Робочі параметри насосів, що характеризують їх роботу

Насоси відносяться до найбільш розповсюджених гідравлічних машин, що застосовуються у техніці. Вони застосовуються для перекачування різноманітних рідин при різних умовах.

Розглянемо основні параметри та методику вибору насоса за каталогом на прикладі відцентрових насосів.

Насос, як гідравлічна машина, характеризується наступними основними параметрами: подачею (продуктивністю) Q, напором Н, потужністю N, загальним ККД η, допустимою висотою всмоктування Н_доп. та числом обертів п, що вказуються в каталогах.

Подачею (продуктивністю) насоса називають кількість рідини, що подається за одиницю часу. Подачу вимірюють у м³/с.

Напором насоса називається різниця повних питомих енергій, віднесених до ваги потоку рідини, на виході та на вході до насоса. Напір вимірюється у метрах стовпа рідини, що подається. На практиці напір визначають у двох випадках.

1. На основі показань приладів насосної установки (напір працюючого насоса), за формулою:

, (10.1)

де р_В – показання вакуумметра, розташованого на вході в насос, Па;

р_М – показання манометра, розташованого на виході з насоса, Па;

Н_о – відстань по вертикалі між точками приєднання манометра і вакуумметра, м;

υ_Н, υ_В­ –середні швидкості течії рідини в місцях приєднання трубок манометра і вакуумметра, м/с.

Якщо , тоді формула (10.1) спрощується:

.

2. На основі виконаного розрахунку гідравлічних втрат в елементах насосної установки (необхідний напір насоса, що вибирається), за формулою:

, (10.2)

де Н_необх – необхідний напір, м стовпа перекачувальної рідини;

Н_Г – геометрична висота підйому рідини, що дорівнює відстані по вертикалі між рівнями рідини у приймальному та напірному резервуарах (див. рис. 10.2);

– сумарні втрати напору (по довжині h_l і на місцевих опорах ) у всмоктувальній та напірній трубах;

р₁, р₂ – тиск на вільній поверхні рідини, відповідно, у нижньому (приймальному) та верхньому резервуарах, Па;

ρ – густина рідини, кг/м³.

На практиці резервуари часто бувають відкритими, тоді р₁=р₂=р_атм і формула для визначення необхідного напору набуває вигляду:

. (10.3)

Корисною потужністю насоса називають корисну роботу насоса, що виконується ним за одиницю часу. При продуктивності Q (м³/с) та напорі Н (м) корисна потужність дорівнює:

N=ρgHQ, Вт (10.4)

Потужністю на валу насоса N_e називають споживану ним потужність, більша частина якої витрачається на створення корисної потужності, а інша, менша частина, витрачається на втрати в насосі: механічні (тертя у підшипниках та сальниках), гідравлічні (тертя рідини в елементах самого насоса), об’ємні (витікання через нещільності у насосі). Споживана потужність дорівнює:

, (10.5)

де η – ККД насоса, що дорівнює відношенню корисної потужності до споживаної, тобто:

. (10.6)

Потужність електродвигуна насоса визначається заводом-виробником. Вона повинна бути дещо більшою за N_e через можливі перевантаження насоса. Число обертів вала насоса за хвилину п, що вказане в каталозі, не може бути збільшене без узгодження із заводом-виробником. Дозволяється робота насоса зі зниженим числом обертів вала. При цьому величини Q і Н, що відповідають числу обертів п (вказаному в каталозі) зменшуються до величини Q₁ і Н₁ зі зменшеням числа обертів до п₁. Нові значення Q₁ і Н₁ визначаються з так званих законів пропорційності:

; (10.7)

 

(10.8)

 

Через те, що ККД насоса при зменшенні числа обертів вала майже не змінюється, закон пропорційності для нової потужності на валу насоса згідно із формулами (10.5), (10.7) і (10.8) буде наступним:

. (10.9)

Для відцентрових насосів величини, що характеризують роботу насосів при даному числі обертів вала, зазвичай наводять у вигляді графічних залежностей напору Н, потужності N та ККД η від подачі Q. Ці графічні залежності називають характеристикою насоса (приклад характеристики відцентрового насоса наведений на рис. 10.1).

 

Рис. 10.1. Характеристика відцентрового насоса

 

Як видно з рисунка 10.1, зі збільшенням подачі, потужність, що споживається насосом, безперервно зростає. При закритій засувці (вентилі) на нагнітальному трубопроводі (Q= 0) насос споживає мінімальну потужність – на подолання тертя в підшипниках, сальнику і на переміщення рідини робочим колесом у корпусі насоса. Тому, щоб не перевантажувати насос, необхідно запускати відцентровий насос при закритій засувці.

Висота всмоктування насоса. В каталогах вказується допустима вакуумметрична висота всмоктування Н_{­доп.вак.}, яка вимірюється у метрах водяного стовпа і визначена при стендових випробуваннях насоса на воді при температурі 20 ^оС та атмосферному тискові, що відповідає 10 м вод.ст. Але при проектуванні насосних установок для конкретних (відмінних від стендових) умов необхідно розрізняти допустиму вакуумметричну висоту всмоктування насоса, що вказується в каталогах, та допустиму геометричну висоту всмоктування. При цьому допустимою висотою всмоктування (геометричною висотою) насоса називають різницю відміток осі насоса, що встановлюється, та рівня вільної поверхні рідини у приймальному резервуарі. Ця шукана геометрична висота насоса Н_доп. залежить від атмосферного тиску, густини та температури перекачуваної рідини, сумарних гідравлічних втрат та швидкості рідини у всмоктувальному трубопроводі, числа обертів та продуктивності насоса.

При проектуванні насосної установки допустима геометрична висота всмоктування насоса визначається за формулою:

, (10.10)

де р₁ – тиск на вільній поверхні рідини у приймальному резервуарі, Па;

h_вс – сумарні гідравлічні втрати у всмоктувальному трубопроводі, м;

р_t – тиск насичених парів рідини при заданій температурі, Па;

Δ h_доп – допустимий кавітаційний запас (за каталогом), м.

Перевищення допустимої висоти всмоктування може привести до такого небезпечного явища, як виникнення кавітації, тобто закипання рідини у всмоктувальній порожнині насоса.

 

Вибір насоса за каталогом

При виборі насоса за каталогом, перш за все, необхідно ознайомитися із загальними відомостями про наведені в каталозі насоси, що зазвичай розміщуються на перших сторінках каталогу. Попередній вибір насоса доцільно проводити згідно змісту або у випадку відцентрових насосів за зведеними графіками основних технічних даних (подача, напір), що наводяться на останніх сторінках каталогу (рис. 10.3).

Після цього слід докладно ознайомитися з усіма технічними даними (призначення, конструкція, напір, висота всмоктування, потужність, ККД).

Головними вимогами при виборі насоса є:

1. Забезпечення насосом заданої продуктивності при необхідному напорі.

2. Максимально економічна робота насоса при заданій продуктивності та необхідному напорові, тобто робота в зоні максимального ККД.

3. Надійна та тривала робота насоса у конкретних умовах.

Остаточний вибір насоса при проектуванні насосних установок здійснюється відповідно до заданої продуктивності Q та загального необхідного напору Н_необх, знайденому на основі виконаних гідравлічних розрахунків за рівнянням:

, (10.11)

де Н_Г – геометрична висота підйому рідини (рис. 10.2), що визначається як вертикальна відстань між вільними поверхнями у нижньому (приймальному) та верхньому (напірному) резервуарах, м;

р₁, р₂ – тиск на вільній поверхні рідини, відповідно, у нижньому (приймальному) та верхньому (напірному) резервуарах, Па;

– сумарні втрати напору, відповідно, у всмоктувальному та напірному (нагнітальному) трубопроводах, м.

Сумарні втрати напору Sh як у всмоктувальному, так і в напірному трубопроводах складаються з втрат напору по довжині трубопроводу та з втрат напору на місцевих опорах, що визначаються для обох трубопроводів за формулою:

, (10.12)

де υ – швидкість рідини у відповідних трубопроводах, м/с;

λ – відповідний гідравлічний коефіцієнт тертя;

l, d – відповідні довжина та діаметр трубопроводів, м;

z – відповідний коефіцієнт місцевого опору.

Гідравлічний коефіцієнт тертя λ при ламінарному режимі руху рідини (критерій Рейнольдса Re <2320) розраховується за формулою:

.

При турбулентному режимі розрізняють три області: гідравлічно гладких труб, доквадратичну (область змішаного тертя) та квадратичну (автомодельну область).

В області гідравлічно гладких труб (2320< Re <20 d /Δ, де Δ – еквівалентна шорсткість стінок трубопроводу) коефіцієнт λ визначається за формулою Блазіуса:

.

Для області змішаного тертя (20 d/ Δ< Re< 500 d/ Δ) коефіцієнт λ розраховується за формулою Альтшуля:

.

