Воздушные колпаки


Другим способом выравнивания подачи является применение гидропневматических аккумуляторов (воздушных колпаков). Воздушные колпаки 12 и 13 (Рис. 15.1) устанавливают на всасывающей и нагнетательной линии в непосредственной близости от рабочей камеры, так, чтобы путь от нее до колпаков был минимален. Воздушные колпаки представляют собой закрытый сосуд достаточно большой емкости, цилиндрической или иной формы, в верхней части которого находится воздух, сглаживающий, благодаря сжимаемости, пульсации подачи.

Сущность действия колпака, установленного на выходе из рабочей камеры насоса, заключается в том, что он принимает весь объем жидкости, подаваемой насосом в процессе нагнетания. Следует заметить, что при максимальной подаче жидкости насосом объем воздуха в воздушном колпаке уменьшится до , а при минимальной подаче жидкости – увеличится до . Следовательно, воздушный колпак принимает объем жидкости  при возрастающей подаче и отдает этот объем в нагнетательный трубопровод при убывающей подаче насоса. В соответствии с этим давление в колпаке изменяется от  до  и вновь понижается до .

Так как объем воздуха в колпаке может быть достаточно большим (в среднем воздух занимает  части объема воздушного колпака), то при уменьшении его на величину , равную объему аккумулируемой в колпаке жидкости, указанное изменение объема не сопровождается заметным изменением давления. Таким образом, при достаточно большом объеме воздуха в колпаке давление в нем во время работы насоса сохраняется практически постоянным, поэтому жидкость поступает в нагнетательный трубопровод под постоянным напором.

Аналогичные рассуждения можно провести и применительно к колпаку, установленному на всасывающей линии насоса, с той лишь разницей, что в этом случае давление в колпаке изменяется по ходу поршня в противоположном порядке.

Следовательно, неустановившееся движение жидкости происходит на коротких участках трубопроводов, соединяющих рабочую камеру насоса с воздушными колпаками. Основные же части трубопровода, от питающего резервуара до колпака на всасывающей линии и от колпака на нагнетательной линии до приемного резервуара, работают в условиях установившегося движения жидкости.

Степень неравномерности давления в колпаке определяют по зависимости

,                                       (15.16)

где  – среднее давление в колпаке,

       – предельное колебание давления в колпаке.

По опытным данным, , причем меньшие значения  принимают для колпаков, соединенных с длинными, как правило, нагнетательными трубопроводами, а для всасывающих колпаков можно допустить более высокую степень неравномерности давлений. Так, при коротком всасывающем трубопроводе и высоте всасывания до 5 м можно принять при работе насоса на воде . Однако с увеличением длины трубопровода и повышением высоты всасывания, величину  необходимо выбирать соответственно меньшей. Очевидно, чем больше разность (), а, следовательно, и величина , тем сильнее колебания скорости жидкости. Практически можно считать, что при степени неравномерности  изменение скорости жидкости в трубопроводе настолько незначительно, что движение можно считать установившимся.

Расчет колпаков сводится, в основном, к определению его размеров, при которых степень неравномерности не превосходит заданной величины.

Если принять процесс расширения и сжатия воздуха в колпаке изотермическим, то можем написать

                      

и далее, составляя производную пропорцию, получим

где  – среднее значение объема воздуха в колпаке;

       – предельное колебание объема воздуха или жидкости в колпаке.

Принимая во внимание, что  и, учитывая зависимость (15.16), получим

 или .                           (15.17)

Задаваясь, как было сказано выше, относительным объемом воздуха в воздушном колпаке равным , получим

.                                      (15.18)

Как видно из зависимости (15.17), для определения объема воздушных колпаков необходимо знать объем жидкости, воспринимаемый колпаками за один оборот кривошипного вала. Величина предельного колебания жидкости в колпаке зависит от типа насоса и может быть определена по диаграмме подач.

Не вдаваясь в подробности вывода, можно получить следующие значения объема жидкости , аккумулируемой воздушным колпаком, для насосов различной кратности действия:

для однопоршневого насоса одностороннего действия

;

для однопоршневого насоса двустороннего действия

;

для трехпоршневого насоса одностороннего действия

;

для насоса четверного действия

.

Используя зависимость (15.17) и, принимая во внимание, что при  поршневой насос работает достаточно равномерно, определим средний объем воздуха, который должен быть в воздушном колпаке для нормальной работы насоса:

для однопоршневого насоса одностороннего действия

;                                (15.19)

для однопоршневого насоса двустороннего действия

;                                  (15.20)

для трехпоршневого насоса одностороннего действия

;                              (15.21)

для насоса четверного действия

;                                (15.22)

При известной величине среднего объема воздуха в воздушном колпаке по зависимости (15.18) можно определить полный объем колпака и, соответственно, его размеры.

Так, например, если воздушный колпак выполнен в форме вертикального цилиндрического сосуда, то его диаметр приближенно может быть определен по формуле

,

а высота

.

Устройство воздушных колпаков (рис. 15.8.) должно быть таким, чтобы они могли преобразовывать неустановившееся инерционное движение жидкости в установившееся без инерционное. С учетом этого, можно сформулировать следующие основные требования, предъявляемые к воздушным колпакам и их установке:

1. Воздушные колпаки должны иметь достаточный объем в соответствии с зависимостью (15.18);

2. Воздушные колпаки должны быть установлены как можно ближе к насосу;

3. Через воздушный колпак должна проходить вся перекачиваемая жидкость, причем ее направление в колпаке должно изменяться, а скорость уменьшаться;

4. Воздушные колпаки должны быть оборудованы манометрами или вакуумметрами, а колпаки на нагнетательной линии – предохранительными клапанами и воздушными кранами;

5. Желательно предусмотреть установку на воздушных колпаках указателей уровня любого типа.




 Из приведенного рисунка (Рис. 15.8) видно, что предъявляемым требованиям соответствуют колпаки, изображенные на схемах а, б и в, причем схема в может быть рекомендована для установки колпака на всасывающей линии насоса. Схема подключения воздушного колпака (Рис. 15.8,г) не может быть рекомендована ни для всасывающей ни для нагнетательной линий, так как направление потоков жидкости через колпак не соответствует требованиям пункта 3.

Следует заметить, что количество воздуха в воздушных колпаках, с течением времени изменяется. В колпаке, установленном на всасывающей линии, количество воздуха увеличивается, так как при пониженном давлении возможно чрезмерное выделение паров и газов. В колпаке, установленном на нагнетательной линии наоборот, количество воздуха с течением времени, уменьшается, вследствие растворения газа в жидкости. Поэтому необходимо периодически удалять паро-воздушную смесь из всасывающего колпака, и добавлять воздух в нагнетательный колпак, или обеспечить разделение воздушной и жидкостной сред поршнем или мембраной.