3.2.1 Поршневые насосы
Наиболее распространенным типом объемных насосов являются поршневые. Насос состоит из цилиндра 1 (рисунок 3.22), в котором с помощью кривошипно-шатунного механизма движется возвратно-поступательно поршень 2; при движении поршня слева направо (из крайнего левого положения (а) в цилиндре возникает разрежение, вследствие чего всасывающий клапан 4 поднимается и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу 6 поступает в цилиндр 1 и движется за поршнем. Нагнетательный клапан 5 при этом закрыт, так как на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе 7. При ходе поршня справа налево (из крайнего правого положения (в)) в цилиндре создается избыточное давление, под действием которого закрывается (опускается) всасывающий клапан, а нагнетательный клапан 5 открывается, и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод.
Рис. 3.22 – Горизонтальный поршневой насос простого действия:
1 – цилиндр; 2 – поршень (l x – ход поршня); 3 – кривошипо-шатунный механизм; 4 – всасывающий клапаны; 5 – нагнетательный клапаны; 6 – всасывающий трубопроводы; 7 – нагнетательный трубопроводы.
|
|
Таким образом, за один двойной ход поршня l x происходит одно всасывание и одно нагнетание, т.е. процесс перекачивания жидкости таким насосом, который называют насосом простого действия, осуществляется неравномерно.
В зависимости от числа всасываний и нагнетаний за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма или за один двойной ход поршня l x поршневые насосы подразделяют на насосы простого и многократного действия. У последних достигается более равномерная подача и более высокая подача, чем у насосов простого действия.
По расположению поршня различают горизонтальные и вертикальные поршневые насосы.
Для создания высоких давлений поршень заменяют полым или сплошным плунжером (скалкой). Поэтому в зависимости от конструкции поршня насосы подразделяют на собственно поршневые и плунжерные (скальчатые).
По частоте вращения вала кривошипа поршневые насосы подразделяют на тихоходные (40-60 об/мин), нормальные (60-120 об/мин) и быстроходные (120-180 об/мин и более).
Разновидностью поршневого насоса простого действия является диафрагменный (мембранный) насос (рисунок 3.24), который применяют для перекачивания загрязненных и химически агрессивных жидкостей.
Рис. 3.24 – Диафрагменный (мембранный) насос:
1 − корпус; 2 − клапаны; 3 − цилиндр; 4 − плунжер; 5 – диафрагма
В этом насосе цилиндр 3 и плунжер 4 отделены от перекачиваемой жидкости гибкой перегородкой-диафрагмой 5 из резины или специальной стали. При ходе плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе ее стороны прогибается вправо, открывается нижний клапан 2, и жидкость поступает в насос. При ходе плунжера вниз диафрагма прогибается влево, открывается верхний клапан 2 (нижний клапан при этом закрывается), и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод.
|
|
Серьезным недостатком поршневых насосов простого действия является неравномерность их работы. Существенно снижается неравномерность в насосах многократного действия.
На рисунке 3.25 приведена схема насоса двойного, а на рисунке. Насосы двойного действия (рисунок 3.25) имеют два всасывающих (7 и 2) и два нагнетательных (3 и 4) клапана
Рис. 3.25 – Горизонтальный плунжерный насос двойного действия:
1, 2 − всасывающие клапаны; 3, 4 − нагнетательные клапаны; 5 − плунжер; 6 – сальник
Производительность поршневого насоса простого действия определяется следующим образом.
,
где − теоретическая подача поршневого насоса, м3/с
S п− площадь поперечного сечения поршня, м2;
l x − ход поршня, м;
− частота вращения вала кривошипно-шатунного механизма, мин -1.
Действительная подача насоса будет меньше теоретической вследствие утечки жидкости через неплотности в сальниках, клапанах и запаздывания открытия и закрытия клапанов.
действительная подача насоса простого действия определяется по формуле:
,
где − действительная подача поршневого насоса, м3/с;
− объемный коэффициент полезного действия, или коэффициент подачи.
В дифференциальном насосе (рисунок 3.27) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода.
Рис. 3.27 – Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем:
1− камера; 2 – нагнетательный трубопровод; 3 – сальник; 4 – поршень; 5 – цилиндр; 6 – нагнетательный клапан; 7 – всасывающий клапан.
Графическую зависимость между напором Н и подачей насоса Q при постоянной частоте вращения вала кривошипно-шатунного механизма n называется характеристикой поршневого насоса. Так как поршневые насосы относятся к объемным насосам, принцип действия которых основан на вытеснении замкнутых объемов жидкости, то характеристика поршневого насоса является вертикальной прямой линией, т.е. подача есть величина постоянная, не зависящая от напора. Однако в реальных условия работы насоса, вследствие утечек жидкости через уплотнения, возрастающих с увеличением давления, действительная (рабочая) характеристика отличается от теоретической (рисунок 3.35). Точка пересечения характеристики сети и характеристики поршневого насоса, работающего на эту сеть, называется рабочей точкой поршневого насоса (точка А на рисунке 3.35).
Рис. 3.35 – Совместная характеристика поршневого насоса и сети:
1 –характеристика сети; 2 – основная теоретическая характеристика поршневого насоса; 3 – основная действительная характеристика поршневого насоса
3.2.2 Шестеренные насосы
В корпусе 1 насоса (рисунок 3.36) установлены две шестерни 2 и 3, одна из которых – ведущая приводится во вращение от электродвигателя. Между корпусом и шестернями имеются небольшие радиальные и торцовые зазоры. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, вследствие создаваемого при выходе зубьев из зацепления разрежения жидкость из всасывающего патрубка 4 поступает в корпус. В корпусе жидкость захватывается зубьями шестерен, перемещается вдоль стенки корпуса по направлению вращения и поступает в нагнетательный патрубок 5.
Рис. 3.36 – Шестеренный насос:
1– корпус; 2, 4– шестерни; 3– всасывающий патрубок; 5 – нагнетательный патрубок.
|
|
Подача шестеренного насоса определяется выражением:
,
где – подача шестеренного насоса, м3/с;
– площадь поперечного сечения впадины между зубьями, м2;
– длина зуба шестерни, м;
– число зубьев;
– частота вращения шестерен, об/мин;
− объемный коэффициент полезного действия, или коэффициент подачи.
шестеренные насосы обладают реверсивностью, т.е. при изменении направления вращения шестерен, области всасывания и нагнетания меняются местами.
Объемный коэффициент полезного действия, или коэффициент подачи шестеренного насоса учитывает частичный перенос жидкости обратно в полость всасывания, а также протечки жидкости через зазоры и обычно составляет от 70 до 90 %.
3.2.3 Винтовые насосы
Эти насосы имеют ведущий винт 1 (рисунок 3.37) и несколько ведомых винтов 2, расположенных внутри кожуха 3. Винты имеют специальный профиль – такой, что линия зацепления между ними обеспечивает полную герметизацию области нагнетания от области всасывания. Направление нарезки ведомых винтов противоположно направлению нарезки ведущего.
Рис. 3.37 – Винтовой насос:
1– ведущий винт; 2 – ведомые винты; 3– кожух.
Наибольшее распространение в промышленности получили винтовые насосы с тремя винтами, из которых средний – ведущий, а два боковых – меньшего диаметра – ведомые. Винты помещены в кожух с гладкой цилиндрической поверхностью. При вращении винтов жидкость, заполняющая впадины в нарезках, перемещается вдоль оси насоса и вытесняется в линию нагнетания.
Давление, развиваемое винтовыми насосами, зависит от числа шагов винтовой нарезки. Оно увеличивается с возрастанием отношения длины витка к его диаметру. Подача этих насосов увеличивается с увеличением частоты вращения винтов, при этом давление, создаваемое насосом, остается без изменения.
3.2.4 Пластинчатые насосы
Насос состоит из ротора 1 (рисунок 3.38), расположенного эксцентрично в корпусе 2. В роторе имеются радиальные прорези, в которых свободно могут скользить пластины 3. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса. При этом серповидное рабочее пространство 4 разделяется на камеры – всасывания и нагнетания. Объем камеры всасывания при движении пластины от всасывающего патрубка 5 увеличивается, в результате чего в этой камере создается разрежение, и жидкость всасывается в корпус насоса через патрубок 5. После прохождения пластиной точки а объем камеры всасывания уменьшается, и жидкость поступает из насоса в нагнетательный патрубок 6.
|
|
Рис. 3.38 – Пластинчатый ротационный насос:
1 – ротор, 2 – корпус; 3 – пластины; 4 – рабочее пространство; 5 – всасывающий патрубок; 6 – нагнетательный патрубок.
Подача жидкости роторными насосами, в том числе и пластинчатыми, весьма равномерна, ее можно регулировать изменением числа оборотов вала (ротора). Теоретически подача роторных насосов, как и всех объемных насосов, не зависит от создаваемого ими напора. В действительности возникает незначительное снижение подачи при повышении напора вследствие протечки жидкости через зазоры внутри насоса.
