Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 9

При окончательном выборе центробежного насоса с учетом характеристики сети необходимо выполнить следующие требования:

•напор насоса при закрытой задвижке (т. е. при Q = 0) должен превышать гидростатическое давление Нс;

•рабочая точка характеристики должна находиться в области устойчивости работы насоса;

•желательно, чтобы рабочая точка находилась в области соответствующей максимальному значению КПД;

•во избежание кавитации необходимо, чтобы ожидаемая высота всасывания не превышала максимально допустимого значения этого параметра для данного насоса.

Совместная работа насосов. На практике часто требуется изменить технологические параметры насоса в широких пределах, что невозможно осуществить регулированием задвижкой. В этих случаях используют параллельное или последовательное соединение насосов, работающих на данную сеть.

Параллельное соединение насосов используют главным образом для увеличения подачи, а последовательное — для увеличения напора.

При параллельном соединении насосов общую характеристику получают сложением подач каждого из насосов, соответствующих одинаковому напору. На рис. 9.24, а показано совмещение характеристики сети и двух параллельно работающих одинаковых насосов. Параллельное соединение насосов характеризуется увеличением подачи и напора (точка В) по сравнению с работой одного насоса (точка А). Однако общая подача Q2 всегда меньше суммы подач тех же насосов работающих отдельно (т. е. 0,5Q2 < Q1), что объясняется параболической формой характеристики сети. Поэтому чем характеристика сети круче, тем меньший эффект увеличения подачи может быть достигнут. При параллельной рабо-

H, м

те насосов каждый из них работает автономно, и при выходе одного из них, второй будет продолжать действовать.

При последовательном соединении насосов общую характеристику получают сложением напоров каждого насоса, соответствующих одинаковой подаче. На рис. 9.24, б показано совмещение характеристики сети и двух последовательно работающих насосов. В этом случае суммарный напор и подача увеличиваются (точка В) по сравнению с работой одного насоса (точка А); чем круче кривая характеристики сети, тем на б льшую величину может быть увеличен общий напор. При выходе из строя одного из последовательно установленных насосов второй насос работать не сможет.

9.7.4.2.3.Поршневые насосы

Впоршневых насосах жидкость перемещается в результате вытеснения ее из замкнутого пространства при возвратно-поступательном движении рабочего органа. Поршневые насосы характеризуются относительно небольшими подачами и способностью развивать очень большие напоры.

На рис. 9.25 показана принципиальная схема поршневого насоса, принцип действия которого заключается в следующем. Поршень 7, закрепленный на штоке 8, под воздействием кривошипно-шатунного механизма 9 совершает возвратно-поступательные движения

вполости цилиндра 6, на конце которого расположена крышка 3. При этом при движении поршня вправо в цилиндре создается разрежение, в результате которого всасывающий клапан 2 открывается и жидкость из всасывающего трубопровода 1 поступает в цилиндр. Нагнетательный клапан 4 в это время (т. е. при движение поршня вправо) закрыт, поскольку на него сверху давит столб жидкости, находящийся в напорном трубопроводе 5, а под ним создается разрежение. При перемещении поршня влево в цилиндре создается давление, вследствие которого всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный, наоборот, открывается и порция жидкости, заполняя полость цилиндра, выдавливается поршнем

внапорный трубопровод. В крайнем левом положении поршень на мгновение останавливается (оба клапана — всасывающий и нагнетательный — при этом закрыты), после чего

4

3

2

10

1

Рис. 9.25. Принципиальная схема поршневого насоса

возобновляет движение вправо и рабочий цикл повторяется. Для герметизации рабочего пространства цилиндра на поршень устанавливают уплотнительные кольца 10.

Особенностью поршневых насосов является их способность отсасывать воздух, благодаря чему перед его пуском не требуется предварительное заполнение жидкостью.

Разновидностью поршневых насосов является плунжерные, в которых роль поршня играют плунжеры — продолговатые цилиндры, у которых по сравнению с поршнями существенно б льшие отношения длины к диаметру и отсутствуют уплотнительные кольца.

Плунжерные насосы, по сравнению с поршневыми, гораздо шире распространены в промышленности прежде всего потому, что они более технологичны в изготовлении и более удобны в обслуживании, так как не требуют высокой точности при обработке внутренней поверхности цилиндра и тщательной пригонки поршня и цилиндра. Благодаря этому они могут быть использованы для перекачки загрязненных и вязких жидкостей, а также для создания более высоких давлений. Уплотнение плунжера осуществляется с помощью манжеты или сальника, что гораздо удобнее в обслуживании по сравнению с применением уплотнительных колец, поскольку при возникновение неплотности манжету или сальник можно легко подтянуть или заменить без демонтажа насоса.

