книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

Насос описанного устройства называется насосом простого дейст­ вия. В нем для подачи жидкости используется только один ход поршня, так как во время второго хода происходит всасывание.

На рис. 3-3 показан насос двойного действия, подающий жидкость при обоих ходах поршня. Это увеличивает его производительность

в2 раза по сравнению с насосом простого действия, обеспечивает бо­ лее равномерную подачу жидкости и уменьшает пульсацию давления

внагнетательном трубопроводе.

Насос двойного действия представляет собой как бы два насоса простого действия, соединенных в одну машину. В то время как в од­ ной части цилиндра происходит всасывание, во второй, по другую сторону поршня,— нагнетание. Благодаря этому насос непрерывно подает жидкость, но не с одинаковой интенсивностью. Это объясняется тем, что скорость движения поршня изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, НАПОР и м о щ н о с т ь

На рис. 3-4 показано, что ход h поршня равен двум радиусам кри­ вошипа, и для того чтобы поршень сделал один ход из положения 1 в положение 2, вал насоса должен повернуться на 180°, т. е. на поло­ вину оборота. При этом поршень вытеснит из цилиндра жидкость,

объем которой равен — d 2h. Если ход h поршня и диаметр d цилиндра

4

выражены в метрах, то объем жидкости будет в кубических метрах. За вторую половину оборота вала насоса поршень из положения 2

перейдет в положение 1 и произойдет заполнение цилиндра жид­ костью — всасывание. Таким образом, за один оборот вала насос по­

дает — d 2h m s жидкости. Если вал делает п оборотов в секунду, то

4

объем подаваемой насосом жидкости за секунду, или производитель­ ность насоса в кубометрах в секунду, составит

Уц„л— Y-cPh

4

57

вредным объемом, или объемом сжатия. Отсюда вытекает понятие объемного к. п. д. насоса, который равен

— d4i

цнл

Для полезного объема цилиндра можно написать

■^-d2h = УцплЛу

4

Если согласно этому в полученных выше формулах для произво­ дительности насоса сделать замену, то производительность насоса

простого действия равна

поршень мог выдавить жидкость из цилиндра в нагнетательный тру­ бопровод. Это давление называется давлением нагнетания. Разность давлений нагнетания и всасывания называют напором насоса. Если напор насоса обозначить Я, н/м2, можно написать

единицах измерения давления. Часто его выражают в метрах водя­ ного столба (м вод. ст.).

Во время всасывания, т. е. когда поршень движется вверх, внутри

58

воздух, действуя также на каждый квадратный метр его поверхности с силой ра в направлении сверху вниз. В результате каждыйквадрат­ ный метр поверхности будет испытывать силу ра—Рх, а на всю поверх­ ность поршня будет действовать сверху вниз сила

± - й %(ра— рг) н,

4

где d — диаметр поршня, м.

Поршень движется снизу вверх и проходит путь /г, м. При этом (как известно из механики) затрачивается работа •

A i= — d2(ра—рх)/г дж.

4

При нагнетании, т. е. когда поршень, дойдя до крайнего верхнего положения, начнет двигаться вниз, внутри цилиндра возникнет дав­ ление р 2, которое будет действовать на каждый квадратный метр поршня снизу вверх с силой р 2, н.

Атмосферный воздух по-прежнему будет давить сверху вниз, с си­ лой ра, н. В результате каждый квадратный метр поверхности поршня будет испытывать силу р 2—ра, к, а на весь поршень снизу вверх бу­ дет действовать сила

-7- d2(Р2—Ра).

4

При перемещении поршня сверху вниз на расстояние h должна быть затрачена работа

А 2 = — d2(p2— pa)h дж.

4

Общая работа А 0, затрачиваемая на перемещение поршня за оба его хода, т. е. за один оборот вала насоса, равна

А 0 = А гА~А2 — — d2(ра рх) h -\- — d2(р2—ра) h —

4 4

=— d2h(p2—рх) дж.

4

Если вал делает в 1 сек п оборотов, то работа, затраченная в тече­ ние секунды, равна

A = A 0n = — d2(p2— p1)hn дж.

4

Поскольку мощность представляет собой работу, производимую в течение 1 сек, то средняя мощность Р, необходимая для перемеще­ ния поршня насоса, равна

р = — d2(p2 —pi) hn вт.

4

59

Вполученном равенстве, согласно предыдущему,

Н— р2—р1 нім2,

апосле замены

Р= d?hn'j Н вт.

Выражение, поставленное в скобки, представляет собой произво­ дительность насоса (м31сек), т. е.

