Общепромышленные установки: компрессоры, насосы, вентиляторы

3.Насосы.

3.1. Общие сведения. 
        Насосы в настоящее время являются самым распространенным видом машин. 
По принципу действия насосы подразделяются на: 
 
а) центробежные, у которых перекачка и создание напора происходят вследствие центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса; 
б) осевые (пропеллерные) насосы, рабочим органом у которых служит лопастное колесо пропеллерного типа. Жидкость в этих насосах перемещается вдоль оси вращения колеса; 
в) поршневые и скальчатые насосы, в которых жидкость перемещается при возвратно-поступательном движении поршня или скалки. К этой группе можно отнести простейший вид поршневых насосов - диафрагмовые насосы, у которых рабочим органом служит резиновая или кожаная диафрагма, совершающая возвратно-поступательные движения; 
г) тараны, работающие за счет энергии гидравлического удара; 
д) струйные насосы, в которых перемещение жидкости осуществляется за счет энергии потока вспомогательной жидкости, пара или газа; 
е) эрлифты (воздушные водоподъемники), в которых рабочим телом является сжатый воздух. 
             Насосы, применяемые в различных производственных установках, должны выполнять одну, две или все три перечисленные функции. Насосная установка состоит из собственно насоса 3; резервуара 5, из которого насос всасывает жидкость при помощи всасывающего трубопровода 4; напорного резервуара 2, в который подается жидкость с помощью нагнетательного трубопровода 1. 
              

Расходом или подачей  насоса Q называют объемное количество жидкости, подаваемое насосом в единицу  времени в нагнетательный трубопровод. Следовательно, под расходом понимают то количество жидкости, которое получает потребитель. В действительности, через  рабочие органы насоса, его проточную  часть проходит большее количество жидкости Q0, которое учитывает объемные потери жидкости, например, через сальниковое  или другое уплотнения. 
               Манометрическим называют напор, создаваемый насосом для преодоления геометрической высоты всасывания Z1 и высоты нагнетания Z2, для преодоления разности давлений на концах трубопровода р2 - p1, т.е. разности между внешним давлением над поверхностью жидкости в нагнетательном резервуаре р2 и внешним давлением на поверхности жидкости во всасывающем резервуаре р1. Кроме того, манометрический напор затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов насосной установки на всасывающей линии h’w и нагнетательной линии h’’w. Поэтому манометрический напор, создаваемый насосом, можно выразить так:  
 
             Одним из основных параметров работы насоса является расход мощности N, т. е. количество затрачиваемой насосом энергии для подъема, перемещения и нагнетания жидкости в единицу времени. 
              Различают теоретическую мощность NT, т. е. такую, которую необходимо было бы затратить для подачи жидкости, преодолевая необходимый манометрический напор при полном отсутствии потерь энергии в самом насосе. 
     Очевидно, теоретическая мощность (кВт) определяется величиной  
         В действительности, полная мощность, затрачиваемая двигателем, т. е. мощность на валу насоса или эффективная мощность N больше теоретической N> NT. Поэтому отношение NT:N всегда меньше единицы. Это отношение показывает, какая часть из всей использованной насосом энергии затрачивается полезно. Вследствие этого указанное отношение принято называть общим коэффициентом полезного действия насоса и обозначать 
 откуда следует, что  . 

3.2. Устройство и принцип действия поршневых насосов. 
            Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса. Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).  
                 Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям: 
1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные; 
2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы); 
3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия. 
4) по количеству поршней: однопоршневые; двухпоршневые; многопоршневые.  
 
 
 
Рис. 3. Насос поршневой простого действия 
                3.3. Насос простого действия.

Схема насоса простого действия изображена на рис. 3. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу 5 поступает в рабочую камеру 7. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9.  
 
             Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет  
 
 
 
где F - площадь поршня, мІ; 
l - ход поршня, м; 
n - число оборотов двигателя, об/мин.  
             Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.  
              Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.  
                Отношение действительной подачи Q к теоретической Q_T называется объемным КПД поршневого насоса:  
 
 
Объемный КПД - основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.  
             3.4. Дифференциальный насос. 
 
Рис. 4. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем 
 
              Дифференциальный насос. В дифференциальном насосе (рис. 4) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 или малый зазор со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F - f )l; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный f_l. Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный  
(F - f)l + fl = Fl 
т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.  
                3.5. Насос двойного действия. 
 
 
 
Рис. 5. Насос поршневой двойного действия 
 
               Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 5), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Теоретическая производительность насоса двойного действия будет  
 
 
 
где f - площадь штока, м².  
               3.6. Диафрагменные насосы. 
Насосы представляет собой мембрану, поршнем,            выполненную из эластичного материала (резины, кожи, ткани, пропитанной лаком, и др.). 
             Мембрана отделяет рабочую камеру от пространства, в которое жидкость не должна проникнуть. 
              В диафрагменном насосе, представленном на рисунке 6, а, клапанная коробка с всасывающим 4 и нагнетательным 5 клапанами расположена отдельно, а прогиб диафрагмы 3 осуществляется благодаря возвратно-поступательному движению плунжера 2 в цилиндре насоса 1, заполненном специальной жидкостью. Диафрагменные насосы подобного типа часто применяются для перекачки жидкостей, загрязненных различными примесями (песком, илом, абразивными материалами), а также химически активных жидкостей и строительных растворов. 
 
 
 
Рис. 5. Схемы диафрагменного насоса с плунжерным приводом диафрагмы 
               Диафрагму можно приводить в движение не только с помощью плунжера, но и обычным рычажным механизмом.  
              3.7. Устройство и классификация центробежных насосов. 
Центробежные насосы классифицируют по: 
1) числу колес (одноколесные многоколесные);    кроме    того,    одноколесные    насосы    выполняют    с консольным расположением вала – консольные; 
2) напору (низкого напора до 2 кгс/см2 (0,2 МН/м2), среднего напора от 2 до 6 кгс/см2 (от 0,2 до 0,6 МН/м2), высокого напора больше 6 кгс/см2 (0,6 МН/м2)); 
3) способу подвода воды к рабочему колесу (с односторонним входом воды    на    рабочее    колесо,    с    двусторонним    входом    воды    (двойного всасывания)); 
4) расположению вала (горизонтальные, вертикальные); 
5) способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса); 
6) способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса   (спиральные   и   турбинные).   В   спиральных   насосах   жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде  чем   попасть   в  спиральный   канал,   проходит  через специальное устройство – направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками); 
7) степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные); 
8) роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др.); 
9) способу соединения с двигателем (приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт). Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко. 
               Основными частями центробежного насоса (рис. 6) являются: корпус 6 насоса со всасывающим 1 и нагнетательным 3 патрубками. Внутри корпуса имеется рабочее колесо 4, жестко посаженное на вал 2. В корпусе вокруг рабочего колеса смонтирован направляющий аппарат 5. 
 
 
 
Рис. 6. Центробежный насос. 
              Корпус насоса с патрубками служит для подхода жидкости к рабочему колесу и для отвода жидкости после воздействия на нее рабочего колеса в нагнетательный трубопровод. При вращении рабочее колесо своими лопастями непосредственно воздействует на жидкость, а также создает внутри насоса поле центробежных сил за счет энергии двигателя. 
 
 
 
Рис. 7. Рабочее колесо. 
 
