Насос

Насо́с—гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию приводного двигателя или мускульную энергию (в ручных насосах) в энергию потокажидкости, служащую для перемещения и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкости с твёрдыми и коллоидными веществами или сжиженныхгазов. Разность давлений жидкости на выходе из насоса и присоединённомтрубопроводеобуславливает её перемещение.
Изобретение насоса относится к глубокой древности. Первый известный поршневой насос для тушения пожара, который изобрёл древнегреческий механикКтесибий, упоминается ещё в I веке до н. э. в трудах какГерона Александрийского, так иВитрувия. ВСредние веканасосы использовались в различныхгидравлическихмашинах. Один из первых центробежных насосов со спиральным корпусом и четырёхлопастным рабочим колесом был предложен французским учёнымД. Папеном. ДоXVIII веканасосы использовались гораздо реже, чем водоподъёмные машины (устройства для безнапорного перемещения жидкости), но с появлением паровых машин насосы начали вытеснять водоподъёмные машины. ВXIX векес развитием тепловых и электрическихдвигателейнасосы получили широкое распространение. В 1838 году русский инженерА. А. Саблуковна основе созданного им ранеевентиляторапостроилцентробежный насоси работал над применением его при создании судового двигателя.
Неполная классификация насосов по принципу действия и конструкции выглядит следующим образом:
Характеристиками насоса являются кривые, выражающие зависимости Н = f1(Q); N = f2(Q); КПД = f3(Q) при постоянном числе оборотов
Патрубок (точка вгидравлическойсистеме, в которой установлен насос), из которого насос забирает жидкость, называетсявсасывающим, патрубок, в который нагнетает, —напорным. Патрубки могут находиться на разной высоте, при этом часть энергии насос тратит на преодоление разницыгидростатических давлениймежду высотой напораz1и высотой всасыванияz0(это может быть и отрицательная величина).
Напор насосаH{\displaystyle H}— приращениемеханической энергииединицы массы жидкости между его выходом и входом. Обычно мерой энергии служит высота столба перекачиваемой жидкости (имеющейудельный весγ{\displaystyle \gamma }при ускорении свободного паденияg{\displaystyle g}, здесь в формуле именно удельный вес, а неплотностьжидкости): дляi{\displaystyle i}-го элемента жидкости сдавлениемp{\displaystyle p}искоростьюжидкостиvi{\displaystyle v_{i}}:
соответственно, напор насоса:
Подача— количество жидкости, подаваемое насосом за единицу времени. Может рассматриватьсямассовая подачаG{\displaystyle G}илиобъёмная подачаQ{\displaystyle Q}:
МощностьN{\displaystyle N}— потребление насосом энергии за единицу времени.Полезная мощностьNh{\displaystyle N_{h}}— это приращение энергии всего потока жидкости в насосе:Nh=GH=γQH{\displaystyle \textstyle N_{h}=GH=\gamma QH}.Внутренняя мощностьнасосаNi{\displaystyle N_{i}}— его полная мощность за исключением потерь натрениемеханических частей насоса, то есть мощность, сообщаемая жидкости в виде тепловой и механической энергии.
Соотношение полезной и подведённой мощности — этокоэффициент полезного действиянасоса:
При этом следует учитывать размерности величин: если, например, напор выражен вметрах, а подача вкилограммахвсекунду, то мощность вкиловаттахвычисляется по формуле:
Потери в насосе могут быть гидравлическими (затраты на преодолениегидравлических сопротивленийвнутри насоса), объёмными (сокращение подачи насоса по сравнению с подачей рабочего органа) и механическими (трение деталей насоса о жидкость — внутренние механические потери, трение их друг об друга в подшипниках и т. д. — внешние). Учитываются, соответственно, гидравлическим КПД ηг, объёмным ηоби механическим, разделяющимся на внутренний и внешний, ηм=ηмiηмe. η=ηгηобηм;Ni=Nηмe.
