Висота напору.

При руху поршня він втрачається енергію на подолання опору стовпа рідини, динамічного опору руху рідини а також місцевих опорів трубопроводу і опорів насосу. Крім того , в поршневих насосах енергія затрачається на подолання сил інерції, через пульсуючий характер руху рідини.

Напір поршневого насосу визначається тиском на поршень. Для запису рівняння слід ввести наступні позначення: p_a – атмосферний тиск; p₁, p₂ – тиск на поршень в період всмоктування і нагнітання відповідно; υ₁,υ₂ – швидкість рідини при вході в всмоктувальний патрубок та виході з нагнітального патрубка, ∆h_m,v, ∆h_m,v – втрати напору на місцевих опорах у всмоктувальній та нагнітальній лінії; , ∆h_in,v, ∆h_in,v – втрати напору на подолання сил інерції в всмоктувальній та нагнітальній лінії; – середня швидкість поршня; H₁,H₂ – висота всмоктування або нагнітання; ρ – густина рідини, що перекачується. З цими позначеннями рівняння Бернуллі для рівнів рідини А-А та В-В в циклі всмоктування (див.рис. 4/2.1) запишеться в наступному вигляді:

З цього рівняння можна виразити значення тиску на прошень в циклі всмоктування:

Важливим в цьому рівнянні для наступного розуміння матеріалу є те, що тиск на поршень, а значить і тиск рідини в циліндрі насосу, при циклі всмоктування, збільшується при підвищенні атмосферного тиску, зменшується при збільшенні швидкості руху поршня, висоти всмоктування та збільшенні місцевих опорів та затрат на інерцію.

Рівняння Бернуллі для рівнів В-В та С-С можна записати в наступному вигляді для циклу нагнітання:

Та переписати відносно тиску на поршень:

Тиск на поршень, представлений висотою стовпа рідини в метрах, можна записати як різницю тиску в період нагнітання та в період всмоктування. Для цього почленно віднімемо від рівняння рівняння :

Якщо врахувати, що , то значення доданку є незначним і ним можна знехтувати. Величина являє собою статичну висоту подачі рідини, а сума є сумою всіх гідравлічних місцевих опорів як лінії всмоктування так і лінії нагнітання:

З цими уточненнями рівняння перепишеться в наступному вигляді:

де -- сума втрат тиску на подолання сил інерції.

Рівняння показує, що тиск на поршень насосу рівний статичному тиску стовпа рідни та всіх опорів на лінії нагнітання та всмоктування. З другого боку, це рівняння показує, що напір, який створюється поршневим насосом визначається лише його конструкцією – межею збільшення тиску є лише механічна міцність елементів насоса та нагнітаючого трубопроводу.

Висота всмоктування.

На відміну від висоти нагнітання, висота всмоктування є обмеженою. Її величину можна визначити з рівняння :

Рівняння дійсне при умові , яка в більшості випадків виконується.

За цим рівнянням висота всмоктування визначається атмосферним тиском – збільшення атмосферного тиску приводить до збільшення висоти всмоктування, тиском на поршень в циклі всмоктування – збільшення тиску приводить до зменшення висоти всмоктування та величини всіх опорів на лінії всмоктування.

Атмосферний тиск не є постійним, він змінюється в залежності від погодних умов (дана зміна є малозначимою для предмету, що розглядається) та в залежності від висоти над рівнем моря. Останнє уже суттєво впливає на висоту всмоктування і повинно враховуватись при монтажі установки.

Ще вагоміший вплив на висоту всмоктування має тиск на поршень p₁. Він визначається тиском парів рідини яка перекачується і не може бути меншим за цей тиск. Зменшення p₁ до значення тиску насичених парів при даній температурі приводить до закипання рідини і подальше пониження тиску стає неможливим. Тому даний фактор має суттєве значення при перекачуванні нагрітих рідин або рідин з низькою температурою кипіння. Якщо тиск парів рідини позначити через p_l то рівняння для висоти всмоктування можна переписати у наступному вигляді:

Рівняння наочно показує, що якщо нагріти рідину до температури кипіння при даному атмосферному тиску, тобто p_a=p_l, то всмоктування рідини в насос стає принципово неможливим. Тут слід звернути увагу, що неможливе всмоктування рідини, нагрітої до температури близької до температури кипіння, в прямому розумінні цього слова, коли рівень поверхні рідин знаходиться нижче рівня центру поршня (рис.4/2.1). Але це не означає, що неможна перекачувати нагріту рідину. Це можливо, якщо насос помістити нижче рівня рідини. По-перше значення H₁ в цьому випадку в рівнянні буде мати від’ємне значення, що уже не суперечить нерівності . Крім того, на рідину в циліндрі насосу крім атмосферного тиску буде діяти тиск стовпа рідини, що підвищить температуру її закипання та знизить тиск парів. Тому, при перекачуванні легкокипячих та нагрітих рідин, насоси (і як буде показано дальше не тільки об’ємні) слід монтувати нижче ємностей, з яких ці рідини будуть відбиратись.

На всмоктування рідини в насос дуже важливе значення мають всі опори на лінії всмоктування. При тому не має значення де розміщений насос -- вище чи нижче рівня рідини, яку перекачує. Перевантаження лінії всмоктування місцевими опорами (фітинг, арматура) негативно впливає на висоту всмоктування. Тому лінії всмоктування слід робити як можна коротшими і з мінімальною можливою кількість арматури. При тому використовувати арматуру з найменшим коефіцієнтом втрат.

На рис. __ приведена залежність висоти всмоктування води для поршневого насосу в залежності від температури та швидкості обертання приводу насосу. Як вище було описано, висота всмоктування зменшується зі збільшенням температури. Але крім того, діаграма показує, що висота всмоктування суттєво залежить від частоти обертання приводу. Збільшення швидкості обертання приводить до суттєвого зниження висоти. Такий вплив пояснюється втратами на подолання сил інерції. При інших рівних умовах затрати на подолання сил енергії більші у насосів, приводи яких мають більшу частоту обертання. В залежності від числа обертів насоси поділяються на тихохідні (n =45 ÷ 60 об/хв), нормальні (n =60 ÷ 120 об/хв) та швидкісні (n =120 ÷ 24 об/хв). Тому, у тих випадках коли виникає необхідність отримати максимально можливу висоту підйому слід використовувати тихохідні насоси. Швидкохідні насоси мають більшу продуктивність і пульсації потоку у цих насосах відчуваються слабше. Наприклад, стрілки стрілочних манометрів, через їх інерційність, коливаються менше у швидкохідних насосів. Але це лише видима відсутність пульсацій, вони існують і в швидкохідних насосів та вимагають витрати енергії на подолання сил інерції. Для реального зменшення втрат при пульсації рідини використовуються повітряні ковпаки а також удосконалюється конструкція насосу, як буде показано дальше.