V = — сГ-Іт,

4

поэтому, сделав замену, получим Р = ѴН вт.

Для того чтобы найденную мощность перевести в киловатты, нужно

Таким образом, мы определили среднюю мощность, требующуюся для перемещения поршня. Однако мы не учитывали возникающих сил трения и связанных с этим потерь мощности. Фактически средняя мощность будет несколько больше и для ее определения нужно ввести к. п. д. г\ насоса. Тогда для средней мощности, потребляемой насосом, окончательно получим следующую формулу:

1000ч

где V — производительность, м3/сек\ Н — напор, нім2\

т) — коэффициент полезного действия, который колеблется в пре­ делах 0,75 — 0,95 в зависимости от конструкции и произво­ дительности насоса (чем мощнее насос, тем выше его к. п. д.).

КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

Плунжерные насосы

Поршневые насосы простого действия в большинстве случаев де­ лают в виде так называемых плунжерных насосов. Отличительной особенностью их является конструкция поршня, который называют плунжером. В остальном плунжерные насосы не имеют существенных отличий от поршневых.

Устройство плунжерного насоса схематически показано на рис. 3-6. В подшипниках 1 лежит коленчатый вал 2 насоса с кривошипом 3, с пальцем которого при помощи головного подшипника 5 сцеплен ша­ тун 4. На другом конце шатуна также имеется головной подшипник 6, который входит в выемку в плунжере 7 и может поворачиваться на пальце 8, вставленном в специальное отверстие плунжера. Плунжер

60

входит в цилиндр 9, стенки которого являются направляющими для плунжера, допуская его движение вдоль оси цилиндра.

Между боковой поверхностью плунжера и стенками цилиндра вследствие неплотностей может проходить жидкость. Для того чтобы жидкость не выходила наружу из цилиндра, в верхней его части сде­ лан сальник, который устраивают следующим образом. На сравни­ тельно небольшой длине верхней части цилиндра делают расточку диаметром больше диаметра плунжера и в нее закладывают сальнико­ вое кольцо 11, у верхней поверхности которого имеется скос в сторону

между верхним торцом цилиндра 10 и его крышкой 11, которая при­ жимается болтами 12. В нижней части цилиндра имеются всасываю­ щий 13 и нагнетательный 14 клапаны, а также всасывающий 15 и на­ гнетательный 16 трубопроводы.

При движении вверх шатун тянет за собой диафрагму, которая выгибается также вверх, вследствие этого объем в цилиндре увели­ чивается и происходит всасывание. При обратном движении шатуна

61

ВНИЗ он нажимает на диафрагму, прогибая ее внутрь цилиндра, и про^ исходит нагнетание.

Преимуществом диафрагмового насоса является простота его кон­ струкции и отсутствие сальников и уплотнителей. Однако вследствие того, что диафрагма не может сильно изгибаться, объем жидкости, подавае­ мой насосом за один ход, небольшой и производительность насоса низкая.

Кроме того, гибкую диафрагму нельзя

с кривошипом 3, лежащий в подшипниках 1, и шатун 4 с кривошип­ ным головным подшипником 5. Нижний, головной подшипник 6 входит в развилку 8 штока 7 и сцеплен с нею пальцем, на ко­ тором может поворачиваться. Шток 7 про­ ходит внутрь цилиндра 10 через сальник 11, устройство которого было описано вы­ ше. На другой конец штока надет поршень 9 и закреплен гайкой, навернутой на резьбу штока. В цилиндре имеются два

Рис. 3-8. Схема насоса двойного действия:

I — п о д ш и п н и к и ; 2 — п а л ; 3 — к р и в о ш и п ; 4 — ш а т у н ; 5 — к р и в о ш и п н ы й г о л о в н о й п о д ш и п н и к ш а т у н а ; 6 —

г о л о в н о й п о д ш и п н и к ш а т у н а ; 7 — ш т о к ; 8 — р а з в и л к а ш т о к а ; 9 — п о р ш е н ь ; 10 — ц и л и н д р ; 11 — с а л ь н и к ; 12 — в с а с ы в а ю щ и е к л а п а н ы ; 13 — н а г н е т а т е л ь н ы е к л а ­ п а н ы ; 14 — в с а с ы в а ю щ и й т р у б о п р о в о д ; 15 — н а г н е т а ­ т е л ь н ы й т р у б о п р о в о д ; 15 — п о р ш н е в ы е к о л ь ц а

всасывающих 12 и два нагнетательных 13 клапана, к которым подхо­ дят всасывающий 14 и нагнетательный 15 трубопроводы.

В насосе двойного действия объемы цилиндра по обе стороны поршня являются рабочими, поэтому пропуск жидкости между порш­

62

нем и цилиндром из одной части цилиндра в другую недопустим. Для создания достаточной плотности в канавки по окружности поршня надевают пружинящие поршневые кольца 16. Наружный диаметр колец несколько больше диаметра цилиндра, поэтому кольца на поршне, вставленном в цилиндр, оказываются плотно прижатыми к по­ верхности цилиндра. Между каждым кольцом и цилиндром получается ничтожный проход, значительно меньший чем между поршнем и ци­ линдром; благодаря этому создается хорошее уплотнение.

Насосы прямого действия

Для приведения насоса в действие может быть применена паровая машина. Поршень и шток паровой машины совершают такое же по­ ступательно-возвратное движение, как и поршень насоса. В связи с этим шток паровой машины можно удлинить и закрепить на нем плун­ жер или поршень насоса. Необходимость в вале, подшипниках и кри­ вошипном механизме отпадает. Полученный агрегат объединяет в себе насос и паровую машину. Очевидно, он проще и дешевле, чем насос и паровая машина, изготовленные порознь.

Клапаны поршневых насосов

Существенной частью поршневых насосов являются клапаны, так как от их исправности зависит работа всего насоса. Клапаны бывают разных конструкций. Наиболее распространены тарельчатые и шаро­ вые клапаны. На рис. 3-9 схематически показан тарельчатый клапан. У тарелки 1 клапана имеется шток 2, который может свободно пере­ мещаться вверх и вниз в направляющей втулке 3. На конец штока надета шайба 4, в которую упирается пружина 6, оттягивающая кла­ пан вниз, что обеспечивает надежное его закрытие. Шайба удержи­ вается на штоке гайкой 5.

При закрытии клапана тарелка прижимается к седлу 7, представ­ ляющему собой узкую коническую заточку, к которой плотно приле­ гает коническая часть тарелки клапана. Плотность прилегания до­ стигается путем притирки.

Для того чтобы избежать пропуска жидкости между направляющей втулкой и штоком, на нем сделан ряд кольцевых канавок, образую­ щих так называемое лабиринтное уплотнение 8. В этом уплотнении сечение, через которое может проходить жидкость, то сужается (про­ тив выступа на штоке), то расширяется (против канавки); чередование сужений и расширений создает настолько большое ' сопротивление проходу жидкости, что она проходит в ничтожном количестве.

Если клапан работает как всасывающий, то проход 9 соединяется со всасывающим трубопроводом. Если клапан работает как нагнета­ тельный, проход 9 соединяется с цилиндром.

На рис. 3-10 показан шаровой клапан. Собственно клапан / имеет форму шара; под действием своего веса он скатывается по стенкам ко­ нического гнезда 2 и, плотно прилегая к его стенкам, закрывает про­ ход для жидкости. Если клапан работает как всасывающий, проход

63

3 соединяется со всасывающим трубопроводом, а проходы 4 — с ци­ линдром; если клапан работает как нагнетательный, проход 3 соеди­ няется с цилиндром, а проходы 4 — с нагнетательным трубопрово­ дом. Преимуществом шаровых клапанов является простота устройства. Однако насос с этими кла­ панами можно устанавливать

только в положении, при котором обеспечивается закрытие его кла­ панов под действием силы тяжести шара. Тарельчатые клапаны не имеют этого недостатка.

АППАРАТ МОНТЕЖЮ

Иногда необходимо подавать на высоту так называемую агрес­ сивную, т. е. разъедающую металл насосов жидкость, или жид­ кость, засоряющую их клапаны, что приводит к нарушению нормальной ра­ боты насосов. В этих случаях применяют

аппарат Монтежю (рис. 3-11).

У аппарата имеется резервуар 1. В него через кран 2 самотеком поступает жид­ кость и вытесняет из резервуара воздух через кран 3. После заполнения резерву­ ара жидкостью краны 2 и 3 закрывают, а кран 4 открывают; через него поступает сжатый воздух, который давит на жидкость сверху и, выжимая ее из резервуара, подает

Рис. 3-11. Аппарат Монтежю:

/ — резервуар; 2 — кран для входа жидкости; 3 — кран для выхода воздуха; 4 — край для входа воздуха; 5 — нагнетательный трубопровод; 6 — рычажная система для управления кранами; 7 — спускной кран

вверх по нагнетательному трубопроводу 5. После опорожнения резерву­ ара кран 4 закрывают, а краны 2 и 3 открывают; происходит следующее заполнение резервуара жидкостью. Таким образом, резервуар пооче­

64

редно заполняется жидкостью и освобождается от нее путем вытесне­ ния ее и подачи вверх.

Краны 2, 3 и 4 для удобства управления ими связаны рычажной системой 6, которая позволяет одним поворотом рычага ставить все краны в нужное положение. Обычно кранами управляют вручную, реже автоматически.

Если аппарат предназначается для подачи агрессивной жидкости, то резервуар, его арматуру и трубопроводы делают либо из металла, не подвергающегося коррозии, например из кислотоупорной стали, либо покрывают специальными предохраняющими их составами.

Сжатый воздух подается в резервуар компрессором, принципиаль­ ное устройство которого такое же, как и поршневого насоса. В нижней части резервуара ставят кран 7 для спуска остающейся жидкости, или отстоя.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Устройство центробежного насоса схематически показано на рис. 3-12. В подшипниках 1 лежит вал 2, на который надето рабочее колесо 3 насоса, имеющее лопасти 4. Колесо находится внутри кор­ пуса 5. Внутренняя сторона колеса (с меньшим диаметром) входит внутрь всасывающего патрубка 6, к которому посредством фланца присоединяется всасывающий трубопровод. Внешняя часть колеса (с большим диаметром) доходит до улитки 7 корпуса. Постепенно рас­ ширяясь, улитка заканчивается нагнетательным патрубком 8, сое­ диняющимся также посредством фланца с нагнетательным трубопро­ водом. Для того чтобы предотвратить пропускание жидкости из кор­ пуса насоса, вдоль вала предусмотрен сальник 9.

При работе насоса жидкость проходит из всасывающего патрубка внутрь рабочего колеса и затем вдоль лопастей к его периферии, от­ куда выбрасывается в улитку корпуса. По улитке жидкость идет в на­ правлении уширения и через нагнетательный патрубок поступает в нагнетательный трубопровод. Направление движения жидкости внутри насоса (рис. 3-12) показано стрелками.

Если насос заполнен жидкостью и его рабочее колесо вращается, то лопасти колеса будут увлекать за собой жидкость и она начнет со­ вершать двойное движение: одно — относительно колеса и другое — вращательное, вместе с колесом. Окружная скорость иг в месте входа жидкости на лопасти меньше, чем окружная скорость «2 в месте ее схода с лопастей, поэтому 1 кг жидкости, прошедшей через рабочее

колесо, приобретает кинетическую энергию, равную — [и\— и\у

Кроме того, жидкость, подходя к рабочему колесу, имеет скорость сх меньшую, чем скорость с2, с которой жидкость движется, выйдя из колеса в улитку, поэтому 1 кг жидкости приобретает еще кинетиче­

скую энергию, равную -у -(с|—сі) •

При движении жидкости внутри рабочего колеса, между его ло­ пастями, вследствие изменения сечения для ее прохода скорость также

65

изменяется, т. е. жидкость движется с ускорением или замедлением в зависимости от того, сужается или расширяется проход. Это уско­ рение получается за счет кинетической энергии, приобретенной жид­ костью. Если скорость жидкости при входе равна w lt а при выходе

w2, то затрата кинетической энергии составит е— [w\— к^).

Таким образом, общее количество кинетической энергии, приобре­ тенной 1 кг жидкости, будет

Рис. 3-12. Схема центробежного насоса:

I — подшипники; 2 — вал; 3 — рабочее колесо; 4 — лопасти рабочего колеса; 5 — корпус насоса; 6— всасывающий патрубок; 7 — улитка корпуса; 8 — нагне­ тательный трубопровод; 9 — сальник

Из гидродинамики известно, что кинетическая энергия 1 кг жидко­ сти, умноженная на удельный вес последней у, кг/м3, представляет собой так называемый скоростной, или динамический, напор. Поэ­ тому жидкость, выйдя из рабочего колеса, будет обладать динамиче­ ским напором

После рабочего колеса жидкость поступает в улитку, которая пегстепенно расширяется, вследствие чего скорость жидкости также по­ степенно уменьшается. При этом большая часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную: соответственно этому большая часть динамического напора # д также переходит в статический напор Я с, т. е. на выходе из улитки создается давление.

Если у жидкости по выходе из улитки будет некоторая скорость w, то, помимо статического напора # с, жидкость будет обладать и дина­ мическим напором, величина которого равна•

• W

2

66