Минимальный избыточный напор всасыванияH0umin{\displaystyle H_{0u~min}}наддавлением парообразованияжидкостиps{\displaystyle p_{s}}— запас механической энергии жидкости на входе в насос, необходимый для того, чтобы в насосе не возниклакавитация. Избыточный напор всасывания определяется как:
гдеp0a{\displaystyle p_{0a}}— давление на входе в насос, отнесённое к уровню оси насоса. На практике величину необходимого кавитационного запаса насоса принимают с некоторым коэффициентом запасаϕ{\displaystyle \phi }= 1,2…1,4.Допустимая высота всасыванияопределяется с учётом давления на поверхности жидкости в резервуаре, откуда она забирается,pb{\displaystyle p_{b}}и сопротивления (в линейных единицах) всасывающих трубопроводовhc{\displaystyle h_{c}}как:
Для открытых сосудовpb{\displaystyle p_{b}}— этоатмосферное давление, для закрытых сосудов с кипящей жидкостьюpb=ps,{\displaystyle \textstyle p_{b}=p_{s}{\mbox{,}}}.
По характеру сил преобладающих в насосе: объёмные, в которых преобладают силы давления, и динамические, в которых преобладают силы инерции.
По характеру соединения рабочей камеры со входом и выходом из насоса: периодическое соединение (объёмные насосы) и постоянное соединение входа и выхода (динамические насосы).
Объёмные насосы используются для перекачки вязких жидкостей. В этих насосах одно преобразование энергии — энергия двигателя непосредственно преобразуется в энергию жидкости (механическая => кинетическая + потенциальная). Это высоконапорные насосы, они чувствительны к загрязнению перекачиваемой жидкости. Рабочий процесс в объёмных насосах неуравновешен (высокая вибрация), поэтому необходимо создавать для них массивные фундаменты. Также для этих насосов характерна неравномерность подачи. Большим плюсом таких насосов можно считать способность к сухому всасыванию (самовсасыванию).
Для динамических насосов характерно двойное преобразование энергии (1 этап: механическая → кинетическая + потенциальная; 2 этап: кинетическая → потенциальная). В динамических насосах можно перекачивать загрязнённые жидкости, они обладают равномерной подачей и уравновешенностью рабочего процесса. В отличие от объёмных насосов, они не способны к самовсасыванию.
Процесс объёмных насосов основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении её из рабочей камеры.
Некоторые виды объёмных насосов:
Общиесвойстваобъёмных насосов:
Динамические насосы подразделяются на:
Вихревые насосы — динамические насосы, жидкость в которых перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном направлении. Преобразование механической энергии привода в потенциальную энергию потока (напор) происходит за счёт множественных вихрей, возбуждаемых лопастным колесом в рабочем канале насоса. КПД реальных насосов обычно не превышает 30 %.
Применение вихревого насоса оправдано при значении коэффициента быстроходностиns<40{\displaystyle n_{s}<40}. Вихревые насосы в многоступенчатом исполнении значительно расширяют диапазон рабочих давлений при малых подачах, снижая коэффициент быстроходности до значений, характерных для насосов объёмного типа.
Вихревые насосы сочетают преимущества насосов объёмного типа (высокие давления при малых подачах) и динамических насосов (линейная зависимость напора насоса от подачи, равномерность потока).
Вихревые насосы используются для перекачки чистых и маловязких жидкостей, сжиженных газов, в качестве дренажных насосов для перекачки горячего конденсата.
Вихревые насосы обладают низкими кавитационными качествами. Кавитационный коэффициент быстроходностивихревых насосовC=100..110{\displaystyle C=100..110}.
