Тема 1. Переміщення рідин . Насоси

Мета: ознайомитися з основними видами і конструкціями насосів

Загальні відомості про насоси

Відцентрові насоси

Поршневі насоси

Спеціальні типи поршневих і відцентрових насосів

Насоси інших типів

6. Порівняння і області застосування насосів різних типів

Теоретичні відомості

1. Загальні відомості про насоси

У промисловості важливе значення має транспортування рідких або газоподібних продуктів по трубопроводах як усередині підприємства між окремими апаратами й установками, так і поза ним. При переміщенні рідини по горизонтальних трубопроводах і з нижчого рівня на вищий застосовують насоси. Крім цього, в промисловості застосовують пристосування для транспортування рідин за допомогою стисненого газу (повітря) – гарліфти і монтежю.

Насоси — гідравлічні машини, що перетворюють механічну енергію двигуна в енергію перемішуючої рідини, підвищуючи її тиск. Різниця тисків рідини в насосі і трубопроводі обумовлює її переміщення.

Розрізняють насоси двох типів: динамічні і об’ємні.

У динамічних насосах рідина переміщується під дією сил на незамкнений об’єм рідини, який безперервно сполучається з входом у насос і виходом із нього.

В об’ємних насосах рідина переміщується (витісняється) при періодичній зміні замкненого об’єму рідини, який періодично сполучається з входом у насос і виходом із нього.

Динамічні насоси за видом сил, діючих на рідину, поділяються на: лопасні і насоси тертя.

До лопасних відносяться динамічні насоси, в яких енергія передається рідині під час обтікання лопатей обертаючого робочого колеса (чи декількох колес) насоса.

Лопасні насоси, в свою чергу, поділяються на: відцентрові і осьові, причому у відцентрових насосах рідина рухається через робоче колесо від його центра до периферії, а в осьових – у напрямку вісі колеса.

Насоси тертя являють собою динамічні насоси, в яких рідина переміщується переважно під дією сил тертя. До насосів тертя відносяться, зокрема, вихрові і струменеві насоси.

Група об’ємних насосів включає насоси, в яких рідина витісняється з замкненого простору тілом, яке рухається зворотно-поступально (поршневі, плунжерні, діафрагмові насоси) чи які мають обертовий рух (шестеренні, пластинчаті, гвинтові насоси).

Насоси кожної з вказаних груп розрізняються за конструктивними ознаками.

Основні параметри насосів

Основними параметрами насоса будь-якого типу є продуктивність, напір і потужність.

Продуктивність, чи подача, Q (м³/сек) визначається обсягом рідини, яка подається насосом у нагнітальний трубопровід за одиницю часу.

Напір Н (м) характеризує питому енергію, яку насос надає одиниці ваги рідини, що перекачується. Напір можна представити як висоту, на яку може бути піднятий 1 кг рідини, що перекачується, за рахунок енергії, що надається їй насосом.

Корисна потужність N_п, яка затрачається насосом на надання рідині енергії тиску, дорівнює добутку питомої енергії H на витрату gQ рідини:

де g – питома вага рідини, Q – продуктивність, H – напір.

Потужність на валу N_e більше корисної потужності в зв’язку з втратами енергії в насосі, які враховуються коефіцієнтом корисної дії (ККД) насоса h_н:

.

Коефіцієнт корисної дії h_н характеризує досконалість конструкції і економічність експлуатації насоса. Величина h_н відображає відносні втрати потужності в самому насосі і виражається добутком

,

 

де h_v=Q/Q_Т – коефіцієнт подачі, чи об’ємний ККД, являючий собою відношення дійсної продуктивності насоса Q до теоретичної Q_Т (враховує втрати продуктивності при витіканні рідини через зазори і сальники насоса, а також внаслідок неодночасного перекриття клапанів і виділення повітря з перекачуючої рідини при тиску нижче атмосферного – під час всмоктування);

h_г – гідравлічний ККД – відношення дійсного напору насоса до теоретичного (враховує втрати напору під час руху рідини через насос);

h_мех – механічний ККД, характеризуючий втрати потужності на механічне тертя в насосі (в підшипниках, сальниках та ін.).

Значення h_н залежить від конструкції і ступеня зношеності і в середньому становить: для відцентрових насосів 0,6-0,7; для поршневих насосів 0,8-0,9; для найбільш досконалих відцентрових насосів великої продуктивності 0,93-0,95.

Потужність, яка споживається двигуном, чи номінальна потужність двигуна N_дв, більше потужності на валу внаслідок механічних втрат у передачі від електродвигуна до насосу і в самому електродвигуні. Ці втрати враховуються введенням у останнє рівняння ККД передачі h_пер і ККД двигуна h_дв:

.

Добуток h_нh_перh_дв являє собою повний ККД насосної установки h, який визначається як відношення корисної потужності N_т до номінальної потужності двигуна N_дв і характеризує повні втрати потужності насосною установкою:

.

