Лекция 5,6 (2). Лекция 5,6 Разраб. Бритов М. А. Насосы Назначение и классификация насосов по принципу действия
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
Лекция №5,6 Разраб. Бритов М.А. Насосы Назначение и классификация насосов по принципу действия Известно, что удельная* энергия жидкости определяется суммой трех членов уравнения Д. Бернулли: Е = Z + P/γ + V2/2g, * - имеется в виду энергия, отнесенная где Z – удельная энергия положения; к единице веса жидкости. P/γ – удельная энергия давления; V2/2g – удельная кинетическая энергия. Насосы это гидравлические машины, которые, перемещая жидкость сообщают ей энергию.В зависимости от вида энергии, которая сообщается жидкости в насосах, их можно разделить на четыре группы: 1. Механизмы, изменяющие только энергию положения - Z, т.е. поднимающие жидкость на определенную высоту ( черпальные колеса, журавли, архимедов винт), газовоздушные подъемники ( эрлифт, газлифт). 2. Механизмы, сообщающиеся потенциальную энергию – энергию давления P/γ путем воздействия на жидкость поступательно движущегося поршня ( поршневые и плунжерные насосы ) или при помощи вращающегося ротора ( роторные насосы ). Механизмы этой группы относятся к объемному классу насосов. 3. Механизмы, сообщающие жидкости как потенциальную, так и кинетическую энергию V2/2g, которая затем преобразуется в энергию давления. К этим механизмам относят центробежные, осевые и вихревые насосы – насосы динамического класса. 4. Водо- и пароструйные насосы (инжекторы, эжекторы и гидроэлеваторы) работают на принципе двойного преобразования энергии. В этой группе насосов потенциальная энергия так называемой «рабочей» жидкости преобразуется в кинетическую энергию, затем кинетическая энергия смеси «рабочей» и перекачиваемой жидкости вновь преобразуется в энергию давления. В инжекторах рабочим потоком является газ или пар, перекачиваемым – жидкость. В эжекторах рабочим и перекачиваемым потоком является жидкость. В гидроэлеваторах рабочим потоком является вода, а перекачиваемым - пульпа ( смесь воды с глиной, песком, золой или шлаком ). Такое преобразование энергии при помощи суживающих и расширяющих устройств ( конических или коноидальных насадок ) сопровождается весьма значительными потерями. Поэтому к. п .д. струйных насосов составляет 15 – 30 %. Последнее обуславливает их относительно редкое применение. В технике, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности наибольшее распространение получили насосы второй и третьей групп – объемного и динамического классов. Основные параметры насосов Подача (производительность) насоса. Подачей насоса называется объемное или весовое количество жидкости, подаваемое в нагнетательный трубопровод в единицу времени. Объемная подача обозначается буквой Q и может быть выражена в м3/час; м3/мин; м3/сек; л/мин; л/сек. Весовая или массовая подача обозначается буквой G и может быть выражена т/час; т/мин; т/сек; кг/мин; кг/сек. Соотношение между объемной подачей и массовой выражается формулой G = ρ Q, где ρ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3. Напор насоса – приращение удельной механической энергии жидкости, которое ей сообщает насос, обозначается буквой Н и имеет размерность м. ст. жидкости. Напор насоса можно определить из уравнения Д. Бернулли (см. раздел гидродинамики, дисциплина гидравлика). Предлагается определение напора для двух случаев: а) когда уже имеется насос включенный в какую-то систему; б) когда насос только проектируется, но известна система, на которую он будет работать. Схему насосной установки см. рис.1.  