2. Типы нагнетателей и основные рабочие параметры

2.1. Типы нагнетателей

Нагнетатели – это устройства для преобразования механической работы в потенциальную или кинетическую энергию текучих сред. С помощью нагнетателей осуществляется либо перемещение текучих сред, либо повышение в этих средах давления.

Устройства для перемещения жидких сред называются насосами, газов – вентиляторами и компрессорами. Существуют устройства для получения глубокого вакуума в газовых средах, и называются они вакуум-насосами.

Все нагнетательные устройства характеризуются степенью повышения давления ε, которое представляет собой отношение давления на выходе устройства к давлению на его входе

ε = pвых . pвх

В зависимости от величины ε нагнетатели, работающие с газовыми средами, подразделяют на вентиляторы, компрессоры и газодувки.

Вентиляторы – это устройства для перемещения газообразных сред со степенью повышения давления до ε ≤ 1,15.

Газодувки – это устройства, работающие при ε > 1,15 и не требующие искусственного охлаждения.

Компрессоры – это устройства для сжатия газов с ε > 1,15 и имеющие в большинстве случаев искусственное охлаждение полости, в которой происходит сжатие газа.

Существует достаточно много принципов классификации нагнетателей. Но наиболее главной классификацией является классификация принципу действия, в соответствии с которой нагнетатели подразделяются на объемные и лопастные.

Влопастных нагнетателях энергия потоку передается за счет действующих на среду сил в рабочих полостях. Рабочие полости постоянно соединены со входом и выходом устройства, клапаны отсутствуют. К лопастным нагнетателям относятся центробежные, осевые и вихревые нагнетатели.

Вобъемных нагнетателях энергия передается потоку за счет периодического изменения объема рабочих полостей и, соответственно, давления в них. Рабочие полости попеременно сообщаются с входом и выходом устройства. К объемным нагнетателям относятся поршневые, пластинчатые (роторные) и зубчатые (шестеренчатые) устройства.

7

2.2. Основные параметры работы нагнетателей

Работа нагнетательных устройств характеризуется рабочими параметрами, к которым относятся:

1.Подача (производительность);

2.Давление или напор;

3.Мощность;

4.Коэффициент полезного действия (КПД).

1. Подача.

Подача – это количество жидкости либо газа, подаваемое нагнетателем в единицу времени. Как следует из определения, подача нагнетателя, сообщающего жидкости движение, равна расходу этой жидкости в подключенном к нагнетателю трубопроводе.

Различают объемную Q и массовую M производительности. Объемная производительность нагнетателя Q определяется выражением

Q = сср F,

где сср – средняя скорость движения потока в трубопроводе, F – площадь поперечного сечения трубопровода.

Массовая подача M связана с объемной подачей выражением

M = ρQ,

где ρ − плотность перекачиваемой среды.

Единица измерения объемной производительности − м3/с, а массовой −

кг/с.

При отсутствии утечек массовая подача одинакова для всех сечений проточной полости нагнетателя.

Подача нагнетателя зависит от его типа и размеров, от скорости движения рабочих органов, от характеристик трубопровода.

2. Давление и напор.

Давление р нагнетателя представляет собой энергию, сообщенную единице объема перекачиваемой среды. Измеряется давление в Па (Н/м2) или Дж/м3. Напор Н нагнетателя – это энергия, переданная единице веса среды. Единица измерения напора – м.

Давление р и напор Н связаны соотношением р = ρgН.

Полное давление рп, состоит из статического рст и динамического рд давлений

рп = рст + рд.

8

Динамическое давление можно определить из выражения

рдин = ρ2с2 .

Полное давление, развиваемое нагнетателем, может быть определено из уравнения Бернулли.

Создаваемое нагнетателем давление равно разности полных давлений на выходе и входе нагнетателя (рисунок 2.1) и оно равно

р = рвых − рвх + ρ(свых22−свх2 )+ρg(zвых − zвх ),

где свых, свх, рвых и рвх – соответственно скорости и давления в жидкости на выходе и входе нагнетателя, zвых и zвх – координаты расположения центров выходного и входного сечений нагнетателя.

Рисунок 2.1. К определению давления нагнетателя

Напор, создаваемый насосом

Н = рвых − рвх + свых2 −свх2 + (zвых − zвх )

ρg 2g

При подключении к входному и выходному сечениям насоса манометра и вакуумметра (рисунок 2.1) необходимо записать уравнение Бернулли для сечений входа и выхода (начало отсчета вертикальной координаты – сечение входа):

Нвх = рвх + свх2 ,

ρg 2g

9

Нвых = рρвыхg + свых2g2 + z

Тогда создаваемый нагнетателем напор

Н = Нвых − Нвых = рвых − рвх + свых2 −свх2 + z.

