ПЕРЕМІЩЕННЯРІДИН (НАСОСИ)
1.Загальні відомості
Ухімічній промисловості важливе значення має транспортування рідких абогазоподібних продуктів по трубопроводах як усередині підприємства між окремимиапаратами й установками, так і поза ним.
Насоси– гідравлічні машини, які перетворюють механічну енергію двигуна в енергіюпереміщуваної рідини, підвищуючи її тиск. Різниця тисків рідини в насосі йтрубопроводі обумовлює її переміщення.
Розрізняютьнасоси двох основних типів: динамічні й об’ємні.
Удинамічних насосах рідина переміщається під впливом сил на незамкнутий об’ємрідини, що безперервно сполучається із входом у насос і виходом з нього.
Воб’ємних насосах рідина переміщається (витісняється) при періодичній змініоб’єму рідини в насосі, що періодично сполучається із входом у насос і виходомз нього.
Динамічнінасоси по виду сил, що діють на рідину, поділяються на лопатеві й насоси тертя.
Долопатевих відносяться динамічні насоси, у яких енергія передається рідини приобтіканні лопатей обертового робочого колеса (або декількох коліс) насоса.
Лопатевінасоси, у свою чергу, діляться на відцентрові й осьові, причому у відцентровихнасосах рідина рухається крізь робоче колесо від його центра до периферії, а восьових — у напрямку осі колеса.
Насоситертя являють собою динамічні насоси, у яких рідина переміщається переважно підвпливом сил тертя. До насосів тертя відносяться, зокрема, вихрові й струминнінасоси.
Групаоб’ємних насосів включає насоси, у яких рідина витісняється із замкнутогопростору тілом, що рухається поступально (поршневі, плунжерні, діафрагмовінасоси) або що має, обертовий рух (шестеренчасті, пластинчасті, гвинтовінасоси).
Насосикожної із зазначених вище груп розрізняються за конструктивними ознаками.Основні конструкції насосів, які застосовуються в хімічній промисловості, мирозглянемо далі.
2.Основні параметри насосів
Основнимипараметрами насоса будь-якого типу є продуктивність, напір і потужність.
Продуктивність,або подача, Q (м3/с) визначаєтьсяоб’ємом рідини, що подається насосом у нагнітальний трубопровід в одиницю часу.
НапірH(м) характеризує питому енергію, яку надає насос одиниці вагиперекачуваної рідини. Цей параметр показує, наскільки зростає питома енергіярідини при проходженні її крізь насос, і визначається за допомогою рівнянняБернуллі. Напір можна представити як висоту, на яку може бути піднята одиницяваги перекачуваної рідини, за рахунок енергії, яку надає їй насос. Тому напірне залежить від питомої ваги (н/м3)абогустини (кг/м3) перекачуваної рідини.
Кориснапотужність NÏ, яка витрачається насосом для наданнярідині енергії, дорівнює добутку питомої енергії Í на ваговувитрату Q рідини:
NÏ= QH = gQH (3.1)
Потужністьна валу Ne , більше корисної потужності у зв’язку ізвтратами енергії в насосі, які враховуються коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.)насоса H:
Ne/> (3.2)
Коефіцієнткорисної дії H характеризує досконалість конструкції йекономічність експлуатації насоса. Величина H показуєвідносні втрати потужності в самому насосі й виражається добутком
H= VГМЕХ (3.3)
Увираження (3.3) входять наступні величини: V = Q/QT– коефіцієнт подачі, або об’ємний к.к.д., що представляєсобою відношення дійсної продуктивності насоса Q до теоретичного QT(враховує втрати продуктивності при витоках рідини крізь зазори й сальникинасоса, а також внаслідок інших причин – під час усмоктування); Г– гідравлічний к.к.д. – відношення дійсного напору насоса дотеоретичного (ураховує втрати напору при русі рідини крізь насос); MEX– механічний к.к.д., що характеризує втрати потужності на механічнетертя в насосі (у підшипниках, сальниках і ін.).
