Схема насосной установки. Основные рабочие параметры насосов


Насосной установкой называют насосный агрегат (насос, соединенный с электродвигателем) с трубопроводом и комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса.

Основные элементы, из которых состоит насосная установка, приведены на рис. 12.4.

Работа насосной установки заключается в следующем.

Насос Н, приводимый в движение электродвигателем (на схеме не показан), засасывает жидкость из питающего резервуара 3 по всасывающему трубопроводу 1 за счет разряжения, создаваемого на входе в насос. В насосе давление жидкости повышается, и она по нагнетательному трубопроводу 2 подается в напорный резервуар 4.

На всасывающем трубопроводе установлены приемное устройство 5, состоящее из фильтра (сетки) и обратного клапана, и вакуумметр V. На нагнетательном трубопроводе устанавливают манометр М и запорно-регулировочное устройство (на схеме не показано).

Кроме приведенных на схеме приборов и устройств, насосная установка снабжена электроизмерительными приборами (для измерения мощности, потребляемой насосом), расходомером (для определения количества, перекачиваемой насосом жидкости), приборами автоматики (реле уровня, реле давления и др.).

Для того чтобы установить степень экономичности и рациональные методы эксплуатации насосной установки, наметить пути ее технического совершенствования, необходимо знать основные рабочие параметры насоса, характеризующие его работу:

1. объемная секундная подача (подача насоса)

, ;

2. напор насоса

, ;

3. мощность насоса

, ;

4. коэффициент полезного действия насоса

.

 Подачей насоса  называют объемное количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени. В отдельных случаях применяют также понятия массовая подача  () и весовая подача  ().

Подача насоса зависит от геометрических размеров насоса и скорости движения его рабочих органов.

Напор насоса  представляет собой разность полных удельных энергий жидкости  в сечении потока после насоса –  и перед ним –   и выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости. Тогда, в соответствии с определением, можно записать следующее выражение для вычисления напора насоса

,                                       (12.1)

где  и  – давление соответственно во всасывающем (сеч. II-II) и нагнетательном (сеч. III-III) трубопроводах, Па,

 и  – средняя скорость течения жидкости соответственно во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, ,

 – расстояние между точками подключения вакуумметра и манометра, м.

В выражении (12.1), в зависимости от принципа и условий работы насоса и особенностей его конструкции, каждая из составляющих напора насоса может повышаться в разной степени или не повышаться совсем. Так, если вход потока в насос и выход из него расположены на одной высоте, то . Если, например, диаметры всасывающего и нагнетательного трубопроводов равны, то, соответственно, равны и скоростные напоры, т.е. . Однако напор насоса всегда возрастает – в этом и заключается энергетическая сущность всякого насоса.

Пользуясь известным соотношением напор насоса можно выразить и в единицах давления

.                                         (12.2)

Для работающего насоса напор рассчитывают по показаниям приборов (вакуумметра и манометра) насосной установки.

Показание вакуумметра (сеч. II-II), установленного на всасывающем трубопроводе, равно разности между атмосферным и абсолютным давлением  или .

Манометр (сеч. III-III), установленный на нагнетательном трубопроводе, показывает избыточное (манометрическое) давление  или .

Значения   и  подставим в выражение 13.1 и после несложных преобразований получим

.                             (12.3)

Величина вакуума  в сечении II-II теоретически не может быть больше м (для воды), а практически не превышает м. Наоборот, величина  в сечении III-III практически ничем неограниченна, следовательно, неограничен и напор насоса.

 При выборе нового насоса напор определяют расчетом по элементам насосной установки (Рис. 12.4).

Принимая за плоскость сравнения сечение  и, считая, что скорости изменения уровней жидкости в резервуарах равны нулю, т.е.  и   напишем уравнение Бернулли:

для всасывающего трубопровода (сеч.  и )

;                            (12.4)

для нагнетательного трубопровода (сеч.  и )

            (12.5)

где  и  – сумма потерь напора соответственно во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Из зависимостей 12.4 и 12.5 находим, что   и .  Подставив значения  и  в уравнение 12.1, окончательно получим

,                         (12.6)

где  – геометрическая высота подъема жидкости;

 – статический напор установки;

– суммарные потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Если питающий и напорный резервуары будут открыты , то

.                                        (12.7)

На основании зависимости (12.7) можно сделать вывод, что напор , создаваемый насосом, затрачивается на подъем жидкости на высоту  и на преодоление всех сопротивлений как во всасывающей, так и в нагнетательной линиях. Правая часть уравнения (12.7) представляет собой потребный напор установки, т.е. напор, который необходим для перемещения, по трубопроводам установки, единицы веса жидкости из питающего резервуара в напорный.

Очевидно, что место установки насоса в линии не влияет на создаваемый им напор , изменяются только длины и схемы всасывающей и нагнетательной линий.

Мощностью насоса  (мощностью, потребляемой насосом) называется энергия, подводимая к нему от двигателя за единицу времени.

За единицу времени через насос протекает жидкость весом  (весовая подача). При этом энергия, приобретенная за единицу времени жидкостью, прошедшей через насос, или  полезная мощность насоса, будет равна

.                                            (12.8)

Мощность насоса  больше полезной мощности  на величину потерь в насосе, которые оцениваются коэффициентом полезного действия насоса .

Таким образом, коэффициент полезного действия (КПД) равен отношению полезной мощности насоса к потребляемой

                                       ,                                                     (12.9)

а мощность, потребляемая насосом, по величине которой осуществляют подбор двигателя

.                                              (12.10)

В международной системе единиц (СИ) мощности, вычисленные по уравнениям (12.8 и 12.10) выражаются в ваттах, а в технической системе единиц (МКГСС) – в .

Коэффициент полезного действия, вычисленный по уравнению 12.9, дает представление о полных потерях мощности в насосе. Для характеристики же потерь мощности, обусловленными различными явлениями, происходящими в насосе, в теории гидравлических машин различают объемный, гидравлический и механический коэффициенты полезного действия.

Объемные потери.

Подача, которую насос может создать теоретически , больше подачи , подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод на величину утечек жидкости , т.е. .

Пропорционально увеличению подачи возрастает и мощность, расходуемая насосом (12.8). Это возрастание оценивается объемным коэффициентом полезного действия насоса

.                        (12.11)

Объемный КПД изменяется в достаточно широких пределах . Его значение зависит от величины зазоров между деталями, отделяющими зону нагнетания насоса от зоны всасывания, а также от неплотностей в сальниках и других уплотнительных устройствах, через которые жидкость протекает, не достигнув нагнетательного трубопровода. В значительной степени на величину объемного КПД оказывают влияние и свойства перекачиваемой жидкости.

 

Гидравлические потери.

При работе любого насоса возникают потери напора на преодоление сопротивлений в самом насосе . Следовательно, теоретически насос может создать напор равный , что, естественно, приводит к увеличению расхода мощности.

Известно, что потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений, зависят от длины проточной части насоса, плавности траекторий движения, шероховатости омываемых жидкостью поверхностей. На величину потерь оказывают влияние различные местные сопротивления, создаваемые конструктивными элементами насоса, а также вязкость и скорость движения жидкости.

Дополнительные затраты мощности на преодоление этих сопротивлений учитываются em>гидравлическим коэффициентом полезного действия

.                                   (12.12)

Следует отметить, что в соответствии с перечисленными причинами возникновения потерь внутри насоса, гидравлический КПД оценивает степень совершенства конструкции и качество изготовления насоса. Для конструктивно совершенных насосов при перекачивании воды .

Механические потери.

Часть мощности , подаваемой на вал насоса, расходуется на преодоление механических сопротивлений. К механическим потерям мощности относятся потери на трение в подшипниках, в уплотнениях вала или штока гидроцилиндра и на трение поршневых колец или манжет о стенки цилиндра и т.д. Кроме того, значительную долю механических потерь, например, в лопастных насосах, составляют потери на трение наружной поверхности рабочих колес о жидкость.

Величину, выражающую относительную долю механических потерь в насосе, называют механическим коэффициентом полезного действия  и определяют по зависимости

.                                     (12.13)

Механический КПД при достаточно хорошем техническом обслуживании насосов достигает значений .

С учетом зависимостей 12.9, 12.11, 12.12 и 12.13 можно определить КПД насоса  как произведение объемного, гидравлического и механического коэффициентов полезного действия

.                                         (12.14)

Высота всасывания.

При проектировании насосной установки необходимо знать максимальную высоту, на которой может быть установлен насос при заданных условиях. Эта высота, называемая геометрической высотой всасывания , ограничена условиями работы насоса на стороне всасывания и зависит от вакуумметрической высоты всасывания , которая характеризует степень разряжения возникающего у входа в насос.

Вакуумметрическая высота всасывания зависит от величины атмосферного давления, температуры и плотности перекачиваемой жидкости, величины потерь напора во всасывающей линии насоса, его быстроходности и конструктивных особенностей.

В технических характеристиках насосов обычно приводят допустимое значение вакуумметрической высоты всасывания при температуре перекачиваемой воды равной  и нормальном атмосферном давлении, равном 10 м вод. ст.

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания  – вакуумметрическая высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей.

Известно, что атмосферное давление зависит от высоты местности над уровнем моря, – чем больше высота, тем меньше давление. Поэтому при установке насоса необходимо учитывать этот фактор. Вакуумметрическую высоту всасывания, в этом случае, определяют по следующему выражению

,                                 (12.15)

где  атмосферное давление в данной местности, м вод. ст.

При перекачивании другой жидкости с плотностью  атмосферное давление, выраженное в метрах столба этой жидкости, определяют по зависимости .

Для установления зависимости между геометрической и вакуумметрической высотой всасывания составим уравнение Бернулли для двух сечений  и  (Рис. 12.5), при этом за плоскость сравнения примем сечение

.                           (12.16)

Откуда найдем

,     (12.17)

где   – вакуумметрическая высота всасывания, м,

 абсолютное давление во всасывающем патрубке в сечении , м.

Из зависимости (12.17) видно, что вакуумметрическая высота всасывания больше геометрической высоты всасывания на величину суммы скоростного и потерянного (на преодоление сопротивлений) напоров во всасывающем трубопроводе.

Кроме того, высота всасывания зависит от температуры. Чем выше температура, перекачиваемой жидкости, тем выше упругость ее паров, а, следовательно, меньше допустимая высота всасывания. Для обеспечения нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление на входе в насос  было больше давления парообразования  перекачиваемой жидкости при заданной температуре, т.е.  .

где  – высота парообразования, м.

Если это условие не соблюдается, происходит интенсивное выделение пузырьков воздуха и газа, растворенных в жидкости (вскипание жидкости), что приводит к нарушению сплошности потока. Это явление называют кавитацией.

Геометрическую высоту всасывания, с учетом температуры жидкости, определим по зависимости 13.16, переписав ее в следующем виде

,                       

или

.                           (12.18)

Из этого уравнения найдем допустимую геометрическую высоту всасывания

.                          (12.19)

Высота парообразования зависит от температуры жидкости и достаточно быстро возрастает с ее увеличением.

Практически может случиться, что при перекачивании горячих жидкостей, высота установки насоса получится отрицательной. В этом случае, для предотвращения кавитации в насосе его следует устанавливать ниже уровня жидкости в питающем резервуаре.