Условные обозначения: h1 – высота всасывания, м; h2 – высота нагнетания, м; h – высота подъема жидкости, м; Zм – высота установки манометра над осью насоса, м; Р1 – давление на свободную поверхность жидкости в расходном резервуаре, Па; Р2 – давление всасывания в приемном трубопроводе, Па; Р3 – давление на свободную поверхность жидкости в напорном резервуаре, Па; Рн – давление нагнетания, Па. В замкнутой (циркуляционной) системе или когда давление Р1> атмосферного, или если уровень жидкости в расходном резервуаре расположен выше оси насоса напор насоса можно определить как разность показаний манометров на нагнетательной и всасывающей линиях. При этом высота расположения обоих манометров над осью насоса должна быть одинаковой. Н = Рн -- Р2 (1) ρg где ρ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с2. Напор насоса, определяемый по формуле (1) , называют манометрическим, так как его рассчитывают по показаниям манометров на приеме и нагнетание насоса. Если уровень жидкости в расходном резервуаре ниже оси насоса, а давление Р1 меньше или равно атмосферному, то всасывающем трубопроводе наблюдается вакуум. В этом случае манометрический напор будет определяться: Н = Рн + Р2 ± Zм, (2) ρg где - Zм ставится, если центр манометра расположен выше оси насоса и + Zм если центр манометра расположен ниже оси насоса. . Потребный напор насосной установки, если известна система, на которую насос будет работать определяется по формуле Н = Р3 -- Р1 + h + ΣhW1-3 + α3V2 , (3) ρg 2g Из формулы (3) следует, что напор затрачивается на преодоление разности напоров в нагнетательном и расходном резервуарах (1) Р3 -- Р1, на высоту подъема жидкости h, ρg потери напора во всасывающем и напорном трубопроводах ΣhW1-3 и создания скоростного напора на выходе из трубопровода α3V2 . ρg α3V2 Величина скоростного напора ρg в большинстве случаев пренебрежительно мала по сравнению с другими слагаемыми, за исключением коротких трубопроводов, оканчивающихся конически сходящейся наcадкой (например – гидромониторы), поэтому ей пренебрегают. Для насосов питающих систем, систем смазки и гидропривода наибольшую значимость имеет слагаемое Р3 -- Р1 . ρg Мощность насоса – полезная или гидравлическая это полное приращение энергии, получаемое всем потоком жидкости, проходящей через насос в напорный трубопровод в единицу времени. Гидравлическая мощность определяется по формуле Nг = ρgQH [Вт]. (4) Мощность, потребляемая насосом, больше полезной на величину потерь в самом насосе. Отношение гидравлической мощности к потребляемой Ne называют полным коэффициентом полезного действия η = NГ / Ne (5) Из уравнений (4) и (5) следует Nе = ρgQH/ η. [Вт]. (6) Вакуумметрическая высота всасывания – характеризует всасывающую способность насоса, м. ст. ж. Сущность всасывания заключается в том, что рабочие органы насоса создают во всасывающем патрубке разряжение, благодаря которому жидкость под действием образовавшейся разности давлений получает возможность все время притекать к насосу. Процесс нагнетания состоит в сообщении жидкости внутри насоса некоторого запаса энергии, обеспечивающего подачу ее потребителю. Энергия, расходуемая на всасывание и нагнетание жидкости, передается ей от рабочего органа насоса. Схему всасывания насоса см. рис.2.  Вакуумметрическая высота всасывания определяется НВС = Р1 – Р2 , ρg где Р1 – давление на свободную поверхность жидкости в расходном резервуаре, Па; Р2 – давление во всасывающем патрубке насоса, Па.