ρg 2g

В соответствии с показаниями вакуумметра на входе и манометра на выходе нагнетателя давления равны:

рвх = ратм − рвак +ρgzвак рвых = ратм + рман +ρgzман ,

где рман и рвак – показания манометра и вакуумметра, zман и zвак – превышение положения манометра и вакуумметра над точками подключения к трубопро-

воду, z – разность уровней сечений входа и выхода насоса.

Тогда напор нагнетателя может быть определен по показаниям приборов

Если известны давления в верхнем и нижнем баках, а также положение уровней жидкости в них, то удобно определять напор насоса по этим параметрам.

Для этого необходимо записать уравнение Бернулли для сечений на уровне поверхностей жидкости в верхнем и нижнем баках и выбрать начало отсчета вертикальной координаты на уровне нижнего сечения

Н1 = ρрg1 ,

Н2 = ρрg2 + Нг +∆Нпот ,

где Нг – полная геометрическая высота подъема жидкости, ∆Нпот – потери

Выражения записаны в предположении постоянства уровней жидкости в баках и, соответственно, равенстве нулю скоростей жидкости.

В результате напор нагнетателя

10

H = р2ρ−g р1 + Нг + ∆Hпот .

Потери напора в трубопроводе определяются как

где l, d – длина и диаметр трубопровода, l – гидравлический коэффициент трения в трубах, ζi – коэффициенты местных сопротивлений, с – скорость жидкости в трубопроводе. Если задана эквивалентная длина lэкв местных сопротивлений, то в данную формулу подставляется общая длина (l + lэкв ).

При перекачивании жидкости от открытого в открытый бак давления в них равны атмосферному давлению, и тогда напор насоса равен

H = Нг +∆Hпот .

3. Мощность.

Полезной энергией насоса называется энергия, полученная потоком среды от рабочих органов насоса.

Удельная полезная работа нагнетателя

lп = ρр = gH .

Полезная мощность насоса может быть определена выражениями

Nп = рQ = ρQgН = МgН .

При описании работы нагнетателей используют еще понятие удельной энергии нагнетателей l – энергии, подводимой к валу нагнетателя и отнесенной к единице массы подаваемой среды. Этой энергии соответствует мощ-

ность на валу Nв. Очевидно, что l > lп, поскольку существуют потери энергии. Единицы измерения мощности − 1 Вт = 1 Дж/с.

4. Коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия (КПД) нагнетателя определяется как отношение полезной мощности к мощности на валу насоса

η = Nп /Nв

11

Этим параметром описывается эффективность передачи жидкости энергии, подведенной к валу нагнетателя.

От вала двигателя к валу нагнетателя передается мощность на валу Nв. Мощность, передаваемая нагнетателем потоку среды, меньше мощности, передаваемой двигателем валу нагнетателя, на величину объемных, механических и гидравлических потерь энергии в нагнетателе. В соответствии с этим вводятся понятия механического ηм, объемного ηо и гидравлического ηг коэффициентов полезного действия.

Потери мощности ∆N на различные виды трения в рабочем органе нагнетателя являются механическими потерями. Механический КПД определяется выражением

ηм = (Nв − ∆N)/Nв.

У современных нагнетателей механический КПД может изменяться в диапазоне ηм = 0,92 ÷ 0,95.

Объемные потери мощности возникают в результате утечек среды через уплотнения в нагнетателе, а также из-за перетоков жидкости из областей проточной полости с повышенным давлением в области с более низким. Если обозначить объемы утечек в единицу времени через ∆Q, то при подаче нагнетателя Q объемный КПД

ηо = Q/(Q + ∆Q).

η0 = 0,96 ÷ 0,98.

Гидравлический КПД учитывает потери, возникающие вследствие наличия гидравлических сопротивлений в подводящем и отводящем трубопроводах, в рабочем колесе нагнетателя. Гидравлический КПД определяется выражением

ηг = Н/(Н + ∆Нпот) ,

где ∆Нпот − потери напора. Гидравлический КПД может изменяться в более широком диапазоне значений ηг = 0,8 ÷ 0,96.

Полный КПД равен произведению гидравлического, механического и объемного КПД:

η = ηм ηг ηо.

Внутренняя мощность, т.е. мощность, развиваемая рабочими органами нагнетателя в потоке перемещаемой среды

Nвн = ρ(Q + ∆Q)(H + ∆Hпот )g .

12