             Обычно рабочее колесо центробежного насоса (рис. 7) представляет собой два диска: один плоский со втулкой, а второй имеет вид широкого кольца 2. Между дисками смонтированы лопасти 3 рабочего колеса, образующие расширяющиеся каналы. В центральной части колеса имеется втулка 4, при помощи которой оно монтируется на валу, Все перечисленные элементы рабочего колеса изготовляются в виде единой отливки либо при помощи сварки. 
                 Принцип работы центробежного насоса состоит в следующем. При пуске корпус насоса должен быть заполнен капельной жидкостью. При быстром вращении рабочего колеса его лопасти оказывают непосредственное силовое воздействие на частицы жидкости. Кроме того, создается поле центробежных сил в жидкости, находящейся в межлопастном пространстве рабочего колеса. Таким образом, жидкость, подвергаясь силовому воздействию лопастей рабочего колеса, с большой скоростью перемещается от центра к периферии, освобождая межлопастные каналы рабочего колеса. Поэтому в центральной части рабочего колеса давление снижается и под действием внешнего, чаще всего атмосферного давления, жидкость входит во всасывающий патрубок и вновь подводится к центральной части рабочего колеса. 
                Жидкость, выходящая из каналов рабочего колеса по его выходному диаметру, попадает в межлопастное пространство неподвижного направляющего аппарата. В направляющем аппарате жидкость, имеющая большую скорость, как бы тормозится и ее кинетическая энергия частично преобразуется в потенциальную энергию давления в благоприятных условиях течения через плавно изменяющиеся каналы. Если направляющий аппарат отсутствует, то преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления происходит в спиральном корпусе насоса в условиях менее благоприятных. 
                Спиральная форма корпуса насоса и эксцентричное расположение в нем рабочего колеса обусловлены следующим. В корпусе насоса по направлению вращения рабочего колеса собирается все больший объем жидкости, выходящей из межлопастных каналов. Вся эта жидкость направляется к нагнетательному патрубку и отводится в нагнетательный трубопровод. Спиральная форма обеспечивает увеличение внутреннего объема корпуса насоса, примерно пропорциональное количеству жидкости, направляющейся к нагнетательному патрубку. Поэтому скорость жидкости, проходящей через корпус насоса, во всех сечениях примерно одинакова. 
                Очень часто нагнетательный патрубок насоса имеет вид диффузора. В этом случае преобразование кинетической энергии в потенциальную продолжается и при движении жидкости через нагнетательный патрубок. В принципе, при отсутствии специального направляющего аппарата, преобразование кинетической энергии, приобретенной жидкостью в рабочем колесе центробежного насоса, должно происходить именно в этом диффузоре. 

3.8.  Пропеллерные (осевые) насосы.

Как известно, коэффициент  быстроходности ns характеризует в некоторой степени геометрические формы лопастного насоса:  
 
         Исходя из этого, можно полагать, что основные параметры работы лопастного насоса — подача Q, напора N и частота вращения рабочего колеса n - определяют конструктивные особенности насоса.  
          С увеличением подачи насоса и частоты вращения рабочего колеса, при уменьшении напора коэффициент быстроходности насоса растет. Вместе с этим изменяется соотношение размеров рабочего колеса - уменьшается отношение выходного диаметра D2 к входному D1, достигая значения D2/D1=1. Лопасти рабочего колеса принимают перпендикулярное направление по отношению к валу насоса (рис. 8). Рабочее колесо 1 приобретает вид пропеллера, и поток жидкости под его воздействием перемещается в осевом направлении, приобретая также вращательное движение. При выходе из рабочего колеса жидкость попадает в направляющий аппарат 2, где вращательное движение прекращается. 
         Далее жидкость отводится в напорный трубопровод. Вал насоса 4 свободно проходит через втулку направляющего аппарата 3. 
 
 
 
Рис. 8. Пропеллерный насос. 
 
            Пропеллерные насосы являются наиболее быстроходными из вращательных лопастных машин (ns=500-1200). Они применяются при относительно больших подачах от Q=0,1 м3/с до Q = 25-30 м3/с и напорах до H = 12-15 м. Высота их всасывания незначительна до Hвс=2-3 м. Чаще всего они работают погруженными в жидкость, не требуя специальной заливки перед пуском. 
             Эти насосы, работающие с подпором, в значительной степени ограждены от кавитации. КПД пропеллерных насосов довольно высок и для крупных насосов достигает значений =0,9-0,92. У таких насосов лопасти рабочего колеса делаются поворотными. Это дает возможность регулировать подачу насоса без снижения его КПД. 
             По сравнению с другими типами пропеллерные насосы имеют следующие преимущества: компактность и конструктивную простоту; малую металлоемкость; возможность применения большой частоты вращения для уменьшения размеров насоса и электродвигателя; малую чувствительность к загрязненным жидкостям; уменьшение строительных работ особенно в условиях погружения насоса в перекачиваемую жидкость. 
 
             3.9. Вихревые насосы.

В практике часто требуется  подача небольшого количества жидкости при относительно большом напоре. Использование центробежных насосов  в этих целях приводит к применению тихоходных машин или к использованию  многоступенчатых насосов. Добиться высокой  экономичности такой насосной установки  не удается. Для создания относительно высоких напоров при малой подаче чистых невязких жидкостей применяют вихревые насосы (рис. 9). Наиболее распространенным является насос типа В-одноступенчатый с вихревым рабочим колесом, консольно посаженным на вал насоса. 
 
 
 
Рис. 9. 
 
 
 
            Вихревые насосы предназначены для перекачки воды н других невязких жидкостей с подачей Q = l-35 м3/ч при напоре от H=9,5 м до H=90 м с температурой до 90° С без абразивных примесей. Вязкость жидкости не должна превышать ? =0,36 см2/с, при большей вязкости характеристика насоса значительно изменяется.

 
            4. Вентиляторы 
            4.1. Конструкция

Привод вентиляторов обычно электрический. Электрические вентиляторы состоят из набора вращающихся лопаток, которые размещены в защитном корпусе, позволяющем воздуху проходить через него. Лопасти вращаются электродвигателем. Для больших промышленных вентиляторов используются трёхфазные асинхронные двигатели. Меньшие вентиляторы часто приводятся в действие посредством электродвигателя переменного тока с экранированным полюсом, щёточными или бесщёточными двигателями постоянного тока. Вентиляторы с приводом от двигателей переменного тока обычно используют напряжение электросети. Вентиляторы с приводом от двигателя постоянного тока используют низкое напряжение, обычно 24 В, 12 В или 5 В. В вентиляторах охлаждения для компьютерного оборудования используют исключительно бесщёточные двигатели постоянного тока, которые производят намного меньше электромагнитных помех при работе. В машинах, которые уже имеют двигатель, вентилятор часто соединяется непосредственно с ним — это можно видеть вавтомобилях, в больших системах охлаждения и веятельных машинах. Также вентиляторы насажены на валы многих электродвигателей мощностью 1 кВт и более, протягивая через обмотки двигателя охлаждающий воздух — это называется самовентиляцией электродвигателя. Для предотвращения распространения вибрации по каналу вентиляторы комплектуются тканевыми компенсаторами или гибкими вставками.

4.2. Типы вентиляторов

В общем случае вентилятор — ротор, на котором определенным образом закреплены лопатки, которые при вращении ротора, сталкиваясь с воздухом, отбрасывают его. От положения и формы лопаток зависит направление, в котором отбрасывается воздух. Существует несколько основных видов по типу конструкции вентиляторов, используемых для перемещения воздуха:

• осевые (аксиальные);
• центробежные (радиальные);
• диаметральные (тангенциальные);
• безлопастные (принципиально новый тип).

4.3. Осевой (аксиальный) вентилятор

             Данный вид вентилятора содержит лопасти (в некоторых случаях вместо понятия «лопасти» применяется понятие «лопатки»), которые перемещают воздух вдоль оси, вокруг которой они вращаются. В виду совпадения направления движения всасываемого и нагнетаемого воздуха, а также, в большинстве случаев, простоты изготовления, этот вид вентилятора является наиболее распространенным.

Примеры применения аксиальных вентиляторов: малые вентиляторы  охлаждения электроники (кулеры), бытовые вентиляторы, вентиляторы для турбовентиляторных авиационных двигателей, шахтные вентиляторы, вентиляторы дымоудаления, вентиляторы аэродинамических труб.

4.4. Центробежный (радиальный) вентилятор

              Данный вид вентилятора имеет вращающийся ротор, состоящий из лопаток спиральной формы. Воздух через входное отверстие засасывается во внутрь ротора, где он приобретает вращательное движение и, за счет центробежной силы и специальной формы лопаток, направляется в выходное отверстие специального спирального кожуха (так называемой «улитки», от внешнего сходства). Таким образом, выходной поток воздуха находится под прямым углом к входному. Данный вид вентилятора широко применяется в промышленности.

В зависимости от типа, назначения и размеров вентилятора, количество лопаток рабочего колеса бывает различным, а сами лопатки изготавливают  загнутыми вперёд или назад (относительно направления вращения). Применение радиальных вентиляторов с лопатками, загнутыми назад, даёт экономию электроэнергии примерно 20 %. Также они легко переносят перегрузки по расходу воздуха. Преимуществами радиальных вентиляторов с лопатками рабочего колеса, загнутыми вперёд, являются меньший диаметр колеса, а соответственно и меньшие размеры самого вентилятора, и более низкая частота вращения, что создаёт меньший шум.

Центробежные (радиальные) вентиляторы  подразделяются на вентиляторы высокого, среднего и низкого давления.

Центробежные вентиляторы  из алюминиевых сплавов, укомплектованные взрывозащитными электродвигателями, по уровню защиты от искрообразования относятся к вентиляторам с повышенной защитой, то есть к вентиляторам, в которых предусмотрены средства и меры, затрудняющие возникновение опасных искр. Вентиляторы предназначены для перемещения газопаровоздушных взрывоопасных смесей с температурой не выше 80º С, не вызывающих ускоренной коррозии проточной части вентиляторов, не содержащих взрывчатых веществ, взрывоопасной пыли, липких и волокнистых материалов с запыленностью не более 10 мг/м³.Температура окружающей среды должна быть в пределах от −40 до+45 °C. Вентиляторы с повышенной защитой от искрообразования предназначены для перемещения газопаровоздушных смесей 1-й и 2-й категории групп Т1, Т2, Т3 по классификации ПУЭ.

4.5. Вентилятор диаметрального сечения (тангенциальный)

Имеет ротор типа «беличье колесо» (ротор пустой в центре и  лопатки осевого вентилятора  вдоль периферии) — обычно выполнен в форме перца. Вместо стенок у цилиндра крыльчатка из загнутых вперед лопастей. Крыльчатка тангенциального вентилятора встроена в корпус в форму диффузора, напоминающий корпус центробежного вентилятора. Только воздух забирается не с торца вентилятора, а по всей его длине с фронтальной стороны устройства. Воздух увлекается вращающимися лопатками, а потом благодаря диффузору приобретает ускорение в нужном направлении. То есть в тангенциальных (тангенсальных) вентиляторах воздух поступает вдоль периферии ротора, и движется к выходу подобно тому, как это происходит в центробежном вентиляторе. Такие вентиляторы производят равномерный воздушный поток вдоль всей ширины вентилятора и бесшумны при работе. Они сравнительно громоздки, и воздушное давление низкое. Тангенциальные вентиляторы широко применяются в кондиционерах, воздушных завесах, фанкойлах и других устройствах, где не важен напор воздуха. Отличительной особенностью тангенциальных вентиляторов можно назвать большой расход воздуха, низкий уровень шума и низкий создаваемый напор. Последняя особенность определяет невозможность осуществлять глубокую фильтрацию воздуха при помощи бытового кондиционера.