39. Насосная установка. Определение характеристик насоса (подачи, напора, кпд). Расчет затрат мощности потребляемой электродвигателем насоса.

Насосы относят к классу гидравлических машин, которые передают механическую энергию электродвигателя перекачиваемой жидкости. По принципу действия насосы делят на две группы. К первой группе отнесены насосы динамического типа, главным представителем которой является центробежный насос. Ко второй группе относятся насосы объемного типа предназначенные , в основном, для перемещения высоковязких сред.

Насосы всегда работают в составе насосной установки (см. рисунок 7.1). Помимо насоса 1 в состав установки входит электродвигатель 2 и соединительная муфта 3. Перекачиваемый продукт в установку поступает по всасывающему трубопроводу 4, а ее покидает по нагнетательному 5. Для контроля за работой установки она снабжена контрольно измерительными приборами. Так на линии всасывания устанавливается моновакууметр 6, а на линии нагнетания манометр 7. Кроме того установка всегда снабжается запорно–регулирующей арматурой 9 (краны, вентили, задвижки) устанавливаемой на линиях всасывания и нагнетания.

Рисунок 7.1– Схема насосной установки на базе центробежного насоса.

1–насос центробежный; 2– электродвигатель; 3– муфта; 4,5-линии всасывания и нагнетания; 6–моновакууметр; 7–манометр; 8– рама насосного агрегата.

В центробежном насосе основным его узлом (рабочим органом) является рабочее колесо с лопастями, установленное в рабочей камере (корпусе) насоса. Вследствие адгезии молекулы жидкости прилипают к поверхности дисков и лопастей рабочего колеса. Поэтому жидкость, находящаяся в контакте с дисками и лопастями, вращается вместе с ними. Благодаря вязкости в совместное движение в рабочем колесе вовлекаются соседние слои и весь объем жидкости. Т.о. с помощью рабочего колеса жидкость увлекается в движение и механическая энергия электродвигателя преобразуется в кинетическую энергию потока.

Устройство насоса представлено схематично на рисунке 7.2. Насос состоит из корпуса 4, внутри которого аксиально установлено рабочее колесо на приводном валу 7. Рабочее колесо состоит из двух дисков: ведущего 1 и ведомого 2. Эти диски неразъемно соединены друг с другом лопастями 3. С торца корпус насоса закрывается крышкой 8 в которой размещен всасывающий патрубок 9.

Рисунок 7.2– Схема центробежного насоса

1– ведущий диск рабочего колеса; 2– ведомый диск рабочего колеса; 3– лопасти; 4– корпус насоса; 5– сальниковое уплотнение; 6– грун–букса; 7– вал привода насоса; 8– торцевая крышка; 9– входной патрубок; 10– выходной (нагнетательный) патрубок

Рабочее колесо 2 размещено в корпусе 1с малым торцевым зазором. По периметру колеса между ним и корпусом образуется постоянно расширяющийся (серповидный) зазор, плавно переходящий в нагнетательный патрубок 10. Для исключения утечек жидкости через зазоры между корпусом и валом привода применяется уплотнение 5 с сальником и грунд-буксой 6.

Принцип действия центробежного насоса состоит в следующим. При вращении рабочего колеса насоса жидкость увлекается в движение и при этом участвует в двух видах движения переносном- совместно с рабочим колесом относительно его оси вращения и относительном движении – вдоль лопаток рабочего колеса. Достигнув среза рабочего колеса, поток жидкости попадает в серповидный зазор между корпусом и рабочим колесом. Перемещаясь вдоль корпуса по постоянно расширяющемуся зазору поток теряет скорость, а его кинетическая энергия снижается и переходит в потенциальную. Поэтому давление в потоке на выходе из насоса выше, чем давление жидкости на входе в насос.

При перемещении жидкости в рабочем колесе в его центральной зоне создается разряжение. Под действием атмосферного давления новые порции жидкости поступают во внутреннюю полость рабочего колеса , по всасывающему патрубку 9.