З рівнянь для визначення коефіцієнта корисної дії h_н і повного ККД насосної установки слідує, що повний ККД насосної установки може бути виражений добутком п’яти величин:

.

Установочна потужність двигуна N_уст розраховується за величиною N_дв з врахуванням можливих перевантажень у момент пуску насоса, виникаючих у зв’язку з необхідністю подолання інерції перебуваючої в спокоїмаси рідини:

,

де b - коефіцієнт запасу потужності; його значення визначають у залежності від номінальної потужності двигуна N_дв, табл. 1.

 

Таблиця 1. Коефіцієнт запасу потужності

Nдв, кВт	Менше 1	1-5	5-50	Більше 50
b	2-1,5	1,5-1,2	1,2-1,15	1,1

 

Відцентрові насоси

У відцентрових насосах всмоктування і нагнітання рідини відбувається рівномірно і безперервно під дією відцентрової сили, що виникає під час обертання робочого колеса з лопатками, вмонтованого в спіралеподібному корпусі.

В одноступінчатому відцентровому насосі (рис. 1.1) рідина із всмоктувального трубопроводу 1 надходить вздовж осі робочого колеса 2 у корпус 3 насоса і, потрапляючи на лопатки 4, здобуває обертальний рух. Відцентрова сила відкидає рідину в канал перемінного січення між корпусом і робочим колесом, у якому швидкість рідини зменшується до значення, рівного швидкості в нагнітальному трубопроводі 5. При цьому, як випливає з рівняння Бернуллі, відбувається перетворення кінетичної енергії потоку рідини в статичний напір, що забезпечує підвищення тиску рідини. На вході в колесо створюється знижений тиск, і рідина з приймальної ємності безперервно надходить у насос.

Тиск, що розвивається відцентровим насосом, залежить від швидкості обертання робочого колеса. Внаслідок значних зазорів між колесом і корпусом насоса розрідження, що виникає під час обертання колеса, недостатнє для підйому рідини по всмоктувальному трубопроводі, якщо він і корпус насоса не залиті рідиною. Тому перед пуском відцентровий насос заливають рідиною, що перекачується. Щоб рідина не виливалася з насоса і всмоктувального трубопровода при заливанні чи насоса при короткочасних зупинках його, на кінці всмоктувальної труби, зануреному в рідину, встановлюють зворотний клапан, оснащений сіткою (на малюнку не показаний).

Рисунок. 1.1. Схема відцентрового насоса: 1 – всмоктувальний трубопровід; 2 – робоче колесо; 3 – корпус; 4 – лопатки; 5 – нагнітальний трубопровід.

 

Напір одноступінчатих відцентрових насосів (з одним робочим колесом) обмежений і не перевищує 50 м. Для створення більш високих напорів застосовують багатоступінчасті насоси (рис. 1.2) які мають кілька робочих коліс 1 в загальному корпусі 2, розташованих послідовно на одному валу 3. Рідина, що виходить з першого колеса, надходить по спеціальному відвідному каналу 4 у корпусі насоса в друге колесо (де їй надається додаткова енергія), із другого колеса через відвідний канал у третє колесо і т.д. Таким чином, орієнтовно (без врахування втрат) можна вважати, що напір багатоступінчастого насоса дорівнює напору одного колеса, помноженому на кількість коліс. Число робочих коліс у багатоступінчастому насосі звичайно не перевищує п'яти.

Рисунок. 1.2. Схема багатоступінчастого насоса: 1 – робоче колесо; 2 – корпус; 3 – вал; 4 – відвідний канал

 

Відцентрові насоси мають ряд важливих переваг. До них відносяться: 1) висока продуктивність і рівномірна подача; 2) компактність і швидкохідність (можливість безпосереднього приєднання до електродвигуна); 3) простота пристрою, що дозволяє виготовляти їх з хімічно стійких, що важко піддаються механічній обробці матеріалів (наприклад, ферросиліду, кераміки і т.п.); 4) можливість перекачування рідин, що містять тверді зважені частинки, завдяки великим зазорам між лопатками і відсутності клапанів; 5) можливість установки на легких фундаментах.

До недоліків відцентрових насосів варто віднести відносно низькі напори, а також зменшення продуктивності при збільшенні опору мережі і різке зниження ККД при зменшенні продуктивності.

 

Поршневі насоси

У поршневому насосі (рис. 1.3) всмоктування і нагнітання рідини відбувається при прямопоступальному русі поршня 1 у циліндрі 2 насоса. Під час руху поршня вправо в замкнутому просторі між кришкою 3 циліндра і поршнем створюється розрідження. Під дією різниці тисків у приймальній ємності і циліндрі рідина піднімається по всмоктувальному трубопроводі і надходить у циліндр через всмоктувальний клапан 4, який при цьому відкривається. Нагнітальний клапан 5 при ході поршня вправо закритий, тому що на нього діє сила тиску рідини, що знаходиться в нагнітальному трубопроводі.

