Преимущества и недостатки центробежных насосов

Классификация насосов

Насосы – это машины, служащие для сообщения напора и перемещения капельных (несжимаемых) жидкостей. По принципу действия наиболее часто встречающиеся в промышленности насосы можно разделить на четыре группы:

1. Лопастные насосы (центробежные, вихревые, осевые);

2. Насосы объемного типа (вытеснения) – поршневые и роторные;

3. Струйные насосы;

4. Пневматические насосы.

Лопастные насосы имеют рабочее колесо с лопатками. Энергия к жидкости передается при ее взаимодействии с лопатками вращающегося рабочего колеса под действием центробежных сил. Объем жидкости, проходящей через насос, непрерывно сообщается со входом в насос и выходом из него, поэтому насосы этой группы являются преимущественно низконапорными.

В объемных насосах жидкость вытесняется при периодическом изменении замкнутого объема в камере, заполненной этой жидкостью и сообщающейся со входом и выходом из насоса. Жидкость вытесняется из замкнутого объема телом, движущимся возвратно-поступательно (поршнем) или вращательно (зубом шестеренки). Насосы этой группы являются преимущественно высоконапорными.

Струйные насосы наиболее просты по конструкции (не имеют движущихся деталей), используют энергию вспомогательной (рабочей) жидкости и обладают низким КПД.

Пневматические насосы (эрлифт и монтежю) транспортируют жидкости, используя энергию сжатого газа. КПД их также невысок.

Элементы насосной установки

Принципиальная схема насосной установки может быть представлена следующим образом:

1.

2. 1. Насос

3.

4. 2. Всасывающая линия

5.

6. 3. Вакуумметр

7.

8. 4. Питательный бак

9.

10. 5. Нагнетательная линия

11.

12. 6. Манометр

7. Напорный бак

Линия - трубопровод с установленной на нем арматурой (вентили, клапаны и т.д.) Манометр служит для измерения избыточного давления в нагнетательной линии насоса, вакуумметр - для измерения разряжения во всасывающей линии насоса.

Z_M – высота точки присоединения манометра относительно оси насоса; Z_B – расстояние от оси насоса до точки присоединения вакуумметра; h_вс – высота всасывания; h_н – высота нагнетания. На конце всасывающей линии устанавливается приемный клапан (комбинация обратного клапана с фильтром). Обратный клапан необходим, если насос не обладает свойством самовсасываемости (т.е не запирает всасывающую линию при ее заполнении перекачиваемой жидкостью перед пуском насоса).

Основные параметры насосов

1. Производительность насоса (подача) – количество жидкости, перемещаемое насосом в единицу времени:

Q = υ / t - объемная производительность;

M = ρ·Q - массовая производительность;

G = γ·Q - весовая производительность (γ = ρ·g)

2. Напор насоса (Н) - превращение полной удельной энергии, полученное жидкостью в насосе (разность полных напоров на нагнетательном и всасывающем патрубках насоса):

H = h_H – h_BC = h₂ - h₁=

[(h_BC + Z_M) + (p_M + p_AT)/ ρg + v₂²/2g] –

– [(h_BC - Z_B) + (p_AT - p_B )/ ρg + v₁²/2g],

где p_AT - атмосферное давление,

p_M - манометрическое давление

p_B - вакуумметрическое давление (недостаток давления до атмосферного).

При d₁ = d₂ и, следовательно, v₁ = v₂, получаем:

H = (p_M + p_B)/ρg + Z_M + Z_B

3. Мощность насоса (N)

Различают полезную мощность N_П (мощность, которую получил поток жидкости, пройдя через насос) и затраченную мощность N_В (мощность на валу насоса).

Поскольку напор – удельная (на единицу веса) энергия потока, то

N_П = G · H = γ · Q · H = ρg · Q · H

Мощность на валу насоса всегда больше N_П, поскольку, как и в любой машине, в насосе имеются потери энергии.

4. КПД насоса (η). Из определения коэффициента полезного действия (КПД) как отношения полезной работы (энергии) ко всей затраченной следует, что для насоса, работающего в стационарном режиме (при постоянной мощности)

η = N_П / N_В – полный КПД насоса

Обычно разделяют виды потерь энергии в насосе на три составляющие, в результате чего полный КПД может быть представлен как произведение трех сомножителей:

η = η_о · η_г · η_м,

где η_о = Q_д/Q_т– объемный КПД (учитывает потери энергии из-за утечек жидкости в клапанах, уплотнениях и т.д.), при этом

Q_д – действительная производительность насоса,

Q_т - теоретическая производительность насоса;

η_г = H_д / H_т - гидравлический КПД (учитывает потери напора внутри насоса), причем

H_д – действительный напор, H_т – теоретический напор;

η_м – механический КПД (учитывает потери энергии от трения в узлах насоса – подшипниках, уплотнениях и т.д.).

Максимальное значение η достигает 90% (для новых насосов), но в процессе эксплуатации экономичность работы уменьшается.

Лопастные насосы

Устройство и принцип действия

Центробежных насосов

Из этой группы насосов наиболее широкое применение нашел центробежный насос, обладающий многими ценными качествами. Он используется практически во всех областях промышленности – водоснабжении, канализации, строительстве, транспортировании нефти по мощным трубопроводам, и особенно часто – в химической промышленности.

1. Корпус спиральной формы (улитка);

2. Рабочее колесо с криволинейными лопатками;

3. Всасывающий трубопровод с приемным клапаном;

4. Питательный резервуар;

5. Нагнетательный трубопровод.

Передача энергии потоку жидкости от электродвигателя осуществляется при помощи рабочего колеса 2. При вращении рабочего колеса жидкость, заполняющая пространство между лопатками, также приходит во вращение. Под влиянием центробежных сил, развивающихся при этом, жидкость перемещается к периферии колеса. Одновременно увеличивается окружная скорость (пропорциональная радиусу вращения). Далее жидкость выбрасывается в спиральный канал корпуса (улитку), в центре рабочего колеса при этом возникает разрежение. Под действием образовавшегося перепада давлений (между атмосферным, действующим на свободную поверхность жидкости в питательном резервуаре 4, и разряжения в центре рабочего колеса) жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу 3 и заполняет рабочее колесо. Рабочее колесо вращается непрерывно с постоянной частотой, поэтому жидкость непрерывно подсасывается в рабочее колесо и выбрасывается из него. Приращение энергии жидкости в рабочем колесе происходит, в основном, за счет увеличения окружной скорости (кинетической энергии). В дальнейшем кинетическая энергия, полученная жидкостью, частично преобразуется в потенциальную (энергию давления) в спиральном канале корпуса (улитке), поперечное сечение которого постепенно увеличивается к выходному патрубку. При этом скорость жидкости снижается, а давление растет (согласно уравнению Бернулли). Если скорость жидкости не снижать, то это приведет к большим потерям напора в нагнетательном трубопроводе 5 (вспомним, что потери напора по длине и в местных сопротивлениях при турбулентном движении пропорциональны квадрату скорости потока), и полученная жидкостью энергия в насосе будет растрачена на бесцельный нагрев трубопроводов.

Центробежные насосы перед пуском необходимо заполнять перекачиваемой жидкостью. Для того, чтобы жидкость не уходила в питательный резервуар при заполнении насоса и всасывающего трубопровода, на нижнем конце всасывающего трубопровода устанавливают приемный клапан, который пропускает жидкость только в одном направлении – к насосу. Если заполнение рабочего колеса жидкостью не произведено, атмосферный воздух, имеющий малую плотность по сравнению с капельной жидкостью, не может быть выброшен из рабочего колеса, в нем не возникает разряжения, а значит и перепада давлений, необходимого для процесса всасывания.

Преимущества и недостатки центробежных насосов

Центробежные насосы получили широкое распространение во всех отраслях промышленности, а во многих химических производствах полностью вытеснили поршневые насосы. Это объясняется их большими достоинствами, к которым относятся:

1. Высокая производительность и равномерная подача.

2. Простота конструкции, компактность, легкость соединения с приводом (отсутствие передаточных механизмов – редукторов, вариаторов и т.д.)

3. Простота регулирования и обслуживания.

4. Возможность работы на загрязнённых жидкостях (отсутствие клапанов, достаточно большие зазоры между рабочим колесом и корпусом).

5. Отсутствие инерционных сил при работе насоса (рабочее колесо вращается равномерно), поэтому не требуются тяжёлые фундаменты.

6. Высокая надёжность в работе и долговечность.

Недостатками центробежных насосов являются:

1. Малый создаваемый напор (в одноступенчатой конструкции обычно не превышает 50м). Для создания наиболее высоких напоров применяют многоступенчатые насосы, имеющие несколько одинаковых колёс, вращающихся на общем валу. Жидкость, последовательно проходя через все колёса, получает напор, теоретически равный сумме напоров, создаваемых каждым рабочим колесом. Однако, при переходе из одной ступени в другую, жидкость многократно изменяет направление скорости, поэтому происходят потери энергии на местные сопротивления и, как следствие, снижение КПД. Кроме того, конструкции многоступенчатых насосов намного сложнее одноступенчатых.

2. Насосы не обладают свойством самовсасываемости (требуют заливки перекачиваемой жидкостью перед пуском).

3. Подача насоса зависит от сопротивления сети и в случае подключения дополнительного потребителя жидкости и(или) увеличения общего сопротивления сети подача насоса уменьшается.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: