3.3 Основные рабочие параметры насосов

Насосы характеризуются следующими основными параметрами:

Подачей (расходом) Q, напором H, мощностью N, полным КПД: 𝔶 и высотой всасывания H_вс.

Подачей (расходом) насоса – объем жидкости, перекачиваемый в единицу времени. Подача насоса измеряется в м³/ч, м³/мин, л/с.

Напором насоса называют, разность полных удельных энергий потока у выхода и входа в насос, вычисленную в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Для пояснения сущности напора, развиваемого насосом, рассмотрим схему его работы при перекачивании жидкости из одного резервуара в другой. (рис. 3)

Рис. 3. Схема насосной установки:

1 – напорный резервуар; 2 – расходомер; 3 – задвижки; 4 – обратный клапан;

5 – манометр; 6 – напорный трубопровод; 7 – насос; 8 – вакуумметр;

9 – всасывающий трубопровод; 10 – всасывающая сетка; 11 – водоем

Установим величину удельной энергии жидкости сечения II – II , т.е до насоса , и в сечении III – III после насоса относительно плоскости сравнения, совмещенной со свободной поверхностью жидкости в водоеме, из которого перекачивается жидкость:

e₂ = H_вс + p_вс/υ + U²_вс/(2g)

e₃ = H_вс + H₀ + p_H/υ + U²_H/(2g)

Где H_вс – высота всасывания насоса

H₀ – расстояние по вертикали между точками установки вакуумметра и манометра

p_вс и p_n – абсолютные давления во всасывающем и напорном трубопроводах

U_вс и U_в – средние скорости жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах.

Удельная энергия жидкости e₃ после насоса всегда больше удельной энергии e₂ до него. Разность этих величин есть напор, развиваемый насосом:

Н = e₃ – e₂ = H₀ + (p_H – p_вс)/υ + (U²_H – U²_вс)/(2g)

Зная давление в насосной установки, т.е имея показания манометра и вакуумметра, можно определить p_H и p_вс. Действительно, манометр, установленный на напорном трубопроводе, показывает избыточное давление в сечении III – III :

p_M = p_H – p_ат, откуда p_H = p_M + p_ат

Вакуумметр, установленный в сечении II – II , показывает разность между атмосферным и абсолютными давлениями в этом сечении:

р_вак = р_ат – р_вс, откуда р_вс = р_ат - р_вак

После подстановки в выражение значений p_H и p_вс получим формулу для определения напора насоса по показаниям манометра и вакуумметра:

Н = Н₀ + (р_вак + р_М)/υ + (U²_H – U²_вс)/(2g)

Таким образом, полный напор H, развиваемый насосом, определяется высотой столба перекачиваемой жидкости. H₀ между манометром и вакуумметром, суммой показаний этих приборов и разностью кинетической энергии жидкости за и пред насосом. Величина H₀ в зависимости от условий монтажа установки может принимать различные значения, в том числе и отрицательные, если манометр будет расположен ниже вакуумметра.

В случае равенства диаметров всасывающего и напорного патрубков, получим формулу для определения напора:

Н = Н₀ + (р_вак + р_М)/υ

Если насос питается от водопровода, обеспечивающего напор на выходе, то во всасывающем патрубке насоса будет не вакуум, а избыточное давление p_вх , и значит p_вс = p_ат + p_вх. Используя это выражение при подстановки в уравнение значений p_Н и p_вс , получим следующую формулу для определения полного напора:

Н = Н₀ + (р_вак + р_М)/υ + (V²_H – V²_вс)/(2g)

Уравнение используют для определения напора работающего насоса при его испытании. В практических расчетах насосно-рукавных систем часто за напор, развиваемый насосом, принимают показания манометра, выраженные в м, т.е H = p_M/υ.

Для определения напора по элементам насосной установки (2 способ определения напора) составим уравнения Бернулли для сечений I – I и II – II , III – III и IV – IV:

z₁ + p₁/υ + V²₁/(2g) = z₂ + p₂/υ + V²₂/(2g) + h_вс

z₃ + p₃/υ + V²₃/(2g) = z₄ + p₄/υ + V²₄/(2g) + h_H

Приняв за плоскость сравнения плоскость I – I, выясним значение величин, входящих в уравнения:

z₁ = 0; z₂ = H_вс; z₃ = Н_вс + Н₀; z₄ = Н_вс + Н₀ + Н_н;

р₁ = р_ат; р₂ = р_вс р₃ = р_н р₄ = р₀

V₁ = 0; V₂ = V_вс V₃ = V_H V₄ = 0

Тогда с учетом следующих замечаний будем иметь:

p_вс/υ = p₄/υ - H_вс - V²_вс/(2g) - h_вс

p_Н/υ = p₀/υ – H_Н - V²_Н/(2g) + h_Н

После подстановки значений p_вс/υ и p_H/υ в уравнение получим:

