Воздушные (газовые) подъемники

Эти насосы чаще называют эрлифтами или газлифтами. Они состоят (рисунок 3.21) из вертикальной подъемной трубы 3, погруженной под уро- вень перекачиваемой жидкости, линии 1 подачи газа (обычно воздуха) с рас- пределителем (барботером) 2, с помощью которого газ в виде пузырьков по- ступает в трубу 3. Плотность образующейся при этом газожидкостной смеси ρсмзначительно меньше плотности жидкости ρж, в результате чего смесь под- нимается по трубе 3 над уровнем жидкости на высоту Нт. На выходе из трубы при ударе об отбойник 4 газожидкостная смесь разделяется: воздух выделя- ется, а осветленная жидкость поступает в сборник 5.

Рис. 3.21 – Воздушный подъемник (эрлифт):

1 –линия подачи газа; 2 – распределитель газа; 3 – подъемная труба; 4 – отбойник; 5 – сборник

По закону гидростатики для сообщающихся сосудов:

hж × ж

= (hж + H Г )см, (3.13)

где

 – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3;

см

H Г

– плотность газо-жидкостной смеси, кг/м ;

– высота подъема газлифта, м;

hж– глубина погружения распределителя газа под слой жидкости, м.

Отсюда находим высоту подъема терь в трубе составит:

H Г газлифта, которая без учета по-

HГ= hж(ж- см)см. (3.14)

Газлифты применяют для подъема жидкостей из глубоких скважин, а также для взаимодействия газов и жидкости при ее интенсивной циркуляции в проведении ряда химико-технологических процессов.

К достоинствам газлифтов следует отнести простоту их устройства, от- сутствие движущихся частей, возможность подачи загрязненных жидкостей. Однако коэффициент полезного действия газлифтовых установок очень ни- зок и составляет от 15 до 20 %.

Объемные насосы

Поршневые насосы

Наиболее распространенным типом объемных насосов являются порш- невые. Насос состоит из цилиндра 1 (рисунок 3.22), в котором с помощью кривошипно-шатунного механизма движется возвратно-поступательно пор- шень 2; при движении поршня слева направо (из крайнего левого положения (а) в цилиндре возникает разрежение, вследствие чего всасывающий клапан 4 поднимается и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу 6 по- ступает в цилиндр 1 и движется за поршнем. Нагнетательный клапан 5 при этом закрыт, так как на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе 7. При ходе поршня справа налево (из край- него правого положения (в)) в цилиндре создается избыточное давление, под действием которого закрывается (опускается) всасывающий клапан, а нагне- тательный клапан 5 открывается, и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод.

Рис. 3.22– Горизонтальный поршневой насос простого действия:1 – цилиндр; 2 – поршень (lx– ход поршня); 3 – кривошипо-шатунный механизм; 4 – всасывающий клапаны; 5 – нагнетательный клапаны;

6 – всасывающий трубопроводы 7 – нагнетательный трубопроводы

Таким образом, в рассмотренном насосе за один оборот вала криво- шипно-шатунного механизма (т.е. за один двойной ход поршня lx) происхо- дит одно всасывание и одно нагнетание, т.е. процесс перекачивания жидко- сти таким насосом, который называют насосом простого действия, осущест- вляется неравномерно.

В зависимости от числа всасываний и нагнетаний за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма или за один двойной ход поршня lxпоршневые насосы подразделяют на насосы простого и многократного дей- ствия. У последних достигается более равномерная подача и более высокая подача, чем у насосов простого действия.

По расположению поршня различают горизонтальные и вертикальные поршневые насосы. В горизонтальных насосах вследствие неравномерного давления поршня на цилиндр (нижняя часть цилиндра испытывает повышен- ное давление под действием силы тяжести поршня во время его движения) происходит неравномерный износ цилиндра и поршня и, следовательно, бо- лее быстрый, чем в вертикальных насосах, их выход из строя.