Как следует из описания принципа действия поршневого насоса, его подача неравномерна и циклична. Насос простого действия, схема которого показана на рис. 9.25, за один цикл перемещает в нагнетательный трубопровод объем (м3) жидкости, который определяют по уравнению

где F — площадь поперечного сечения цилиндра, м2; S — ход поршня, м.

Учитывая, что один цикл работы насоса осуществляется за один оборот приводного устройства, можно определить теоретическую подачу (м3/с) поршневого насоса:

где n — частота вращения, мин–1.

Действительная подача насоса несколько ниже теоретической, что вызывается запаздыванием закрытия клапанов, неполным заполнением полости цилиндра при всасывании за счет выделения в жидкости при разрежении растворенного в ней воздуха, а также возможными утечками жидкости через неплотности в сальниках, манжетах, поршневых кольцах, клапанах и т. п. Все эти потери учитываются коэффициентом подачи, или объемным коэффициентом полезного действия насоса ηо. Таким образом, действительная подача (м3/с) насоса составляет:

Типичные значения коэффициента подачи ηо для серийно выпускаемых поршневых и плунжерных насосов составляет обычно 0,85–0,95. Однако они сильно зависят от величины насоса, скорости перемещения поршня и вязкости перекачиваемой жидкости. Так, в современных крупных и тихоходных насосах коэффициент подачи при перекачивании невязких жидкостей может достигать 0,97–0,99. В то же время при перекачивании очень вязких жидкостей, даже при невысокой скорости перемещения поршня, рабочая полость

цилиндра не успевает полностью заполниться перекачиваемой средой, что приводит к резкому снижению коэффициента подачи, иногда до 0,3–0,5.

Поршневые насосы простого действия и их разновидности характеризуются неравномерностью подачи. С одной стороны, это вызвано тем, что при всасывании жидкости в цилиндр нагнетательный клапан закрыт и перекачиваемая среда в напорный трубопровод вообще не поступает, а с другой — тем, что при нагнетании подача не постоянна и изменяется в зависимости от скорости перемещения поршня, которая равна нулю в левом и правом крайних положениях и максимальна в среднем положение поршня. Соответственно скорость перемещения поршня (и подача) также изменяется по закону синусоиды — на участке перемещения поршня из крайнего правого до среднего положения она изменяется от нуля до своего максимального значения, а на участке от среднего до крайнего левого положения поршня — от максимального значения до нуля. Графически изменение подачи поршневого насоса простого действия за один цикл показано на рис. 9.26, а.

Неравномерность подачи может быть уменьшена применением насоса двойного действия, рабочий цилиндр которого снабжен двумя клапанными коробками, одна из которых при движении поршня работает на всасывание, а другая — на нагнетание. Если пренебречь

а)

а)

б)

б)

Рис. 9.26. Диаграмма подачи поршневого насоса:

а — простого действия; б —двойного действия; в — трехцилиндрового

Ход поршня, мм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Число двойных ходов поршня в минуту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Максимальное давление в нагнетательной линии, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,3 Диаметр труб, мм: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

всасывающей линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 нагнетательной линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Установленная мощность, кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,4

Габаритные размеры, мм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2620×965×1715 Масса, кг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695

Подобные одноцилиндровые насосы двойного действия марки НМ-300М для воды выпускает Орловский завод «Продмаш».

Техническая характеристика насоса НП-300М Орловского завода «Продмаш»

Подача, л/ч. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 600 Максимальное давление в нагнетательной линии, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,0 Диаметр поршня, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Ход поршня, мм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Число двойных ходов в мин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Электродвигатель:

мощность, кВт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1 частота вращения, мин–1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 000

Габаритные размеры, мм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670×375×535 Масса, кг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Еще более равномерная подача достигается при использовании трехцилиндрового насоса (триплекс-насоса), представляющего собой сочетание трех цилиндров, в каждом из которых перемещается плунжер или поршень, при этом кривошипы, приводящие в движение каждый из поршней, смещены друг относительно друга на 120°, что обеспечивает сдвиг по времени периодов нагнетания и всасывания в каждом цилиндре. Диаграмма подачи трехцилиндрового насоса показана на рис. 9.26, в. Подача трехцилиндрового насоса соответствует сумме подач трех одноцилиндровых насосов при прочих одинаковых параметрах.

