Часть 2

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВА

ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКОСТЕЙ

4. Общие положения

Гидравлические машины и устройства, применяемые в пищевой промышленности для транспортировки жидкостей, разнообразны по конструкции. В целом их объединяют единым названием − насосы.

Основное назначение насоса заключается в передаче энергии жидкости от его рабочего органа. Напомним, что полная удельная энергия движущейся жидкости равна сумме удельных энергий положения, давления и кинетической, т. е.

.

Согласно делению энергии на три вида, насосы подразделяются на соответствующие им три группы.

Строго говоря, устройства, в которых к жидкости подводится энергия положения z, нельзя назвать насосами. Само слово «насос» подразумевает возможность гидравлической машиной всасывать жидкость. Указанные устройства не обладают таким свойством. Их скорее можно назвать подъемниками жидкостей. К ним относятся различного рода водоподъемники, гидравлические тараны, системы Монтежю (Монжесю) и т. п. В дальнейшем рассмотрим принципы действия и расчеты некоторых из них.

Энергия давления подводится в насосах объемного типа. Передача энергии к жидкости в насосе происходит в результате давления на нее рабочего органа насоса. К данному типу гидравлических машин относятся поршневые, шестеренчатые, винтовые и другие насосы. Подача продукта в трубопроводную сеть осуществляется путем выдавливания определенной порции из рабочей полости насоса (цилиндра, впадин между зубьями шестерни и т. п.) рабочим органом или его элементом (поршнем, зубьями шестерни). Отсюда их название − объемные насосы.

Кинетическая энергия подводится к жидкости в машинах динамического действия. К ним относятся центробежные, осевые, вихревые, струйные насосы. В них энергия к жидкости подводится в результате динамического воздействия на нее вращающегося рабочего колеса или жидкой струи.

Несмотря на конструктивные различия, работа всех насосов характеризуется одними и теми же параметрами: объемной производительностью (подачей), напором, мощностью и коэффициентом полезного действия (КПД).

Производительность (подача). В теории насосов чаще используется понятие объемной производительности, т. е. количества жидкости, подаваемой в трубопроводную сеть в единицу времени (измеряется в кубических метрах в секунду – м³/с). Различают теоретическую и полезную (действительную) производительность. Отношение носит название объемного КПД насоса. Он характеризует величину объемных потерь в результате утечек жидкости внутри насоса через зазоры, сальники, клапаны и т. п.

Напор есть удельная энергия, равная разности полных удельных энергий жидкости на выходе из насоса и входе в него, т. е. . Различают напор теоретический и полезный . Отношение называется гидравлическим КПД. Он характеризует потери энергии на гидравлическое трение при течении жидкости в рабочей полости насоса. Очевидно, что для идеальной жидкости .

На практике приходится сталкиваться с двумя случаями определения напора:

− при определении напора работающего насоса, например при его испытании;

− при расчете напора в целях подбора насоса.

Рассмотрим оба этих случая на примере работы насосной установки, изображенной на рисунке.

Вариант I. Насосная установка состоит из всасывающей и нагнетательной сторон. Всасывающая сторона включает в себя емкость А для хранения жидкости, всасывающий трубопровод 1, вакуумметр 2 или мановакуумметр в зависимости от величины давления в емкости А. Нагнетательная сторона включает нагнетатель-

ный трубопровод 3, манометр 4, регулирующий вентиль 5 и приемную емкость В.

III

Схема насосной установки:

1 – всасывающий трубопровод; 2 – вакуумметр;

3 – нагнетательный трубопровод; 4 – манометр;

5 – регулирующий вентиль

Для определения напора при испытании насоса найдем удельные энергии жидкости в сечениях I−I и II−II относительно плоскости отсчета 0−0, совмещенной со свободной поверхностью жидкости в емкости А. Тогда

,

где − геометрическая высота всасывания, или расстояние от свободной поверхности до центра всасывающего патрубка насоса; − абсолютное давление в сечении I−I; − средняя скорость жидкости в том же сечении.

Удельная энергия на выходе из насоса

,

где − расстояние от места установки вакуумметра до центра манометра; и − абсолютное давление и средняя скорость в сечении II−II.

Будем считать, что расстояние между сечениями I−I и II−II невелико, в силу чего гидравлическими потерями между ними пренебрегаем. При этих условиях

, (4.1)

где , здесь − показание манометра; либо , здесь − показание вакуумметра. Зависимость величины от различных факторов будет рассмотрено при определении допустимой высоты всасывания насосов.

Найдем из уравнения (4.1) величину напора при условии наличия вакуума в сечении I−I. Подставив в уравнение (4.1) соответствующие значения и , получим

. (4.2)

Таким образом, для нахождения напора при испытании насоса необходимо снять показания манометра и вакуумметра, измерить расход жидкости и расстояние z, вычислить средние скорости движения жидкости и .

П р и м е р. При проведении испытаний в одном из опытов были получены следующие результаты: м; ; мм рт. ст.; . Внутренние диаметры трубопроводов мм, мм. Плотность перекачиваемой жидкости –1010 кг/м³, ртути − 13600 кг/м³.

Решение. Приведем все величины к единой системе измерения, запишем

Па; Па;

м/с; м/с.

Подставив имеющиеся данные в уравнение (4.1), получим

м ж.ст.

Вариант II. Напор, необходимый для преодоления сопротивления сети, определим из разности энергий в сечениях III−III и 0−0 (см. рисунок) относительно плоскости отсчета. Считая, что скорости движения жидкости в емкостях А и В равны нулю, запишем

;

.

Разность этих энергий дает нам величину напора

, (4.3)

где и − абсолютное давление в емкостях А и В.

В принципе при > величина согласно уравнению (4.3), может оказаться отрицательной. Это значит, что необходимости в установке насоса нет. Жидкость будет двигаться в трубопроводах под действием разности давлений . Такие безнасосные схемы могут иметь место на заводах по производству газированных напитков, пива … и в тех случаях, когда динамическое воздействие рабочего органа насоса на жидкость может отрицательно сказаться на качестве готового продукта.

Системы, в которых транспортировка осуществляется методом выдавливания жидкости из напорной емкости, называются системами Монтежю.

П р и м е р. Проверить необходимость установки насоса для подачи пива из форфаса к разливочной машине в количестве м³/ч по трубопроводу диаметром мм, длиной м. На линии имеются 12 плавных поворотов и две задвижки ; коэффициент сопротивления на входе в трубу , а на выходе − . Избыточное давление двуокиси углерода в форфасе 4 атм, в приемной емкости разливочной машины − 2 атм, м. Плотность пива составляет 1010 кг/м³; динамическая вязкость Пас. Трубы считать гидравлически гладкими.

Решение. Находим среднюю скорость жидкости в трубопроводе:

м/с.

Определим режим движения, определив критерий Рейнольдса:

Так как , то режим турбулентный.

Находим потери энергии по длине трубы. С учетом того, что трубы гидравлически гладкие,

; ;

м ж.ст.

Определим местные потери:

Вычислим потребный напор:

м ж.ст.

Напор получился отрицательным. Знак «минус» говорит о том, что энергия в сечении 0−0 выше, чем в сечении III−III. Разность этих энергий позволит транспортировать жидкость из емкости А в емкость В без насоса при условии, что давления в них будут оставаться постоянными.

Мощность − энергия, потребляемая насосом в единицу времени. Полезная, или эффективная, мощность

,

т. е. это та энергия, которая расходуется на создание полезного напора и полезной производительности.

При работе насоса в нем, кроме объемных и гидравлических потерь, возникают потери на механическое трение в подшипниках, сальниках, а в насосах динамического типа – еще и дисков рабочих колес о жидкость.

Отношение разности полной мощности и механической к полной называется механическим КПД, т. е.

.

Разность называется теоретической, или гидравлической, мощностью. Она характеризуется теоретическим расходом и теоретическим напором:

. (4.4)

Таким образом,

.

Полный КПД насоса − отношение полезной мощности к полной:

.

Он равен произведению трех КПД:

.

Мощность двигателя с учетом пусковых нагрузок берется в полтора раза больше полной, т. е.

.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие типы насосов вам известны?

2. Какие основные параметры насосов вам известны?

3. Что такое напор, развиваемый насосом, и как он определяется?

4. Как рассчитать полную мощность насоса?