ЗначенняН залежить від конструкції й ступеня зношуваннянасоса й у середньому становить: для відцентрових насосів 0,6–0,7; для поршневихнасосів 0,8–0,9; для найбільш досконалих відцентрових насосів великоїпродуктивності 0,93–0,95.
Потужність,споживана двигуном, або номінальна потужність двигуна NДВ,більше потужності на валу внаслідок механічних втрат у передачі віделектродвигуна до насоса й у самому електродвигуні. Ці втрати враховуютьсявведенням у рівняння (3.3) к.к.д. передачі ПЕР ік.к.д. двигуна ДВ:
/> (3.4)
ДобутокНПЕРДВявляє собою повний к.к.д. насосної установки , що визначаєтьсяяк відношення корисної потужності NП до номінальноїпотужності двигуна NДВ і характеризує повні втратипотужності насосною установкою:
/> (3.5)
Зрівнянь (3.3) і (3.5) видно, що повний к.к.д. насосної установки може бутивиражений добутком п’яти величин:
/> (3.6)
Установчапотужність двигуна NУСТ, розраховуєтьсяз величини NДВіз урахуванням можливих перевантажень умомент пуску насоса, що виникають у зв’язку з необхідністю подолання інерціїнерухомої маси рідини:
/> (3.7)
Тут – коефіцієнт запасу потужності; його значення визначають залежно відномінальної потужності двигуна NДВ:
NДВ, квт 50 2 – 1,5 1,5 – 1,2 1,2 – 1,15 1,1
3.Напір насоса. Висота всмоктування
Напір.Розглянемо схему насосної установки
/>
Рис.3-1. Схема насосної установки:
1– прийомна ємність; 2– насос;
3– напірна ємність;
М– манометр;
В– вакуумметр.
Введемопозначення:
p– тиск у ємності 1, з якої насосом 2всмоктується рідина (назвемо її умовно прийомною ємністю);
p2– тиск у напірній ємності 3;
pBC– тиск в усмоктувальному патрубку насоса;
p– тиск у напірному патрубку насоса;
HBC– висота усмоктування;
HH– висота нагнітання;
HГ– геометрична висота подачі рідини;
h– відстань по вертикалі між рівнями установкиманометра М и вакуумметра В.
Длявизначення напору насоса застосуємо рівняння Бернуллі.
Приймемоза площину порівняння рівень рідини в прийомної ємності (перетин О – О).
РівнянняБернуллі для перетинів О – О иI – I:
/> (3.8)
РівнянняБернуллі для перетинівI’ – I’іII – II:
/> (3.9)
Уцих рівняннях:
w,w2 – швидкості рідини в приймальні й напірної ємностях (уперетинах O – О иІІ – ІІ відповідно);
wBC.,w – швидкості рідини в усмоктувальних і нагнітальному патрубках насоса;
hВ.ВС.,hВ.Н. – втратинапору в усмоктувальних і нагнітальному трубопроводах.
Швидкістьрідини w зневажно мала в порівнянні зі швидкістю в усмоктувальномутрубопроводі, тобто порівняно з wBC, і тому може бутивиключена з рівняння (3.8). Тоді із цього рівняння питома енергія рідини навході в насос:
EBX=HBC + /> –hВ.ВС (3.8а)
Аналогічноw2 w; зневажаючи величиною w2із огляду на те, що HBC+ h + HH=HГ– геометричній висоті підйому рідини, визнаніжо зарівнянням (3.9) питому енергію рідини на виході з насоса:
/> (3.9а)
Віднімаючиз лівої частини рівняння (3.9а) ліву частину рівняння (3.8а), знаходимо напірнасоса:
/> (3.10)
Рівняння(3.10) показує, що напір насоса дорівнює сумі трьох доданків: висоти підйомурідини в насосі, різниці п’єзометричних напорів і різниці динамічних напорів унагнітальному й усмоктувальному патрубках насоса.