H = p₀/υ - р_ат/υ + H_вс + Н₀ + Н_Н + h_вс + h_Н

Если учесть, что Н_вс + Н₀ + Н_Н = Н_Г (Н_Г - геометрическая высота подъема жидкости), и положить (p₀ – p_ат )/υ = H_св (здесь Н_св – свободный напор), то формула для определения напора насоса по элементам насосной установки примет вид:

H = H_Г + h_вс + h_Н + Н_св

Это выражение используется в практике для определения необходимого напора. Из формулы следует, что напор, создаваемый насосом, расходуется на подъем жидкости, преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах и на создание свободного напора в конце линии.

Мощность насоса представляет собой работу, совершаемую насосом в ед. времени. Мощность определяют следующим образом:

Насос перекачивает υ Q , кг/c жидкости и поднимает ее на высоту, соответствующую напору Н. Следовательно, υQH представляет собой секундную работу или мощность. В данном случае затрачиваемая мощность расходуется только на полезную работу, связанную с перекачиванием жидкости, поэтому она называется эффективной мощностью:

N_э = υ Q H

По системе СИ мощность определяют в Вт или кВт.

В действительности мощность, потребляемая насосом , больше эффективной , так как во время работы часть мощности теряется.

Эффективность работы насоса оценивается полным КПД от 𝔶 насоса , который равен отношению эффективной (полезной) мощности N_э насоса к потребляемой им мощности двигателя N :

𝔶 = N_э/N

Потребляемая мощность N кВт, может быть посчитана по формуле:

N = Mn/975

Полный КПД насоса 𝔶 определяют из выражения

𝔶 = 𝔶_Г 𝔶_М 𝔶₀

Величина полного КПД центробежных насосов зависит от их конструкции и изменяется в пределах 0,6 – 0,9 .

Высота всасывания и явление кавитации. Необходимо различать вакуумметрическую высоту всасывания Н_вак , характеризующую степень разряжения, возникающего у входа в насос, и геометрическую высоту всасывания Н_вс , которое определяет высоту установки оси насоса над уровнем жидкости.

Вакуумметрическая всасывания зависит от атмосферного давления, температуры и удельного веса перекачиваемой жидкости, величины потерь напора во всасывающей линии насоса, конструктивных особенностей и др. обычно допускаемая Н_вак указано в каталогах насосов.

Связь между вакуумметрической и геометрической высотами всасывания может быть установлена из уравнения Бернулли, составленного для сечений I – I и II – II относительно плоскости сравнения I – I.

Считая, что давление по поверхности жидкости равно атмосферному, а скорость течения в водоеме равна 0, получим:

р_ат/υ = Н_вс + р_вс/υ + U²_вс/(2g) + h_вс

Так как p_ат – p_вс = p_вак и p_вак/υ = H_вак , формулу можно записать таким образом :

Н_вс = (p_ат – p_вс)/υ - U²_вс/(2g) - h_вс

Н_вс = H_вак - U²_вс/(2g) - h_вс

Из формулы следует, что геометрическая высота всасывания меньше вакуумметрической на величину скоростного напора и потерь напора во всасывающем трубопроводе. С увеличением подачи насоса мах. допустимая высота всасывания уменьшается. Определяя высоту всасывания , необходимо иметь в виду, что при понижении давления p_вс во всасывающем трубопроводе может происходить парообразование и нормальная работа насоса будет нарушена. Поэтому мин. давление в насосе должно быть выше давления парообразования жидкости при чем давление паров воды сильно увеличивается с повышением ее температуры.

Чем выше температура воды, тем меньше высота всасывания, и практически при t>70⁰C забор воды становится невозможен. Обычно геометрическая высота всасывания для центробежных насосов составляет не более 5 – 7м и лишь для некоторых типов насосов она доходит до 7,5 – 8 м.

Кавитация в насосе возникает из-за чрезмерного падения давления во всасывающей части насоса. Понижение давления происходит по ряду причин, основными из которых являются:

Чрезмерная высота всасывания

Высокая t перекачиваемой жидкости

Низкое атмосферное давление.

Явление кавитации заключается в том, что выделяющиеся из жидкости пузырьки пара увлекаются потоком и, попадая в область повышенного давления, мгновенно конденсируются, в результате чего происходит местное повышение давлении. Кавитация сопровождается характерным шумом и треском, понижением напора и КПД насоса, иногда наблюдается вибрация насоса. Особенно быстро при этом разрушается чугун, более стойкими металлами являются бронза и нержавеющая сталь. Поэтому кавитация при работе насосов недопустимо, а высота всасывания должна быть такой при которой возникновение кавитации не возможна.