Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 9

В зависимости от условий применяют следующие способы гидравлического транспортирования:

•безнапорный — смесь воды с материалом движется самотеком под действием гидравлических сил при наличии уклона лотка, желоба, трубы;

•напорный — смесь воды с материалом или жидкий продукт движутся по трубам под напором, создаваемым насосом, — разностью начальной и конечной отметок трубо-

провода.

Схемы гидравлического транспортирования разнообразны, они включают в себя устройства приготовления и подачи гидросмеси в гидравлический привод, устройства создания напора для движения гидросмеси по гидропроводу и гидравлический привод с разгрузочным устройством.

На пивобезалкогольных предприятиях применяют в основном напорный способ транспортирования материалов.

В напорных установках гидротранспорта предусмотрены различные методы создания напора воды в трубопроводах (рис. 9.18). Гидросмеси приготовляют следующими способами: механическим перемешиванием в резервуаре материала и воды; одновременной подачей воды и материала; подачей во всасывающую линию насосом воды и материала из емкости через патрубок. Подобные установки широко применяют на сахарных, спиртовых, пивоваренных и других заводах для транспортирования жома, солода, ячменя, дробины и т. п.

При расчете безнапорной гидравлической установки необходимо учитывать, что скорость потока воды в желобе должна быть не менее 2,0–2,5 м/с, чтобы на дне не оседали частицы песка, земли, пыли и т. п.

Минимальная скорость (м/с) потока смеси

где h — глубина потока в лотке, м.

Расход (м3/с) гидросмеси

где Qт — расход твердого материала, кг/с; G — объемная концентрации гидросмеси, равная отношению расхода твердого материала к расходу воды; ρм — плотность транспортируемого материала, кг/м3.

Площадь (м2) поперечного сечения потока смеси в лотке или желобе

а) Вода Твердое вещество

а)

б) Вода Твердое вещество

б)

в) Воздух пар

Гидросмесь

в)

Рис. 9.18. Схемы напорных установок гидротранспорта с различными способами создания напора воды в трубопроводах:

а — перекачиванием с помощью насоса; б — самотеком за счет геометрической разницы начальной и конечной отметок трубопровода;

в — передавливанием с помощью воздуха или пара

где K — коэффициент запаса на расплескивание смеси из лотка (экспериментально установлено K = 1,5–2,0).

Уклон i лотка определяют по формуле Шези

где сш — коэффициент, зависящий от шероховатости стенок и дна лотка (желоба); R — гидравлический радиус потока

Величину коэффициента шероховатости на поверхности лотка определяют по формуле Маннинга

где п — коэффициент шероховатости поверхности лотка (желоба).

Значения коэффициентов шероховатости в зависимости от поверхности лотков приведены ниже:

Поверхность стенки лотка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Коэффициент n Весьма тщательно обструганные доски, хорошо пригнанные . . . . . . . . . . . . . . . 0,009 Строганые доски, штукатурка из чистого цемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,010 Цементная штукатурка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,011 Нестроганые доски, хорошо пригнанные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,012 Тесовая кладка, хорошая кирпичная кладка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,013 Средняя кирпичная кладка, бетонирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,014 Грубая кирпичная кладка, каменная кладка с чистой отделкой

поверхностей при ровном постелистом камне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,015 Обыкновенная бутовая кладка в удовлетворительном состоянии,

старая кирпичная кладка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,017

9.7.4.2.Насосы

9.7.4.2.1.Классификация насосов

Различают две группы насосов. К первой относят насосы-машины, в которых механическая энергия двигателя преобразуется в энергию перемещенной жидкости, повышая ее давление; а ко второй — насосы-аппараты, которые действуют за счет иных источников энергии и не имеют движущихся рабочих органов.

Насосы-гидравлические машины подразделяются на динамические и объемные. В динамических насосах жидкость перемещается от всасывающего к нагнетательному патрубку непрерывно сплошным потоком под давлением каких-либо сил, например, центробежных, а в объемных — жидкость перемещается прерывисто, относительно небольшими порциями, при непосредственном воздействии рабочего органа насоса.