Методытеории подобияианализа размерностейпозволяют на научном основании обобщать экспериментальные данные о показателях насосов. Движение жидкости в насосе некоторыхгеометрических пропорцийопределяется в упрощённой модели: диаметром колесаD, м; расходомQ, м³/с;частотой оборотовn, с;плотностьюжидкости ρ, кгс·с/м;вязкостьюμ, кгс·с/м². Зависимыми параметрами являютсямоментна валу насосаM, кгс·м, и напорH, м. Система сводится к зависимости безразмерных комплексовM¯=f(Re,St){\displaystyle \textstyle {\bar {M}}=f(Re,St)}:
Внутренняя мощность пропорциональна моменту на валу, умноженному на число оборотов:
напор отнесём к скоростному напору:Hv2/2g∼HD2n2/g{\displaystyle \textstyle {H \over v^{2}/2g}\sim {H \over D^{2}n^{2}/g}}(напор в первом приближении пропорционален окружной скорости на периферии колеса),
Тогда для двух геометрически подобных насосов с масштабным соотношениемD1/D2= λ при верном равенствеSt1=St2{\displaystyle St_{1}=St_{2}}(то естьQ1/Q2=λ3n1/n2{\displaystyle \textstyle Q_{1}/Q_{2}=\lambda ^{3}n_{1}/n_{2}}) верны и уравнения подобия для насосов:
Данные уравнения верны с точностью до масштабного эффекта, вызванного изменением критерияReи относительнойшероховатости поверхности. Уточнённая форма включает изменение соответствующих КПД при измененииReиD:
Следствием из уравнений подобия является соотношение частот подобных насосов (при равных КПД)
Удельное число оборотовnr, с, характеризует конструктивный тип рабочего колеса насоса; оно определяется как число оборотов эталонного насоса, подобного данному, с подачей 1 м³/с при напоре 1 м:
Безразмерное удельное число оборотов — более универсальный параметр, не зависящий от размерности применяемых величин:
При метрической системе (n, с;Q, м³/с;H, м;g= 9,81 м/с²)n̄r≈ 0,180nr[с].
Коэффициент быстроходностиns, с, — это число оборотов эталонного насоса, подобного данному, с полезной мощностью 75 кгс·м/с при напоре 1 м; при этом принимается, что такой насос работает на воде (γ=1000 кгс/м³) и имеет тот же КПД.
Данные величины позволяют сравнивать различные насосы, если пренебречь разницей гидравлических и объёмных КПД. Поскольку повышение числа оборотов позволяет, как правило, снизить размеры и вес насоса и его двигателя, и потому выгодно. Колёса малой быстроходности позволяют создавать большие напоры при малой подаче, колёса большой быстроходности применяются при больших подачах и малых напорах.
Кавитационное удельное число оборотовnr*{\displaystyle \textstyle n_{r}^{\mbox{*}}}, с, — характеристика конструкции проточной части насоса с точки зрения всасывающей способности; представляет собой число оборотов насоса, подобного данному, с подачей 1 м³/с иH0umin= 10 м:
Химические насосыпредназначены для перекачки различных агрессивных жидкостей, поэтому основными областями их применения являются химическая и нефтехимическая промышленность (перекачивание кислот, щелочей, нефтепродуктов), лакокрасочная промышленность (краски, лаки, растворители и др.) и пищевая промышленность.
Химические насосы предназначены для перекачки агрессивных жидкостей (кислот, щелочей), органических жидкостей, сжиженных газов и т. п., которые могут быть взрывоопасны, с различной температурой, токсичностью, склонностью к полимеризации и налипанию, содержанием растворённых газов. Характер перекачиваемых жидкостей обуславливает то, что детали химических насосов, соприкасающихся с перекачиваемыми жидкостями изготавливаются из химически стойких полимеров или коррозионностойких сплавов, либо имеют коррозионностойкие покрытия.
Фекальные насосыиспользуются для перекачки загрязнённых жидкостей источных вод. Они рассчитаны на бо́льшуювязкостьперекачиваемой среды и содержание в ней взвешенных частиц, в том числе, малых и средних абразивных частиц (песка,гравия). Фекальные насосы могут быть погружными или полупогружными, также их конструкция может снабжаться режущим механизмом для измельчения крупных твёрдых кусков, переносимых потоком жидкости. Современные модели таких насосов иногда имеют поплавок автоматического включения/выключения насоса.
Основная среда применения — на канализационных станциях.