7.3 Диафрагмовые насосы.

В диафрагмовых насосах, иногда называемых мембранными, жидкость не соприкасается с цилиндром и поршнем. Изменения постоянного объема жидкости, заключенной в верхней части корпуса 1 (рисунок 7.7) между поршнем 2 и упругой мембраной 3, передаются через мембрану на перекачиваемую жидкость, проходящую только в нижней части корпуса, к которой присоединены всасывающий и нагнетательный трубопроводы. При подъеме поршня вверх мембрана приподнимается, объем нижней части корпуса насоса возрастает и жидкость поступает через всасывающий клапан 4. При движении поршня вниз под давлением опускающейся мембраны объем нижней части корпуса уменьшается, и жидкость через нагнетательный клапан 5 поступает в трубопровод. Насос приводится в действие либо рычагом 6 вручную, либо посредством привода от электродвигателя.

Рисунок 7.7. Схема диафрагмового насоса

Мембранные насосы позволяют перекачивать жидкости, содержащие твердые примеси (например, песок или глину), которые могли бы оказать абразивное воздействие на цилиндр и поршень насоса. Такие насосы широко применяются в строительстве на водоотливных работах при рытье траншей и котлованов. При объемах откачиваемой воды до 13 м³/ч используются мембранные насосы типа ДСВ (диафрагмовый, сдвоенный, всасывающий) с механическим приводом от электродвигателя мощностью 1,7 квт. Этот насос не рассчитан на создание давлений и работает только на вылив воды с примесью грязевого осадка. Насос имеет сдвоенный корпус с резиновыми диафрагмами.

Регулирование объема подачи осуществляется путем изменения степени перемещения диафрагм.

Ручные гидравлические насосы типа ГН предназначены для гидравлических испытаний машин, оборудования, трубопроводов, создания давлений в испытываемых системах отопления, котлах и т.п.

Широко применяемый насос ГН-60 развивает давление до 0,6 МПа, имеет поршень диаметром 25 мм (ход 90 мм). При 35 качаниях в минуту он подает 1,6 л/мин воды. Усилие на рукоятке не более 20 кГ (т.е. насос рассчитан на одного рабочего). Перекачиваемая жидкость подсасывается из ведра или бачка, причем высота всасывания практически не превышает 1 м.

Ручные поршневые насосы типа БКФ применяются для подкачки воды в системы центрального отопления, а также для откачки воды из котлов в систему канализации при опорожнении отопительных систем.

Заводами выпускается два типа насосов - БКФ-2 (рисунок 7.8) и БКФ-4, первый с диаметром поршня 75 мм, второй - 100 мм. Производительность насосов от 15 до 20 л/мин; развиваемое давление до 30 м вод. ст. Присоединительный патрубок насоса БКФ-2 имеет диаметр d = 25 мм, а насоса БКФ-4 - d = 38 мм. Эти насосы обычно крепятся к стене.

Рисунок 7.8. Насос типа БКФ-2

Практическое занятие № 8 струйные насосы и водоподъемники

8.1. Схемы, устройство и принцип действия

Действие струйных насосов основано на принципе передачи кинетической энергии от одного потока к другому, обладающему меньшей кинетической энергией. Создание напора у насосов этого типа происходит путем непосредственного смешения обоих потоков, без каких-либо промежуточных механизмов.

В струйных нагнетателях смешение двух жидких или газообразных сред происходит под воздействием давления, создаваемого другими нагнетателями (например, насосами или вентиляторами). Движение перемещаемой жидкости обеспечивается струей рабочей жидкости.

В зависимости от назначения насоса рабочая и перекачиваемая среды (жидкость, пар, газ) могут быть одинаковыми или разными.

Известны две конструктивные схемы струйных аппаратов. В аппаратах, выполненных по первой схеме (рис. 8.1.), подмешиваемый поток поступает под углом 90° к оси аппарата. Вследствие больших потерь на удар при смешивании потоков КПД этих аппаратов очень низок и не превышает 25%. В аппаратах, выполненных по второй схеме (рис. 8.1.), подмешиваемый поток подводится вдоль оси аппарата. При этом, как доказал проф. П.Н. Каменев, их КПД может быть доведен до 43,5%.

