Насoсы, машины для напорного перемещения (всасывания, нагнетания) по трубопроводам жидкостей путем сообщения им мех. энергии. Насoсами наз. также устройства для разрежения газов (вакуум-насосы); подъема жидкостей в виде газо-, воздухо- или парожидкостных смесей (соотв. газлифты, эрлифты, парлифты); транспортирования жидкостей передавливанием с помощью не смешивающейся или не взаимодействующий с ними среды, например воздуха либо пара (пневматич. насoсы-монтежю, или монжусы, и др.); передачи теплоты из окружающей среды (воздуха или воды), имеющей низкую температуру, к объекту с более высокой температурой (тепловые насoсы, см., например, Выпаривание. Холодильные процессы). В данной статье рассмотрены насoсы для перемещения жидкостей (жидкостные насoсы) и вакуум-насосы.
Жидкостные насосы
Напорное перемещение жидкости осуществляется под действием разности давленийрк-pн на входе в систему и выходе из нее. Необходимая разность давлений определяется требуемой скоростью жидкостного потока и допускаемым гидравлич. сопротивлением, возникающим при движении жидкости по трубопроводу.
Основные параметры и характеристики. Пр о и з в о д и т е л ьн о с т ь, или подача, Q (от долей до десятков, тыс. м3/ч)-кол-во жидкости, проходящей через насoсы в единицу времени. Напор - высота столба подаваемой жидкости, эквивалентная давлению, создаваемому насoсом (от десятых долей до 100 МПа и более). П о л н ы й н а п о рH (от неск. м до неск. сотен м) определяется высотой, на которую необходимо поднять жидкость в напорный (нагнетательный) резервуар из заборного (приемного), разностью давлений в этих резервуарах, требуемой скоростью на выходе потока из системы и гидравлич. сопротивлением коммуникаций. Ориентировочно напор можно оценивать по показаниям манометров. H = pк-pн/rg, где r-плотность жидкости, g-ускорение своб. падения. К а в и т а ц и о н н ы й з а п а с-избыток напора DH по сравнению с полным для обеспечения эксплуатации насoсов без кавитации (гидравлич. ударов, сопровождающихся шумом и вибрацией).
П о л е з н а я м о щ н о с т ь Nп(Вт)-мощность, сообщаемая насoсы подаваемой жидкости (Nп = rgQH/1000; практически от 0,1 до неск. МВт). М о щ н о с т ь н а в а л у N(Вт)-подводимая от двигателя или потребляемая насoсы мощность; N = Nп+ DN, где DN-потери мощности на преодоление гидравлич. сопротивлений, внутр. протечки жидкости через зазоры и уплотнения и на трение. Кпд h-отношение Nп/N (на практике h = 0,6-0,9, но бывает 0,2-0,5 и даже 0,1-0,25; N = rgQH/1000h).
Зависимости между основными параметрами насoсов обычно представляют в виде графиков, наз. х а р а к т е р и с т и к а м и(кривые H-Q, N-Q, h-Q, H-DH, N-DH и др.). Различают теоретич. характеристики, выводимые на основании мат. анализа зависимостей между параметрами, и действит. характеристики, получаемые обработкой результатов испытаний реальных насoсов. Характеристики определяют энергетич. показатели и марки насoсов; дают представление об их всасывающей способности; позволяют устанавливать режимы их работы - оптимальный (эксплуатация при наиб. кпд), номинальный (на заданном уровне поддерживаются рабочие параметры и достигается устойчивое функционирование) и т.д.
Жидкостные насoсы подразделяют на динамические и объемные.
Динамические насoсы В них жидкость перемещается под силовым воздействием на нее в камере насoса, которая постоянно сообщается с его входом и выходом. Основные детали: подвод, рабочее колесо, ротор и отвод (рис. 1). П о д в о д предназначен для подачи жидкости к рабочему колесу от входного патрубка. В р а б о ч е м к о л е с е мех. энергия привода преобразуется в гидравлич. энергию перекачиваемой жидкости. О т в о д служит для сбора жидкости за рабочим колесом, гашения скорости и преобразования кинетич. энергии жидкости в энергию давления, перемещения потока к отводящему (нагнетательному, напорному) трубопроводу.
По принципу действия различают насoсы лопастные, трения и электромагнитные. В л о п а с т н ы х насoсах, к которым относятся центробежные и осевые, жидкость перемещается от центра рабочего колеса к его периферии посредством центробежных сил, возникающих при воздействии лопастей колеса на перекачиваемую жидкость. Эти насoсы конструктивно подобны соответствующим вентиляторам и турбокомпрессорам (см. Компрессорные машины). В насoсах т р е н и я, среди которых наиб. распространены вихревые, перекачивание жидкости обусловлено гл. об. силами трения, возникающими при вращении рабочего колеса. В насoсах лопастных и трения мех. энергия жидкостного потока увеличивается при обтекании имвращающегося колеса. В результате жидкость приводится во вращат. и поступат. движение; при этом ее давление и скорость возрастают по мере перемещения от входа в колесо к его выходу. В э л е к т р о м а г н и т н ы х насoсах жидкая электропроводная среда (жидкие щелочные металлы, электролиты) перемещается под воздействием силовых электрич. и магнитных полей.