В автомодельній області (Re >500 d /Δ) коефіцієнт гідравлічного тертя визначається за формулою Шифрінсона:

.

Значення коефіцієнтів місцевих опорів z та коефіцієнтів А (до розрахунку коефіцієнтів місцевих опорів при ламінарному русі: z _Л= z +А/ Re) визначають за довідником.

Розрахунки при виборі насоса здійснюються у наступній послідовності:

1. По заданій продуктивності (подачі) вибирають за каталогом відповідний насос.

2. Для вибраної марки насоса за каталогом визначають діаметри всмоктувального та нагнітального патрубків і попередньо задають діаметри всмоктувального та нагнітального трубопроводів.

3. Розраховують втрати напору у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводах і загальний необхідний напір Н_необх­ за формулами (10.11) і (10.12) (з урахуванням , де d – діаметр трубопроводу, що дорівнює діаметру відповідного патрубка насоса).

4. З урахуванням розрахованого необхідного напору та заданої продуктивності уточнюють марку насоса, використовуючи поля H-Q насосів, наведені у каталозі.

Приклад одного із зведених графіків робочих полів насосів наведений на рис. 10.3.

 

Рис.10.3. Приклад зведеного графіка робочих полів одного із типів насосів

(пояснення позначень: наприклад, К20/30, де К – тип насоса; 20 – подача, м³/год.; 30 – напір, м)

 

5. Переносять з каталогу повну характеристику насоса.

6. Будують криву необхідного напору трубопроводу Н_необх=f(Q) (див. вирази (10.11) і (10.12)), змінюючи значення Q’ від 0 до 1,2 Q (де Q’– витрата рідини по трубопроводу, м³/с). При цьому враховують, що :

(10.13)

 

де S z_всм, Sz _Н – відповідно, суми коефіцієнтів місцевих опорів у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводах;

λ_всм, λ_Н – гідравлічні коефіцієнти тертя у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводах;

l_всм, l_Н – довжина всмоктувального і нагнітального трубопроводів, м;

d_всм, d_Н – діаметр всмоктувального і нагнітального трубопроводів, м.

Як видно з рівняння (10.13), залежність Н_необх=f(Q), тобто крива необхідного напору або характеристика трубопроводу (мережі), може бути представлена у вигляді:

, (10.14)

де - статичний напір установки, м;

.

Як випливає з виразу (10.14), залежність Н_необх=f(Q) є параболою (для турбулентного режиму руху), див. рис. 10.4.

 

Якщо характеристику насоса та характеристику з’єднаного з ним трубопроводу (мережі) нанести на загальному графіку в одному масштабі, тоді перетин характеристики насоса H_нас=f(Q) і мережі Н_необх=f(Q) дасть так звану робочу точку (р.т.) (рис. 10.5). Ця точка визначає умови спільної роботи системи «насос – трубо-провід», коли напір насоса дорівнює необхідному напорові: Н_нас=Н_необх. Робоча точка показує, що всі гідравлічні опори долаються напором, що створює насос. Вертикальна лінія, проведена через робочу точку, перетинає характеристики насоса N-Q, η-Q і вісь абсцис в точках, що визначають показники роботи насоса за даних умов.

7.Із суміщеної характе-ристики насоса і кривої необхідного напору вибирають діаметр робочого колеса насоса, виходячи з умов:

_.

де індекс «р.т.» – робоча точка;

Q_З – задана продуктивність.

На рис. 10.6 наведений випадок, коли для заданих умов підходить насос з діаметром робочого колеса D’. Насос з діаметром робочого колеса D” не задовольняє вимогам (10.13), тому що Q­’’_Р.Т.<Q_З (штрихові лінії відносяться до відповідних параметрів насоса з діаметром робочого колеса D’’, а суцільні – до параметрів насоса з діаметром робочого колеса D_­’).

8. Розраховують необхідну потужність електродвигуна:

,

де Н – напір насоса при заданій подачі, м;

η – ККД насоса при заданій подачі;

η_м – ККД муфти (можна прийняти 0,96);

к= 1,1…1,5 – коефіцієнт запасу потужності.

 

 

10.4. Контрольні питання

1. Робочі параметри насосів: продуктивність, напір, потужність.

2. Що таке характеристика насоса?

3. Допустима висота всмоктування насоса.

4. Які головні вимоги при виборі насоса?

5. Як визначається необхідний напір?

6. Що таке характеристика трубопроводу?

7. Як знаходиться робоча точка, і що вона визначає?

8. Яка послідовність розрахунків при виборі насоса за каталогом?

 

Додаток