АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Перемещение жидкостей осуществляется по трубопроводам; при этом движущая сила определяется разностью давлений в начальном и конечном пунктах трубопровода. С высшего уровня к низшему жидкость перемещается самостоятельно (самотеком): разность уровней жидкости должна быть достаточной для достижения заданной скорости и преодоле­ния всех сопротивлений.

В тех случаях, когда жидкость необходимо перемещать с низшего уровня на высший или по горизонтали, применяют насос ы—гидра­влические машины, которые сообщают жидкости энергию и повышают давление.

В зависимости от принципа действия насоса увеличение энергии и давления жидкости может быть осуществлено:

1) в объемных насоса х—путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства насоса телами, движущимися возвратно-посту­пательно или вращающимися;

2) в лопастных или центробежных насоса х—цен­тробежной силой, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес;

3) в вихревых насоса х—интенсивным образованием и разрушением вихрей, возникающих при вращении рабочих колес;

4) в струйчатых насоса х—движущейся струей воздуха, пара или воды;

5) в газлифта х—образованием пены при подаче воздуха или газа в жидкость;

6) в монтежю и сифона х—давлением воздуха, газа или пара на жидкость.

18. Объемные насосы

Основным видом объемных насосов являются поршневые насосы. В этих конструкциях жидкость вытесняется из замкнутого про­странства насоса движущимся возвратно-поступательно поршнем, плун­жером (скалкой) или мембраной. К объемным насосам относятся также роторные, в которых жидкость вытесняется зубьями шестерен, винтами, кулачками и выдвижными скользящими пластинами при вращательном их движении. Наибольшее промышленное значение имеют поршневые насосы.

Основными частями поршневых насосов являются (рис. 29):

1) цилиндр или корпус насоса;

2) поршень или плунжер (скалка), при возвратно-поступательном движении которого происходит всасывание жидкости в цилиндр и вытал­кивание ее из цилиндра в нагнетательный трубопровод;

3) клапаны, периодически соединяющие пространство цилиндра с пространством всасывания и нагнетания.

По роду привода различают насосы приводные, действующие от электрического привода, и паровые, непосредственно соединенные с паро­вой машиной.

R р %____ п, Соответственно рас-

Г " ' г положению поршня или

Плунжера различают на­сосы вертикальные и го­ризонтальные.

Поршневые насосы делятся по способу дей­ствия: на простые, или одинарного дей­ствия; двойные, или многократного дей­ствия; дифферен­циальные.

Рассмотрим устрой­ство и принцип действия насосов, группируя их по последнему признаку, т. е. в зависимости от способа действия.

Насосы простого дей­ствия. В насосах про­стого или одинарного дей­ствия за один оборот вала или за два хода поршня жидкость один раз всасывается в ци­линдр и один раз вытал­кивается из него.

В горизонтальном поршневом насосе простого действия (см. рис. 29) при ходе плунжера 4 вправо образуется разреженное простран­ство. Жидкость под действием атмосфер­ного давления поднимается по всасываю­щему трубопроводу 1, проходит через открывающийся при этом всасывающий клапан 3 и заполняет цилиндр. При обратном ходе плунжера (влево) вса­сывающий клапан давлением жидкости закрывается, а нагнетательный кла­пан 6 открывается и жидкость вытес­няется в нагнетательный трубопровод 8.

На рис. 30 изображена схема вер­тикального насоса простого дей­ствия. Этот насос имеет два клапана и работает аналогично горизонтальному насосу простого действия.

К насосам простого действия от­носится также насос с проходным (дисковым) поршнем (рис. 31). В цилиндре 1 насоса посредством штанги 2 перемещается поршень 3 со сквозным перекрывается кольцевым клапаном 4. При ходе

Вается жидкость, находящаяся над поршнем. При ходе поршня вниз жидкость, находящаяся под поршнем, вытесняется последним и ПрОХОДИ'! через нагнетательный клапан в верхнюю часть цилиндра. Таким образом, за один ход поршня происходит всасывание и нагнетание жидкости, другой же ход является холостым. Этим обусловливается значительная неравномерность работы таких насосов.

Насосы двойного действия. В насосах двойного дей­ствия всасывание и нагнетание происходит при каждом ходе поршня. Насосы двойного действия можно рассматривать как бы состоящими из двух насосов простого действия. Они имеют четыре клапана и один плунжер.

В горизонтальном насосе двойного действия (рис. 32) при ходе плунжера вправо жидкость всасывается в левую часть цилиндра через клапан 1 и одновременно через на­гнетательный клапан 4 поступает из правой части цилиндра в напорный трубопровод; при обратном ходе плунжера, на­оборот, в правой части цилиндра через клапан 2 происхо­дит всасывание, а в левой—нагнетание через открытый нагнетательный клапан 3. Насосы двойного действия имеют­ся горизонтальные и вертикальные.

Дифференциальные насосы. В насосах этого типа вса­сывание жидкости происходит за один ход, а нагнетание— за два хода плунжера или поршня.