В центробежных насoсах (рис. 1) при вращении рабочего колеса лопасти сообщают жидкости движение в радиальном или диагональном направлении. Достоинства насoсов: высокая производительность и равномерная подача, компактность, простота устройства, обслуживания и ремонта, практически неограниченный выбор материалов для изготовления, малая чувствительность к загрязнениям перекачиваемых жидкостей; высокая надежность и долговечность и др.; недостатки: относительно низкие напоры, зависимость подачи от сопротивления системы, резкое снижение кпд при уменьшении производительности и увеличении вязкости перемещаемой среды и т.д. Эти насoсы находят наиб. применение в производствах химической и смежных с ней отраслей промышленности и предназначены для перекачивания холодной и горячей воды, нефти, сжиженных углеводородных газов, агрессивных жидкостей (к-ты, щелочи), сточных вод и др.
В осевых насoсах (рис. 2) в отличие от центробежных жидкость движется вдоль оси рабочего колеса. Основные достоинства: большая, чем у центробежных насoсов, производительность, нечувствительность к загрязнениям жидкости; недостаток-малый напор. Они служат обычно для перемещения воды, загрязненных и кристаллизующихся жидких сред. Эти насoсы используют главным образом для создания циркуляционных потоков В разл. аппаратах, например выпарных с принудит. циркуляцией.
В вихревых насoсах (рис. 3), близких по конструкции центробежным, но отличающихся от них рабочим процессом, создаваемый напор частично обеспечивается центробежными силами. Однако большая его часть определяется энергией вихрей, возникающих между лопастями вращающегося рабочего колеса; вихри увлекают находящуюся в кольцевых каналах корпуса насoса жидкость и перемещают ее по периферии колеса в тангенциальном направлении от полости всасывания к полости нагнетания. Эти насoсы, предназначенные для перекачивания чистых, маловязких, легковоспламеняющихся жидкостей (напр., спирты, бензины), а также кислот, щелочей и др., позволяют достигать значительно более высоких напоров, чем центробежные машины, однако их кпд существенно ниже, и они непригодны для перемещения вязких сред и жидкостей, содержащих твердые взвеси.
К насoсам трения, помимо вихревых, относятся также струйные. В них для перемещения жидкостей и создания напора используют кинетич. энергию др. жидкостей, наз. рабочими. В качестве последних обычно применяют воду (водоструйные насoсы) или пар (пароструйные насoсы). Напр., в водоструйном насoсе происходят: преобразование в копии, сходящейся насадке потенциальной энергии воды в кинетическую; обмен в камере смещения кол-вом движения между водой и подаваемой средой, переход в диффузоре кинетич. энергии смеси жидкостных потоков в потенциальную. Благодаря этому в камере смещения создается разрежение, что обеспечивает всасывание подаваемой среды. Затем в результате снижения скорости движения смеси давление ее резко возрастает, что делает возможным нагнетание. Поэтому струйные насoсы можно применять как для отсасывания (эжекторы), так и для нагнетания (инжекторы) жидкостей. Эти насoсы просты по устройству, отличаются отсутствием подвижных частей, надежны и долговечны, но имеют довольно низкий кпд. Их целесообразно использовать при кратковременной работе для перемещения небольших объемов жидкости, а также для их охлаждения и нагревания в произ-вах, где возможно смешение перекачиваемой жидкости с рабочей средой и недопустимо наличие движущихся и трущихся деталей.
Объемные насoсы В них разность давлений возникает при вытеснении жидкости из периодически изменяющей объем рабочей камеры насoса, которая попеременно сообщается с его входом и выходом. При этом жидкость приобретает главным образом потенциальную энергию, пропорциональную давлению нагнетания. Жидкость вытесняется из рабочей камеры поршнем (поршневые и дифференциальные насoсы с двумя рабочими камерами), плунжером (плунжерные и диафрагмовые, в которых цилиндр и плунжер отделены от перемещаемой жидкости спец. перегородкой) либо ротором (роторные насoсы).
В п о р ш н е в ы х насoсах для периодич. сообщения рабочей камеры с областями всасывания и нагнетания (рис. 4,а,б) предусмотрены клапаны. Различают насoсы приводные (от электродвигателя) и прямодействующие (от паровой машины). По сравнению с центробежными поршневые насoсы сложнее по конструкции, имеют при одинаковой мощности большие габариты, массу и стоимость. Однако они отличаются сравнительно высоким кпд и независимостью подачи от напора, что позволяет использовать их в качестве т.наз. дозировочных насoсов для точного регулирования подачи жидкостей (напр., в жидкостной хроматографии). Поршневые насoсы применяют при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях для перемещения высоковязких, а также огне- и взрывоопасных (паровые насoсы) жидкостей.
