Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Двигатели и нагнетатели

Теплопроводность

Нагнетатели

Нагнетателем называется машина преобразующая механическую энергию в энергию потока жидкости. Нагнетателем подразделяются на насосы, вентиляторы и компрессоры. Насос перемещает капельные жидкости. Вентилятор газы при малых перепадах давлений до 15 КПа, а компрессор при больших перепадах давлений.

1. Насосы

В 1689 году французкий физик Денис Папин (Denis Papin) изобрел центробежный насос, который и сегодня очень популярен. Центробежный насос построен на простом принципе: жидкость направляется к ступице рабочего колеса и с помощью центробежной силы выбрасывается к периферии. Такая конструкция является относительно недорогой, долговечной и простой, к тому же высокая скорость вращения позволяет напрямую присоединять вал насоса к асинхронному электродвигателю. Центробежный насос обеспечивает постоянное значение напора, который можно легко регулировать, не причинив вреда насосу.

Центробежный насос.
Центробежный насос.

На рисуноке изображено прохождение жидкости через насос. Жидкость через входной патрубок направляется к центру вращающегося рабочего колеса, откуда с силой отбрасывается по направлению к его периферии. Такая конструкция обеспечивает высокий КПД и используется для перекачивания чистых жидкостей. Насосы, которые должны работать с загрязненными жидкостями, например сточными водами, имеют иную конструкцию колеса — такую, которая позволяет избежать блокировки и закупорки его гидравлической части.

Wентробежные насосы разделены на группы: с радиальным, диагональным и осевым рабочим колесом. Наиболее часто используются насосы с радиальными и диагональными рабочими колесами.

Группы насосов.
Группы насосов.

Разные требования к параметрам центробежных насосов: напору, расходу; способу монтажа, а также экономичности — являются лишь несколькими причинами использования различных типов насосов.

Группы насосов.
Группы насосов.

Параметры центробежного насоса обычно описываются рабочими характеристиками. Напор, потребляемая мощность, КПД и NPSH представлены как функции от расхода.

Параметры насоса.
Параметры насоса.

Обычно характеристики насоса в техническом каталоге описывают только работу самого насоса. Так, потребляемая мощность, значение Р2, — это мощность на валу электродвигателя (мощность на входе в насосную часть. То же самое можно сказать и о значении КПД насосной части. В некоторых типах насосов со встроенным электродвигателем и, возможно, встроенным преобразователем частоты, например в герметичных электронасосах, значение потребляемой мощности и КПД являются общими для электродвигателя и насоса. В этом случае потребляемая мощность будет обозначаться как Р1. Характеристика Q–H показывает напор, который насос способен создавать при данном расходе. Напор измеряется в метрах [м]. Характеристика Q–H центробежного насоса. Чем ниже расход, тем выше напор, и наоборот, чем выше расход, тем ниже напор. КПД – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. Для насосов при определении КПД используется отношение мощности, сообщаемой насосом жидкости к мощности на валу электродвигателя.

КПД зависит от рабочей точки насоса. Следовательно, очень важен выбор насоса, отвечающего требованиям по расходу и гарантирующего работу в зоне максимального КПД. Значение NPSH насоса является минимальным абсолютным давлением, которое необходимо создать на всасывающем патрубке насоса во избежание кавитации. Значение NPSH измеряется в метрах [м] и зависит от расхода: при увеличении расхода увеличивается и значение NPSH.

Центробежные насосы имеют несколько конструктивных особенностей.

  • Количество ступеней. В зависимости от количества рабочих колес, центробежный насос может быть одноступенчатым либо многоступенчатым.
  • Расположение вала насоса. Одноступенчатые и многоступенчатые насосы могут быть с горизонтальным или вертикальным расположением вала. Эти насосы обычно являются либо горизонтальными, либо вертикальными.
  • Рабочие колеса одностороннего и двухстороннего входа. В зависимости от конструкции рабочих колес, насос может быть оснащен рабочим колесом одностороннего либо двухстороннего входа.
  • Соединение ступеней. Ступени насоса могут быть установлены двумя способами: последовательно или параллельно.
  • Конструкция корпуса насоса. Мы различаем два типа корпуса насоса: спиралевидный корпус (улитка) и корпус с патрубками «в линию».

Консольный насос — поток жидкости направляется в центр рабочего колеса. Всасывающий и напорный патрубки расположены под углом 90°.

Консольные насосы.
Консольные насосы.

