1. Явление кавитации и высота всасывания
Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром, называется кавитацией.
Кавитация возникает в насосе при снижении давления до давления насыщенных паров Рнп перекачиваемой жидкости. В лопастном насосе кавитация возникает обычно вблизи входной кромки лопасти рабочего колеса. Кавитация может возникнуть в насосе при больших геометрических высотах всасывания, при высокой температуре перекачиваемой жидкости, при большом сопротивлении всасывающей линии насоса (забита всасывающая сетка, большая длина и малый диаметр подводящего трубопровода и т.д.).
Кавитацию сопровождают следующие основные явления:
1. Конденсация пузырьков пара, которые уносятся потоком жидкости в область повышенного давления.
2. Эрозия материала стенок межлопастного канала в рабочем колесе насоса.
3. Звуковые явления (шум, треск, удары) и вибрация насоса, являющиеся следствием конденсации пузырьков пара, приводящей к мгновенным местным повышениям давления и ударам жидкости о стенки каналов.
4. В лопастных насосах кавитация сопровождается падением подачи, напора, мощности, КПД.
Нвак = Нвс + vвс/2g + hвс (1)
Нвак - вакуумметрическая высота всасывания, которая характеризует разряжение, возникающее у входа в насос.
Нвс - геометрическая высота всасывания, которая определяет высоту установки насоса над уровнем жидкости.
Допустимая вакуумметрическая высота всасывания дается в каталоге или паспорте насоса. Она зависит от вида перекачиваемой жидкости, ее температуры, атмосферного давления, конструктивных особенностей насоса и др. Обычно допустимая вакуумметрическая высота всасывания указывается при атмосферном давлении 105Па и температуре жидкости 200С. Если давление отличается от атмосферного, то вакуумметрическая высота всасывания должна быть изменена по сравнению с данными каталога (паспорта) на величину отклонения давления от атмосферного (от 10 м вод.ст.).
Допустимая геометрическая высота всасывания меньше вакуумметрической на величину скоростного напора во всасывающем патрубке и на величину потерь напора во всасывающей линии.
Давление у входа в насос и , следовательно, в рабочем колесе насоса тем меньше, чем больше высота всасывания, гидравлическое сопротивление всасывающей линии и чем меньше давление в приемном резервуаре или чем ниже атмосферное давление. При снижении давления до давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости в насосе возникает кавитация, которая и ограничивает допустимую высоту всасывания.
Кавитационным запасом Дh называется превышение полного напора жидкости во всасывающем патрубке насоса над Рнп/сg, т.е. напором, соответствующим давлению насыщения:
Дh = Рвс/сg + vвс2/2g - Рнп/сg (2)
Кавитационный запас, при котором происходит кавитация, называется критическим. Для определения критического кавитационного запаса производят кавитиционные испытания, в результате которых для каждого режима работы насоса получают кавитационную характеристику.
Кавитационная характеристика представляет собой зависимость напора и мощности от кавитационного запаса при постоянной подаче и числе оборотов. При больших кавитационных запасах кавитационные явления отсутствуют, и величины напора и мощности от кавитационного запаса не зависят.
Возникновение кавитации приводит к уменьшению напора и мощности насоса. для того чтобы насос не работал в режиме кавитации, назначают небольшое превышение допустимого кавитационногго запаса над критическим:
Дhдоп = цДhкр (3),
где ц = 1,2 - 1,4
Зная допустимы кавитационный запас, можно найти для данной насосной установки допустимую геометрическую высоту всасывания:
Нвсд = hат - hнп - hвс - Дhдоп (4), где
hат - напор, соответствующий атмосферному давлению, м вод.ст. перекачиваемой жидкости;
hнп - напор, соответствующий давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, м вод.ст. жидкости. При перекачке холодной воды t< 200С; hат = 10 м вод.ст.; hнп ? 0 и
Нвсд = 10 - hвс - Дhдоп (5)
Допустимая вакуумметрическая высота всасывания
Нвакд = Рат-Рнп/ сg + vвс2/2g - Дhдоп (6)
При перекачке холодной воды Рат-Рнп/ сg ? 10 м вод.ст. Величина vвс2/2g обычно намного меньше 10 м. С учетом этого допустимая вакуумметрическая высота всасывания при перекачке холодной воды достаточно точно определится соотношением
Нвакд ? 10 - Дhдоп (7)
Величина hкр зависит от типа и конструкции насоса и устанавливается экспериментально. Условились за величину hкр принимать тот кавитационный запас, при котором снижение напора насоса при его кавитационном испытании достигает 2% номинального, т.е. при отсутствии явления кавитации. На основании обощения опытных данных получена формула для определения критического кавитационного запаса центробежных насосов
Дhкр = 10(nvQ/Cкр)4/3 (8)
n - число оборотов в минуту рабочего колеса;
Q - подача (для рабочих колес двустороннего входа, в формулу следует подставить Q/2);
Скр - постоянная, зависящая от конструктивных особенностей насоса и называемая кавитационным коэффициентом быстроходности.
Таком образом, критический кавитационный запас может быть определен опытным путем или по формуле. С увеличением подачи насоса Дhкр увеличивается, а Нвсд и Нвакд уменьшаются.
2. Зонирование систем водоснабжения
Важной особенностью сети водоснабжения крупных населенных пунктов является наличие, как правило, зонных систем водоснабжения. Эти системы устраивают в городах, занимающих значительную территорию, если разница в отметках отдельных районов составляет 30 - 40 м.
Разделение единой системы на несколько зон позволяет снизить давление в трубах водопроводных сетей и уменьшить количество энергии, затрачиваемой на подъем воды. Разделение на зоны производят, исходя из следующих условий: в наиболее высоко или далеко расположенной точке сети должен быть обеспечен необходимый свободный напор, а в ее нижней точке (или начальной) напор не должен превышать 60 м.
Зонирование может быть осуществлено по последовательной и по параллельной схеме. По типам водопроводы бывают горизонтальными и вертикальными.
При параллельной системе зонирования вода подается в сеть каждой зоны отдельными группами насосов, установленными в общей насосной станции, по отдельным водоводам. Каждая группа насосов подает количество воды, требуемое только для обслуживаемой ими зоны.
При последовательном зонировании насосная станция каждой зоны подает воду в количестве, необходимом для всех вышележащих зон, но под напором требуемым только для данной зоны. Насосы верхней зоны могут брать воду или непосредственно из сети, или из промежуточного резервуара.
Горизонтальный тип зонного водопровода применяют для больших по протяженности территорий (более 7-10 км) в городах со сравнительно ровным рельефом.
Вертикальный тип зонирования применяют при больших разностях отметок в связи со слишком большими напорами в нижних районах сети. Зонирование осуществляется таким образом, чтобы на нижней границе каждого района давление не превышало допустимого предела.
Вертикальное зонирование может быть произведено как по параллельной, так и по последовательной схеме. Выбор той или иной схемы водоснабжения производится на основании технико-экономических расчетов для различных вариантов. По техническим соображениям число зон определяют, исходя из необходимости обеспечить в сети напоры, допускаемые техническими условиями эксплуатации водопровода.
Расчетная высота зоны, т.е. разность отметок местности в пределах зоны Д Z не должна превышать величины:
Д Z = (Zmax - Zmin) = Hmax - Hсв - hmax
Таким образом, задаваясь величиной Hmax, зная отметки местности в пределах территории города и принимая приближенно возможную величину потерь напора в сети, можно сделать вывод о том, является ли зонирование необходимым. Зонирование приводит также к уменьшению затрат мощности на прокачку воды, т.е. снижению эксплуатационных затрат.
3. Классификация насосных станций. Выбор режима работы и типы насосной станции второго подъема
Насосные станции в системе водоснабжения - это сложный комплекс механического оборудования, энергетических установок, трубопроводов, арматуры, состав которых, как и оснащенность станций, зависит от ее целевого назначения. От того, насколько правильно запроектирована и построена насосная станция, зависит надежность работы насосной станции и всей системы водоснабжения.
Классификации насосных станций:
1. По назначению - станции 1, 2 подъема, повысительные и циркуляционные.
Станции 1 подъема забирают воду из источника и подают на очистные сооружения или, если не требуется очистка воды, непосредственно в резервуары или водопроводную сеть.
Станции 2 подъема предназначены для подачи воды в водопроводную сеть на различные нужды.
Повысительные, предназначены для местного повышения напора в водопроводной сети.
Циркуляционные устраивают в оборотных системах водоснабжения промышленных предприятий. В таких насосных станциях одни насосы подают воду на производственные цели, а другие отработанную воду на очистные сооружения или на охлаждение.
2. По расположению насосных станций относительно поверхности земли: наземные, заглубленные или шахтного типа.
3. По виду оборудования: насосные станции с вертикально и горизонтально расположенными насосами.
4. По характеру управления: с ручным управлением, с автоматическим, с дистанционным.
5. По надежности: подразделяют на три категории надежности:
- перерыв в работе насосов не допускается (НС противопожарных и объединенных хозяйственно-производственно-противопожарных водопроводов);
- допускается кратковременный перерыв в работе насосов на время, необходимое для включения резервного электроснабжения обслуживающим персоналом (НС противопожарных и объединенных водопроводов, при наличии на сети емкостей с необходимым противопожарным запасом воды, обеспечивающих требуемый напор);
- допускается перерыв в подаче воды потребителям на время ликвидации аварии, но не свыше одних суток (НС противопожарных и объединенных водопроводов при расходе воды на наружное пожаротушение до 20 л/с в населенных пунктах с количеством жителей до 5000 че., а также при подаче воды по одному водоводу).
Режим работы НС-2. НС-2 могут иметь равномерный и неравномерный режим работы.
Равномерный режим работы НС-2 - режим, при котором подача воды остается постоянной в течение суток.
Неравномерный (ступенчатый) режим работы НС-2 - режим, при котором подача воды периодически меняется в течение суток за счет включения различного числа насосов.
Выбор режима работы НС-2, а следовательно, количество и подач насосов, зависят от графика водопотребления
В моменты, когда подача НС-2 больше водопотребления, избыток воды поступает в бак водонапорной башни, а когда подача НС-2 меньше водопотребления, недостаток воды поступает из башни. При неравномерной работе НС-2, в сравнении с равномерной, как правило, значительно уменьшается объем бака водонапорной башни, но при этом увеличивается количество насосов, но с меньшей подачей, а, следовательно, площадь насосной станции тоже увеличивается. Увеличивается также и объем РЧВ, т.к. НС-1 обычно работает равномерно. В ряде случаев увеличивается диаметр водоводов, т.к. при неравномерной работе НС-2 водоводы должны обеспечивать пропуск большего количества воды, чем при равномерной работе. Обычно для малых водопроводов выгодна равномерная работа, для больших - неравномерная.
Окончательный режим работы НС-2 следует устанавливать на основании технико-экономического сопоставления вариантов. При этом необходимо учитывать, что КПД насосов с большей подачей выше, чем КПД насосов с меньшей подачей.
Выбор типа НС-2. НС-2 бывают двух типов - низкого и высокого давления. Выбор типа зависит от соотношения требуемых напоров насосов при работе сети в обычное время (без пожара) и при пожаре. В обычное время НС-2 обеспечивает подачу воды на хозяйственно-питьевые, производственные и другие цели (без расхода на пожаротушение).
Если выполняется условие Нпож - Нхоз ? 10 м, то устанавливается насосная станция высокого давления
Если Нпож - Нхоз < 10 м; или Нпож ? Нхоз,, то устанавливается насосная станция низкого давления.
Насосная станция высокого давления - станция, на которой устанавливаются специальные пожарные насосы, создающие напор Нпож и обеспечивающие подачу вода на пожаротушение, на хозяйственно-питьевые и производственные цели (кроме расхода воды на промышленных предприятиях на душ, на поливку территории, мойку технологического оборудования).