Р о т о р н ы е насoсы (пластинчатые, шестеренчатые, винтовые и др.; рис. 5,а,б,в)не требуют всасывающих и нагнетат. клапанов, реверсивны, но их напоры и подачи ограничены. В зависимости от конструкции эти насoсы используют для перекачивания разнообразных чистых и загрязненных жидких сред - от мало- до высоковязких. Однако во избежание быстрого изнашивания, как правило, больших пов-стей трения роторные насoсы целесообразно применять для перемещения жидкостей, по возможности не содержащих абразивных примесей и обладающих хорошей смазывающей способностью (напр., минер. масла).
Вакуум-насосы (ВН) служат для удаления газов или паров из замкнутого объема (системы) с целью получения в нем вакуума. Основные параметры ВН-предельное остаточное давление рост(Па) и быстрота откачки S (объем газа, откачиваемого в единицу времени, на практике от 0,1 до 105 л/с). Остаточные давления, используемые в хим. технике, обычно составляют: рост > 100 Па (низкий вакуум) и 0,1 Па < < рост < 100 Па (средний вакуум), в науч. исследованиях 10-5Па <рост< 0,1 Па (высокий вакуум) и рост < 10-5 Па (сверхвысокий вакуум). Для создания низкого и среднего вакуума применяют т.наз. форвакуумные насoсы, высокого и сверхвысокого - высоковакуумные насoсы; иногда между ними устанавливают промежуточные (бустерные) насoсы
Различают ВН проточные, с помощью которых газ удаляется из замкнутого объема наружу, сорбционные, а также для откачивания водорода.
Проточные ВН по принципу действия подразделяют на механические, струйные, молекулярные и ионные. Форвакуумные м е х а н и ч е с к и е ВН бывают поршневые (подобны поршневым компрессорам) и вращательные. К последним относятся: водокольцевые (рис. 6; функционируют аналогично компрессорам с жидкостным кольцом); многопластинчатые (подобны роторным пластинчатым компрессорам); масляные (насосы Геде - пластинчатые и плунжерные; сходны с роторными компрессорами, внутр. объем заполнен маслом, которое служит смазкой и изолирует рабочую камеру от атм. воздуха); двухроторные (насосы Рутса-действие основано на встречном вращении двух роторов).
В с т р у й н ы х ВН газ всасывается струей жидкости или пара. Различают вихревые, эжекторные и пароструйные ВН Описанные выше вихревые насoсы можно использовать также для достижения высокого вакуума; разрежение развивается вдоль оси вихревого потока, создаваемого сжатым воздухом или перегретым паром. В эжекторных ВН, которыми могут служить струйные компрессоры и струйные жидкостные насoсы, газ увлекается турбулентной струей жидкости (воды), пара (воды или ртути) или газа (воздуха). Действие пароструйных ВН, или насосов Ленгмюра, создающих высокий и сверхвысокий вакуум, основано на захвате откачиваемого газа струей пара за счет вязкостного трения между ее поверхностными слоями и прилегающими слоями газа (бустерные ВН) или на диффузии его молекул в струю пара жидкости, истекающей из сопла (диффузионные ВН).
В м о л е к у л я р н ы х, или т у р б о м о л е к у л я р н ы х, ВН молекулам удаляемого газа сообщается дополнит. скорость при соударениях их с быстровращающимся ротором (частота вращения до 90 тыс. об/мин). Эти ВН, напоминающие осевые турбокомпрессоры, создают вакуум от низкого до сверхвысокого. Действие и о н н ы х ВН основано на ионизации газа сильным электрич. разрядом и удалении ионизов. молекул электрич. полем.
В с о р б ц и о н н ы х ВН газ, как правило, остается внутри системы в связанном виде на поглощающих пов-стях или подповерхностных слоях (рост= 10-2 - 10-13 Па). Различают ВН адсорбционные (газ адсорбируется на пов-сти цеолита или др. адсорбента); испарительные (газ связывается распыляемым геттером в результате хим. взаимод. в газовой фазе и после его напыления на стенки корпуса и др. детали); нераспыляемые (нераспыляемый геттер связывает газ в основном благодаря растворению или адсорбции); геттерно-ионные (сорбционный способ поглощения химически активных газов сочетается с ионным способом их удаления); магниторазрядные (поглощающая газ пов-сть непрерывно возобновляется путем распыления геттера электрич. разрядом в магнитном поле); криогенные (газ адсорбируется или конденсируется на рабочих пов-стях, охлажденных до сверхнизких температур, т. е. ниже 0,5 К). Для получения высокого и сверхвысокого вакуума часто необходимо включать последовательно два ВН, из которых один служит для создания предварит. разрежения.