Основными характеристиками насоса являются: производительность V_c, м³/с ,(подача Q, л/мин); развиваемый напор Н, м вод. ст. (развиваемое давление Δр, Па); гидравлическая мощность потока N_г, Вт; КПД насоса η. К числу эксплуатационных характеристик насоса относят такой показатель как глубина всасывания Н_вс, м вод.ст.

Производительность насоса характеризует количество жидкости проходящей в единицу времени через нагнетательный патрубок насоса. Раньше этот показатель назывался подачей насоса, обозначалась подача насоса через Q и имела размерность л/мин ( ).

_{Давление развиваемое насосом} [Па, МПа] разность статических давлений жидкости в нагнетательном и всасывающим патрубке насоса . Ранее эта величина выражалась через напор Н, развиваемым насосом [м. вод.ст.]. Она характеризовала удельную энергию т.е. энергию вносимую насосным агрегатом в единицу веса перекачиваемой жидкости. Связаны эти показатели друг с другом через основное уравнение гидростатики

Полный напор, развиваемый насосом, определяется как разность энергий потока на выходе из насоса Е₁ и Е₂ на входе в насос:

=

(7.1)

_{Из уравнения (7.1) следует, что напор развиваемый насосом тратится на: подъем жидкости на требуемую высоту} ; на преодоление разности давлений в емкости питания и емкости нагнетания ; на преодоление разности скоростных напоров в линиях всасывания и нагнетания ; и на компенсацию гидравлических потерь во всей трубопроводной системе _.

Определить напор развиваемый центробежным насосом возможно по показаниям приборов устанавливаемых на линии всасывания и нагнетания насосной установки (рисунок 7.1). Если диаметры всасывающего и нагнетательного трубопроводов одинаковы или мало отличаются друг от друга, то можно считать υ_н = υ_вс , и тогда напор развиваемый насосом можно установить из уравнения (7.1) предположив также, что . Тогда

. (7.2)

где z₀ – расстояние по вертикали между местами установки приборов, м

p_м,p_в – показания манометра и мановакууметра насосной установки, Па

Гидравлическая (полезная) мощность потока. Количество энергии вносимой насосом в единицу времени в единицу веса перекачиваемой жидкости.

Каждая единица веса жидкости, прошедшая через насос, приобретает энергию Н, за единицу времени через насос протекает жидкость весом Следовательно энергия приобретенная жидкостью, прошедшей через насос за единицу времени, считается полезной мощность насоса:

(7.3)

Помимо гидравлической мощности потока различают, мощность потребляемую насосной установкой. Эта мощность является электрической и обозначается как N_Е[Вт].

КПД – коэффициент полезного действия насосной установки представляет собой отношение полезной мощности насоса к потребляемой (электрической) .

(7.4)

где КПД электродвигателя, муфты и насоса, соответственно.

а) б)

Рисунок 7.2 – Графические характеристики центробежного насоса К90/20(4К-18) (а); б) определение рабочей области центробежного насоса

Все перечисленные выше характеристики насоса могут быть представлены в виде графиков зависимости Зависимость называется главной характеристикой насоса. На рисунке 7.2 для примера представлены графические характеристики центробежного насоса К90/20(4К-18).

Анализ главной характеристики центробежного насоса H=f(V_с) показывает, что с увеличением подачи насоса при постоянной частоте вращения рабочего колеса, его напор H уменьшается. Лишь на коротком начальном участке кривой наблюдается незначительное повышение напора с возрастанием подачи. Этот участок характеризуется неустойчивой работой насоса, сопровождающейся толчками, ударами, а поэтому насос должен работать в области нисходящей ветви кривой. Вместе с тем, в этой же области и лежат максимальные значения КПД насоса. Точка «опт», соответствующая максимуму на кривой _с , является наиболее выгодной точкой и ей соответствует оптимальное значение подачи насоса V_опт, потребляемой мощности N_опт и создаваемого напора H_опт.. При отклонении η от оптимальной точки его значение падает. Предельным снижением КПД от его максимального значения является величина в (5 7)%. Область подач насоса, ограниченная данным отклонением, называется рабочей областью насоса. На рисунке 7.2б рабочая область затенена.