Неравномерность подачи поршневого насоса оценивают степенью отклонения максимального значения подачи qmах, достигаемому в течение одного рабочего цикла, к среднему значению подачи qср за тот же период. Этот показатель называют коэффициентом неравномерности kн.

Для одноцилиндрового насоса простого действия коэффициент неравномерности составляет 3,14; для насоса двойного действия или двухцилиндрового насоса простого действия — 1,57; а для трехцилиндрового насоса простого действия со смещением рабочих циклов по фазе на 120° — 1,047.

Воздушные (газовые) колпаки. Уменьшение неравномерности подачи и смягчение гидравлических ударов может быть достигнуто применением воздушных колпаков, которые в последнее время чаще называют гидроаккумуляторами или демпферами. При

положительной высоте всасывания их, как правило, устанавливают и на всасывающем трубопроводе, и на нагнетательном, и при отрицательной высоте всасывания — только на нагнетательном. Воздушный колпак представляет собой буферную промежуточную емкость, не менее половины объема которой занимает воздух.

Условия всасывания поршневого насоса менее благоприятны по сравнению с центробежным. Так, в отличие от центробежного, напор, затрачиваемый на преодоление высоты всасывания в поршневом насосе, расходуется не только на подъем жидкости и преодоление сопротивлений всасывающего трубопровода, но и на преодоление сил инерции, возникающей в нем вследствие неравномерной скорости течения жидкости.

При установке на всасывающем трубопроводе воздушного колпака жидкость в цилиндр насоса всасывается непосредственно из колпака (это происходит циклически), а в него поступает из опорожняемой емкости по всасывающему трубопроводу, причем непрерывно и приблизительно с одинаковой скоростью, что осуществляется за счет постоянного разрежения в колпаке, при этом влияние сил инерции существенно снижается.

При установке колпака на нагнетательном трубопроводе также снижается пульсация жидкости, подача выравнивается и сокращаются потери напора. Это происходит потому, что при циклической подаче насоса, превышающей среднее значение (т. е. при q = qср ... qmах), излишки жидкости поступают в колпак, сжимая находящийся там воздух, а при понижении подачи ниже среднего значения (т. е. при q = qср ... 0) удаляется из него за счет избыточного давления воздуха. Учитывая, что объем воздушного пространства намного (в 14–28 раз) превышает объем поступающей в колпак жидкости, то воздух в колпаке сжимается не-

Рис. 9.28. Типичная характеристика поршневого насоса

значительно, давление его приблизительно постоянно, благодаря чему течение жидкости в трубопроводе за колпаком приближается к равномерному.

Для повышения эффективности воздушных колпаков их необходимо размещать как можно ближе к насосу, иначе их применение теряет смысл.

На рис. 9.28 показана типичная характеристика поршневого насоса, из которого видно, что подача Q и объемный КПД насоса ηо практически постоянны и не зависят от напора, развиваемого насосом, а общий КПД η и потребляемая насосом мощность N с увеличением напора возрастают.

Потребляемую поршневым насосом мощность (кВт) рассчитывают по той же формуле, что и для центробежного:

где Q — объемная подача насоса, м3/с; Н — напор, развиваемый насосом, м; ρ — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; η — КПД насоса, доли единицы; η = 0,60–0,85.

Сопоставляя и анализируя расчетные формулы по определению Q и N для поршневых насосов, можно сделать вывод, что подача и потребляемая мощность их прямо пропорциональны частоте вращения вала n кривошипно-шатунного механизма.

9.7.4.2.4.Сравнение конструктивных и технологических особенностей центробежных

ипоршневых насосов

Всоответствии со своими конструктивными и технологическими особенностями центробежные и поршневые насосы имеют свои предпочтительные области применения,

вкоторых они наиболее эффективны, а иногда и единственно приемлемы. Поэтому рассмотрим наиболее существенные из этих особенностей, характерные для каждого из типов насосов.

К достоинствам центробежных насосов относят:

• высокие значения и равномерность подачи;

• компактность и быстроходность (почти всегда вал насоса соединяют с валом электродвигателя без промежуточных устройств, понижающих частоту вращения вала

электродвигателя);

• простоту конструктивного устройства;

• возможность перекачивания жидкостей с твердыми включениями благодаря отсут-

ствию клапанов и большим зазорам между лопатками;

• возможность монтажа на легких фундаментах;

• возможность регулирования подачи с помощью задвижки;

• простоту и удобство эксплуатации;

• невозможность превышения расчетного давления, что исключает возможность поломки насоса или двигателя при перекрытии или забивке напорного трубопровода

ине требует установки перепускных предохранительных устройств;

• более высокие КПД наиболее крупных насосов с высокими подачами по сравнению

споршневыми.