1— сопло; 2 — камера смешения; 3 — диффузор
Рисунок 8.1. Схема водоструйного нагнетателя	Рисунок 8.2. Схема эжектора

Любой струйный аппарат состоит из сопла, куда подается рабочая жидкость (вода, газ, пар), камеры смешения, где смешиваются рабочая и подсасываемая жидкости, и диффузора, в котором осуществляется преобразование кинетической энергии в потенциальную, т. е. создается давление.

Рассмотрим рабочий процесс струйного насоса и найдем соотношения, определяющие его основные параметры, на примере водоструйного насоса (гидроэлеватора), у которого рабочей и перекачиваемой средой является вода.

Рабочая жидкость выходит из сопла с большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии. Активная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей энергии. Образовавшийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В камере смешения в результате обмена импульсами происходит выравнивание поля скоростей потока и за счет высвобождающейся кинетической энергии растет его статическое давление. Затем поток поступает в диффузор, где вследствие уменьшения скорости и, следовательно, динамического давления потока происходит увеличение статического давления, необходимого для движения жидкости по напорному трубопроводу. Постоянное заполнение подводящей камеры перекачиваемой водой происходит из приемного резервуара по всасывающему трубопроводу. Напор, развиваемый водоструйным насосом, представляет собой разность удельных энергий в выходном сечении ΙΙI – III и во входном I – I (рисунок 8.3,а). Без учета потерь он может быть приравнен приращению энергии на участке между сечениями II – II и I – I камеры смешения. Используя уравнение Бернулли для этих двух сечение и вводя безразмерные параметры s = F_кс/f_с и q = Q/Q_с , где F_кс и f_с - соответственно площади поперечного сечения камеры смешения и струи, а Q_с - расход сопла (струи), после ряда преобразований можно получить следующее выражение:

. (8.1)

Действительный напор водоструйного насоса будет, конечно, меньше подсчитанного по уравнению (8.1), так как из него необходимо вычесть потери в приемной камере, камере смешения и диффузоре. Тем не менее выражение (8.1) позволяет проанализировать изменение основных параметров водоструйных насосов. Прежде всего оно ясно показывает, что развиваемый насосом напор пропорционален т.е. напору Н_с, с которым вода подводится к соплу. Кроме того, напор определяется относительной подачей q и геометрическим параметром s.

1 – всасывающий трубопровод; 2 – труба; 3 – сопло; 4 – подводящая камера; 5 – камера смешения; 6 – диффузор; 7 – напорный трубопровод.

Рисунок 8. 3. Водоструйный насос

На рисунке 8.3,б эти соотношения построены для s =1,5; s =2,5 и s = 4. На графиках видно, что с увеличением подачи напор, развиваемый водоструйным насосом, уменьшается; увеличение параметра s также вызывает уменьшение напора.

КПД водоструйного насоса определяется отношением полезной энергии жидкости к подведенной. Подведенную энергию можно выразить следующим образом:

. (8.2)

Полезная энергия определяется напором и полезной подачей. Последнюю можно определять по-разному. Если водоструйный насос используется для откачки воды, то полезным является только расход Q, поступающий в подводящую камеру. В этом случае

,

и КПД водоструйного насоса будет:

. (8.3)

Действительные значения КПД, достигаемые на практике в подобных условиях, не превышают 0,25-0,30.

Если же водоструйный насос используется для водоснабжения или для охлаждения, то полезной является суммарная подача Q+Q_с, и тогда

,

а выражение для КПД будет иметь вид:

. (8.4)

В этом случае, естественно, КПД выше и может достигать величины 0,6-0,7.