При работе в условиях высокого давления поршневые насосы требуют сложных уплотняющих устройств (поршневые кольца, эластичные манжеты), высокоточной обработки поверхностей поршня и цилиндра. Поэтому для создания высоких давлений поршень заменяют полым или сплошным плун-

жером (скалкой). Поэтому в зависимости от конструкции поршня насосы подразделяют на собственно поршневые и плунжерные (скальчатые).

На рисунке 3.23 представлен плунжерный вертикальный насос прос- того действия, в котором всасывание и нагнетание жидкости происходят вследствие возвратно-поступательного движения плунжера 2 в цилиндре 1. Уплотнение плунжера осуществляется с помощью сальника 3. В химической промышленности плунжерные насосы распространены более широко, чем поршневые, поскольку требуют менее тщательной обработки внутренней по- верхности цилиндра и проще уплотняются (подтягиванием или заменой на- бивки 3.

Рис. 3.23 – Плунжерный вертикальный насос простого действия:

1 − цилиндр; 2 − плунжер; 3 − сальник;

4− всасывающий клапаны; 5 − нагнетательный клапаны

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 диа- фрагменный (мембранный) насос (рисунок 3.24), который применяют для пе- рекачивания загрязненных и химически агрессивных жидкостей.

4

2 1

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 давле- ний 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 являет- ся неравномерность их работы. Существенно снижается неравномерность в насосах многократного действия. На рисунке 3.25 приведена схема насоса двойного, а на рисунке 3.26 − тройного действия. Насосы двойного действия (рисунок 3.25) имеют два всасывающих (7 и 2) и два нагнетательных (3 и 4) клапана. Насос тройного действия (триплекс-насос; рисунок 3.26) представ- ляет собой строенные насосы простого действия с общими трубопроводами всасывания и нагнетания и коленчатым валом, причем кривошипы каждого из трех насосов простого действия расположены под углом 120° друг относи- тельно друга. За один оборот коленчатого вала жидкость три раза всасывает- ся и три раза нагнетается.

Рис. 3.25 – Горизонтальный плунжерный насос двойного действия:

1, 2 − всасывающие клапаны; 3, 4 − нагнетательные клапаны;

5 − плунжер; 6 – сальник

Рис. 3.26 – Плунжерный насос тройного действия (триплекс-насос):

1 − цилиндры; 2 − плунжеры; 3 − шатуны; 4 − коленчатый вал; I − линия всасывания; II – линия

Производительность поршневого насоса простого действия опре- деляется следующим образом. Обозначим длину хода поршня (или плунже- ра) lx(см. рисунок 3.21), площадь поперечного сечения поршня Sп. Тогда

объем жидкости, всасываемой насосом за один ход поршня слева направо

при непрерывном движении жидкости за поршнем, равен l x∙Sп. Если бы не было утечек жидкости, такой же объем при ходе поршня справа налево дол- жен подаваться в нагнетательный трубопровод. Очевидно, что в этом случае теоретическая производительность насоса простого действия при частоте

вращения вала п кривошипно-шатунного механизма определяется по форму- ле:

Q = Sп× lX× n , (3.15)

Т 60

где

Q − теоретическая подача поршневого насоса, м3/с

lx− ход поршня, м;

n − 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. Кроме того, во всасываемой жидкости вслед- ствие разрежения могут выделяться пузырьки растворенного в ней воздуха с образованием в цилиндре воздушных «мешков», снижающих подачу насоса. Все эти потери учитываются объемным коэффициентом полезного действия, или коэффициентом подачи.

