Глава 6. Перемещение жидкостей. Сжатие и перемещение газов

Жидкости и газы в химических производствах часто необходимо перемещать через аппараты, а также по трубопроводам между аппаратами, установками, цехами, складами и т.д. Энергия, необходимая для перемещения жидкости, сообщается ей гидравлическими машинами, носящими название насосов.

Многие технологические процессы протекают в газовой фазе при высоких и низких давлениях. В этом случае приходится осуществлять как сжатие или разрежение газа, так и его транспортирование. Машины, предназначенные для осуществления таких процессов, называются компрессорными.

6.1. Насосы

Насосами называются гидравлические машины, в которых энергия двигателя передается перемещаемой жидкости вследствие повышения ее гидродинамического напора (давления).

6.1.1. Классификация насосов и их основные характеристики

Различают насосы двух основных типов: динамические и объемные.

В динамических насосах жидкость перемещается при воздействии сил на незамкнутый объем жидкости, который непрерывно сообщается со входом в насос и выходом из него.

В объемных насосах жидкость перемещается (вытесняется) при периодическом изменении замкнутого объема жидкости, который периодически сообщается со входом и выходом из него.

Динамические насосы по виду сил, действующих на жидкость, подразделяются на лопастные насосы и насосы трения.

К лопастным относятся насосы, в которых энергия передается жидкости при обтекании лопастей вращающегося рабочего колеса (или нескольких колес) насоса. Лопастные насосы, в свою очередь, делятся на центробежные и осевые, причем в центробежных насосах жидкость движется через рабочее колесо от его центра к периферии, а в осевых – в направлении оси колеса.

Насосы трения представляют собой насосы, в которых жидкость перемещается преимущественно под воздействием сил трения. К ним относятся, в частности, вихревые и струйные насосы.

Объемные насосы – это такие, в которых жидкость, вытесняется из замкнутого пространства телом, движущимся возвратно-поступательно (поршневые, плунжерные, диафрагмовые насосы) или имеющим вращательные движения (шестеренные, пластинчатые, винтовые насосы).

Основные параметры насосов. Основными параметрами насоса любого типа являются производительность, напор и мощность. Производительность, или подача, (м/сек) определяется объемом жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени.Напор H (м) характеризует удельную энергию, которая сообщается насосом единице веса перекачиваемой жидкости. Этот параметр показывает, насколько возрастает энергия жидкости при прохождении ее через насос, и определяется с помощью уравнения Бернулли. Напор можно представить как высоту, на которую может быть поднят 1 кг перекачиваемой жидкости за счет энергии, сообщаемой ей насосом. Поэтому напор не зависит от плотности перекачиваемой жидкости. Полезная мощность , затрачиваемая насосом на сообщение жидкости энергии, равна произведению удельной энергииН на весовой расход жидкости:

. (6.1)

Мощность на валу больше полезной мощности в связи с потерями энергии в насосе, которые учитываются коэффициентом полезного действия (к.п.д.) насоса :

. (6.2)

Коэффициент полезного действия насоса характеризует совершенство конструкции и экономичность эксплуатации насоса. Величина отражает относительные потери мощности в самом насосе и выражается произведением

. (6.3)

В выражение (6.3) входят величины: –коэффициент подачи, или объемный к.п.д., представляющий собой отношение действительной производительности насоса к теоретической (учитывает потери производительности при утечках жидкости через зазоры и сальники насоса, а также вследствие неодновременного перекрытия клапанов и выделения воздуха из перекачиваемой жидкости при давлении ниже атмосферного во время всасывания); _– гидравлический к.п.д. – отношение действительного напора насоса к теоретическому (учитывает потери напора при движении жидкости через насос); –механический к.п.д., характеризующий потери мощности на механическое трение в насосе (в подшипниках, сальниках и т.д.).

Значение зависит от конструкции и степени износа насоса и в среднем составляет: для центробежных насосов 0,60,7; для поршневых насосов 0,80,9; для совершенных центробежных насосов большой производительности 0,930,95.

