2. Насоси та компресорні машини (загальні відомості)

Для переміщення крапельних рідин служать насоси, для переміщення і стиснення газів - компресорні машини, або просто компресори. Як насоси, так і компресори поділяються на такі основні типи: поршневі, відцентрові, осьові, ротаційні, струменеві.

В даний час випускаються найрізноманітніші гідравлічні машини, в тому числі пропелерні насоси продуктивністю до 30 м³/с і більше, турбогазодувки продуктивністю до 4100 м³/год., компресори, що створюють тиск до 100 МПа і багато інших машини.

3. Основні параметри насосів. Висота всмоктування.

Основними параметрами, що характеризують роботу будь-якого насоса, є продуктивність, напір і потужність.

Продуктивність Q визначається об’ємом рідини, що подається насосом в одиницю часу, і виражається в м³/с, м³/хв., м³/год., іноді в л/с або л/хв.

Напір Н характеризує собою надлишкову енергію, що надається 1 кг рідини в насосі, яка визначається за рівнянням Бернуллі.

Рис. 7-3. Схеми установки насосів:

a - всмоктування з нижнього рівня; б - всмоктування з підпором на стороні всмоктування. М - манометр; V- вакуумметр; h - відстань між М і V по вертикалі.

Зі схеми насосної установки (рис. 7-3, а) видно, що геометрична висота підйому рідини Н_г = z₁ − z₂ складає:

Н_г = H_вс + H_н.

Отже, геометрична висота підйому рідини дорівнює сумі висот всмоктування і нагнітання. Відповідно втрата напору складається із втрат напору у всмоктуючому і нагнітальному трубопроводах:

h_п = h_вс + h_н.

Різницею швидкісних напорів в цих трубопроводах можна знехтувати. Тоді необхідний напор насосу визначиться рівністю:

.

Отже, в загальному випадку напір витрачається на підйом рідини на висоту Нг, подолання опорів в трубопроводах h_ВС + h_Н і різниці тисків в напірному і нижньому (приймальному) резервуарах. Якщо тиски в приймальному і напірному резервуарах рівні, то .

Насос може бути приєднаний також нижче рівня рідини в нижньому резервуарі (рис. 7-3, б). В цьому випадку висота всасування негативна (Нвс < 0), так як насос працює з підпором на стороні всмоктування.

Напір виражають в метрах стовпа рідини, що перекачується. В працюючих насосах напір визначають за сумою показань манометра М і вакуумметра V, складеної з відстанню h по вертикалі між манометром і точкою приєднання вакууметра (рис. 7-3, а).

Корисна потужність, що передається рідині, дорівнює енергії, що віддається 1 кг рідини (g∙H), помноженої на масовий витрата рідини Qр, де Q - об'ємна продуктивність насосу, м³/с; ρ - щільність рідини, кг/м³; g - прискорення сили тяжкості, м/с². Таким чином:

N_п = Q∙ρ∙g∙H.

Потужність, споживана насосом, більше корисної потужності на величину втрат. Відношення корисної потужності насоса до споживаної називається повним коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.) насосу:

.

Звідси споживана насосом потужність складає:

, Вт

або

, кВт.

4. Відцентрові насоси

Типи відцентрових насосів

Відцентрові насоси діляться на одноступінчаті і багатоступінчасті.

На рис. 7-4 показаний одноступінчатий насос.

Рис 7-4. Схема відцентрового одноступінчастого насосу:

1 – робоче колесо; 2 – корпус; 3 – всмоктуючий трубопровід; 4 – напірний трубопровід; 5 – приймальний клапан із всмоктуючою сіткою.

Відцентровий насос має робоче колесо 1 з загнутими назад лопатками, яке з великою швидкістю обертається в корпусі 2 спиралеобразной форми. Рідина з усмоктувального трубопроводу 3 надходить по осн колеса і, потрапляючи на лопатки, набуває обертальний рух. Під дією відцентрової сили тиск рідини збільшується і вона викидається з колеса в нерухомий корпус 2 та напірний трубопровід 4. При цьому на вході в колесо створюється знижений тиск і, внаслідок різниці тиску, рідина з приймального резервуара безперервно надходить в насос.

Без заповнення корпусу рідиною колесо насоса при обертанні не може створити достатньої різниці тисків, необхідної для підйому рідини по всмоктувальній трубі. Тому перед пуском в хід відцентровий насос повинен бути залитий рідиною (якщо вона не надходить у насос під напором). Щоб рідина не виливалася з насоса і всмоктуючої труби при заливці насоса або його зупинці, на кінці всмоктуючої труби встановлюють прийомний (зворотний) клапан 5 з всмоктуючою сіткою. Одноступінчасті насоси призначені для створення невеликих напорів - до 50 м.

