Нагнетатели рабочих сред

Для перемещения рабочих сред по трубопроводам необходимо сообщить им определённый запас механической энергии.

Повышение удельной механической энергии (напора) сред осуществляется нагнетателями (гидравлическими механизмами), которые бывают следующих типов:

- для нагнетания жидких сред – насосы;

- для нагнетания газообразных сред – вентиляторы, воздуходувки и компрессоры.

Каждый гидравлический механизм характеризуется следующими основными параметрами:

1. Производительность – количество жидкости (газа), перемещаемое в единицу времени. Измеряется в объёмных (м³/с, также используются единицы м³/ч) или массовых (кг/с, также используется единицы т/ч) единицах.

2. Напор Н – приращение энергии единицы массы жидкости в гидравлическом механизме (разность удельных энергий жидкости на выходе из механизма и на входе в него). Измеряется в Дж/кг, также используется единица – метр столба перекачиваемой жидкости. Энергия, отнесённая к единице объёма, даёт давление жидкости Р, Па. Напор и давление связаны зависимостью Р = rН.

3. Полезная, или гидравлическая, мощность N_П, Вт:

,

где G – массовая производительность, кг/с; Q – объёмная производительность, м³/с; H – напор, Дж/кг.

4. Коэффициент полезного действия (КПД) h, который определяется как отношение полезной мощности к мощности приводного двигателя N:

.

КПД можно выразить следующим образом:

,

где: h_М – механический КПД, учитывающий механические потери в гидравлическом механизме (потери, обусловленные трением в подшипниках, сальниках и т.д.); h_О – объёмные потери (потери, обусловленные утечками жидкости через зазоры между неподвижными и вращающимися частями при наличии разности давлений); h_Г – гидравлические потери (потери, обусловленные внутренним трением в жидкости, вихреобразованием и отрывом потока от поверхностей проточной части).

Классификация насосов.

Насосы по принципу действия делятся на 2 группы:

1. Объёмные (насосы вытеснения), в которых жидкости сообщается в основном потенциальная энергия давления. Энергообмен и перемещение жидкости в этих насосах обеспечиваются периодическим изменением объёма рабочих камер с помощью вытеснителей, совершающих возвратно-поступательное движение (поршневые насосы) или вращательное движение (роторные насосы – шестерённые, винтовые, пластинчатые или шиберные, роторно-поршневые). Рабочая камера попеременно сообщается с всасывающим и нагнетательным патрубком.

Объёмные насосы применяются для перекачивания вязких жидкостей (масло, топливо).

2. Динамические насосы, в которых жидкости сообщается в основном кинетическая энергия. Рабочая камера в них постоянно сообщается и с всасывающим, и с нагнетательным патрубком. Динамические насосы в свою очередь подразделяют на лопастные и струйные.

Лопастные насосы делят на центробежные, осевые, вихревые и комбинированные. Их принцип действия основан на силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса насоса с потоком жидкости.

В струйных насосах приращение удельной энергии перекачиваемой жидкости осуществляется в процессе энергообмена с другой жидкостью, обладающей большей энергией. К струйным насосам относятся эжекторы (применяются для откачивания жидкости) и инжекторы (применяются для подачи жидкости).

Схема эжектора изображена на рисунке.

Принцип действия эжектора следующий: рабочая (напорная) жидкость, выходя из сужающегося сопла 2 с большой скоростью, создаёт в смесительной камере 3 разрежение, засчёт которого туда по патрубку 1 подсасывается (эжектируется) перекачиваемая жидкость. В камере смешения перекачиваемая жидкость смешивается с потоком рабочей жидкости и увлекается им в цилиндрическое горло 4 и диффузор 5, в котором скорость падает, а давление повышается. Затем жидкость поступает в нагнетательный патрубок 6.

Классификация нагнетателей газообразных сред:

1. Вентиляторы – служат для перекачивания газообразных сред, имеют производительность до 40000 м³/ч и могут создавать напоры до 0,0085 МПа. У вентиляторов степень повышения давления (отношение давления на выходе к давлению на входе) π < 1,15. Для получения бОльших давлений применяются воздуходувки и компрессоры.

По принципу действия вентиляторы делятся на центробежные и осевые. В осевых вентиляторах рабочее колесо перемещает газ вдоль своей оси, они применяются при малых давлениях и больших подачах. В центробежных вентиляторах газ движется радиально от центра рабочего колеса к периферии. Благодаря использованию работы центробежных сил такие вентиляторы позволяют получить большее давление, чем осевые. Центробежные вентиляторы получили наиболее широкое распространение в судовых системах.

2. Воздуходувки – служат для нагнетания газа с давлением от 0,015 до 0,3 МПа.

Воздуходувки по принципу действия подразделяются, так же как и насосы, на две группы – объёмные (воздуходувки Рутса, Лисхольма, пластинчато-роторные) и динамические (турбовоздуходувки, вихревые воздуходувки).

3. Компрессоры – служат для создания высокого давления газов в ограниченном объёме, обеспечивают сжатие газа до давлений более 0,3 МПа. Так как сжатие газа до высоких давлений приводит к существенному увеличению его температуры, часто приходится использовать искусственное охлаждение полостей сжатия компрессоров.

Компрессоры по принципу действия подразделяются, так же как и насосы, на две группы – объёмные (поршневые, винтовые, спиральные и другие) и динамические (центробежные и осевые).