Звичайнонагнітальний і усмоктувальний патрубки насоса мають однаковий діаметр;відповідно w = wBC і рівняння (3.10) спрощується:
/> (3.11)
Рівняння(3.10) і (3.11) застосовують для розрахунку напору при проектуванні насосів.
Длявизначення напору діючого насоса користуються показаннями встановлених на ньомуманометра (p) і вакуумметра (p). Виразимо абсолютні тиски pНі pBC крізь показання манометра й вакуумметра:
pН= p + pМ pBC= p – pВ
причомуp – атмосферний тиск.
Роблячипідстановку цих виражень у рівняння (3.11), одержимо
/> (3.12)
Такимчином, напір діючого насоса може бути визначений як сума показань манометрай вакуумметра (виражених у м стовпа перекачуваної рідини) і відстані повертикалі між точками розташування цих приладів.
/> (3.12а)
hВ= hВ.Н. + hВ.ВС.– сумарнийгідравлічний опір усмоктувального й нагнітаючого трубопроводів. Рівняння 3.12авикористовується при підборі насосів для технологічних установок.
Висотаусмоктування. Усмоктування рідини насосомвідбувається під дією різниці тисків у прийомної ємності p і на вході внасос pBC або під дією різниці напорів />. Висота усмоктуванняможе бути визначена з рівняння (3.8):
/> (3.13)
Беручидо уваги, що практично швидкість />,одержимо:
/> (3.14)
Такимчином, висота усмоктування насоса збільшується зі зростанням тиску pу прийомної ємності й зменшується зі збільшенням, тиску pBC,швидкості рідини wBCі втрат напору hВ.ВСв усмоктувальному трубопроводі.
Якщорідина перекачується з відкритої ємності, то тиск p дорівнюєатмосферному p. Тиск на вході в насос pBC повинен бутибільше тиску pt насиченої пари перекачуваної рідини притемпературі усмоктування (pBC> pt),тому що в противному випадку рідина в насосі почне кипіти. При цьому врезультаті інтенсивного виділення з рідини пар і розчинених у ній газівможливий розрив потоку й зменшення висоти усмоктування до нуля.
Отже/> (3.15)
Зрівняння (3.15) видно, що висота усмоктування залежить від атмосферного тиску,швидкості руху й густини перекачуваної рідини, її температури (і, відповідно,тиску її пари) і гідравлічного опору усмоктувального трубопроводу.
Приперекачуванні з відкритих резервуарів висота усмоктування не може бути більшевисоти стовпа перекачуваної рідини, що відповідає атмосферному тиску, якійзалежить від висоти місця установки насоса над рівнем моря. Так, наприклад, припереміщенні води при 20° С висота усмоктування навіть теоретично не може бутибільше 10 м на рівні моря й 8,1 м на висоті 2000 м (8,1 м– значення атмосферного тиску в м вод. ст. на цій висоті).
Наприпустиму висоту усмоктування насосів також впливає явище кавітації. Кавітаціявиникає при високих швидкостях обертання робочих коліс відцентрових насосів іпри перекачуванні гарячих рідин в умовах, коли відбувається інтенсивнепароутворення в рідині, що перебуває в насосі. Бульбашки пари попадають разом зрідиною в область більш високих тисків, де миттєво конденсуються. Рідинастрімко заповнює порожнини, у яких перебувала пара, що сконденсувалася, щосупроводжується гідравлічними ударами, шумом і струсом насоса. Кавітаціяприводить до швидкого руйнування насоса за рахунок гідравлічних ударів іпосилення корозії в період пароутворення. При кавітації продуктивність і напірнасоса різко знижуються.
Практичновисота усмоктування насосів при перекачуванні води не перевищує наступнихзначень:Температура, °С 10 20 30 40 50 60 65
Висота
усмоктування, м 6 5 4 3 2 1
4.Поршневі насоси
Принципдії й типи насосів. У поршневому насосі (рис.3-2)усмоктування й нагнітання рідини відбуваються при зворотно-поступальному русіпоршня 1 у циліндрі 2 насоса. При русі поршня вправо в замкнутому просторі міжкришкою 3 циліндра й поршнем створюється розрідження. Під дією різниці тисків уприйомної ємності й циліндрі рідина, піднімається по усмоктувальномутрубопроводу й надходить у циліндр крізь усмоктувальний клапан 4, якій прицьому відкривається. Нагнітальний клапан 5 при ході поршня вправозакритий, тому що на нього діє сила тиску рідини, що перебуває в нагнітальномутрубопроводі. При ході поршня вліво в циліндрі виникає тиск, під дією якогозакривається клапан 4 і відкривається клапан 5.
/>
Рис. 3.2. Схема горизонтального поршневого насоса простої дії:
1 – поршень; 2– циліндр; 3– кришка циліндра;
4 – всмоктувальний клапан: 5– нагнітальний клапан;
6 – кривошипно-шатунний механізм; 7– ущільнювальні кільця.
Рідинакрізь нагнітальний клапан надходить у напірний трубопровід і далі в напірнуємність. Таким чином, усмоктування й нагнітання рідини поршневим насосомпростої дії відбувається нерівномірно: усмоктування – при русі поршня вліво,нагнітання – при зворотньому напрямку руху поршня. У цьому випадку за два ходипоршня рідина один раз всмоктується й один раз нагнітається. Поршень насосаприводиться в дію кривошипно-шатунним механізмом 6, що перетворює обертовий рухвала у зворотно-поступальний рух поршня.
Почислу усмоктувань або нагнітань здійснюваних за один оберт кривошипа або за дваходи поршня, поршневі насоси діляться на насоси простої й подвійної дії.Залежно від конструкції поршня розрізняють саме поршневі й плунжерні(скальчасті) насоси.
Упоршневих насосах основним робоніж органом є поршень 1 постаченийущільнювальними кільцями 7 (див. рис. 3 — 2), пришліфованими до внутрішньоїдзеркальної поверхні циліндра. Плунжер, або скалка, не має ущільнювальнихкілець і відрізняється від поршня значно більшим відношенням довжини додіаметра.
Нарис. 3 -3 представлений плунжерний горизонтальний насос простої дії, у якомуроль поршня грає плунжер 1, що рухається поступально в циліндрі 2; плунжерущільнюється за допомогою сальника 3. Плунжерні насоси не вимагають такоїретельної обробки внутрішньої поверхні циліндра, як поршневі, а нещільностілегко усуваються підтягуванням або заміною набивання сальника без демонтажунасоса. У зв’язку з тим що для плунжерних насосів немає необхідності вретельному пригоні поршня й циліндра, їх застосовують для перекачуваннязабруднених і в’язких рідин, а також для створення більш високих тисків.
Ухімічній промисловості плунжерні насоси більш поширені, ніж поршневі. Більшерівномірною подачею, ніж насоси простої дії, володіють поршневі й плунжернінасоси подвійної дії. Горизонтальний плунжерний насос подвійної дії (рис. 3 — 4) можна розглядати як сукупність двох насосів простої дії. Він має чотириклапани — 2 усмоктувальних і 2 нагнітальних.
/>
Рис. 3.3. Схема горизонтального плунжерного насоса простої дії:
1 – плунжер (скалка);
2– циліндр;
3 – сальник;
4– всмоктувальний клапан;
5– нагнітальний клапан.
Приході плунжера 1 вправо рідина всмоктується в ліву частину циліндра 2крізь всмоктувальний клапан 3 і одночасно крізь нагнітальний клапан 6надходить із правої частини циліндра в напірний трубопровід; при зворотномуході поршня усмоктування відбувається в правій частині циліндра крізьвсмоктувальний клапан 4, а нагнітання – у лівій частині циліндра крізьклапан 5.
Такимчином, у насосах подвійної дії усмоктування й нагнітання відбуваються прикожному ході поршня, внаслідок чого продуктивність насосів цього типу більше йподача більш рівномірна, ніж у насосів простої дії.