Машины для транспортировки жидкостей
Машины для транспортировки жидкостей
В промышленности искусственных кож применяются самые разнообразные жидкости и пасты, что требует применения для их транспортировки насосов различных систем.
Процесс транспортировки по трубопроводной системе с насосом зависит в основном от следующих факторов, которые надо учитывать при выборе насоса:
массы или объема транспортируемой жидкости в единицу времени, т.е. расхода жидкости;
напора, т.е. высоты столба жидкости, образующегося за счет приращения энергии между всасывающим и напорным патрубками. При определении напора следует принимать во внимание подачу из открытого резервуара путем всасывания, подачу из закрытого резервуара (с избыточным давлением) путем всасывания, подачу самотеком из открытого или закрытого резервуара, подачу в открытый или закрытый (с избыточным давлением) резервуар;
склонности жидкости к кавитации, т.е. образованию в жидкости пузырьков пара при пониженном давлении. Чтобы кавитация не происходила, ни в одном месте системы давление не должно при соответствующей температуре быть равным давлению паров жидкости;
избыточного давления над точкой кипения при данной температуре, являющегося мерой всасывающей способности насоса;
производительности и коэффициента полезного действия насоса.
Коэффициент полезного действия насоса включает внутренний коэффициент полезного действия (гидравлический коэффициент полезного действия, потери в зазорах, трение шестерен) и механический коэффициент полезного действия (потери на трение подшипников, сальников).
Таким образом, на потерю напора оказывают влияние коэффициент трения трубопровода (зависит от числа Рейнольдса и шероховатости внутренней поверхности трубопровода), плотность жидкости, требуемая скорость течения жидкости, диаметр и длина трубопровода.
Ниже приводится описание важнейших видов насосов и областей их применения, причем объясняются только принципы действия насосов. Электроприводы с редукторами во внимание не принимаются.
Рис. 2.27. Одноступенчатый лопастный (центробежный) насос со спиральной камерой (улиткой)
Лопастный насос (рис. 2.27) наиболее часто применяется для подачи жидкостей. Существуют лопастные насосы
с радиальной, диагональной и аксиальной подачей жидкости, которые именуются соответственно радиальным, диагональным и аксиальным насосами. Радиальный лопастный насос подает жидкость перпендикулярно его валу, диагональный — под углом к валу, а аксиальный — параллельно валу (рис. 2.28).
У лопастных насосов лопасти рабочего колеса сообщают поступающей жидкости кинетическую энергию, которая в направляющем устройстве, например в спиральной камере (улитке) , превращается в основном в энергию давления. При этом подача жидкости осуществляется постоянно (без пульсации). Расход жидкости и напор зависят от частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса. Напор 5в лопастных насосах не зависит от плотности жидкости. На производительность насоса оказывает большое влияние также вязкость жидкости: с увеличением вязкости напор и расход жидкости уменьшаются. Если снабдить насос несколькими расположенными последовательно рабочими колесами, то напор повысится, так как каждое рабочее колесо (ступень) передаст свою энергию перекачиваемой жидкости. Такие насосы называются многоступенчатыми лопастными насосами.
Лопастные насосы в стандартном исполнении сами не всасывают жидкость и при наличии воздуха или пара на рабочем колесе не перекачивают ее. Поэтому перед пуском насоса все трубопроводы должны быть заполнены жидкостью.
Лопастные насосы применяются главным образом в качестве пожарных насосов, питательных насосов котлов и конденсационных насосов, однако они используются также для перекачки сточных, канализационных вод и т.д. В химической промышленности и промышленности искусственных кож кислотный лопастный насос, выполненный из материала, стойкого к воздействию агрессивных сред, применяется для подачи растворителей.
Вихревые насосы (рис. 2.29) представляют собой
лопастные насосы специальной конструкции. Однако принципом действия они существенно отличаются от обычных лопастных насосов. Вихревые насосы являются самовсасывающими.
В корпусе вращается звездообразное рабочее колесо, причем со стороны всасывающего патрубка зазор небольшой, а с противоположной стороны — более широкий (боковой канал). Боковой канал проходит от всасывающего до напорного патрубка. При пуске насоса жидкость отбрасывается в боковой канал и напорный патрубок, а по всасывающему патрубку течет новая жидкость.
Такой насос хотя и требует предварительного заполнения жидкостью только корпуса, трубопроводы не обязательно должны заполняться.
Следует рассмотреть преимущества и недостатки вихревых насосов в сравнении с обычными лопастными насосами.
Преимущества: вихревые насосы сами удаляют воздух из всасывающих трубопроводов и подают жидкости, газы или их смеси непрерывно. В отличие от обычных лопастных насосов они пригодны для подачи малых количеств жидкости.
