Струйные и пневматические насосы Струйные насосы

Струйный насос состоит из входного конического сопла 1, питательного резервуара 2, всасывающего трубопровода 3, камеры смешения 4, диффузора 5. В рабочее сопло подается поток жидкости или пара (обычно воды или водяного пара), который движется с возрастающей скоростью. При этом, согласно уравнению Бернулли, давление в узком сечении (на выходе из сопла) падает. Изменяя г еометрию сопла и расхода рабочей жидкости (Q_р), можно добиться, чтобы давление на выходе из сопла стало меньше атмосферного. Под действием возникшего перепада давлений жидкость будет подниматься из резервуара 2 по трубе 3 и подсасываться в зону разряжения (вакуума), заполняя камеру смешения 4. В камере смешения поток рабочей жидкости часть своей энергии передает транспортируемой (полезной) жидкости. Скорости смешивающихся потоков выравниваются. При этом расход смеси Q равен сумме расходов рабочей и транспортируемой жидкости:

Q = Q_p + Q_п

Далее поток смеси попадает в диффузор 5, в котором часть кинетической энергии преобразуется в энергию давления, необходимую для транспортирования смеси по трубопроводу.

Характеристиками насоса в данном случае являются функции:

Н_п = f(Q), η = f(Q) и Q_p = f(Q)

где Н_п – полезный напор (удельная энергия, полученная транспортируемой жидкостью в насосе).

Вид графиков этих функций показан на рисунке.

Чаще всего в струйных насосах применяют цилиндрические камеры смешения. Они просты в изготовлении и позволяют получать сравнительно неплохой КПД. Для получения большего КПД важен рациональный выбор длины камеры смешения. При которой камере смешения увеличивается потеря энергии в диффузоре, при слишком длинной – растут потери энергии в самой камере. Оптимальная длина камеры определяется экспериментально. Рекомендуется применять диффузоры с углом раскрытия 6 ÷ 8°. Рабочее сопло и входное сопло камеры смешения выполняют обычно в виде коноидальных насадков. При чрезмерно малом давлении у входа в камеру смешения может возникнуть кавитация. При этом процесс смешения из-за интенсивного выделения парогазовых пузырьков нарушается, а полезный напор Н_п резко снижается.

Струйные насосы получили достаточно широкое распространение. Они просты по устройству, компактны, надежны, способны транспортировать загрязненные и агрессивные (вызывающие быструю коррозию) жидкости, выполнять функцию смесителей.

Недостатками струйных насосов являются низкий КПД (η_max = 0,2 ÷ 0,35), малый создаваемый напор, невозможность применения в тех случаях, когда не допускается перемешивания транспортирующей жидкости с рабочей. Низкий КПД обусловлен большими потерями энергии при движении в насосе трех потоков жидкости – рабочей, транспортируемой и смеси. Особенно велики потери напора в камере смешения и диффузоре.

Пневматические насосы (эрлифты и монтежю)

Обычно используются пневматические насосы двух типов – эрлифты (газлифты) и монтежю. В таких насосах энергия передаётся к транспортируемым жидкостям от сжатого газа.

На рисунке представлена схема газлифта. Газлифты чаще всего используют для подъёма технических жидкостей (воды или нефти) из скважин. В грунте пробуривается скважина, в которую заводится обсадная труба 2. Внутрь неё вставляется подъёмная труба 4, к нижней части которой подводится сжатый воздух от компрессора 1 по трубе 3. Сжатый воздух равномерно распределяется по сечению подъёмной трубы с помощью перфорированного дна 7. Транспортируемая жидкость входит в нижнюю часть подъёмной трубы через отверстия небольшого диаметра. Сжатый воздух, проходя через жидкость в виде мелких пузырьков, образует в подъёмной трубе г азожидкостную смесь, плотность которой значительно ниже плотности жидкости в скважине. Как известно из гидростатики, уровни жидкостей в сообщающихся сосудах, заполненных неоднородными жидкостями, обратно пропорциональны их плотностям. Поэтому по законам равновесия высота газожидкостной смеси должна быть больше, чем высота жидкости в скважине (Н_п). При подаче достаточно большого количества сжатого воздуха высота слоя смеси в подъёмной трубе становится больше, чем высота подъёма жидкости из скважины. При этом смесь ударяется об отбойник 5 и стекает в резервуар 6, а отработанный сжатый воздух удаляется в атмосферу (вверх). Если в насосе используется воздух – его называют эрлифт, если какой-то другой газ (например, попутный нефтяной) – газлифт.

При равновесии в сообщающихся сосудах ρgН_п = ρ_смg (Н + Н_п).

Отсюда Н = Н_п (ρ/ρ_см - 1)

Из полученной зависимости видно, что, чем меньше ρ_см, тем больше Н. Рассмотрим график этой функции:

О чевидно, что при ρ_см → 0

Н → ∞

На самом деле этого не происходит, процесс отклоняется от гидростатическиx закономерностей (часть энергии сжатого газа расходуется на сообщение кинетической энергии смеси и на преодоление гидравлического сопротивления). Поэтому существует значение (ρ_см)_кр – критической плотности смеси, при которой Н = Н _мах и в дальнейшем Н будет уменьшаться. При ρ_см < (ρ_см)_кр высота подъёма жидкости снижается из-за роста гидравлического сопротивления, а также прорыва воздушных масс в виде крупных пузырей.

Эрлифты (газлифты) просты по устройству, не имеют движущихся деталей, способны работать на загрязнённых жидкостях. Однако КПД их невысок (0,2 ÷ 0,35), поскольку они требуют для работы большое количество сжатого газа, получение которого является трудоёмким процессом.

М онтежю работают на принципе непосредственного вытеснения жидкостей из резервуара 1 с помощью сжатого газа. Сначала резервуар через задвижку 2 и трубопровод загружается транспортируемой жидкостью (предположим кислотой). При этом задвижки 3 и 5 закрыты, через задвижку 4 резервуар соединяется с атмосферой (чтобы ускорить заполнение). Когда резервуар заполняется жидкостью, задвижки 2 и 4 закрывают. Открывается задвижка 3, через которую сжатый воздух заполняет верхнюю часть резервуара. Под давлением сжатого газа кислота через задвижку 5 поступает в трубопровод и движется к потребителю. После того, как почти вся жидкость будет вытеснена из резервуара, задвижки 3 и 5 закрывают. Сжатый газ стравливается в атмосферу через задвижку 4, после чего процесс повторяется.

Преимущества таких насосов – простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, возможность работы с загрязнёнными, агрессивными, взрывоопасными жидкостями. В тех случаях, когда транспортируемые жидкости при контакте с воздухом образуют взрывоопасные смеси, вместо воздуха используют инертные газы (чаще всего сжатый азот).

Недостатками монтежю являются периодичность действия и низкий КПД ( η_мах = 10 ÷ 20%).