9.4. Расчет работы насосной установки.

Если жидкость может перетекать из резервуара с более высоким уровнем в резервуар с более низким уровнем сама собой, благодаря силе тяжести, то для того, чтобы подать ее из резервуара с более низким уровнем в резервуар, имеющую более высокий уровень, необходимо применение специальных устройств - насосов, затрачивающих энергию. В насосах происходит превращение потребляемой извне механической или электрической энергии в механическую энергию движения. Иными словами, внешняя энергия тратится на создание гидродинамического напора, необходимого для перекачки жидкости.

Пример насосной установки приведен на рис. 9.9. С помощью такой установки жидкость перекачивается из резервуара А в резервуар В, обладающий более высоким уровнем свободной поверхности.

Рис. 9.9. Насос для подъма жидкости из колодца

Участок трубопровода, заключенный между сечениями 1-1 и 2-2, называют линией всасывания, а участок трубопровода между сечениями 3-3 и 4-4 – линией нагнетания.

Для того чтобы жидкость двигалась от сечения 1-1 к сечению 2-2, необходимо, чтобы напор в сечении 1-1 был бльше, чем напор в сечении 2-2. Если геометрическую высоту отсчитывать от поверхности 1-1, на которой скорость жидкости пренебрежимо мала (считается, что площадь свободной поверхности жидкости в каждом из резервуаров намного больше площади сечения трубопровода), то напор в сечении 1-1 определяется только атмосферным давлением. Поэтому в сечении 2-2 должен существовать вакуум. Для того чтобы жидкость поступала в резервуар В необходимо, чтобы напор в сечении 3—3 выхода был больше напора в сечении 4-4.

В самом насосе жидкость движется против напора, т.е. от сечения 2-2 с меньшим напором к сечению 3-3 с большим напором. Разумеется, такое движение может осуществляться только при затрате внешней энергии.

Расчет линии всасывания

Для расчета линии всасывания, расположенной между сечениями 1-1 и 2-2, уравнение Бернулли имеет вид:

, (9.30)

где , длина и диаметр линии всасывания; коэффициент ее гидравлического сопротивдления; коэффициент местного сопротивления, имеющегося в этой линии (например, всасывающие коробки , фильтра, поворотного колена, полуприкрытые заслонки и т. п.).

Полагая и пренебрегая скоростным напором в сечении 1-1 ( ), получаем:

(9.31)

Если расход жидкости задан, т.е. известна скорость течения, то уравнение (9.31) позволяет вычислить давление непосредственно перед насосом, в том числе, существующий там вакуум:

. (9.32)

Линия всасывания может работать, если , т.е. если давление в сечении 2-2 больше упругости насыщенных паров жидкости. Это должно препятствовать вскипанию жидкости из-за уменьшения давления. Проверка этого условия равносильна проверке выполнения неравенства

. (9.33)

Из (9.33) видно, что если имеет слишком большое значение, то неравенство будет нарушено, и давление в сечении 2-2 окажется меньше упругости наыщенных паров жидкости. Следовательно, если насос установлен слишком высоко над уровнем жидкости в колодце, то жидкость к такому насосу подаваться не будет. Например, для воды ( , кПа) правая часть неравенства (9.29) дает:

(м).

Это означает, что насос на высоте большей, чем 10 м над уровнем воды в колодце устанавливать нельзя. На самом деле высота должна быть еще меньше, потому что в линии всасывания существует потеря напора , которая может составлять несколько метров, тем больше, чем больше расход жидкости .

Кроме того, для нормальной работы целого ряда насосов требуется так называемый кавитационный запас . Если жидкость движется вдоль профилированной лопатки центробежного насоса, то давление в некоторых точках лопатки может уменьшиться до значения упругости насыщенных паров, в результате чего жидкость вскипит. Кавитацией (от лат. cavitas – полость) называется явление образования пузырьков, заполненных паром, при уменьшении давления в жидкости. Образовавшиеся пузырьки попадают затем в область высокого давления и там схлопываются, причем в момент схлопывания развивается огромное точечное давление, которое как удар действует на элементы проточной части насоса, разрушая их. Кавитации протеводействуют тем, что увеличивают давление на входе в насос на величину , поэтому давление на входе в насос должно быть больше . Отметим, что величина допустимого вакуума зависит также от температуры жидкости.