Недостатки: вихревые насосы подвержены воздействию абразивных компонентов и, таким образом, непригодны для перекачки сточных и канализационных вод. Они не обеспечивают большого расхода жидкости и характеризуются меньшим коэффициентом полезного действия, чем обычные лопастные насосы. Вихревые насосы неприменимы для подачи высоковязких жидкостей.
Шестеренные насосы (рис. 2.30) находят все большее применение в промышленности искусственных кож. В зависимости от конструкции шестеренные насосы могут применяться для подачи как низковязких, так и высоковязких жидкостей. Они работают по следующему принципу: две находящиеся в зацеплении друг с другом шестерни вращаются в корпусе. Зазоры между зубьями шестерен образуют вместе со стенкой корпуса напорные полости. При переходе жидкости от стороны всасывания к стороне нагнетания возникает, кроме того, закрытое пространство, именуемое камерой сжатия. Сжатая в ней жидкость отводится по стоку в камеру нагнетания. Подшипниковые опоры могут находиться как внутри, так и снаружи насосов.
Для субстанций, обладающих смазывающими свойствами, применяются насосы с подшипниками внутри, а для подачи жидкостей, лишенных таких свойств, — насосы с подшипниками снаружи.
При использовании шестеренных насосов для перекачки низковязких жидкостей расстояние между зубьями шестерен в зацеплении должно быть малым; чем больше это расстояние, тем большей вязкости жидкость можно транспортировать.
В промышленности искусственных кож шестеренные насосы применяются для подачи ПВХ-паст и полиуретановых растворов.
шестеренные насосы могут создавать очень высокое
давление и большой напор, поэтому трубопроводные системы необходимо снабжать предохранительными клапанами.
Ротационно — поршневые, или роторно-щелевые, насосы (рис. 2.31) используются для подачи как низковязких, так и высоковязких жидкостей, на которые высокие давления оказывают отрицательное влияние. Эти насосы не повреждают подаваемую жидкость. Два поршня встречно вращаются с одинаковой частотой. Фасонные выемки на поршнях образуют напорные камеры, в которых поступательно перемещается жидкость. Эти напорные камеры имеют относительно большую вместимость, благодаря чему осуществляется щадящая транспортировка жидкости без ее механического повреждения, и насос может работать с малой частотой вращения.
Данные насосы оснащаются, как правило, двигателями с редуктором, которые позволяют менять частоту вращения. Расход жидкости у этих насосов пропорционален частоте вращения. Ротационно-поршневые насосы применяются для подачи легко поддающихся деструкции жидкостей, таких, как латекс, пигментные пасты, эмульсии, дисперсии. Благодаря их способности сильно всасывать жидкости они могут применяться для подачи жидкостей из вакуума.
Описанные выше насосы подают жидкости Непрерывным потоком. Объемные, или поршневые (рис. 2.32), насосы, которые подают жидкость пульсирующим потоком, и являются самыми старыми видами насосов, но все еще занимают важное место в технике. Кроме того, появилась совершенно новая область их применения: дозирование жидкостей.
В поршневых насосах кинетическая энергия жидкости увеличивается совершающим возвратно-поступательное движение поршнем или в особых случаях эластичной мембраной. Поршень осуществляет всасывающий и нагнетающий ходы. Обратное течение жидкости предотвращается клапанами. Поток жидкости пульсирует. Эта пульсация уменьшается уравнительными камерами, всасывающим и нагнетательным воздушными колпаками.
Поршневые насосы — это самовсасывающие насосы, производительность которых практически не зависит от напора и в широком диапазоне не зависит от вязкости транспортируемой среды.
В воздушных колпаках находится воздух, который при каждом ходе сжимается и затем снова расширяется, когда жидкость проходит по трубопроводу. Кроме того, пульсацию потока жидкости можно еще уменьшить подключением одного или нескольких поршней, работающих в противофазе.
В промышленности искусственных кож в настоящее время поршневые насосы, прежде всего дозирующие, приобрели значение. Об этом еще будет идти речь в главе ’’Измере-ние расхода жидкости”.
Здесь следует остановиться на преимуществах и недостатках насосов с пульсирующей подачей жидкости в сравнении с насосами, подающими жидкость непрерывным равномерным потоком.
Преимущества: поршневые насосы являются самовсасывающими. Их производительность не зависит от напора. Эти насосы пригодны для подачи жидкостей под высокими давлениями. Они пригодны для жидкостей с вязкостью до 30 Па • с.
Недостатки: пульсация потока подаваемой жидкости требует дополнительных технических средств. Клапаны и воздушные колпаки усложняют конструкцию насоса. Для предотвращения разрушения, например в случае работы насоса при закрытой заслонке, требуются перепускные клапаны как предохранительные детали конструкции насоса.