Водоструйный насос (гидроэлеватор) по своему устройству весьма прост и доступен для изготовления в местных условиях. Следует, однако, иметь в виду, что для обеспечения его хорошей работы требуется правильный подбор размеров и тщательное изготовление. Существенное значение имеет форма сопла, расстояние от сопла до камеры смешения, форма камеры смешения и диффузора.

Для подбора струйных насосов для систем отопления составлены номограммы и таблицы, приведенные в справочных руководствах. Зная коэффициент смешения, расход теплоносителя и потери давления в системе отопления, определяют номер элеватора и геометрические размеры его отдельных элементов.

Помимо невысокого КПД существенным недостатком элеваторов является постоянство коэффициента смешения, вследствие чего при регулировании нельзя изменять расход сетевой воды, так как изменение расхода сетевой воды через сопло элеватора приводит к пропорциональному изменению расхода воды в местной системе отопления, т.е. к разрегулировке. В последние годы разработаны конструкции элеваторов с «регулируемым соплом», позволяющие в определенных пределах изменять коэффициент смешения, но широкого распространения они не получили.

В вентиляции струйные аппараты - эжекторы применяют главным образом для удаления воздуха, содержащего взрывоопасные или агрессивные пыли, газы и пары. В зависимости от источника рабочего воздуха эжекторы низкого давления (с вентиляторным побуждением) и эжекторы высокого давления (с компрессорным побуждением).

С целью удешевления строительства и эксплуатации установок с вентиляторным побуждением в качестве рабочего воздуха можно использовать наружный воздух без предварительного подогрева его в зимнее время или воздух, удаляемый системами вытяжной механической вентиляции.

Для транспортирования и подъема жидкостей используется также ряд устройств, которые нельзя назвать насосами в строгом понимании этого слова. Некоторые из них применяются в сооружениях систем водоснабжения и канализации. К ним в первую очередь относятся воздушные водоподъемники, гидравлические тараны и шнековые насосы.

Воздушный подъемник (эрлифт) состоит из вертикальной трубы, нижний конец которой погружен под уровень воды в приемном резервуаре (рисунок 8.4). Внутри трубы проходит воздуховод, по которому сжатый воздух подается компрессором и распыляется с помощью форсунки, находящейся на глубине Н_п. Плотность образующейся при этом воздушно-водяной смеси ρ_см значительно меньше плотности воды ρ, в результате чего смесь поднимается по трубе над уровнем воды в резервуаре на высоту Н.

По принципу сообщающихся сосудов в условиях равновесия

Отсюда находим высоту подъема Н (напор) эрлифта:

. (8.5)

Зависимость между подачей и остальными рабочими параметрами воздушного подъемника можно найти на основе следующих рассуждений.

Энергия, передаваемая компрессором в 1 секунду объему Q_в.атм, м³, воздуха, отнесенному к атмосферному давлению, при сжатии его от атмосферного давления р_атм до давления р, под которым он подводится к форсунке, при изометрическом процессе будет:

.

Полезная работа, производимая сжатым воздухом, заключается в подъеме Q, м³, воды в 1 секунду на высоту Н:

.

1 - приемный бачок; 2 - воздушная трубка от компрессора ; 3 - водоподъемная труба; 4 - обсадная труба скважины; 5 - форсунка Рисунок 8.4 Воздушный подъемник

Аппарат для подъема воды и нефти из скважин, в котором воплотилась эта идея, получил название газлифт (эрлифт). Теория газлифта, правильно объясняющая его действие увлечением жидкости всплывающими пузырьками воздуха, была разработана лишь в 1941 г. Н.М. Герсевановым.

Существует три типа газлифтов (рис. 8.5): I - с двумя трубами: газовой и для подъема жидкости (жидкостной); II - с одной газовой и III - с одной жидкостной трубой, установленной в обсадной трубе и опущенной в скважину.

