Кириллов Д.В.
Работа центробежного насоса в трубопроводной сети
Учебное пособие
Введение
Как устроен насос?
Основные элементы насоса
Функция рабочего колеса
Три типа конструкций
Параметры насоса
Подача
Напор
Напорная характеристика
Формулы напора
Полезная мощность
Общий к.п.д.
Мощность на валу
Допустимая высота всасывания
Трубопроводная сеть
Общая информация
Простейшая трубопроводная сеть
Напорная характеристика сети
Формулы характеристики сети
Работа насоса в сети
Эффективность насоса
Рабочие параметры насоса
Параллельное соединение насосов
Последовательное соединение насосов
Рекомендации к выбору насоса
Симуляторы
Терминологический словарь
Литература
Подача

Подача (производительность) - это количество жидкости, перемещаемое насосом за единицу времени.


Подача может быть выражена по-разному:
Q - объемная подача, [м3/c];
G - массовая подача, [кг/c].

Между массовой и объемной подачей есть взаимосвязь:

(1)

где r - плотность перекачиваемой жидкости, [кг/м3].

Подача насоса зависит от его конструкции, скорости вращения рабочего колеса, вязкости жидкости и характеристики трубопровода, по которому насос перемещает жидкость.


Измерить подачу насоса можно различными приспособлениями:
  • ротаметром,
  • диафрагмой с подключенным дифманометром.
    Для измерения подачи используются также автоматические приборы, передающие информацию о подаче на ЭВМ в форме электрического сигнала.

    Одной из важнейших задач, которые приходится решать при эксплуатации центробежного насоса, является регулирование его подачи. Наибольшее распространение на практике получили следующие способы регулирования подачи:
  • задвижкой на напорном трубопроводе
  • байпасированием
  • изменением числа оборотов вала рабочего колеса

  • Напор

    Напор насоса - это энергия, которую получает объем жидкости весом в 1 Ньютон при прохождении через насос.

    Обозначается напор H и измеряется в метрах столба рабочей (перекачиваемой) жидкости, [м]. Напор можно рассматривать и с геометрической точки зрения как высоту, на которую может быть поднят 1 Ньютон жидкости за счет энергии, вырабатываемой насосом.



    Напорная характеристика

    Зависимость напора центробежного насоса от его объемной подачи изображают в виде графика, который называется напорной характеристикой насоса.

    Напорная характеристика зависит от конструкции насоса (модели), скорости вращения рабочего колеса и вязкости перекачиваемой жидкости. Напорная характеристика насоса дает представление о возможностях данного насоса.


    Для отображения этого элемента необходимо установить плагин AdobeSVGViewer3

    Напорные характеристики насосов представляют в справочниках и каталогах насосного оборудования.
    Хочется заострить внимание на том, что напорная характеристика насоса не зависит от плотности перекачиваемой жидкости, но зависит от вязкости жидкости. Чем больше вязкость жидкости, тем ниже располагается напорная характеристика. В справочниках приводятся напорные характеристики насосов для перекачки воды, поэтому, если необходимо перекачивать жидкость, имеющую вязкость, сильно отличающуюся от вязкости воды, то характеристику, взятую из справочника, нужно пересчитать (перестроить) по определенной методике. Методика, по которой выполняется пересчет напорной характеристики на другую вязкость приведена здесь.


    Напорную характеристику можно получить только при испытании реального насоса. Обычно испытывают насос при какой-либо скорости вращения рабочего колеса, перекачивая воду, и находят напор по показаниям измерительных приборов (формула 2 или 3), при различных подачах данного насоса.

    Формулы напора

    Для лучшего понимания рекомендуется сначала обратиться к разделу Трубопроводная сеть
    Определение напора на работающей насосной установке осуществляют по показаниям манометра и вакууметра:

    (2)

    где Pм – показания манометра, [Па]; Pв – показания вакууметра, [Па]; g=9,8 - ускорение свободного падения [м/с2]; z - расстояние по вертикали между точками подключения манометра и вакууметра, [м]; dвс - диаметр всасывающего трубопровода, [м]; dн - диаметр напорного трубопровода, [м]; Q - подача насоса, [м3/с], измеренная каким-либо методом (см пункт "подача").
    Если диаметры всасывающего и напорного трубопроводов одинаковы, а z намного меньше, чем слагаемое , то формула упрощается:

    (3)

    Если для нахождения напора используется формула (2) или (3), то говорят, что напор определяется опытным путем. Формулы (2) и (3) пригодны для определения напора, если перед насосом получается разрежение. Потренероваться в определении напора можно зайдя по этой ссылке. Если же перед насосом действует избыточное давление, то для определения напора нужно использовать методику, описание которой приводится в этой ссылке.
    Следующая формула используется, когда проектируется насосная установка и известны ее параметры.

    (4)

    где Hг – геометрический напор, [м]; P1, P2 – давления в расходном и приемном резервуарах, [Па]; λвс, λн - коэффициенты трения во всасывающем и напорном трубопроводах; lвс, lн - длины всасывающего и напорного трубопроводов, [м]; ξвс, ξн – коэффициенты местных сопротивлений всасывающего и напорного трубопроводов.
    Для нахождения напора по этой формуле, нужно задаться численным значением подачи жидкости в данной насосной установке.

