Транспортирование жидкостей насосами
В насосах механическая энергия двигателя преобразуется в энергию транспортируемой жидкости вследствие повышения ее давления. По принципу действия насосы подразделяют на объемные и динамические. В объемных насосах энергия и давление повышаются в результате вытеснения жидкости из замкнутого пространства телами, движущимися возвратно-поступательно или вращательно. По форме движения рабочих органов их подразделяют на возвратно-поступательные (поршневые, плунжерные, диафрагменные) и вращательные, или роторные (шестеренные, винтовые и др.).
В динамических насосах энергия и давление жидкости повышаются под действием центробежной силы, возникающей при вращении лопастных колес (например, в центробежных и осевых насосах), или сил трения (например, в струйных и вихревых насосах). Поэтому по виду силового действия на жидкость динамические насосы подразделяют на лопастные и насосы трения.
Наиболее распространенными динамическими насосами являются лопастные. К данному виду насосов относятся центробежные и осевые. Работа этих насосов основана на общем принципе - силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости. Однако механизм этого взаимодействия у центробежных и осевых насосов различен, что, естественно, приводит к существенным различиям в их конструкциях и эксплуатационных показателях.
Рисунок 2.6 - Горизонтальный поршневой насос простого действия.
Наиболее распространенным типом объемных насосов являются поршневые. Поршневой насос (рисунок 2.6) состоит из цилиндра 1, в котором с помощью кривошипно-шатунного механизма 3 движется возвратно-поступательно поршень 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 поступает в цилиндр) 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 крайнего правого положения б) в цилиндре создается избыточное давление, под действием которого закрывается (опускается) всасывающий клапан, а нагнетательный клапан 5 открывается, и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод. Таким образом, в рассмотренном насосе за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма (при этом поршень делает два хода - слева направо и справа налево) происходит одно всасывание и одно нагнетание.
В зависимости от числа всасываний и нагнетаний за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма или за два хода 51 поршня поршневые насосы подразделяют на насосы простого и многократного действия.
Разновидностью поршневого насоса простого действия является диафрагменный (мембранный) насос (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 - Диафрагменный (мембранный) насос.
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.
В шестеренных насосах (рисунок 2.8) в корпусе 1 насоса установлены две шестерни 2 и 3, 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 4 поступает в корпус. В корпусе жидкость захватывается зубьями шестерен, перемещается вдоль стенки корпуса по направлению вращения и поступает в нагнетательный патрубок 5. Шестеренные насосы обладают реверсивностью, т.е. при изменении направления вращения шестерен, области всасывания и нагнетания меняются местами.
Рисунок 2.8 - Шестеренный насос.
Пластинчатые насосы (рисунок 2.9) состоят из ротора 1, расположенного эксцентрично в корпусе 2. В роторе имеются радиальные прорези, в которых свободно могут скользить пластины 3.
Рисунок 2.9 - Пластинчатый ротационный насос.
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 а, объем камеры уменьшается, и жидкость поступает из насоса в нагнетательный патрубок 6.
Подача жидкости роторными насосами, в том числе и пластинчатыми, весьма равномерна, ее можно регулировать изменением числа оборотов вала (ротора).
К объемным насосам, которые перекачивают жидкость с помощью вытесняющей среды, относятся монтежю. Монтежю (рисунок 2.10) представляет 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 4 открыт. 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. 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. К достоинствам монтежю следует отнести простоту устройства, отсутствие движущихся деталей, легкость чистки. Поэтому монтежю применяется для перекачивания сравнительно небольших объемов химически агрессивных и загрязненных жидкостей.
Рисунок 2.10 - Монтежю.
Наиболее распространенными динамическими насосами являются центробежные. Основным рабочим органом центробежного насоса (рисунок 2.11) является свободно вращающееся внутри спиралевидного (или улиткообразного) корпуса 1 колесо 2, насаженное на вал 9. Между дисками колеса, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти (лопатки) 3, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопаток образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью. Всасывание и нагнетание жидкости в центробежных насосах происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы возникающей при вращении колеса.
При переходе жидкости из канала рабочего колеса 2 в корпус 1 происходит резкое снижение скорости, в результате чего кинетическая энергия жидкости превращается в потенциальную энергию давления, т.е. происходит превращение скорости в давление, необходимое для подачи жидкости на заданную высоту. При этом в центре колеса создается разрежение, и вследствие этого жидкость непрерывно поступает по всасывающему трубопроводу в корпус насоса, а затем в межлопастные каналы рабочего колеса. Если перед пуском центробежного насоса всасывающий трубопровод 5 и корпус 1 не залиты жидкостью, то разрежения, возникающего в этом случае при вращении колеса, будет недостаточно для подъема жидкости в насос (вследствие зазоров между колесом и корпусом). Поэтому перед пуском центробежного насоса его необходимо залить жидкостью с помощью линии 4. Для того чтобы при этом жидкость не выливалась из насоса, на всасывающем трубопроводе устанавливают обратный клапан 6. Герметизация насоса осуществляется с помощью сальника 10.
Рисунок 2.11 - Центробежный насос:
1 - корпус, 2 - рабочее колесо; 3 - лопатки; 4 - линия для залива насоса перед пуском; 5 - всасывающий трубопровод, 6 - обратный клапан; 7 - фильтр; 8 - нагнетательный трубопровод; 9 - вал; 10 - сальник.
В осевых (пропеллерных) насосах (рисунок 2.12) рабочее колесо 1 с лопатками винтового профиля при вращении в корпусе 2 сообщает жидкости движение в осевом направлении. При этом поток несколько закручивается. Для преобразования вращательного движения жидкости на выходе из колеса в поступательное в корпусе 2 устанавливают направляющий аппарат 3.
