Объемные насосы

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 4поднимается и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу 6поступает в цилиндр 1 и движется за поршнем. Нагнетательный клапан 5при 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 5открывается, 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 1насоса (рисунок 3.36) установлены две шестерни 2и3,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 4поступает 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 аобъем 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 4открыт. 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 4для 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 насосыобеспечивают 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.