    Напор, найденный по формуле (4) называют потребным напором, то есть напором, который требуется создать с помощью насоса для обеспечения заданной подачи жидкости насосной установкой.


    Вообще, формула (4) является математическим выражением напорной харатеристики трубопроводной сети. Смысл этой формулы рассмотрен в разделе Напорная характеристика сети.



    Полезная мощность

    Полезная мощность – это энергия, отдаваемая жидкости за единицу времени при работе насоса.



    Полезная мощность обозначается Nп, измеряется в СИ в Ваттах [Вт].
    Полезную мощность можно определить по формуле:

    (5)


    Общий к.п.д.

    Общий к.п.д. (коэффициент полезного действия) насоса - это отношение полезной мощности к мощности на валу.



    (6)

    Общий к.п.д. выражает, какая доля потребляемой насосом энергии преобразуется в полезную энергию. Полезная энергия - это энергия, отдаваемая жидкости. Потребляемая энергия - это энергия, затрачиваемая двигателем при вращении рабочего колеса насоса. Полезная энергия меньше, чем потребляемая, так как в процессе преобразования энергии, осуществляемого центробежным насосом, часть энергии неизбежно теряется. К.п.д. насоса оценивает его энергетическое совершенство. Чем больше к.п.д. насоса, тем эффективней он использует потребляемую энергию.

    Зависимость общего к.п.д. насоса от подачи определяется конструкцией насоса, скоростью вращения его рабочего колеса и вязкостью перекачиваемой жидкости.



    Мощность на валу

    Мощность на валу – это энергия, потребляемая насосом за единицу времени.



    Другими словами, мощность на валу - это энергия, передаваемая валу рабочего колеса от электродвигателя.
    Обозначается мощность на валу Nв, измеряется в СИ в Ваттах - [Вт].
    Мощность на валу и полезная мощность связаны соотношением:

    (7)

    Или в развернутом виде:

    (8)


    Мощность на валу является важным параметром, дающим представление об энергопотреблении работающего насоса.


    Характер зависимости мощности на валу от подачи определяется не только конструкцией насоса и скоростью вращения его рабочего колеса, но и плотностью перекачиваемой жидкости, причем чем больше плотность, тем больше мощность на валу при прочих одинаковых условиях



    Типичная для центробежного насоса зависимость мощности на валу от подачи представлена на рисунке. В общем, при увеличении подачи потребляемая мощность растет.

    Подобные графические характеристики представлены в каталогах и справочниках насосного оборудования. Однако следует иметь в виду, что эти характеристики относятся к перекачке воды, поэтому для определения действительной мощности, потребляемой насосом при перекачке жидкости, плотность которой отлична от плотности воды, нужно выполнить пересчет:

    (9)

    где - мощность, потребляемая при перекачке жидкости; - мощность для перекачки воды, определенная по графическим характеристикам; - плотность воды; - плотность перекачиваемой жидкости.

    Допустимая высота всасывания

    Прежде чем говорить о допустимой высоте всасывания, необходимо сначала разобраться, что называют высотой всасывания. Следующий рисунок поясняет смысл этого термина.

    Для отображения этого элемента необходимо установить плагин AdobeSVGViewer3 с сайта http://www.adobe.com/svg/viewer/install/


    Высотой всасывания называют расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до всасывающего патрубка насоса.

    Допустимая высота всасывания - это максимальное расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до всасывающего патрубка насоса, при котором не возникает кавитации.



    Кавитация - крайне нежелательное явление, заключающееся в образовании пузырьков из пара перекачиваемой жидкости, поступающей в насос, и резком схлопывании этих пузырьков внутри насоса. Пузырьки образуются, если давление в потоке жидкости снижается до давления ее насыщенного пара. Обычно во всасывающем трубопроводе давление снижается от расходного резервуара до насоса. Поэтому минимальное давление (максимальное разрежение) действует перед насосом или на входе в рабочее колесо насоса. Именно там и проявляется кавитация. Это явление сопровождается вибрацией в трубопроводной системе и насосе и ведет к быстрому разрушению рабочих органов насоса. Чтобы кавитации не возникало, высота всасывания должна быть меньше допустимой, рассчитанной по формуле:

    (10)

    где P1 - давление над жидкостью в расходном резервуаре, [Па]; Pн.п. - давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости при ее температуре, [Па]; λ - коэффициент трения во всасывающем трубопроводе; l - длина всасывающего трубопровода, [м]; d - диаметр всасывающего трубопровода, [м]; ζ - коэффициенты местных сопротивлений, имеющиеся на всасывающем трубопроводе; hк - кавитационная поправка, [м].
    Кавитационная поправка определяется по формуле:

    (11)

    где n - скорость вращения рабочего колеса, [об/с].
    Если на всасывающем трубопроводе есть задвижки, то при работе насоса они должны быть полностью открыты, а их коэффициенты сопротивлений ζ должны быть учтены при расчете допустимой высоты всасывания по формуле (10).


    Ресурс выполнен при поддержке: SVG технология и образование XXI века