Если Р1 = Ратм, то подток жидкости к насосу будет обеспечен только при условии, что перед входом в насос давление станет ниже атмосферного, т.е.если будет создан насосом соответствующий вакуум. Иначе говоря, движение жидкости во всасывающем трубопроводе насоса, работающего по схеме см. рис.2 осуществляется за счет разности атмосферного давления и давления при входе в насос. Если давление Р2 будет равно нулю тогда: Нвс = Ратм/ρg Атмосферное давление зависит от высоты местности над уровнем моря см. таблицу Следовательно, вакуумметрическая высота всасывания является величиной переменной. При нормальном атмосферном давлении, равном 760 мм. рт. ст., в соответствии с таблицей имеем: НВС = РВАК / ρg = 10,33 м. вод. ст. Эта величина носит название теоретической высоты всасывания и является неосуществимой для всех видов насосов. Причиной является следующее: 1. Часть разности давлений затрачивается на подъем жидкости на уровень оси насоса h1, на создание скорости во всасывающем трубопроводе v2/2g и на преодоление сопротивления движению жидкости в нем Σhw1-2. 2. Всасывающая способность насосов является различной, а вакуум близкий к абсолютному нулю можно создать только с помощью специальных вакуумных насосов. 3. Для нормальной работы насоса необходимо условие Р2 > Рt ( Рt - давление, при котором начинается процесс парообразования жидкости при данной температуре и выделение из жидкости растворенных газов – иначе называют давление насыщения пара перекачиваемой жидкости). Если давление Р2 = Рt или Р2 < Рt, то жидкость вскипит. При этом наблюдается интенсивное выделение парогазовых пузырьков, концентрирующихся в местах с минимумом давления (на входных кромках и вогнутых поверхностях лопастей рабочего колеса в центробежных насосах, в поршневых насосах происходит разрыв потока жидкости и отрыв жидкости от поршня). При перемещении парогазовых пузырьков вместе с жидкостью в область давлений, превышающих давление Рt, происходит их мгновенная конденсация (захлопывание). При этом частицы жидкости, окружающие парогазовые объемы, с большой скоростью устремляются в освободившееся пространство, а в момент завершения конденсации внезапно останавливаются. Кинетическая энергия частиц жидкости мгновенно переходит в энергию давления – возникают резкие точечные гидравлические удары, вызывающие местные механические разрушения поверхностей проточной части насоса. Такое явление носит название кавитации. У насосов, работающих в условиях даже слабо выраженной кавитации, снижается напор, мощность и к. п. д. При сильной кавитации наступает полное прекращение подачи из-за разрыва потока. Длительная работа насоса в любой степени кавитации приводит к разрушению рабочих колес. Следовательно, работа насосной установки в режиме кавитации недопустима. Следует обратить особое внимание на давление насыщения паров Рt, которое пренебрежительно мало для холодных жидкостей, но с повышением температуры быстро растет и превращается в главный фактор, определяющий бескавитационную работу насоса. Величина давления Р2 будет приближаться к давлению Рt тем больше, чем больше будет высота h1, скорость во всасывающей трубе и сумма потерь напора в ней. Следовательно, с целью предотвращения кавитации необходимо выполнить ряд условий: 1. Насос следует устанавливать как можно ближе к свободному уровню жидкости в приемном резервуаре и не допускать излишних гидравлических сопротивлений в нем. 2. Насос располагают по возможности ниже сводного уровня, т. е. делают Z1 отрицательной, особенно при перекачивании горячих жидкостей (насос должен работать с подпором). 3. Диаметр всасывающего трубопровода должен быть не слишком малым, чтобы скорость жидкости в нем была не более 0,8 – 2 м/с. Всасывающий трубопровод должен быть коротким, незагрязненный различными отложениями и должен иметь минимальное количество фасонных частей и арматуры. 4. Исключить образование воздушных мешков на всасывающем трубопроводе. 5. Изменить конструкцию первого рабочего колеса с целью уменьшения коэффициента быстроходности. 6. Число лопаток у первого рабочего колеса должно быть не более 6 – 8. 7. Недолжно быть резких изменений направления потока жидкости у входа в колесо и во всасывающем патрубке. 8. Входные кромки лопастей рабочего колеса должны быть гладкими и закругленными. 9. Необходимо применять насосы с входным направляющим аппаратом. В паспорте насоса и каталогах указывается допустимая вакуумметрическая высота всасывания. Классификация насосов по конструкции Динамические: лопастные → центробежные → осевые трения → вихревые → черпаковые → шнековые → дисковые → вибрационные → струйные электромагнитные Объемные: роторные → шестеренные → винтовые возвратно- поступательные → поршневые → плунжерные → диафрагменные В нефтепереработке и нефтехимии наиболее распространенную группу составляют лопастные насосы. Из числа лопастных насосов на нефтеперерабатывающем заводе наибольшее применение имеют центробежные, из числа объемных – поршневые, шестеренные и винтовые. Центробежные насосы Центробежный насос – это машина динамического действия, принцип действия которой основан на взаимодействии потока перекачиваемой жидкости с лопатками рабочего колеса. Такие насосы являются наиболее распространенными для перекачки маловязких жидкостей. Устройство и принцип действия центробежного насоса Схема одноступенчатого центробежного насоса типа «К» с односторонним входом всасывания изображена на рис. 3.  Основными частями такого насоса являются: рабочее колесо поз.1, закрепленное на валу поз.2, полый спиральный корпус поз.3. Рабочее колесо закрытого типа состоит из двух дисков: переднего А и заднего Б, между которыми находятся лопатки в количестве 6 – 12 шт, изогнутые в сторону противоположную направлению вращения, т.е. рабочее колесо должно вращаться выпуклой стороной лопаток в направлении нагнетания. Жидкость поступает к центру колеса через отверстие переднего диска (вдоль оси вращения колеса), а затем движется в направлении, указанном на рисунке стрелками. Разряжение, создаваемое при вращении рабочего колеса в воздушной среде, очень мало (0,1 – 0,2 м. вод. ст.) и недостаточно для подъема жидкости к насосу. Поэтому перед пуском насоса его корпус и всасывающий трубопровод должны быть заполнены жидкостью. Жидкость под действием центробежной силы от лопаток колеса устремляется от центра к его периферии. Поэтому на входе в насос образуется вакуум, за счет которого обеспечивается непрерывный подток жидкости к насосу по всасывающему трубопроводу. На выходе из рабочего колеса жидкость обладает значительно большей энергией, нежели на входе в него. Скорость жидкости на выходе из рабочего колеса насоса колеблется в пределах 20 – 80 м/с, на выходе из насоса не превышает в среднем 1 – 1,5 м/с. Это достигается с помощью спирального корпуса. Большая часть кинетической энергии (энергии скорости) преобразуется в спиральной камере корпуса в потенциальную энергию (энергию давления). Вместо спиральной камеры может быть использованы другие расширяющие устройства, устанавливаемые на выходе из насоса. Таким образом рабочее колесо насоса служит для сообщения жидкости механической энергии, а корпус насоса для преобразования части кинетической энергии в потенциальную энергию давления и для обеспечения подвода жидкости к насосу и вывода из него. Конструктивные схемы всех центробежных насосов принципиально аналогичны. Насосы типа, изображенного на рис.3, называются консольными (тип К). У консольных насосов, вследствие разности давлений на диски рабочего колеса, возникают осевые нагрузки, которые иногда достигают величины, требующей установки специальных упорных устройств. В целях снижения осевой нагрузки и улучшения входа жидкости применяют рабочие колеса с двухсторонним всасыванием - тип Д см. рис.4  Компоновка нескольких рабочих c последовательным их соединением в одном насосном агрегате позволяет получить напор, равный сумме напоров, создаваемых каждым из рабочих колес в отдельности. Такие насосы называются многоступенчатыми. Число ступеней у современных центробежных насосов достигает двенадцати, что позволяет получить напоры свыше 200 м. вод. ст. Однако, с увеличением числа ступеней, вследствие возрастания потерь внутри насоса, соразмерно уменьшается его общий коэффициент полезного действия. В зависимости от величины создаваемого напора центробежные насосы различают: низконапорные Н = 5 – 40 м. вод. ст. средненапорные Н > 40 – 200 м. вод. ст. высоконапорные Н > 200 м. вод. ст. | |||||