Для високих тисків застосовуються багатоступеневі насоси (рис. 7-5), що мають кілька коліс 2, з'єднаних послідовно в корпусі 1.

Рис. 7-5. Схема відцентрового багатоступеневого насосу:

1 – корпус; 2 – робоче колесо; 3 – направляючі апарати.

Напір, що розвивається багатоступеневим насосом, дорівнює напору одного колеса, помноженому на число коліс. Рідина з колеса попадає в кільце з двох дисків 3 з лопатками, вигнутими в сторону, протилежну лопаткам робочого колеса. Такий пристрій називається напрямним апаратом і призначений для зменшення швидкості (кінетичної енергії) рідини, яка переходить при цьому в потенційну енергію тиску.

У багатьох насосах сучасних конструкцій перетворення швидкості в енергію тиску здійснюється без направляючого апарату - шляхом додання плавних обрисів спіральному відвідному каналу корпусу.

Відцентрові насоси великої продуктивності виготовляються з двостороннім введенням рідини в корпус насоса.

У хімічній промисловості насоси широко застосовуються для перекачування кислот, лугів, розсолів та інших в'язких рідин, які часто містять тверді суспензії. Такі насоси виготовляються з корозійностійких і зносостійких металевих сплавів (наприклад, хромонікелеві сплави з присадкою титану або молібдену, кременисті та високохромисті чавуни), для виготовлення насосів застосовуються також пластичні маси (наприклад, фаоліт) і кераміка.

Приклад 7-1. Сірчана кислота (щільність ρ = 1850 кг/м³) перекачується насосом в апарат, що працює під надлишковим тиском р = 2,45 бар (2,5 aт). Вибрати насос для подачі кислоти в кількості Q = 150 м³/год. і визначити потужність електродвигуна до насоса. Геометрична висота підйому кислоти Н_г = 15 м, гідравлічний опір усмоктувального трубопроводу h_вc = 1,0 м стовпа кислоти, трубопроводу нагнітання h_н = 4 м стовпа кислоти.

Рішення.

Визначаємо напір, що розвивається насосом:

м.

Насос вибирають по заданій продуктивності Q і напору Н, користуючись характеристиками насосів.

При к.к.д. насосу η = 0,65 знаходимо потужність на валу насоса за формулою:

кВт.

Приймаємо потужність електродвигуна з запасом 25%. Тоді його необхідна потужність складе:

кВт.

Приклад 7-2.

Насос, що перекачує нафту щільністю ρ = 1100 кг/м³, має продуктивність Q = 46,5 м³/год. Надлишковий тиск за манометром на нагнітальному патрубку насоса р_н = 3,34 кгс/см², показання вакуумметра на всмоктуючому патрубку р_в = 0,45 кгс/см². Відстань між манометром і вакуумметром h_пр = 300 мм, потужність на валу електродвигуна N = 7 квт. Визначити напір і к. к. д. насосу.

Рішення.

Визначаємо напір насоса за формулою:

м.

Корисна потужність насоса розраховується за формулою:

кВт.

Коефіцієнт корисної дії насоса:

.

Приклад 7-3.

Продуктивність відцентрового насоса Q₁ = 60 м³/год., його напір Н₁ = 24 м Число оборотів n₁ вала насоса становить 1450 об/хв., споживана насосом потужність N₁ = 12 кВт. Як зміниться продуктивність Q і напір Н насоса, якщо встановити до нього електродвигун, що має число обертів n₂ = 760 об / хв.

Рішення.

Продуктивність насоса знизиться і складе:

м³/год.

Напір насоса, згідно з формулою (7-23), стане рівним

м.

Відзначимо також, що при зменшенні числа обертів потужність, споживана насосом, зменшиться пропорційно відношенню чисел оборотів в третьому ступені і досягне N₂ = 1,7 кВт.

Кавітація в насосах.

Кавітацією в насосах зазвичай називають процеси, що супроводжують скипання рідини в області входу в насос. Скипання пов'язано з падінням тиску в цій області і в залежності від величини падіння тиску може проявлятися при самих різних температурах, що зазвичай мають місце при перекачуванні води. Скипання може проявлятися в початковій стадії, і тоді в потоці виникають окремі області, заповнені бульбашками. На такій стадії (так звана початкова стадія кавітації) при роботі насоса виникає характерний шум, відмінний від звичайного. Створюється враження, що разом з водою по трубопроводу перекачуються якісь тверді частинки. Напір насоса і його ККД дещо знижуються. При тривалій роботі на такому режимі вхідні краї лопатей насоса покриваються кавернами, які спочатку порушують чистоту і форму поверхонь в цих областях, а потім призводять до їх повного руйнування.