Насос «ин-лайн» — жидкость проходит через насос напрямую. Всасывающий и напорный патрубки расположены в линию один напротив другого, поэтому насос может монтироваться непосредственно в трубопровод.

Насос «ин-лайн».
Насосы «ин-лайн».

Насос двухстороннего входа — насос с горизонтальным разъемом корпуса. Насосы двухстороннего входа — это насосы, корпус которых разделен по оси на две части. На рис. изображен одноступенчатый насос двухстороннего входа. Такая конструкция исключает возникновение осевых сил, что обеспечивает продолжительный срок службы подшипников. Как правило, насосы двухстороннего входа имеют довольно высокий КПД, удобны в обслуживании и обладают достаточно широким диапазоном рабочих характеристик.

Насос двухстороннего входа.
Насос двухстороннего входа.

Горизонтальный насос — насос с горизонтально расположенным валом.

Вертикальный насос — насос с вертикально расположенным валом.

Одноступенчатый насос — насос с одним рабочим колесом.

Многоступенчатый насос — насос с несколькими последовательно установленными рабочими колесами.

Насосы с соединительной муфтой — это насосы с упругой муфтой, которая соединяет насос с электродвигателем. При таком виде соединения используется как обычная муфта, так и муфта с промежуточным элементом. Если электродвигатель соединен с насосной частью с помощью обычной муфты, то при техническом обслуживании насосной части (замена уплотнений) необходим демонтаж электродвигателя. При этом по завершении всех работ насос необходимо отцентровать. Если же насос оснащен муфтой с промежуточным элементом, то при техническом обслуживании нет необходимости в демонтаже электродвигателя. В этом случае также не требуется и отцентровка насоса (если при этом положение насосной части и электродвигателя не менялось).

Насосы с соединительной муфтой.
Насосы с соединительной муфтой.

Моноблочный насос — рабочее колесо закреплено на валу электродвигателя. Моноблочные насосы бывают двух видов:

  • Насосы, в которых рабочее колесо располагается на удлиненном валу электродвигателя
  • Насосы, соединенные со стандартным электродвигателем с помощью глухой муфты или муфты с промежуточным элементом.
Моноблочный насос.
Моноблочный насос.

Гидравлические параметры насоса должны сооответствовать рабочим режимам системы. Именно эти параметры определяют типоразмер насоса.

Расход. Расходом называется количество жидкости, проходящее через насос за фиксированный промежуток времени. Обычно используют понятия: объемный расход и массовый расход. Объемный расход, измеряемый в м3/с, характеризует объем жидкости, проходящей через насос в единицу времени. Этим понятием пользуются, когда плотность перекачиваемой жидкости мало меняется от тепературы, или температура жидкости не влияет на функции системы. Примером таких систем являются системы водоснабжения. Массовый расход — это масса жидкости, проходящей через насос в единицу времени, измеряется в кг/с. Массовый расход, как видно из названия, учитывает плотность жидкости. Понятие «массовый расход» широко применяется в теплотехнике и гидрогазодинамике. В гидравлических системах массовым расходом пользуются при расчете систем отопления, кондиционирования и т.п.

Давление. Давление характеризует энергию, которую имеет жидкость. Подобно классификации видов энергии, различают статическое (потенциальная энергия) и динамическое (кинетическая энергия) давления. Сумма этих давлений дает полное давление.

Динамическое давление. Динамическое и полное давление могут быть измерены с помощью трубки Пито (трубка полного напора). Согласно закону сохранения энергии, динамическое давление преобразуется в статическое путем снижения скорости потока, и наоборот.

Динамическое давление.
Динамическое давление.

Предполагая, что в системе нет потерь на трение, сумма статического и динамического давлений будет постоянной по всей трубе. Таким образом, увеличение диаметра трубы ведет к увеличению статического напора, измеряемого манометром. Во многих гидравлических системах динамическое давление $p_{дин}$ незначительно по сравнению со статическим. Например, при скорости движения потока воды 4.5 м/с динамическое давление будет около 0.1 бар.

Статическое и динамическое давление.
Статическое и динамическое давление.

Напор — величина давления жидкости, выражаемая высотой столба жидкости над выбранным уровнем отсчёта; измеряется в линейных единицах.

Напор.
Напор.

Напор насоса определяется исходя из значений давлений во всасывающем и напорном патрубках. Если имеется перепад высот между двумя точками измерения необходимо компенсировать эту разницу. Более того, при наличии разницы диаметров всасывающего и напорного патрубков, фактический напор также должен быть скорректирован с учетом этой разницы.

Напор насоса.
Напор насоса.