Кнедостаткам центробежных насосов можно отнести:

• относительно низкие напоры;

• уменьшение подачи при увеличении сопротивления сети;

•резкое снижение КПД;

•ограниченность высоты всасывания;

•опасность обрыва струи и возникновения кавитации;

•чувствительность к попаданию воздуха во всасывающий трубопровод;

•необходимость заливки перед пуском (если насос работает с положительной высотой всасывания);

•более низкие КПД для насосов с малой и средней подачей.

Положительными качествами поршневых насосов считают;

•способность отсасывать не только жидкость, но и воздух, вследствие чего не требуется их предварительное заполнение жидкостью перед пуском;

•независимость подачи от развиваемого напора;

•возможность достижения очень высоких давлений;

•возможность точного регулирования подачи изменением величины перемещения поршня за один цикл;

•более высокие значения КПД для насосов с малыми и средними подачами.

К недостаткам поршневых насосов относят:

•относительную громоздкость и тихоходность (они требуют установки устройств (регуляторов), понижающих частоту вращения вала электродвигателя);

•более сложную конструкцию, поскольку требуется б льшая точности изготовления;

•необходимость более сложной связи — установки воздушных колпаков, перепускных предохранительных устройств;

•непригодность для перекачивания жидких сред с твердыми включениями вследствие повышенной чувствительности к износу рабочих поверхностей цилиндра и поршня, а также наличия клапанов;

•более низкие КПД для насосов с высокими подачами.

Сопоставление и анализ вышеуказанных конструктивных и технологических особенностей центробежных и поршневых насосов позволяет определить наиболее оптимальные области их применения.

Центробежные насосы общего назначения целесообразно применять для перемещения больших количеств жидких сред невысокой и средней вязкости, в том числе суспензий, содержащих до 15–20% твердой фазы. Центробежные насосы специального назначения могут перекачивать пасты с б льшим содержанием твердой фазы, среды повышенной вязкости, а также суспензии, содержащие крупные твердые включения (зерно, комки, куски и т. п.).

Поршневые насосы целесообразно применять для перекачивания относительно небольших количеств жидких сред без твердых включений, в том числе и высоковязких; для создания высоких (до 100 МПа и выше) давлений; для дозирования жидких сред; для обеспечения равномерности подачи при изменяющемся сопротивлении сети (например, при изменении вязкости или при подаче среды в приемные емкости, удаленные от насоса на различные расстояния).

9.7.4.2.5. Другие типы насосов

Наряду с рассмотренными выше в пивобезалкогольной промышленности находят применение и другие типы насосов. Рассмотрим коротко их основные конструктивные и эксплуатационные особенности.

Диафрагмовый (мембранный) насос (рис. 9.29) является разновидностью поршневого и отличается от него тем, что поршень 1 не контактирует с перекачиваемой средой, так как отделен от нее гибкой мембраной 3 из резины, полимерного материала, тонкой стали

тора) охлаждения и смазкой для подшипников вала. От статора ротор отделен герметичным экраном из немагнитной нержавеющей стали.

Разновидностью центробежных насосов являются пропеллерные (осевые) насосы, в которых транспортируемая жидкость перемещается вдоль оси вала рабочего колеса, напоминающего по форме гребной винт. Пропеллерные насосы способны перекачивать очень большие (до 1500 м3/мин) количества жидкости, но напоры, развиваемые ими, невысоки (до 15 м). По этой причине их используют в основном для циркуляции жидкости в различных аппаратах. Пропеллерные насосы компактны, быстроходны и могут использоваться для транспортировки загрязненных сред.

Для перекачивания вязких сред без твердых примесей используют шестеренчатые насосы, которые могут развивать очень высокие давления (до 15 МПа), но подачи их относительно невысоки — не выше 350 м3/ч. Рабочие органы такого насоса — две шестерни, зубья которых находятся в зацеплении друг с другом. Одна из шестерен — ведущая — расположена на валу, соединенном с валом привода, а другая — ведомая — сидит свободно на своей оси и вращается в результате зацепления с ведущей шестерней. При выходе зубьев из зацепления создается разрежение, и жидкость засасывается в корпус насоса из всасывающего