Поэтому действительная подача QД

ляется по формуле:

насоса простого действия опреде-

QД= QТ

×V

= Sп× l X × n ×V

60

, (3.16)

где

Q − действительная подача поршневого насоса, м3/с;

В поршневом насосе двойного действия (см. рисунок 3.22) при ходе

поршня вправо с левой стороны засасывается объем жидкости, равный Sп ∙ lx, а с правой − нагнетается объем (Sп– Sшт) lx(где Sшт− площадь поперечного сечения штока). При ходе поршня влево с правой стороны засасывается из всасывающей линии объем (Sп– Sшт) lxжидкости, а с левой − выталкивается в нагнетательный трубопровод объем жидкости, равный Sп ∙lx. Тогда теорети- ческая подача насоса двойного действия за один оборот вала кривошипа со- ставит:

QТ= Sп× l X

+ (Sп- Sшт)l X

= (2Sп- Sшт)lX , (3.17)

а за п оборотов в 1 мин

Q = (2Sп- Sшт)lX× n . (3.18)

Т 60

Из выражения (3.18) следует, что если Sшт<<Sп, то подача насоса двой- ного действия вдвое больше подачи насоса простого действия.

Действительная подача насоса двойного действия:

QД= QТ

×V

= (2Sп - Sшт)lX× n ×V

60

. (3.19)

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 вспо- могательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагне- тание 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

Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетатель- ный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (Sп– Sшт) lx; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, рав-

ный Sшт∙lxТаким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный:

(Sп- Sшт)l X

+ Sшт× l X

= Sп × l X . (3.20)

т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что этот объем жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.

Подача насоса тройного действия, состоящего из трех насосов простого действия, при Sшт<<Sпсоставит:

QД= QТ

×V

= 3Sп × lX × n ×V

60

. (3.21)

Значение V

зависит от размеров насоса и его износа. Для больших на-

сосов (диаметром поршня больше 150 мм) V

99 %.

может составлять от 95 до

Изменение подачи поршневого насоса за один оборот вала кривошипа можно изобразить графически, что дает наглядное представление о последо- вательности процессов всасывания и нагнетания, а также возможность оце- нить степень неравномерности подачи.

Изменение мгновенной скорости движения wnпоршня во времени с достаточной степенью приближения следует синусоидальному закону:

wп= r ×  sin, (3.22)

где

r = lX / 2

– радиус кривошипа, м;

 = 2 × n / 60 – угловая скорость с-1;

 = f ( )

– угол поворота кривошипа;

 – время, с.

Соответственно мгновенная подача насоса составит:

Q = Sп × wп= F × r ×sin. (3.23)

Из выражения (3.23) следует, что скорость поршня равна нулю в обоих

крайних положениях ( = 0

( = 90 º).

и  = 180 º) и максимальна посредине хода

Изменение функции (3.23) за один оборот вала кривошипа показано на рисунках 3.28-3.30.



Рис. 3.28 – Диаграмма подачи жидкости поршневым насосом простого действия



Рис. 3.29 – Диаграмма подачи жидкости поршневым насосом двойного действия

Q, м3/с

Qmax

2 2 2

3π 

Рис. 3.30 – Диаграмма подачи жидкости поршневым насосом тройного действия

Рабочий цикл поршневого насоса может быть графически описан на бумаге специальным прибором − индикатором. График изменения давления в цилиндре за один полный оборот кривошипа называется индикаторной диа- граммой. На рисунке 3.31 показана такая диаграмма насоса простого дейст- вия.

Рис. 3.31 – Индикаторная диаграмма

При движении поршня слева направо (см. рисунок 3.21) (процесс вса- сывания) давление в цилиндре насоса резко падает до давления всасывания Pвспо линии аб. Из-за податливости стенок цилиндра и сжимаемости жидко- сти линия абне вертикальна, а слегка наклонена и переходит затем в волни- стую линию бв. Далее на всасывающей линии поддерживается постоянное давление и линия вгостается практически горизонтальной на протяжении всего хода всасывания. При обратном движении поршня (ход нагнетания) давление в цилиндре от Pвсподнимается до давления Pнагнпо прямой гд, на- клон которой влево от вертикали объясняется теми же самыми причинами, что и для линии аб. Начало сжатия жидкости сопровождается колебаниями давления в цилиндре (линия де). В дальнейшем давление Pнагностается неиз- менным на протяжении всего хода нагнетания (линия еа). При повторном ра- бочем цикле этот график будет повторяться.