Взависимости от сил, действующих на перекачиваемую жидкость, динамические насосы различаются на лопастные и насосы трения.

Влопастных насосах перекачиваемая жидкость перемещается под воздействием лопастей вращающегося рабочего колеса. Лопастные насосы подразделяют на центробежные

иосевые. В центробежных насосах жидкость перемещается от центра рабочего колеса к его периферии, а в осевых — вдоль оси колеса.

Внасосах трения, к которым относятся, например, вихревые насосы, жидкость перемещается преимущественно под действием сил трения.

Объемные насосы различаются на те, в которых жидкость перемещается под воздействием рабочего органа, движущегося возвратно-поступательно (это поршневые, плунжерные, диафрагмовые насосы) и в которых рабочий орган совершает вращательное движение (это шестеренные, винтовые, пластинчатые насосы).

К насосам-аппаратам относят струйный насос, действие которого основано на увлечении откачиваемой жидкости струей жидкости или газа, а также газлифт — устройство,

вкотором жидкость поднимается сжатым газом, чаще всего воздухом.

Внастоящем разделе рассмотрены в основном центробежные и поршневые насосы, которые находят наибольшее распространение в пивобезалкогольной промышленности.

9.7.4.2.2.Центробежные насосы

Наибольшее распространение в солодовенной и пивоваренной отраслях промышленности получили центробежные насосы, которые используют для перекачивания воды, затора, сусла, пива, дрожжевой суспензии, моющих и дезинфицирующих сред и пр. Центробежные насосы способны обеспечить равномерную подачу очень больших количеств (десятки и сотни м3 /ч) жидких сред, однако напоры, развиваемые ими, относительно невелики.

На рис. 9.19 показано устройство одного из типов центробежного насоса, предназначенного для перекачивания жидких сред с твердыми включениями. В спиралевидном корпусе 2 расположено рабочее колесо 4, на котором имеются лопатки. Пространство между лопатками образуют каналы для протока перекачиваемой жидкости. Всасывающий патрубок 1, по которому жидкость подводится к насосу, расположен на корпусе соосно с валом 7, опирающимся на подшипники, смонтированные в специальном кронштейне 6. Нагнетательный патрубок 3, по которому жидкость отводится из насоса, расположен касательно к спиралевидному каналу корпуса в месте, максимально удаленном от оси вала. Уплотнение 5 вала осуществляется мягким сальником, но возможны и другие типы уплотнений, например, торцевое. В некоторых конструкциях центробежных насосов по обе стороны рабочего колеса установлены сменные броневые плиты, предохраняющие крышку и корпус от истирающего действия твердых включений, содержащихся в перекачиваемой жидкости. Насос смонтирован на общем основании 10 совместно с электродвигателем 9, от вала которого крутящий момент передается на вал насоса через соединительную муфту 8.

Рис. 9.19. Центробежный насос MAXANA-CN компании GRUNDFOS (Дания)

Пиво

Пиво

4

Рис. 9.20. Мобильный центробежный насос

Центробежные насосы могут устанавливаться в цехах стационарно на раме, фундаменте или на передвижных тележках, что делает их мобильными и более удобными в эксплуатации. На рис. 9.20 показан центробежный насос НВ-1, смонтированный вместе

сэлектроприводом на тележке, который часто применяют в пивобезалкогольном производстве.

Насос состоит из корпуса насоса 1, рабочего колеса 2, вала 4, тележки 7, электродвигателя 6 и эластичной муфты 8. Готовое или молодое пиво, поступающее через патрубок 3 в полость передней части корпуса, рабочим колесом, насаженным на вал, подается в полость насоса, а затем поступает в нагнетательный шланг. Вал соединен

свалом электродвигателя эластичной муфтой и опирается на шарикоподшипник, установленный в кронштейне подшипникового узла 5. Другой опорой является скользящий подшипник в передней части корпуса. Вал уплотняется мягкой сальниковой набивкой

спомощью нажимной гайки. В роцессе работы к всасывающему и нагнетательному патрубкам присоединяются прорезиненные шланги. Пиво подается в насос под давлением, не превышающим 0,3 МПа. В случае прекращения отбора пива насос работает «на себя», то есть поддерживает лишь то определенное давление, которое соответствует данной частоте вращения.

На рис. 9.21 показана типичная схема установки центробежного насоса при положительной высоте всасывания. Насос 4 в этом случае установлен выше уровня жидкости

в опорожняемом резервуаре (т. е. насос работает с отрицательной высотой всасывания), то это легко достигается самотеком. Если же насос установлен в соответствии со схемой, приведенной на рис. 9.21, обеспечивающей положительную высоту всасывания, то его заполнение жидкостью перед пуском осуществляется различным способом:

•установкой на нижнем конце всасывающего трубопровода приемного клапана, который при работе насоса вследствие разрежения в трубопроводе открывается, а при остановке насоса закрывается за счет столба жидкости, расположенного над ним, из-за чего насос остается заполненным жидкостью (перед первым пуском насос заполняют через специальный штуцер, расположенный в верхней части корпуса);

•установкой ловушки на всасывающем трубопроводе, представляющей собой сборник, входной штуцер которого расположен в верхней части, а выходной — в нижней, благодаря чему после остановки насоса ловушка остается заполненной жидкостью, которая при повторном пуске насоса выкачивается из нее, при этом из-за образующегося в ней разряжения жидкость поднимается из опорожняемой емкости в ловушку, а из нее в насос (в этом случае перед первым пуском ловушку заполняют жидкостью через специальный штуцер; или из напорного трубопровода; вместимость ловушки от верха до нижнего патрубка до низа верхнего патрубка должна превышать на 25–50% вместимость всасывающего трубопровода, что позволяет обеспечить неразрывность струи);

•отсосом воздуха из насоса вакуум-насосом или эжектором.

Основными характеристиками центробежного насоса являются подача Q (м3/с), напор Н(м) и потребляемая мощность N (кВт).

Подача* — количество жидкости, перемещаемое насосом за единицу времени.

Напор — максимальная высота, на которую поднимается жидкость над поверхностью отсчета с помощью насоса. Напор характеризует удельную механическую энергию, сообщаемую насосом единице массы перемещаемой жидкости.

Различают полный и статический напор. Статический напор (м) представляет собой разность между уровнями жидкости в опорожняемой и наполняемой емкостях (см. рис. 9.21) и складывается из высоты всасывания (Нв), высоты нагнетания (Нн) и расстояния (h) по вертикали между точками врезки манометра и вакуумметра:

Полный напор (м) превышает статистический на величину суммарного гидравлического сопротивления (hП) во всасывающем и нагнетательном трубопроводах:

где ρ — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; η — КПД насоса, доли единицы. Коэффициент полезного действия характеризует совершенство конструкции и эффек-

тивность эксплуатации насоса.

* Вместо термина «подача» зачастую используют термин «производительность», что не верно, поскольку насос, являясь вспомогательным видом оборудования, ничего не производит.

Для каждого насоса максимальное значение КПД соответствует определенным значениям подачи и напора. Для центробежных насосов КПД в среднем составляет 0,6–0,7, а для наиболее совершенных конструкций может достигать 0,93–0,95.

Серийные центробежные насосы выпускаются комплектно с приводами, обеспечивающими вращение рабочего колеса с определенным числом оборотов (n). От частоты вращения рабочего колеса насоса зависят подача и напор насоса, поэтому, изменяя число оборотов рабочего колеса, можно регулировать технологические параметры насоса обычно в сторону уменьшения, так как увеличивая частоту вращения по сравнению с паспортной величиной можно вывести колесо из строя.

Соотношения подач, напоров и потребляемых мощностей в зависимости от частоты вращения рабочего колеса называют законами пропорциональности:

Указанные соотношения соблюдаются при изменении числа оборотов не более чем

в2 раза. Таким образом, зная паспортные характеристики насоса n1, Q1, H1, N1, можно установить с помощью частотного регулятора требуемое число оборотов n2 насоса, обеспечивающее заданные величины подачи Q2 и напора Н2, а также определить потребляемую мощность N2.