Дифференциальные насосы также изготовляют горизон­тальные и вертикальные.

В насосе горизонтального типа (рис. 33) при движе­нии плунжера вправо жидкость всасывается в левую часть цилиндра и выталкивается из правой. При обратном ходе плунжера (влево) всасывающий клапан 1 закрывается и жидкость через открывшийся нагнетательный клапан 2 выталкивается из левой части цилиндра в правую. Так как объем правой части цилиндра меньше, чем левой на величину объема, занимаемого штоком плунжера, то часть жидко­сти выталкивается в нагнетательный трубопровод. Можно так подо-

Рис. 32. Схема насоса двойного действия: Рис. 33. Схема дифференциального насоса:

V. 2—всасывающие клапаны; 3, 4—нагнетатель - /—всасывающий клапан; 2—нагнетательный клапан, ные клапаны.

Брать сечения плунжера и штока, что подача жидкости при прямом и обратном ходах плунжера будет, как и в насосах двойного действия, оди-
наковой. От последних дифференциальный насос выгодно отличается меньшим числом клапанов.

Производительность. Производительность насоса определяется объ­емом жидкости, подаваемой им в напорный трубопровод, и выражается обычно в м3/час.

Обозначим:

—площадь поршня в лї2 (D — диаметр поршня в ж);-

Fm = ^---------- плошадь штока поршня в ж2 (d—диаметр штока поршня в ж);

S — ход поршня в ж;

П — число оборотов вала или число двойных ходов поршня в минуту.

Тогда объем жидкости, нагнетаемой насосом простого действия за один оборот вала, будет fS м2. Следовательно, теоретическая произво­дительность насоса простого действия:

Q = 60/5/г мА/час

При работе любого насоса всегда происходит утечка жидкости, т. е. часть жидкости, которой сообщается энергия, не попадает в напор­ный трубопровод. Вследствие этого действительная подача или произ­водительность насоса Qe меньше теоретической Q. Отношение фактиче­ски подаваемого насосом объема жидкости к теоретическому называется объемным к. п. д. или коэффициентом наполнения и обозначается

Таким образом, действительная производительность насоса про­стого действия:

Qe = "ioQ (1-113)

Или

Qe = 60fSmo м3/час (1—11 За)

В насосе двойного действия (см. рис. 32) при ходе плунжера вправо всасывается количество жидкости, равное fS м3, а из правой части цилиндра выталкивается (f— fm)S м3. При обратном ходе плунжер нагнетает fS ms из левой части цилиндра и одновременно вса­сывает в правую (/—/ш) 5 м3. Следовательно, за один оборот вала насоса в нагнетательный трубопровод будет подано жидкости:

(/ — /ш) ^ + /5 = (2/ — /щ) 5 ж3

Если насос делает п об/мин, то теоретическая его производитель­ность равна

Q = 60 (2/ — fJSn м3/час (1—114)

Действительная производительность насоса

Qe = 60 (2/ — /щ) S«7]0 м3/час (1 —114а)

Вдифференциальном насосе при ходе плунжера вправо (см. рис. 33) в левую часть цилиндра засасывается fS м3 жидкости, а из правой одновременно выталкивается (/—/ш )S м3. При обратном ходе плунжера из левой части цилиндра через нагнетательный клапан вытал­кивается fS м3 жидкости, но вместе с этим в правой части цилиндра освобождается пространство, равное (/—/ш ) 5 ж3, заполняемое выталки­ваемой из левой части цилиндра жидкостью, вследствие чего в нагне­тательный трубопровод выталкивается жидкости только

FS — (/—/ш) 5 = /ш5 1ж3

Таким образом, за время одного полного (прямого и обратного) хода плунжера будет подано жидкости:

(F-US+fJS=fS м*

Следовательно, производительность дифференциального насоса определяется по формулам (1—113) и (1—113а), так же как и для насоса простого действия.

Если принять, что площадь штока плунжера равна половине пло - £ f

Щади плунжера, т. е. fш = - у-, то количество жидкости, подаваемой

Дифференциальным насосом, будет одинаковым при ходе плунжера вправо и влево, т. е. подача и расход энергии будут одинаковыми при обоих ходах плунжера.

Объемный к. п. д. Величина объемного к. п. д. т;0 зависит от сле­дующих причин. В насосах всегда происходит запаздывание открытия и закрытия клапанов, вследствие чего возникает утечка жидкости через незакрытые клапаны. Утечка жидкости происходит также через неплот­ности в сальниках и соединительных частях насоса.

Наиболее существенной причиной уменьшения подачи жидкости насосом является наличие воздуха во всасываемой жидкости. Это про­исходит вследствие выделения из жидкости при давлении ниже атмо­сферного растворенного в ней воздуха, а также вследствие проникнове­ния воздуха через неплотности во всасывающем трубопроводе.