1 - обсадная труба; 2 - газовая труба; 3 - подъемная труба

Рис. 8.5. Схема газлифта (эрлифта)

В газлифте I и II типов сжатый воздух (или газ) под давлением нагнетается в скважину по газовой трубе, а в газлифте III типа воздух нагнетается в кольцевое пространство между обсадной и жидкостной трубами. В жидкостных трубах образуется смесь жидкости и воздуха (или газа) - эмульсия. Пузырьки воздуха (или газа) устремляются вверх, увлекая с собой жидкость. Достигнув верха труб, эмульсия изливается. Пузырьки воздуха (или газа) по мере движения вверх увеличиваются в объеме n/r/ уменьшения в них давления, при этом возрастает скорость подъема эмульсии. При подъеме пузырьков часть жидкости не увлекается ими и падает вниз. Чем меньше скорость подъема эмульсии, тем больше утечка жидкости. Практикой установлены следующие оптимальные скорости движения эмульсии. При входе воздуха (или газа) υ≥3 м/с, при изливе υ = 6÷8 м/с. При увеличении скорости быстро возрастают потери давления, а при ее уменьшении увеличивается скольжение пузырьков воздуха (или газа), что приводит к увеличению потерь жидкости. На выходе эмульсии из газлифта сепаратором производится разделение газа и жидкости. Сепаратором для воды служит отражатель в виде зонта, установленный в приемном баке. Эмульсия ударяется о внутреннюю поверхность отражателя, воздух улетучивается, а вода стекает с отражателя в бак, откуда по трубам направляется в систему водоснабжения.

Для нормальной работы газлифта необходимо, чтобы высота слоя жидкости в скважине была больше высоты ее подъема (Н—h>h), а также, чтобы уровень жидкости был постоянным (так называемый динамический уровень), а коэффициент погружения K=H/h находился в пределах 1,7—3,5. Встречающиеся на практике газлифты имеют подачу 1—500 м³/ч с высотой подъема воды 10—200 м.

Несмотря на малый КПД (15—36%) подъем жидкости с помощью газлифтов обладает следующими достоинствами: простота устройства, отсутствие в скважине механизмов, надежность и бесперебойность действия, невысокие требования к качеству жидкости.

Подача эрлифта уменьшается с увеличением высоты подъема Н. При постоянных напоре и заглублении эрлифта она возрастает с увеличением Qв.атм. Казалось бы, здесь кроются неограниченные возможности увеличения Q. Однако оказывается, что при слишком большом расходе воздуха среда в водоподъемной трубе перестает быть однородной, что резко снижает эффективность эрлифта и приводит к уменьшению Q и Н.

В таблице 8.1 приводится ориентировочные значения необходимого погружения форсунки и объема подаваемого воздуха, обеспечивающие оптимальный режим работы эрлифта.

Таблица 8.1 - Глубина погружения форсунки и потребный объем воздуха

Параметры	Значение Н, м
	до 15	15 - 30	30 - 60	60 - 90	90 - 120
Нп/Н	1,5 - 2	1,2 - 1,5	1,0 - 1,2	0,75 - 1,0	0,65 - 0,75
q = Qв.атм./Q	1,5 - 2,0	2,0 - 2,5	2,5 - 3,0	3,0 - 3,5	3,5 - 4,0

Что касается КПД воздушного подъемника, то даже в благоприятных условиях он не превышает 0,3 - 0,4, а с учетом потерь в компрессоре общий КПД установки составляет обычно 0,1 - 0,2. Таким образом, по энергетическим показателям это не очень эффективный способ подъема воды.

В то же время устройство эрлифта чрезвычайно просто, он не имеет подвижных частей и поэтому не боится попадания взвешенных частиц. Он достаточно удобен для подъема воды из скважин, особенно малого диаметра, в которые не входит ни один насос. Воздушный подъемник легко собрать на любом объекте, использовав для подачи воздуха передвижкой компрессор. Диаметр водоподъемной трубы может быть определен по скорости движения смеси непосредственно над форсункой от 2,5 до 3 м/с и по скорости излива от 6 до 8 м/с; диаметр воздушной трубы принимают по скорости движения воздуха 5 - 10 м/с.