Рисунок 2.12 - Осевой (пропеллерный) насос.
Центробежные и осевые насосы обеспечивают 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.
В вихревых насосах (рисунок 2.13) рабочее колесо представляет собой плоский диск с короткими радиальными прямолинейными лопатками 2, расположенными на периферии колеса. В корпусе 9 имеется кольцевая полость 4. Зазор между колесом и корпусом достаточно мал, что предотвращает переток жидкости из полости нагнетания в полость всасывания. При вращении рабочего колеса жидкость, находящаяся в межлопастных каналах 3, увлекается лопатками и одновременно под воздействием центробежной силы завихряется.
Рисунок 2.13 - Вихревой насос:
1 - рабочее колесо; 2 - лопатка; 3 - межлопастные каналы; 4 - кольцевой отвод; 5 и 6 - соответственно всасывающий и нагнетательный патрубки; 7 - разделитель потоков; 8 - вал рабочего колеса; 9 - корпус.
При этом один и тот же объем жидкости на участке от входа в кольцевую полость до выхода из нее, многократно попадает в межлопастные каналы, где каждый раз получает дополнительное приращение энергии, а, следовательно, и напора. Поэтому напор вихревых насосов в два-четыре раза больше, чем центробежных, при одном и том же диаметре колеса, т.е. при одной и той же угловой скорости. К достоинствам вихревых насосов следует отнести также простоту устройства и отсутствие необходимости заливки линии всасывания и корпуса перед каждым пуском насоса, т.к. эти насосы обладают самовсасывающей способностью.
В струйных насосах (рисунок 2.14) рабочая жидкость (обычно вода или водяной пар) с большой скоростью из сопла 1 поступает в камеру смешения 2. При этом за счет поверхностного трения в камере смешения создается разрежение, достаточное для подъема жидкости из перекачиваемого резервуара в насос. Засасываемая жидкость быстро смешивается с рабочей, и смесь поступает вначале в конфузор 3, в котором скорость движения смеси плавно увеличивается, достигая в горловине 4 максимального значения. В диффузоре 5 скорость потока уменьшается, и кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию давления, вследствие чего смесь поступает в нагнетательный трубопровод под напором.
Рисунок 2.14 - Струйный насос.
I - рабочее тело (вода или пар); II - перекачиваемая жидкость; III - смесь.
Струйные насосы подразделяют на инжекторы (нагнетательные) и эжекторы (всасывающие). К достоинствам струйных насосов относятся простота устройства и отсутствие движущихся частей, а их недостаток - низкий коэффициент полезного действия (0,1 - 0,25). Струйные насосы можно применять только в том случае, если допустимы смешение рабочей и перекачиваемой жидкостей и низкий напор.
Воздушные (газовые) подъемники (рисунок 2.15) насосы чаще называют эрлифтами или газлифтами. Они состоят из вертикальной подъемной трубы 3, погруженной под уровень перекачиваемой жидкости, линии 1 подачи газа (обычно воздуха) с распределителем (барботером) 2, с помощью которого газ в виде пузырьков поступает в трубу 3. Плотность образующейся при этом газожидкостной смеси рсм значительно меньше плотности жидкости рж, в результате чего смесь поднимается по трубе 3 над уровнем жидкости на высоту Нг. На выходе из трубы при ударе об отбойник 4 газожидкостная смесь разделяется: воздух выделяется, а осветленная жидкость поступает в сборник 5.
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, отсутствие движущихся частей, возможность подачи загрязненных жидкостей. Однако коэффициент полезного действия газлифтовых установок очень низок и составляет 0,15 - 0,2.
При нормальной работе внутренний объем насосов полностью заполнен жидкостью и поэтому горючие смеси внутри насосов образоваться не могут.
Пожарная опасность при эксплуатации насосов может возникнуть случаях появления неисправностей и повреждений в насосах, а также в периоды остановки насосов на ремонт.
Неисправности и повреждения насоса в виде нарушения герметичности уплотнений или разрушения деталей могут быть вследствие вибрации, трения, износа, коррозии, ослабления соединений, перекоса валов, перегрева подшипников и т.д. Следствием неисправностей и повреждений может быть выход горючей жидкости в помещение насосной.
Рисунок 2.15 - Воздушный подъемник (эрлифт).
Герметизация вала рабочего колеса центробежного насоса осуществляется чаще всего с помощью сальниковых уплотнений. Создать абсолютную герметичность сальников очень трудно. Из-за их износа и потери эластичности просачивание жидкости увеличивается. Для уменьшения утечки при перекачке горючих жидкостей применяют насосы с торцовыми уплотнениями. Устройство торцового уплотнения приводится на рисунке 2.16. Торцовое уплотнение представляет собой герметизирующее устройство, в котором герметичность достигается за счет плотного соприкосновения тщательно отшлифованных торцовых поверхностей неподвижной и вращающейся втулок. Торцовые уплотнения обладают рядом преимуществ перед сальниковыми, т.к. в них малая утечка перекачиваемой жидкости и они способны создавать надежную герметичность вала при более высоких давлениях перекачиваемой жидкости; эти устройства не требуют систематического обслуживания, связанного с подтяжкой и регулированием.
Рисунок 2.16 - Схема торцового уплотнения:
1 - пружина; 2 - устройство передачи крутящего момента от вала к втулке; 3,6 - уплотняющий элемент; 4 - вращающаяся втулка; 5 - неподвижная втулка; 7 - стопор; 8 - вал колеса
Полезная информация: