Рис. 1,б - Схема гидравлической части поршневого насоса двустороннего действия
Теоретическая индикаторная диаграмма
Теоретическая индикаторная диаграмма показывает, как изменится давление в цилиндре и клапанной коробке насоса на протяжении двух ходов поршня. При движении поршня вправо полость цилиндра со стороны клапанной коробки увеличивается и заполняется жидкостью поступающей из приемной трубы. При этом давление в клапанной коробке ниже атмосферного, поскольку существуют гидравлические сопротивления всасывающего тракта, а также из-за расположения поверхности всасывания жидкости ниже оси цилиндра и низкого давления над этой поверхностью.
Изменение давления на протяжении всего хода вправо изображается линией всасывания a - b. В точке b поршень изменяет направление движения на обратное, всасывающий клапан автоматически закрывается в клапанной коробке происходит резкое давление до Рнаг = Р2 - давления подачи. Этот процесс изображается линией b - с в момент когда давление достигает значения Р2, разность давлений над клапаном и под ним преодолевает вес и натяжение пружины напорного клапана и он соответственно открывается. При ровном движении от точки с влево происходит подача жидкости при Р2 = соnst в крайнем левом положении поршень снова меняет направление движения, давление резко снижается в клапанной коробке по линии d - a, закрывается напорный клапан и открывается всасывающий.
Площадь индикаторной диаграммы представляет собой работу поршня за два хода отнесенному к 1 м2 к его поверхности.
Действительная индикаторная диаграмма
Действительная индикаторная диаграмма поршневого насоса также близка к форме прямоугольника, но с небольшим наклоном линий изменения давления в цилиндре b - c и d - a и наличием волнообразных участков.
Наклон линий b - c и d - a обусловлен постепенным, а не мгновенным закрытием клапанов, а, следовательно, постепенным увеличением или соответственно уменьшениям давления в цилиндре. То есть на процессы повышения и понижения давления в цилиндре тратится некоторое время, что на диаграмме отвечает отрезкам времени t1 и t2.
При изменении направления движения поршня в цилиндре происходит закрывание одного и открывание другого клапанов. Сопротивление отрыва клапанов от седел достаточно значительное. Поэтому давление в точке с, что отвечает моменту отрыва нагнетательного клапана, превышает значение давления другой части линии нагнетания. По той же причине давление в точке а, которая отвечает моменту отрыва всасывающего клапана, меньше давления линии всасывания. Волны, которые указывают на наличие затухающих колебаний, возникают от колебательного движения клапанов.
На форму линий всасывания и подачи существенно влияют силы инерции жидкости, которые поступают или уходят из цилиндра при неравномерном движении поршня. Жидкость всасывается в цилиндр насоса, следуя за движением поршня и им же вытесняется, а напорный трубопровод. Если жидкость не сжимаема и не имеет разрывов, то она строго следует за поршнем. В большинстве конструкций поршневых насосов происходит неравномерное движение поршня при помощи кривошипно-шатунного механизма.
Всасывание в клапанную коробку и подача из нее происходит неравномерно, это вызывает возникновение инерционных сил, которые резко проявляются в моменты наибольших ускорений поршня, то есть в крайнем правом, левом положении. Силы инерции жидкости, которые безотрывно двигаются за поршнем, пропорциональны его ускорению, поэтому при высокой частоте вращения вала силы инерции достигают большой величины, вызывают разрыв сплошности потока и нарушают нормальную работу насоса. Если в насосе не предусмотрены меры устраняющие неравномерность всасывания и подачи, то жидкость продолжит неравномерно двигаться по всей системе трубопровода.
Существует несколько способов снижения неравномерности движения. Наиболее эффективным является применение многопоршневых насосов с параллельным включением цилиндров поршни, которых двигаются от общего коленчатого вала. Поршни, двигаясь не синхронно, создают чередование подачи во времени и хотя подача у каждого из цилиндров остается неравномерной, но общая подача насоса существенно выравнивается.
Подача поршневого насоса
Подачей насоса называется количество жидкости, нагнетаемое насосом за единицу времени.
где, d - диаметр штока в мм;
L - длина штока в м;
D- диаметр поршня, мм;
S - длина хода поршня в м;
R - радиус маховика в мм.
При ходе всасывания в цилиндре освобождается объем:
V = F · S
Этот объем заполняется всасываемой жидкостью. При ходе нагнетания этот же объем жидкости нагнетается в напорный трубопровод, следовательно, V - теоретическая подача насоса за один двойной ход поршня, м3.
Средняя теоретическая подача насоса (производительность) Qт в м3/с равна:
где, F - площадь сечения поршня в м2;
S - длина хода поршня в м;
n - число двойных ходов поршня в минуту.
Средняя действительная подача насоса (производительность) Qд в м3/с равна:
где, - объемный КПД, который учитывает, то насос не может подавать в напорный трубопровод объем жидкости равный теоретическому объему описываемому поршнем.
Часть жидкости неизбежно теряется через неплотности, а часть проскакивает через клапаны, которые не сразу закрывается в крайнем левом и крайнем правом положениях. Для поршневых насосов объемный КПД равен 0,7…0,97, также характерным параметром является и чем быстроходнее насос, тем меньше отношение .
Мощность и КПД поршневого насоса
Р1 - давление разрежения при всасывании;
Р2 - избыточное давление при нагнетании;
Рi - индикаторное давление;
S - длина хода поршня.
Полное давление, определяющее работу, совершаемую за один оборот вала, называется индикаторным давлением Рi и определяется выражением:
Рi = Рвак + Рнагн
В соответствии с этим индикаторная мощность, развиваемая за счет движения поршня, будет равна:
Для насосов двойного и многократного действия индикаторная мощность равна сумме мощностей, определенных для насосов простого действия, входящих в конструкцию.
Работа, совершаемая поршнем в процессе всасывания жидкости:
Работа, совершаемая поршнем в процессе нагнетания:
Механический КПД насоса выражается величиной потерь мощности N, подводимой к валу, на трение в процессе работы, и может быть определен по формуле:
Для поршневых насосов величина КПД обычно составляет 0,9…0,95.
Помимо механических потерь в таких насосах имеются гидравлические и объемные потери, которые учитываются индикаторным КПД зi:
где, Nп - полезная мощность.
Мощность на валу при этом составляет:
Отношение полезной мощности к мощности на валу называется полным КПД насоса з:
Для приводных насосов полный КПД находится в пределах 0,65…0,85.
Высота всасывания поршневого насоса
При установке поршневого насоса выше уровня воды нужно создать разрежение. Энергия разрежения будет расходоваться на 5 составляющих:
1. Поднятие жидкости на статическую высоту всасывания hs:
2. Сообщение жидкости кинетической энергии
где, сп - скорость движения поршня.
3. Преодоление гидравлических потерь
где, сs - скорость жидкости во всасываемой трубе;
ls - длина всасывающей трубы;
ds - диаметр всасывающей трубы;
4. Напор, необходимый для преодоления сопротивления всасывающего клапана Нк
5. Инерционный напор, который связан с переменной скоростью движения поршня Нu
Разряжение создается в начальный момент движения поршня и именно разряжение является причиной возникновения кавитации, тогда формула имеет вид:
Если давление насоса больше давления парообразования (Рн > Рt), то кавитация неизбежна.
Для устранения действия инерционного напора Нu на линиях всасывания и нагнетания устанавливаются воздушные клапаны. С их помощью увеличивается равномерность подачи насосов.
1 - короткий патрубок.
2 - расширенная часть всасывающей трубы.
3 - всасывающая труба.
Изменение объема воздушной пробки и при этом давление изменяется от Рmin до Рмах. Воздушная пробка является упругой средой, которая выравнивает скорость жидкости во всасывающей трубе. При достаточном объеме воздушного клапана поток жидкости во всасывающей трубе движется практически равномерно.
Воздушный колпак как-бы делит линию на две части:
l1 - движение жидкости равномерно и Hu не учитывается. Расстояние от нижнего до воздушного клапана.
l2 - расстояние от воздушного клапана до насоса.
Максимальная высота всасывания с воздушным клапаном:
где, w - угловая скорость, с которой вращается вал;
r - радиус кривошипа;
L - длина шатуна;
fs - площадь поперечного сечения всасывающей трубы.
Особое значение имеет частота вращения вала насоса, которая влияет на допустимую высоту всасывания, через инерционные силы и гидравлические сопротивления полости всасывания. Увеличение частоты вращения существенно понижает допустимую высоту всасывания поршня насоса. Обычно допустимая высота всасывания при температуре воды 30оС не превышает (3 - 4)м.
Компрессоры
Компрессоры - машины с искусственным охлаждением предназначенные для сжатия и перемещения газов и, дающие степень повышения давления газа е >1,15
Компрессорная установка - это совокупность компрессора, привода и вспомогательного оборудования которое в первую очередь относится газоохладитель и осушитель сжатого газа.
Вакуумный насос - устройство для откачивания газа из емкостей с вакуумом, сжимающее газ до атмосферного или несколько большего давления.
Классификация компрессоров
Объемные компрессоры - это машины, в которых процесс сжатия происходит в рабочих камерах периодически изменяющих свой объем и попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора.
По геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер разделяют на поршневые и роторные.
Поршневые компрессоры делятся на:
· Одностороннего или двустороннего действия;
· Крейцкопфные или бескрейцкопфные;
· Смазываемые или сухого трения;
Роторные компрессоры в свою очередь делятся на:
· Винтовые;
· Ротационно - пластинчатые.
Лопастной компрессор - машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит при взаимодействии потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей.
Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления.
По достигаемому давлению компрессоры делят на 4 вида:
1. Компрессоры низкого давления (с конечным давлением до 1 МПа);
2. Среднего давления (от 1 до 10 МПа);
3. Высокого давления (от 10 до 100 МПа);
4. Сверхвысокого давления (более 100 МПа);
По назначению компрессоры делят:
1) По отросли производства:
а) химические;
б) энергетические;
в) общего назначения.
2) По роду сжимаемого газа:
а) воздушный;
б) кислородный;
в) хлорный;
г) гелиевый.
3) По способу отвода теплоты:
а) с воздушным охлаждением;
б) с водяным охлаждением.
4) По типу приводного двигателя
а) с приводом от электродвигателя;
б) от двигателя внутреннего сгорания (ДВС);
в) от паровой или от газовой турбин.
Если давление всасываемого газа больше атмосферного, то компрессор является дожимающим.
Термодинамика компрессорного процесса
Простейшая теория компрессорных машин, обладающая практически приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа. Идеальным газом называют совокупность молекул, находящимся в беспорядочном движении. Считается, что межмолекулярные силы не проявляются из-за малого размера молекул, по сравнению с расстоянием между ними.
Изменение объёма идеального газа, обусловленное увеличением или уменьшением давления и температуры, происходит по причине изменения расстояний между молекулами при сохранении размеров самих молекул.
Термодинамические процессы в идеальных газах происходят при постоянных значениях теплоемкости Ср и Сv подчиняется уравнению состояния идеального газа:
При конечном давлении воздушного компрессорного процесса более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа:
где z - коэффициент сжимаемости.
Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и протекает в компрессорах в зависимости от внешних и внутренних условий с показателями политропы n от 1,15 до 1,8.