При правильном устройстве насоса воздух не скапливается в верх­ней части цилиндра, а уходит вместе с жидкостью через клапаны в на­порный трубопровод. При неправильной конструкции насоса в нем могут образоваться воздушные «мешки». Вследствие расширения находяще­гося в «мешках» воздуха и сжатия его при нагнетании уменьшается подача жидкости насосом.

Влияние воздушных «мешков» тем значительнее, чем больше раз­режение и последующее сжатие, т. е. чем больше высота всасывания ;И нагнетания.

В больших насосах хорошей конструкции объемный к. п. д. обычно доходит до tj0=0,97—0,99; для насосов средней производительности (Q= 20—300 м3/час) т]0 лежит в пределах 0,9—0,95, а для насосов малой .производительности (Q<20 м3/час) -/]0=0,85—0,9.

При перекачке густых и вязких жидкостей приведенные значения тг)0 уменьшаются на 5—10%. Для изношенных насосов т]0=0,4 и менее.

Графическое изображение подачи насоса. За один ход поршня насоса простого действия подается объем жидкости V=fS.

Так как скорость поршня является величиной переменной, то и подача насоса изменяется за время хода поршня пропорционально изменению его скорости.

Если длина шатуна L (см. рис. 29) весьма велика по сравнению с радиусом кри­вошипа г и окружная скорость вращения цапфы кривошипа сц постоянна, то скорость поступательного движения поршня с изменяется пропорционально синусу угла пово­рота кривошипа а:

С = сц sin а

Следовательно, секундная подача жидкости насоса также будет изменяться при­близительно, как и синус угла поворота кривошипа:

Усек. = fc = fcn sin а = fm sin a

Где г—радиус цапфы кривошипа;

2пп

Ш= gp - — угловая скорость вращения кривошипа. Подачу насоса можно изобразить в виде синусоиды (рис. 34).

Описав в любом масштабе полуокружность радиусом fcn=fr, разделим ее на не -

30

Которое число равных частей. По. оси абсцисс отложим время хода поршня сек -

И разделим его на столько же равных частей, на сколько поделена полуокружность. На графике указаны углы поворота кривошипа (от 0 до 360°), пропорциональные отло­женным по оси отрезкам времени.

Из полученных точек деления оси абсцисс восстановим ординаты, равные //чо sin а, и полученные при делении полуокружности. Соединив верхние^ точки ординат, получим кривую—синусоиду, выражающую закон изменения секундной подачи насоса в зависимости от угла поворота кривошипа или времени т.

За первую половину оборота вала (ход всасывания) насос простого действия не нагнетает жидкости и на участке оси абсцисс, соответствующем углу поворота кри­вошипа от 0 до 180°, линия подачи совпадает с осью абсцисс (диния АВ). Таким образом, график пода­чи насоса за полный оборот или за два хода поршня изобразится линией A BCD.

График подачи насоса трой­ного действия (рис. 35) составляет­ся из трех графиков подач насосов простого действия при нагнетании. Если кривошипы насоса располо­жены под углом 120°, то площа­ди, ограниченные кривыми пода­чи I, II и III, равны, но сме­щены по оси абсцисс друг относительно друга на 120°, т. е. на одну треть оборота. Ре­зультирующая кривая подачи получается сложением ординат кривых I, II и III, когда они накладываются одна на другую, т. е. в периоды совместной работы нагнетания на­сосов простого действия.

Как видно из графика, подача насоса тройного действия очень близка к равно­мерной.

Размеры цилиндра и число оборотов насоса. Зная действительную производи­тельность насоса Q, можно вычислить диаметр поршня D и длину его хода S. Эти вели­чины для насосов простого действия и дифференциальных связаны следующей зависи­мостью (1—91а):

TiDa п Qe = —4— 5 go % я3/сек

S

Для того чтобы решить последнее уравнение, задаются отношением-^- и выбирают

На основании опытных данных число оборотов п, отвечающее намечаемым условиям работы насоса.

По числу оборотов в минуту (л) насосы делятся на тихоходные (я=45— 60 об/мин), нормальные (л=60—120 об/мин) и быстроходные {п= 120—180 об/мин). У быстроходных насосов с электрическим приводом я<250 об/мин, у прямодействующих насосов число двойных ходов равно 50—120 в минуту.

5

Отношение £)- выбирают, исходя из средней скорости поршня сср., величину

Которой принимают по практическим данным для насосов различных типов нормального исполнения.

У приводных насосов при работе на воде можно принимать сср. равной: для малых насосов (D<50 мм) 0,2—0,5 м/сек; для средних (D<150 мм) 0,5—0,9 м^сек и для боль­ших (D>150 мм) 1—2 м/сек. Для прямодействующих насосов ссо.=0,3—0,7 м/сек.

S

При этих средних значениях скорости принимают в пределах 0,8—8 в за­висимости от конструкции насоса: для горизонтальных насосов 1,4—3,0; вертикаль­ных 0,8—2,0; быстроходных 0,9—1,1; прямодействующих 0,9—1,5 и для насосов гидрав­лических прессов 3—8.