Неисправности, возникающие в гидравлической части поршневого на- соса изменяют характер индикаторной диаграммы. Анализируя различные индикаторные диаграммы с теми или иными аномалиями, можно безоши- бочно сказать о неисправности насоса (рисунки 3.32-3.34).

При неплотном прилегании всасывающего и нагнетательного клапана к своим опорным поверхностям индикаторная диаграмма насоса имеет вид, представленный на рисунке 3.32.

д

Р а е

в г

б

lx

а б

Рис. 3.32 – Индикаторная диаграмма при неисправной работе клапанов:

а –неплотное прилегание всасывающего клапана к опорной поверхности; б – неплотное прилегание нагнетательного клапана к опорной поверхности

При запаздывании закрытия всасывающего и нагнетательного клапана на время t индикаторная диаграмма насоса имеет следующий вид (см. рис. 3.33):

t

t

в г в г б б

lx х lx

а б

Рис. 3.33 – Индикаторная диаграмма при отставании в работе клапанов:

а –запаздывание закрытия всасывающего клапана на на время t; б – запаздывание закрытия нагнетательного клапана на на время t

При подсосе воздуха (газа) или наличие газовой «пробки» в рабочей камере индикаторная диаграмма насоса имеет вид, приведенный на рисунке 3.34.

Р а е д Р а е

в г

б

lx х

в г

б

lx х

а б

Рис. 3.34 – Индикаторная диаграмма при воздуха в рабочей камере:

а –существует подсосе воздуха (газа);

б – наличие газовой «пробки» в рабочей камере

Движущей силой процесса всасывания в поршневых насосах является разность давлений в исходном резервуаре и в рабочей камере насоса. Эта

движущая сила расходуется на подъем жидкости на высоту всасывания

hвс ;

hвс; на преодо-

вс клап

; на преодоление сил инер-

ции столба жидкости во всасывающем трубопроводе тери. Тогда:

hин

– инерционные по-

P1 - Px

вс вс

 × g

= hвс + hклап + hп

+ hин, (3.24)

где

P1 – давление в исходном резервуаре, Па;

Px – давление в рабочей камере насоса, Па;

 – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

hвс

пана, м;

вс

– высота всасывания поршневого насоса, м;

– потери напора на преодоление сопротивления всасывающего кла-

hп – потери напора во всасывающем трубопроводе, м;

hин– инерционные потери напора, м.

Инерционные потери напора в поршневом насосе могут быть опреде- лены как:

l

hин=

g

Sп Sтр

2× r cos , (3.25)

где l – длина всасывающей трубы, м;

Sп – площадь поперечного сечения поршня насоса, м2;

Sтр

– площадь поперечного сечения всасывающей трубы, м ;

r = lX / 2

– радиус кривошипа, м;

па;

 = 2 × n / 60

 – время, с.

– угловая скорость с -1;

 = f ( )

– угол поворота кривоши-

Однако для нормальной работы поршневого насоса необходимо чтобы давление в рабочей камере насоса было больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости, в противном случае будет происходить вскипание жидкости в насосе и кавитация. Для обеспечения безкавитационной работы необходимо определить предельную высоту всасывания поршневого насоса. При достижении предельной высоты всасывания когда давление в рабочей камере становится равным давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, угол поворота кривошипа  = 0 и инерционные потери напора становятся максимальными, тогда:

hmax = l Sп

2 × r

ин  , (3.26)

g Sтр

становятся равны нулю

hвс= 0. Тогда согласно формуле (3.24) предельная

высота всасывания будет определяться как:

hпред = P1 - Pнп - hвс - l

Sп 2 × r , (3.27)

вс  × g

клап

g Sтр

Pнп

– предельная высота всасывания поршневого насоса, м;

– давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при рабо-

чей температуре, Па.