Якщо скипання води в області входу набуває більш розвинений характер, то відбувається розрив водяного потоку паровим включенням, після чого відбувається зрив подачі насоса (так званий кавітаційний зрив). Відновлення подачі насоса в цьому випадку можливо тільки у випадку його зупинки і наступного запуску з одночасним переходом на інший режим роботи, що не супроводжується кавітацією.

Існує цілий ряд причин, які можуть викликати кавітацію в насосах. Умовно їх можна розділити на дві групи: причини, пов'язані з особливостями використання насоса на об'єкті застосування та причини, пов'язані з конструкцією насоса і режимом його роботи.

До причин першої групи слід віднести зміну висоти установки насоса над рівнем рідини в приймальному баку (висоти всмоктування), тиск над рівнем рідини в приймальному баку, температуру рідини на всмоктуванні, фізичну природу рідини, опір приймального трубопроводу.

До причин другої групи слід віднести швидкість рідини на всмоктуванні в колесо насоса, коефіцієнт опору вхідної ділянки в колесо насоса, особливості конструкції вхідного патрубка, що впливають на вид епюри швидкостей у вхідному перерізі насоса, частоту обертання колеса насоса, коефіцієнт опору вхідної ділянки лопаті.

Щоб уникнути кавітації, підвищують тиск рідини на вході в насос, зменшуючи висоту всмоктування або працюють з підпором. Крім того, для підвищення стійкості до кавітації колеса насосів виготовляють з високоміцних матеріалів.

5. Поршневі насоси

Типи поршневих насосів

Поршневі насоси за характером дії поділяються на насоси простої, подвійної, потрійної і четверної дії, а по виду приводу - на приводні і прямодіючі. Залежно від конструкції поршня розрізняють власне поршневі насоси і плунжерні насоси, причому в останніх поршень безпосередньо стикається з рідиною або відділяється від неї еластичною непроникною перегородкою (діафрагмові насоси).

Горизонтальний поршневий насос простої дії (рис. 7-15) має циліндр 1, в якому здійснює зворотно-поступальні рухи поршень 2. При ході поршня вправо в лівій частині циліндра створюється розрідження, внаслідок чого відкривається всмоктувальний клапан 3, і рідина надходить у циліндр. При зворотному ході поршня (вліво) закривається клапан 3 і відкривається нагнітальний клапан 4. З цього моменту рідина нагнітається насосом до приходу поршня в крайнє ліве положення. На початку наступного ходу поршня закривається клапан 4, відкривається всмоктувальний клапан 3 і цикл повторюється знову. Поршень насоса приводиться в рух кривошипно-шатунним механізмом 5, сполученим через передачу з електродвигуном.

Рис. 7.15-Горизонтальний поршневий насос простої дії:

1 – циліндр; 2 – поршень; 3 – всмоктуючий клапан; 4 – нагнітаючий клапан; 5 – кривошипно-шатунний механізм.

У плунжерним вертикальному насосі простої дії (рис. 7-16) поршнем служить пустотіла склянка-плунжер 2, для якого на відміну від поршня не вимагається точної внутрішньої обробки циліндра; плунжер ущільнюється за допомогою сальника 3. При такому ущільненні циліндр насоса мало зношується, а нещільності легко усуваються шляхом підтягування або заміни набивки сальника, без демонтажу насоса. Плунжерні насоси пристосовані для роботи при більш високих тисках, ніж поршневі, і застосовуються для перекачування забруднених і в'язких рідин. Тому в хімічній та нафтохімічній промисловості плунжерні насоси застосовуються частіше поршневих.

Рис. 7.16 – Вертикальний плунжерний насос простої дії:

1 – циліндр; 2 – плунжер; 3 – сальник; 4 – всмоктуючий клапан; 5 – нагнітаючий клапан.

До числа поршневих насосів простої дії відноситься також діафрагмові насоси (рис. 7-17), застосовуваний для перекачування суспензій і хімічно активних рідин. Циліндр 1 насоса і плунжер 2 відокремлені від перекачується рідини еластичною перегородкою - діафрагмою 3 з м'якої гуми або спеціальної сталі. При русі плунжера вгору діафрагма прогинається під тиском рідини вправо і рідина всмоктується в насос. При зворотному русі плунжера вниз діафрагма прогинається вліво і рідина витискається в нагнітальний трубопровід.

Рис. 7.17 – Вертикальний плунжерний насос простої дії:

1 – циліндр; 2 – плунжер; 3 – діафрагма; 4 – всмоктуючий клапан; 5 – нагнітаючий клапан.

Насоси простої дії за подвійний хід поршня (в обидві сторони) один раз всмоктують і один раз нагнітають рідину, т, б. відрізняються великою нерівномірністю подачі.