Для подъема и перемещения жидкостей иногда применяют пневматические подъемники, в которых в качестве рабочей среды используют сжатый воздух или технический газ. Пневматический подъемник периодического действия показан на рисунке 8.6. Подъем жидкости из резервуара 1 на высоту Н_г в бак 2 производится при помощи компрессора К и пневматического баллона 3. При отключенном компрессоре и открытых кранах а и б баллон 3 заполняется жидкостью из резервуара 1.

При закрытии кранов а и б и включении компрессора К жидкость вытесняется через открытый кран "в" из баллона 3 в бак 2. Цикл подачи осуществляется периодически.

Рисунок 8.6. Схема пневматического подъемника для жидкостей

Гидравлический таран. В гидравлическом таране подъем воды осуществляется энергией гидравлического удара, который периодически повторяется вследствие резкого закрывания клапана под действием естественного потока. Непременным условием для работы тарана является расположение его ниже уровня воды в источнике.

Таранная установка (рисунок 8.7) состоит из питательной трубы, ударного и нагнетательного клапанов, воздушного колпака, напорной трубы и напорного бака.

При пуске таранной установки в действие вода из источника поступает по питательной трубе к ударному клапану и под напором Н₁ вытекает из него наружу с возрастающей скоростью. При повышении скорости до некоторого предела давление в зазорах над клапаном уменьшается, а давление на клапан снизу возрастает настолько, что общая сила давления преодолевает вес клапана и резко закрывает его, преградив путь для выхода воды. При этом происходит гидравлический удар, вследствие чего давление в питательной трубе на некоторый короткий промежуток времени поднимается выше давления в воздушном колпаке, нагнетательный клапан открывается и вода поступает через него в воздушный колпак, а затем по напорному трубопроводу в верхний бак, поднимаясь на высоту Н₂. В течение последующей фазы гидравлического удара в питательной трубе создается разрежение, и ударный клапан под действием атмосферного давления и частично собственного веса (или пружины) вновь открывается. Одновременно под давлением воды в воздушном колпаке закрывается нагнетательный клапан и таранная установка вновь приходит в исходное положение. После этого цикл повторяется автоматически. Число гидравлических ударов зависит от регулировки тарана и колеблется от 20 до 100 в 1 мин.

Напор H₁ выбирают в зависимости от местных топографических условий - от 1 до 20 м. Длину питательной трубы принимают равной (5…8)·H₁. Максимальная высота подъема Н₂ достигает 100 - 120 м.

1 - питательная труба: 2, 3 - ударный и нагнетательный клапаны; 4 - воздушный колпак; 5 - напорная труба; 6 - напорный бак

Рисунок 8.7 Таранная установка

Шнековый насос (рисунок 8.8). Основным рабочим органом водоподъемников этого типа является шнек, представляющий собой вал с навитой на него спиралью. Как правило, шнек выполняют с трехзаходной спиралью, что обеспечивает подачу воды и равнопрочность шнека при любом угле поворота. Шнек, установленный наклонно, вращается в лотке, выполняемом обычно из бетона. Окружная скорость шнека 2 - 5 м/с соответствует частоте вращения 20 - 100 минˉ¹ в зависимости от диаметра шнека. Для получения такой частоты вращения приводной электродвигатель соединяют с валом шнека через редуктор или через клиноременную передачу.

Угол наклона шнека принимают 25 - 30⁰, что при обычной длине шнека 10 - 15 м обеспечивает высоту подъема 5 - 8 м. Чем больше подача подъемника, тем больше должно быть поперечное сечение шнека, что увеличивает его жесткость. Поэтому при большей подаче можно принимать большую длину шнека, увеличивая тем самым высоту подъема.

Подача серийно выпускаемых за рубежом шнековых насосов колеблется от 15 до 5000 л/с при высоте подъема 6 - 7 м. Средний КПД шнекового насоса составляет около 0,7 - 0,75 и остается практически постоянным в большом диапазоне изменения подачи.

1 - шнек, 2 - лоток, 3 - передача, 4 - электродвигатель

Рисунок 8.8. Шнековый насос