Согласно выражению (3.27), с ростом температуры и частоты вращения вала кривошипно-шатунного механизма предельная высота всасывания поршневого насоса будет уменьшаться.

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 Ана 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

Шестеренные насосы

В корпусе 1 насоса (рисунок 3.36) установлены две шестерни 2 и 3,од- на из которых – ведущая приводится во вращение от электродвигателя. Меж- ду корпусом и шестернями имеются небольшие радиальные и торцовые зазо- ры. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, вследст- вие создаваемого при выходе зубьев из зацепления разрежения жидкость из всасывающего патрубка 4 поступает в корпус. В корпусе жидкость захваты- вается зубьями шестерен, перемещается вдоль стенки корпуса по направле- нию вращения и поступает в нагнетательный патрубок 5.

5

4 2

Рис. 3.36 – Шестеренный насос:

1– корпус; 2, 4 – шестерни; 3 – всасывающий патрубок; 5 – нагнетательный патрубок

Подача шестеренного насоса определяется выражением:

Q = 2Sвп× lz× z × n ×v

где Q – подача шестеренного насоса, м3/с;

, (3.28)

Sвп – площадь поперечного сечения впадины между зубьями, м ;

lz – длина зуба шестерни, м;

z – число зубьев;

n – частота вращения шестерен, об/мин;

V− объемный коэффициент полезного действия, или коэффициент по- дачи.

Отметим, что шестеренные насосы обладают реверсивностью, т.е. при

изменении направления вращения шестерен, области всасывания и нагнета- ния меняются местами.

Объемный коэффициент полезного действия, или коэффициент подачи шестеренного насоса учитывает частичный перенос жидкости обратно в по- лость всасывания, а также протечки жидкости через зазоры и обычно состав- ляет от 70 до 90 %.

Винтовые насосы

Эти насосы имеют ведущий винт 1 (рисунок 3.37) и несколько ведомых винтов 2, расположенных внутри кожуха 3.Винты имеют специальный про- филь – такой, что линия зацепления между ними обеспечивает полную гер- метизацию 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 цилинд- рической поверхностью. При вращении винтов жидкость, заполняющая впа- дины в нарезках, перемещается вдоль оси насоса и вытесняется в линию на- гнетания.

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.

Пластинчатые насосы

Насос состоит из ротора 1 (рисунок 3.38), расположенного эксцентрич- но 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 корпу- са. 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 патру- бок 5. После прохождения пластиной точки а объем 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 насо- сов, не зависит от создаваемого ими напора. В действительности возникает незначительное снижение подачи при повышении напора вследствие протеч- ки жидкости через зазоры внутри насоса.

Монтежю

К объемным насосам, которые перекачивают жидкость с помощью вы- тесняющей среды, относятся монтежю (рисунок 3.39).Обычно монтежю представляют собой резервуар 1, заполняемый самотеком перекачиваемой жидкостью с помощью трубопровода 2 (таким резервуаром может быть ап- парат, в котором осуществляется тот или иной процесс); при этом вентиль на линии 4 открыт. Если жидкость самотеком подавать в корпус нельзя, откры- вается 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 и открывается линия 4 для сообщения резервуара с атмосферой. Таким образом, монтежю работает периодически. Давление, необходимое для перекачивания жидкости с помо- щью монтежю, определяют по уравнению Бернулли.

К достоинствам монтежю следует отнести простоту устройства, отсут- ствие движущихся деталей, легкость чистки. Поэтому монтежю можно при- менять для перекачивания сравнительно небольших объемов химически аг- рессивных и загрязненных жидкостей.

К недостаткам монтежю относятся периодичность работы, низкий ко- эффициент полезного действия (от 10 до 25 %), громоздкость, необходимость постоянного наблюдения за их работой.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: