4. Насосы. Вентиляторы. Компрессоры
4.1. Классификация насосов
Потери напора вследствие сил трения, возникающие при перемещении жидкости по трубам, компенсируются насосом. Насос преобразует механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, повышая её давление.
По принципу действия насосы разделяют на две группы:
объёмные насосы, где давление жидкости повышается в результате вытеснения её из замкнутого объёма поршнями, движущимися возвратно-поступательно, или вращающимися роторами. К этой группе относят поршневые и ротационные насосы — шестерённые, винтовые и пластинчатые;
динамические насосы, в которых давление жидкости повышается за счёт увеличения её кинетической энергии в насосе. К этой группе относят: центробежные насосы, в которых энергия вращающегося лопастного колеса сообщается жидкости; вихревые насосы, в которых энергия вихрей, образующихся при вращении рабочего колеса, обращается в давление; осевые насосы, перемещающие жидкости путём вращения гребного винта; струйные насосы, в которых жидкость перемещается за счет энергии струи газа, пара или жидкости.
Кроме насосов для перемещения жидкости используют монтежю — аппараты, в которых сжатый воздух или газ под давлением подаётся в пространство над поверхностью жидкости. Жидкость затем вытесняется из аппарата под действием этого давления. Для подъёма жидкости используют газлифт — вертикальную трубу, нижний конец которой опущен в жидкость. В нижнее сечение трубы вводят воздух или газ, которые образуют газожидкостную смесь, плотность которой ниже плотности жидкости, и она устремляется вверх.
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили поршневые, центробежные и некоторые другие насосы, устройство которых рассматривается ниже.
4.2. Напор, развиваемый насосом.
ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ
Пусть насос 1 (рис. 4.1) перекачивает жидкость из резервуара 2 в аппарат 3, расположенный выше резервуара и насоса. Выберем горизонтальные плоскости сравнения, совпадающие с уровнем жидкости в резервуаре 2 — 2 и аппарате 3 — 3 соответственно, и плоскость сравнения
1 — 1, проходящую горизонтально через ось насоса. Запишем уравнение Бернулли для плоскостей 2 — 2 и 1 — 1 на всасывающей стороне насоса:
и уравнение Бернулли для плоскостей 3 — 3 и 1 — 1 на нагнетательной стороне насоса:
.
В уравнениях (4.1) и (4.2):
и
давления на поверхности жидкости в
резервуаре и аппарате соответственно;
и
— скорости жидкости в сечениях 2
— 2 и 3
— 3;
и
скорости жидкости во всасывающем и
нагнетательном патрубках насоса;
и
потери напора во всасывающем и
нагнетательном трубопроводах;
и
высота
всасывания и высота нагнетания.
Имея в виду, что размеры резервуара и аппарата значительны, можно принять, что скорость изменения уровня жидкости в резервуаре и аппарате неизмеримо меньше скоростей движения жидкости в трубопроводах.
Полный напор, развиваемый насосом, определяется разностью давлений на выходе из него и на входе:
.
Выразим давления
из уравнений (4.1) и (4.2) и определим эту
разность, имея в виду, что
:
.
Упростим полученное
выражение, приняв, что геометрическая
высота подъёма жидкости
,
а общее сопротивление трубопроводов
.
На практике нагнетательный и всасывающий
патрубки насоса могут иметь одинаковый
диаметр, тогда
.
Поэтому
.
Таким образом,
полный напор, развиваемый насосом,
затрачивается на подъём жидкости на
геометрическую высоту
,
на преодоление разности давлений в
аппарате и резервуаре и преодоление
гидравлических сопротивлений во
всасывающем и напорном трубопроводах.
Если давления
жидкости в резервуаре и аппарате
одинаковы
,
то:
При перекачивании жидкости по горизонтальному трубопроводу
,
а при одинаковых давлениях в ёмкости и аппарате, стоящих на одном уровне,
.
Высоту всасывания можно определить из уравнения (4.1):
Полагая, что
,
имеем:
Анализ уравнения
(4.10) показывает, что
,
так как каждое из слагаемых в скобках
представляет собой реальную положительную
величину. Если резервуар с жидкостью
открыт, то
равно атмосферному давлению, т.е.
м вод. ст. Таким образом, высота всасывания
воды из открытого резервуара даже
теоретически не может достигать 10 м.
Практически эта высота менее 6 м и зависит
от температуры жидкости. Поясним
последнее подробнее.
Температура кипения
жидкости зависит от давления. В нашем
случае давление
меньше атмосферного, так как по условию
(4.10)
.
Следовательно, как только
станет равным давлению насыщенного
пара при данной температуре, жидкость
закипит. Кипение жидкости сопровождается
парообразованием, что приведёт к
заполнению внутреннего объёма насоса
паром. Подача жидкости при этом
прекратится.
В качестве меры, обеспечивающей непрерывную подачу горячей жидкости на практике, устанавливают насос ниже уровня жидкости в резервуаре. Таким образом насос оказывается «под заливкой», т. е. давление всегда больше атмосферного.