3.2.5 Монтежю
К объемным насосам, которые перекачивают жидкость с помощью вытесняющей среды, относятся монтежю (рисунок 3.39 ). Обычно монтежю представляют собой резервуар 1, заполняемый самотеком перекачиваемой жидкостью с помощью трубопровода 2 (таким резервуаром может быть аппарат, в котором осуществляется тот или иной процесс); при этом вентиль на линии 4 открыт. Если жидкость самотеком подавать в корпус нельзя, открывается вакуумная линия 5; при этом все остальные линии, кроме линии 2 (т. е. 3, 4, 6), естественно, должны быть закрыты.
Рис. 3.39 – Монтежю:
1 – корпус; 2 – линия подачи перекачиваемой жидкости; 3 – линия подачи сжатого газа; 4 – воздушник; 5 – линия вакуума; 6 – нагнетательный трубопровод.
Для перекачивания жидкости с помощью монтежю используют сжатый газ (обычно воздух), поступающий в резервуар через трубопровод 3. При этом перекрываются линии 2, 4, 5. Под действием давления сжатого газа жидкость перетекает из корпуса в нагнетательный трубопровод 6. После опорожнения монтежю перекрываются линии 3, 5, 6 иоткрывается линия 4 для сообщения резервуара с атмосферой. Таким образом, монтежю работает периодически. Давление, необходимое для перекачивания жидкости с помощью монтежю, определяют по уравнению Бернулли.
К достоинствам монтежю следует отнести простоту устройства, отсутствие движущихся деталей, легкость чистки. Поэтому монтежю можно применять для перекачивания сравнительно небольших объемов химически агрессивных и загрязненных жидкостей.
К недостаткам монтежю относятся периодичность работы, низкий коэффициент полезного действия (от 10 до 25 %), громоздкость, необходимость постоянного наблюдения за их работой.
3.3 Достоинства и недостатки насосов различных типов
Центробежные и осевые насосы обеспечивают плавную и непрерывную подачу перекачиваемой жидкости при достаточно высоких значениях коэффициента полезного действия. Относительно простое устройство обеспечивает их высокую надежность и достаточную долговечность. Отсутствие поверхностей трения, клапанов создает возможности для перекачивания загрязненных жидкостей. Простота непосредственного соединения с высокооборотными двигателями способствует компактности насосной установки и повышению ее к. п. д. Все эти достоинства лопастных насосов, прежде всего центробежных, привели к тому, что они являются основными насосами в химической промышленности.
К недостаткам центробежных насосов относится ограниченность их применения в области малых производительностей и больших напоров, что объясняется снижением коэффициента полезного действия, при увеличении числа ступеней для достижения высоких значений Н.
Эти недостатки отсутствуют у вихревых насосов. Однако вследствие невысоких КПД они находят ограниченное применение.
Достоинствами струйных насосов являются простота устройства, способность перекачивать жидкости с достаточно большим содержанием взвешенных частиц и высокая надежность в работе. В технике водоструйные насосы часто применяют для откачки воды из котлованов, скважин и т. д., а на крупных насосных установках в качестве вспомогательных для отсасывания воздуха из корпусов основных насосов перед их запуском и для повышения всасывающей способности центробежных насосов. Пароструйные насосы используют для подачи воды в паровые котлы, создания вакуума и т. п.
К недостаткам струйных насосов относятся низкий КПД и необходимость подачи большого количества рабочей жидкости под давлением. Кроме того, струйные насосы можно применять только в том случае, если допустимо смешение перекачиваемой жидкости с рабочей.
Простота устройства и обслуживания, надежность работы воздушных (газовых) подъемников позволяют им в ряде случаев успешно конкурировать с центробежными насосами, например при подъеме воды из глубоких скважин, подаче агрессивных жидкостей и т.д. Однако необходимость большого заглубления форсунки и низкий КПД этих насосов существенно ограничивают области их применения.
Основными достоинствами поршневых и плунжерных насосов являются высокий коэффициент полезного действия и возможность подачи незначительных объемов жидкостей, в том числе высоковязких, под любым заданным давлением. Однако неравномерность подачи, наличие легко изнашиваемых клапанов, сложность соединений с двигателем, тихоходность, а следовательно, большие размеры и масса существенно ограничивают области применения поршневых и плунжерных насосов в химической промышленности. Следует отметить, что в эксплуатации плунжерные насосы несколько проще, так как у них меньше изнашиваемых деталей (отсутствуют поршневые кольца и т.п.).
В заключение следует отметить, что выбор типа насоса в каждом конкретном случае производится с учетом его эксплуатационных и конструктивных характеристик, наиболее полно удовлетворяющих требованиям данного технологического процесса.