Під час руху поршня вліво в циліндрі виникає тиск, під дією якого закривається клапан 4 і відкривається клапан 5. Рідина через нагнітальний клапан надходить у напірний трубопровід і далі в напірну ємність. Таким чином, всмоктування і нагнітання рідини поршневим насосом простої дії

 

Рисунок.1.3. Схема горизонтального поршневого насоса простої дії:

1 — поршень; 2 — циліндр; 3 — кришка циліндра; 4 — всмоктувальний клапан; 5 — нагнітальний клапан; 6 — кривошипно-шатунний механізм; 7 — ущільнювальні кільця.

 

відбувається нерівномірно: всмоктування — при русі поршня зліва направо, нагнітання — при зворотному напрямку руху поршня. У даному випадку за два ходи поршня рідина один раз всмоктується й один раз нагнітається. Поршень насоса приводиться в рух кривошипно-шатунним механізмом 6, що перетворює обертовий рух вала в зворотно-поступальний рух поршня.

За кількістю всмоктувань чи нагнітань, здійснюючих за один оберт кривошипа або за два ходи поршня, поршневі насоси поділяються на насоси простої і подвійної дії. У залежності від конструкції поршня розрізняють власне поршневі і плунжерні (прямодіючі) насоси.

У поршневих насосах основним робочим органом є поршень 1, оснащений ущільнюючими кільцями 7 (див. рис. 1.3), які пришліфовані до внутрішньої дзеркальної поверхні циліндра. Плунжер, чи скалка, не має ущільнюючих кілець і відрізняється від поршня значним відношенням довжини до діаметра.

На рис. 1.4 представлений плунжерний горизонтальний насос простої дії, у якому роль поршня здійснює плунжер 1, що рухається поступально в циліндрі 2, плунжер ущільнюється за допомогою сальника 3. Плунжерні насоси не вимагають такої ретельної обробки внутрішньої поверхні циліндра, як поршневі, а нещільності легко усуваються підтягуванням або заміною набивки сальника без демонтажу насоса. У зв’язку з тим що для плунжерних насосів немає необхідності в ретельному прогоні поршня і циліндра, їх застосовують для перекачування забруднених і в’язких рідин, а також для створення більш високих тисків. У промисловості плунжерні насоси більш поширені, ніж поршневі.

 

Рисунок. 1.4. Схема горизонтального плунжерного насоса простої дії: 1 - плунжер (скалка); 2 – циліндр; 3 — сальник; 4 — усмоктувальний клапан; 5 — нагнітальний клапан.

 

Більш рівномірною подачею, ніж насоси простої дії, володіють поршневі і плунжерні насоси подвійної дії. Горизонтальний плунжерний насос подвійної дії (рис. 1.5) можна розглядати як сукупність двох насосів простої дії. Він має чотири клапани — два всмоктувальних і два нагнітальних.

 

Рисунок. 1.5. Схема горизонтального плунжерного насоса подвійної дії: 1 – плунжер; 2 – циліндри; 3, 4 – всмоктувальні канали; 5, 6 – нагнітальні канали.

 

Під час руху плунжера 1 вправо рідина всмоктується в ліву частину циліндра 2 через всмоктуючий клапан 3 і одночасно через нагнітальний клапан 6 надходить з правої частини циліндра в напірний трубопровід; при зворотному ході поршня всмоктування відбувається в правій частині циліндра через всмоктувальний клапан 4, а нагнітання — у лівій частині циліндра через клапан 5. Таким чином, у насосах подвійної дії всмоктування і нагнітання відбуваються при кожнім ході поршня, внаслідок чого, продуктивність насосів цього типу більше і подача прямодіючих, ніж у насосів простої дії.

Ще більш рівномірною є подача насоса потрійної дії, чи триплекс-насоса (рис. 1.6). Триплекс-насоси являють собою потрійні насоси простої дії, кривошипи яких розташовані під кутом 120° один від одного. Загальна подача триплекс-насоса складається з подач насосів простої дії, при цьому за один оберт колінчастого вала рідина три рази всмоктується і три рази нагнітається.

Рисунок. 1.6. Схема насоса потрійної дії (триплекс-насоса): 1 – циліндри; 2 – плунжери; 3 – колінчастий вал; 4 – шатун

 

За типом приводу поршневі насоси поділяються на приводні (від електродвигуна) і прямодіючі (від парової машини).

Прямодіючі парові насоси мають привід безпосередньо від парової машини, поршень якої знаходиться на одному штоку з поршнем насоса. Насоси цього типу використовують головним чином на установках, де за умовами безпеки застосування насосів з електричним приводом неприпустимо (вогне- і вибухонебезпечні виробництва), а також при наявності дешевої викидної пари (подача води в парові казани і т.п.).

За кількістю обертів кривошипа (кількості подвійних ходів поршня) розрізняють тихохідні (n=45-60 хв^-1), нормальні (n = 60-120 хв^-1) і швидкохідні (n=120-180 хв^-1) поршневі насоси. У прямодіючих насосів кількість подвійних ходів складає 50-120 за хвилину.