Эксцентриковые червячные насосы (рис. 2.33) применяются для подачи экстремально вязких, но еще текучих сред жидкостей. У этих насосов винтообразный ротор вращается в статоре, имеющем форму двухзаходного полого винта. — Ход винтовой линии статора вдвое больше диаметра ротора. При вращении ротора между ним и стенкой статора образуются замкнутые полости, которые движутся поступательно в осевом направлении. Этот процесс можно сравнить с бесконечным ходом поршня. Вследствие этого возникает как эффект всасывания, так и эффект нагнетания. Статор, как правило, эластичен; в зависимости от назначения насоса статор может быть сделан из каучука, неопрена, силоксано-вого каучука, политетрафторэтилена и т.п. Ротор обычно выполнен из хромистой либо хромоникелевой стали.
Рис. 2.33. Эксцентриковый червячный насос (разрез вдоль оси) :
1 — ротор; 2 — статор
2.2. Краткая характеристика основных типов насосов
Эксцентриковые червячные насосы применяются прежде всего для подачи высоковязких жидкостей и паст, а также
суспензий, т.е. жидкостей с содержанием твердых веществ; в особых случаях они могут применяться для подачи порошков (если они обладают смазывающими свойствами). Эти насосы можно использовать для подачи высоковязких жидкостей и паст из бочек, т.е. в качестве бочечных насосов.
В табл. 2.2. приведены области применения различных типов насосов для подачи жидкостей.
Машины для транспортировки жидкостей и газов
Насосами называются машины, предназначенные для перемещения жидкостей (газов) и сообщения им энергии.
Работающий насос преобразует механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, увеличивая ее давление.
Перемещение жидкостей осуществляется следующими насосами:
— объемными — путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства насоса телами, движущимися возвратно-поступательно или вращательно;
— лопастными или центробежными — за счет центробежной силы, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес;
— вихревыми — за счет интенсивного образования и разрушения вихрей, возникающих при вращении рабочего колеса;
— струйными — за счет движущейся струи воздуха, воды или пара;
— газлифтами (эрлифтами) — пневматическими подъемниками, в которых используется сжатый воздух или технический газ;
— монтежю и сифонами — перемещение жидкости под давлением воздуха, пара или газа.
Компрессоры — это машины, предназначенные для перемещения газа и повышения его давления.
Компрессорные машины, в зависимости от создаваемой степени сжатия, т.е. отно-
шения давления на выходе из нагнетательного патрубка к давлению на входе во всасывающий патрубок и наличия охлаждения газа в процессе сжатия, делятся на три класса:
— вентиляторы (степень сжатия 1,0 — 1,1);
— газодувки (степень сжатия 1,1 — 4,0);
— компрессоры (степень сжатия более 4,0).
Наибольшее распространение в химической промышленности получили лопастные машины для транспортировки жидкостей и газов, так как они обладают рядом преимуществ перед поршневыми машинами:
— более равномерная подача жидкости и газа;
— простота устройства и компактность;
— надежная работа при небольших давлениях и высокой производительности;
— возможность перекачивания агрессивных жидкостей и жидкостей (газов), содер-
жащих твердые частицы.
К недостаткам центробежных машин следует отнести сравнительно небольшой КПД и некоторое уменьшение производительности при увеличении напора. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, центробежные машины постепенно вытесняют поршневые в области умеренных давлений. Поршневые машины применяются, главным образом, когда требуется перекачивать небольшие количества жидкости под большим (до 15МПа и более) давлением.
Для транспортировки больших количеств жидкости с небольшими напорами (до 10 — 15 м) применяют осевые (пропеллерные) насосы. Осевые насосы имеют высокий КПД, компактны, быстроходны и могут использоваться для перекачивания загрязненных и кристаллизующихся жидкостей. Осевые компрессоры применяют для сжатия любых газов при больших производительностях и относительно высоких давлениях. Для перекачивания высоковязких жидкостей, топлив, нефтепродуктов в области подач до 300м 3 /ч и давлений до 20МПа применяют винтовые насосы, эти машины компактны, бесшумны, быстроходны, их КПД составляет 0,75 — 0,8. Для перекачивания вязких жидкостей, не содержащих твердых примесей, при высоких давлениях и производительности 300 — 360м 3 /ч используют шестеренчатые насосы. Пластинчатые насосы используются для транспортировки чистых, без твердых примесей, жидкостей при умеренных давлениях и производительности 300 — 350м 3 /ч.
Вихревые насосы — просты, компактны и используются для перемещения маловяз
ких жидкостей с напором до 250м и сравнительно высокой производительностью. Поршневые компрессоры высокого давления используются в технологических схемах синтеза технических газов, для обдувки поверхностей нагрева котельных агрегатов и др. Струйные насосы, монтежю, подъемники чаще всего используются в тех случаях, когда недопустимо наличие движущихся и трущихся частей при перекачивании агрессивных и пожароопасных жидкостей.