Мощность, потребляемая двигателем, или номинальная мощность двигателя , больше мощности на валу вследствие механических потерь в передаче от электродвигателя к насосу и в самом электродвигателе. Эти потери учитываются введением в уравнение (6.2)к.п.д. передачи ик.п.д. двигателя :

. (6.4)

Произведение представляет собойполный к.п.д. насосной установки , который определяется как отношение полезной мощности к номинальной мощности двигателяи характеризует полные потери мощности насосной установки:

. (6.5)

Из уравнений (6.3) и (6.5) следует, что полный к.п.д. насосной установки может быть выражен произведением пяти величин:

. (6.6)

Установочная мощность двигателя рассчитывается по величине с учетом возможных перегрузок в момент пуска насоса, возникающих в связи с необходимостью преодоления инерции покоящейся массы жидкости:

, (6.7)

где – коэффициент запаса мощности, значения которого определяют в зависимости от номинальной мощности двигателя :

Nдв ,кВт	менее 1	15	550	более 50
	21,5	1,51,2	1,21,15	1,1

Рассмотрим схему насосной установки, представленной на рис. 6.1. Введем обозначения: p₀ – давление в емкости 1 (приемная емкость), из которой насосом 2 засасывается жидкость; p₂ – давление в напорной емкости 3; p_{вс –} давление во всасывающем патрубке насоса; р_н – давление в нагнетательном патрубке насоса; Н_{вс –} высота всасывания; Н_н – высота нагнетания; Н_г – геометрическая высота подачи жидкости; h – расстояние по вертикали между уровнями установки манометра М и вакуумметра В.

Рис. 6.1. Схема насосной установки: 1 – приемная емкость; 2 – насос; 3 – напорная емкость, М – манометр, В – вакуумметр

Используем для определения напора насоса уравнение Бернулли (5.34). Примем за плоскость сравнения уровень жидкости в приемной емкости (сечение 0 – 0). Уравнение Бернулли для плоскостей 0 – 0 и 1 – 1:

. (6.8)

Уравнение Бернулли для плоскостей и 2 – 2:

. (6.9)

В этих условиях: и– средние скорости жидкости в приемной и напорной емкостях (в плоскостях 0 – 0 и 2 – 2 соответственно);, – средние скорости жидкости во всасывающем и нагнетательном патрубках насоса;h_п,вс, h_п,н – потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Скорость жидкости пренебрежимо мала по сравнению со скоростью во всасывающем трубопроводе и может быть исключена из уравнения (6.8). Тогда из этого уравнения удельная энергияЕ_вх жидкости на входе в насос

. (6.8а)

Аналогично ; пренебрегая величинойи учитывая, что, определяем по уравнению (6.9) удельную энергию жидкости на выходе из насоса:

. (6.9а)

Вычитая из левой части уравнения (6.9а) левую часть уравнения (6.8а), находим напор насоса:

. (6.10)

Если диаметры всасывающего и нагнетательного патрубков равны, то и уравнение (6.10) упрощается:

. (6.11)

Уравнения (6.10) и (6.11) применяют для расчета напора при проектировании насосов. Для определения напора действующего насоса пользуются показаниями манометра (p_м) и вакуумметра (p_в). Выразим абсолютные давления p_н и p_вс через показания манометра и вакуумметра:

; ,

где p_а – атмосферное давление.

Подставив полученные значения p_н и p_вс в уравнение (6.11), имеем

_(6.12)

Иное выражение для напора насоса может быть получено, если из правой части уравнения (6.9а) вычесть правую часть уравнения (6.8):

, (6.13)

где h_п = h_п,н + h_{п,вс –} суммарное гидравлическое сопротивление всасывающего и нагнетательного трубопроводов.

Уравнение (6.13) используют при подборе насосов для технологических установок. Всасывание жидкости насосом происходит под действием разности давлений в приемной емкости p₀ и на входе в насос p_вс или под действием разности напоров . Высота всасывания может быть определена из уравнения (6.8)

. (6.14)

Поскольку ~ 0, то

. (6.15)

Если жидкость перекачивается из открытой емкости, то p₀ = p_а (p_а – атмосферное давление). Давление на входе в насос p_вс должно быть больше давления насыщенного пара p^н перекачиваемой жидкости при температуре всасывания (p_вс > p^н), в противном случае жидкость в насосе начнет кипеть. При образовании пара и выделении из жидкости растворенных в ней газов возможен разрыв потока и уменьшение высоты всасывания до нуля, следовательно,

. (6.16)

На высоту всасывания насосов оказывает влияние явление кавитации. Кавитация возникает при высоких скоростях вращения рабочих колес центробежных насосов в условиях, когда происходит интенсивное парообразование в жидкости, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому его разрушению. При кавитации производительность и напор насоса резко снижаются.