Горизонтальний плунжерний насос подвійної дії (рис. 7-18) має по два клапана з кожного боку плунжера, т. б. всього чотири клапана. При русі поршня вправо в лівій частині циліндра відбувається всмоктування і одночасно в правій його частині - нагнітання рідини. При зворотному ході поршня всмоктування відбувається праворуч від поршня, нагнітання - ліворуч від нього, таким чином, рідина нагнітається за кожен хід поршня і, отже, продуктивність насосів цього типу більше і подача значно рівномірніша, ніж в насосах простої дії.

Рис. 7.1 – Вертикальний плунжерний насос подвійної дії:

1 – циліндр; 2 – плунжер; 3, 4 – всмоктуючі клапани; 5 – нагнітаючі клапани.

Продуктивність. У поршневому насосі рідина безвідривно слідує за поршнем, займаючи звільнений ним об'єм. Тому теоретично, без урахування витоків всередині насоса, продуктивність поршневого насоса дорівнює об’єму, описуємому рухом поршня.

В насосі простої дії за один хід поршня (вправо або вгору) засмоктується об'єм рідини, рівний площі перерізу поршня F м², помноженій на довжину ходу поршня s м, але подачі при цьому не відбувається. При зворотному ході поршня теоретично вся засмоктана рідина в кількості F∙s м³ подається в нагнітальний трубопровід. Таким чином, за два ходи поршня або за один оборот валу об’єм рідини, що подається складає F∙s м³.

При n обертах вала за хвилину теоретична продуктивність насоса простої дії дорівнює:

, м³/с,

причому , де D – діаметр поршня.

У насосі подвійної дії за один хід поршня з його одного боку засмоктується об'єм рідини F∙s м³, а з іншого боку, де знаходиться шток, що має площу перетину f м², витісняється (F − f)s м³ рідини. При зворотному ході поршня всмоктується і нагнітається такий же об’єм рідини, але в зворотному порядку - з боку, де відбувалося всмоктування, рідина нагнітається в кількості F∙s м³, а з іншого боку поршня всмоктується - (F − f)s м³. Таким чином, за один оборот валу подача насоса подвійної дії складе:

(F − f)s + F∙s = (2F − f)s м³.

Отже, теоретична продуктивність такого насоса, n об / хв. дорівнює:

, м³/с,

тобто майже вдвічі перевищує продуктивність насосу простої дії.

Фактична продуктивність поршневого насоса менше теоретичної через витік рідини через нещільності в клапанах, поршні, сальниках і кришках. Всі ці втрати враховуються об'ємним к. к. д. насосу η₀.

Фактична продуктивність насоса:

.

Для поршневих насосів, що перекачують холодну воду, η₀ - 0,9 (середній); при перекачуванні дуже в'язких рідин об'ємний к. к. д. значно знижується (до η₀ - 0,3 і менше).

Залежність між продуктивністю Q насоса і напором H, т. б. характеристика поршневого насоса теоретично зображується вертикальною прямою (рис. 7-19). З графіка видно, що продуктивність поршневого насоса - величина постійна, що не залежить від напору, і визначається тільки об'ємом рідини, яка витісняється поршнем. Практично внаслідок витоків рідини через нещільності, що збільшуються із зростанням напору, залежність Q - H відхиляється від вертикалі (пунктирна лінія на рис. 7-19).

Рис. 7.19. Характеристика Q – H поршневого насоса.

Приклад. Визначити число обертів вала поршневого насоса подвійної дії, що має діаметр поршня D = 160 мм, діаметр штока d = 50 мм, довжину ходу поршня я = 200 мм. Продуктивність насоса Q = 25,2 м³/год. Об'ємний к. к. д. насосу η₀ = 0,85.

Рішення.

За умовою секундна продуктивність насоса складає:

Площа перерізу поршня:

м³/с.

Площа перерізу штока:

м².

З формули продуктивності насоса (з урахуванням його об'ємного к. к. д.) визначаємо число обертів вала:

об./хв.

Насоси інших типів

Пропелерні (осьові) насоси

У корпусі 1 пропелерного насоса (рис. 7-22) рідина переміщується вздовж осі вала 2 за допомогою робочого колеса 3, за формою близького до гребного гвинта. По виході з колеса рідина рухається через направляючий апарат 4, що перетворює її обертальний рух в осьовий.

Рис. Пропелерний насос:

1 – корпус; 2 – вал; 3 – робоче колесо; 4 – направляючий апарат.

Гідравлічні втрати в таких насосах невеликі. Пропелерні насоси швидкохідні, компактні, прості по пристрою і придатні для перекачування дуже великих кількостей рідин (у тому числі забруднених) при невеликих напорах.

У хімічній промисловості горизонтальні пропелерні насоси застосовуються для створення циркуляції розчинів у випарних установках.

Пропелерні насоси мають характеристику, відмінну від характеристики відцентрових насосів (при Q = 0 споживана пропелерним насосом потужність максимальна).