При конструировании насосы рассчитывают на определенную величину подачи. Однако

впроцессе эксплуатации центробежного насоса его подачу часто приходится регулировать, при этом изменяются остальные параметры — напор, потребляемая мощность, максимально допустимая высота всасывания. Графические зависимости перечисленных параметров от величины подачи при постоянной частоте вращения рабочего колеса называются характеристиками насоса. Они обычно приводятся в паспорте насоса и ими руководствуются при выборе насоса, который должен обеспечивать устойчивую, эффективную и экономичную работу в конкретных условиях эксплуатации.

Рабочие характеристики насоса определяют при стендовых испытаниях, проводимых, как правило, на воде при 20 °С. Испытания начинают при закрытой задвижке на нагнетательном трубопроводе. В ходе испытаний задвижку постепенно приоткрывают до полностью открытого положения. При каждом положении задвижки замеряют величину подачи Q и соответствующие ей значения напора Н, потребляемой мощности N и максимально

допустимой высоты всасывания Нвдоп. На основании полученных точек строят графические зависимости.

Зависимость КПД выявляют расчетным путем, для чего на основании данных графика Н = f(Q) определяют полезную мощность (кВт) по формуле

После этого для каждого значения подачи Q рассчитывают соответствующие величины КПД по формуле:

На рис. 9.22 показан пример рабочих характеристик центробежного насоса.

В средней части кривых Н = f(Q) находятся области, соответствующие параметрам, при которых гарантирована устойчивая работа насоса с максимальным КПД. Вне этих областей (т. е. при подачах существенно меньших или, наоборот, б льших по сравнению с номинальным значением) работа насоса неустойчива, причиной чего является кавитация. При этом возможен обрыв струи, вибрация и т. п. Кавитация обусловлена нарушением сплошности потока жидкости, вследствие чего в капельной жидкости образуются полости, заполненные паром, газом или их смесью. Это происходит в результате местного уменьшения давления ниже критического значения, которое для реальной жидкости приблизительно соответствует давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре.

Как видно из графика Н = f(Q), минимальное значение потребляемой мощности насоса соответствует (Q) = 0, т. е. при полностью закрытой задвижке. В этом случае потребляемая мощность почти втрое меньше по сравнению с режимом, при котором насос обеспечивает номинальную производительность. Это обстоятельство учитывают при пуске центробежного насоса, который осуществляется при закрытой задвижке во избежание выхода из строя электродвигателя, который при пуске работает с перегрузкой.

Если вязкость перекачиваемой жидкости существенно отличается от вязкости воды, то пользоваться паспортными характеристиками при выборе насоса недопустимо. При увеличении вязкости подача, напор, КПД, всасывающая способность насоса снижаются, а потребляемая мощность возрастает.

Работа насоса на сеть. На основании рабочих характеристик насоса можно осуществить лишь предварительный выбор типа и размеров насоса. При окончательном выборе

Рис. 9.22. Типичные рабочие характеристики центробежного насоса

насоса необходимо учитывать характеристику сети, которая включает в себя трубопроводы, арматуру, аппараты и пр., через которые прокачивается жидкость.

Характеристика сети соответствует зависимости между расходом жидкости Q и напором Н, который необходим для прохождения жидкости по данной сети. Характеристику сети определяют на основании гидравлических расчетов, исходя из уравнения Н = Нс + hп, из которого следует, что насос должен преодолеть гидростатическое давление Нс и сопротивление hп. Последнее пропорционально квадрату расхода жидкости:

где k — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, характеристику сети можно описать следующим уравнением, графически соответствующим параболе:

Пересечение характеристик насоса и сети в точке А (рис. 9.23) называют рабочей точкой, которая соответствует наибольшей подаче насоса Q1, при его работе на данную сеть. При увеличении сопротивления сети (например, при прикрывании задвижки) рабочая точка перемещается по характеристике насоса влево, а при уменьшении сопротивления (например, при увеличении диаметра трубопровода) — вправо.

H, м

Насос

А

n h

Сеть

c H

Q, м3/с

Q1

Рис. 9.23. К определению рабочей точки при работе насоса на сеть