§ 24. Процессы всасывания и нагнетания

Рассмотрим процессы всасывания и нагнетания в поршневом насосе одностороннего действия. Обозначим давление в цилиндре в период всасывания, выраженное в метрах перекачиваемой жид­кости, рх/р, где р —плотность жидкости, в период нагнетания р_у/р, давление на поверхности жидкости в месте ее забора р_а/р, в нагне­тательном трубопроводе Р_к/р

Всасывание. Движение жидкости во всасывающем трубопрово­де происходит вследствие разности давлений p_а/y на поверхности жидкости р_х/у в цилиндре в период всасывания. Эта разность дав­лений называется вакуумметрической высотой всасывания

H_вак=(Р_а—Р_х)/р

Геометрическая высота H_г._в всасывания поршневого насоса — расстояние по вертикали от верхнего уровня жидкости в резервуа­ре или другом приемнике до оси цилиндра для горизонтальных на­сосов или до верхнего положения поршня для вертикальных насо­сов.

Вакуумметрическая высота всасывания затрачивается: на подъ­ем жидкости к насосу, т. е. на преодоление геометрической высоты всасывания; на сообщение жидкости скоростного напора, опреде­ляемого по формуле v²/(2g); на преодоление гидравлических со­противлений во всасывающем трубопроводе h_с._в; на преодоление сил инерции жидкости h_и._B; на преодоление сопротивления всасы­вающего клапана h_B._K.

Можно написать следующее равенство:

(Р_а—Р_х)/р = H_г.в + v²/(2g) + h_с.в + h_и.B + h_B.K

Для определения характера изменения давления в рабочей каме-

ре в процессе всасывания найдем из этого равенства р_а/р = р_а/р —

— [H_г.в + v²/(2g) + h_с.в + h_и.B + h_B.K]

Числовое значение давления на поверхности жидкости р_а/р не зависит от положения поршня в цилиндре. Геометрическая высота всасывания постоянна для насосов. Так как скорость жидкости, гидравлические сопротивления, силы инерции и сопротивление кла­пана изменяются в процессе всасывания, то изменяется и давление в рабочей камере.

Минимальное давление в рабочей камере создается в начале всасывания, когда поршень должен вывести из состояния покоя всю жидкость во всасывающем трубопроводе и преодолеть сопро­тивление подъема всасывающего клапана. Давление возрастает к концу всасывания, так как поршень замедляет движение, а жид­кость, стремясь двигаться с прежней скоростью, давит на поршень. Максимальное давление в камере создается в том случае, когда поршень доходит до крайнего положения в цилиндре и на мгно­вение останавливается.

При большой высоте установки насоса, значительных гидравли­ческих сопротивлениях во всасывающем трубопроводе, увеличен­ной частоте вращения вала давление в камере будет иметь отрица­тельное значение. На практике это означает либо отрыв жидкости от поршня, сопровождающийся гидравлическим ударом, либо не­способность насоса обеспечить подъем жидкости в цилиндр и пере­качивать ее. Для предотвращения этих явлений в каждом конкрет­ном случае принимают специальные меры: уменьшают высоту ус­тановки насоса и частоту вращения вала, увеличивают диаметр всасывающей трубы, устраняют излишние гидравлические сопро­тивления (уменьшают число задвижек, колен, сокращают длину всасывающего трубопровода), устанавливают газовый колпак.

Таким образом, вакуумметрическая высота всасывания склады­вается из геометрической высоты всасывания, скоростного напора при входе жидкости в насос и потерь напора на линии всасывания. Вакуумметрическая высота всасывания зависит от температуры перекачиваемой жидкости: чем выше температура, тем меньше высота всасывания. В заводских каталогах предельную вакууммет-рическую высоту всасывания указывают при определенной темпе­ратуре жидкости.

На значение предельной высоты всасывания оказывает влияние частота вращения вала, т. е. скорость движения поршня. Чем больше скорость, тем меньше предельная высота всасывания насоса.

Если упругость насыщенного пара перекачиваемой жидкости при ее рабочей температуре оказывается больше давления в рабо­чей камере в период всасывания, то жидкость при всасывании на­чинает кипеть, образуется пар, который заполняет рабочую каме­ру. Далее жидкость отрывается от поршня и насос перестает вса­сывать, поэтому насос устанавливают ниже уровня перекачиваемой жидкости («под залив»).

Нагнетание. В процессе нагнетания давление в рабочей камере также непрерывно изменяется. Давление, создаваемое поршнем в цилиндре насоса в период нагнетания, расходуется на: подъем жидкости на геометрическую высоту нагнетания H_г._н; преодоление давления в нагнетательном трубопроводе р_к/р; преодоление гид­равлических сопротивлений в нагнетательном трубопроводе h_с._н; преодоление сил инерции жидкости, находящейся в цилиндре и трубопроводах, h_и._н ;создание выходного скоростного напора v²/(2g); преодоление сопротивления нагнетательного клапана h_к._н

Таким образом: р_у/р=p_к/р + H_г._н+ h_с._н + v²/(2g) + h_к._н + h_и._н

Давление в нагнетательном трубопроводе при любом положе­нии поршня, а также геометрическая высота нагнетания для дан­ной установки насоса постоянны. Остальные члены равенства в пе­риод нагнетания изменяются в зависимости от положения поршня в цилиндре.

В начале процесса нагнетания давление максимальное, затем оно снижается и достигает минимума в конце процесса. При зна­чительной длине нагнетательного трубопровода и большой частоте вращения вала насоса не исключена возможнеть отрыва жидкости от поршня. При этом возникает гидравлический удар в насосе, что совершенно недопустимо. В каждом конкретном случае принимают меры предотвращения отрыва жидкости от поршня: увеличение геометрической высоты нагнетания, сокращение длины нагнета­тельной трубы и увеличение ее диаметра, уменьшение частоты вра­щения насоса, установка нагнетательного газового колпака.

В нагнетательном и всасывающем трубопроводах поршневого насоса одностороннего действия жидкость движется с переменной скоростью, которая возрастает от нуля до некоторого максималь­ного числового значения, а затем снова падает до нуля. Некоторый промежуток времени после этого жидкость находится в покое, а затем цикл повторяется. Колебания скорости сопровождаются изме­нением ускорения движения жидкости, появлением инерционных сил, изменением гидравлических сопротивлений.