоративные НС. Отводят избыточные поверхностные и грунтовые воды, работают круглый год, но режим неравномерен. Поэтому в них устанавливают 2 группы насосов: для откачки талых и ливневых вод – осевые насосы, и для откачки меженного стока – ц/б. Для обеих групп насосов обязателен резерв.

НС для забора подземных вод

В водоносных пластах, залегающих на глубине более 10м, водозабор грунтовых вод осуществляют, как правило, с помощью трубчатых колодцев, которые чаще всего оборудуют ц/б насосами с трансмиссионным валом и э/д, установленным на поверхности земли, или погружными насосами с э/д, расположенными непосредственно в глубине скважины. В обоих случаях предусматривается установка насосов в наземных или подземных помещениях. Работа происходит без постоянного персонала. Предусматривается возможность применение местного или дистанционного автоматического управления. Автоматические насосные установки могут быть оборудованы насосами различных типов. Однако в связи с переменным напором они должны иметь характеристику, позволяющую им при изменениях давления в баке в заданных пределах работать с высоким КПД. Наиболее эффективны многоступенчатые ц/б, вихревые и водоструйные насосы.

При маломощных водоносных пластах или пластах с небольшим коэффициентом фильтрации применяют лучевые водозаборы, позволяющие использовать мощные насосные агрегаты с более высоким КПД.

 

Передвижные НС

Широко используются для водоснабжения временных сооружений, хозяйств и стройплощадок. Почти все они оборудованы одноступенчатыми ц/б насосами консольного типа или двустороннего входа. В зависимости от системы привода и способа передвижения различают: сухопутные НС с внешним приводом, с собственным двигателем и плавучие НС. В первом случае НС приводится в действие трактором через вал отбора мощности или от вала двигателя. Насосы монтируют на раме трактора. Во втором случае насосы выполняют в виде прицепа. Плавучие НС наиболее мощные. Оборудование размещается на понтоне. Вода забирается через днище понтона. Агрегаты располагаются в трюме понтона.

Обточка колеса ц/б насоса

1. На характеристику насоса наносим точку А с координатами (Н_р;Q_р);

2. Через точку А проводим параболу H = a*Q², где а = Н_р / Q_p²;

3. Находим подачу насоса Q_Е в точке пересечения параболы с исходной характеристикой насоса;

4. Определяем диаметр обточки рабочего колеса D_об из формул подобия: Q_p/Q_E = D_об/D; D_об = D*Q_p / Q_E;

5. Определяем коэффициент быстроходности насоса: n_s = 3,65*n*√(Q_опт) / H_опт^3/4;

Если n_s<150об/мин, то для расчета принимаем следующие формулы подобия: Q_об = D_об*Q / D; Н_об = (D_об/D)²*H, иначе Q_об = D_об²*Q / D²_.

6. Строим новую характеристику насоса с обточенным рабочим колесом (Q_об - Н_об). На исходной характеристике произвольно выбираем несколько точек и переносим их на новую характеристику Q_об-Н_об.

Параллельная работа насосов

1) работа насосов с одинаковыми характеристиками. Поскольку насосы одинаковы, характеристика 2-го насоса совпадает с характеристикой первого (кривая АВ). Начиная с точки С строим характеристику трубопровода СЕ. Каждая точка этой характеристики представляет напор Н, который необходимо приложить, чтобы подать определенный расход Q. Аналитический средний КПД: η_ср = ΣQ_i / (ΣQ_i/η). Такая работа эффективна при пологих характеристиках системы и крутых характеристиках насосов.

2) работа насосов с разными характеристиками возможна только при условии равенства развиваемых ими напоров. Разные насосы могут начать работать только с точки В.

Компрессоры: схема и принцип работы

При необходимости подачи сжатого воздуха в различных технологических процессах в системах водоснабжения и водоотведения используют воздуходувки (менее 0,3МПа) и компрессоры (более 0,3МПа). Компрессоры делят на ротационные и поршневые. В отличие от многоступенчатых насосов, в многоступенчатых компрессорах последующие ступени имеют меньший размер по сравнению с предыдущими. КПД поршневых компрессоров 0,75…0,9. Мощность компрессора N = α_адQρ/η_мη_адη_об, где αад – работа адиабатического сжатия; Q – подача, нм³/ч; ρ – плотность перекачиваемого воздуха; η_м – механический кпд (0,97…0,99); η_ад – адиабатический кпд, выражающий отношение работы адиабатического сжатия к полной работе (0,6…0,75); η_об – объемные утечки (0,95…0,98).

α_ад = 35000Р₁((P₂/Р₁)^0,29 – 1), где Р₁ и Р₂ – начальное и конечное давления.

Поршневые компрессоры имеют воздушный резервуар-ресивер, т.к. они подают воздух неравномерно.