Файл: Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник.pdf

Таким образом, при каждом ходе поршня вверх происходит запол­ нение цилиндра насоса жидкостью, т. е. всасывание, а при ходе вниз— вытеснение жидкости из цилиндра, т. е. нагнетание.

Следовательно, поршневой насос действует не непрерывно, а пе­ риодически, что создает толчки давления в нагнетательном трубопро­ воде. Чтобы избежать этого, на нагнетательном трубопроводе устанав­ ливают так называемый воздушный колпак, устройство которого по­ казано на рис. 3-2. Воздушный колпак 2 представляет собой сосуд цилиндрической формы со сферическими днищами, в каждом из ко­ торых имеется по штуцеру с фланцами 4 и 5 для крепления колпака

на нагнетательном трубопроводе 1 и крепления воздушного крана 3. В начале нагнетательный трубопровод и воздушный колпак сво­ бодны от жидкости и заполнены воздухом. При работе насоса трубо­ провод заполняется жидкостью, однако в колпаке остается ^воздух, который сжимается до давления в нагнетательном трубопроводе. Вследствие этого объем воздуха уменьшается и значительная часть воздушного колпака заполняется жидкостью (см. рис. 3-2),. на кото­

рую сверху давит сжатый воздух.

При изменении давления газов, к числу которых относится и воз­ дух, их объем значительно изменяется. Следовательно, для того чтобы существенно изменилось давление воздуха, необходимо, чтобы его объем также значительно изменился. У поршневых насосов пульса­ ция давления в нагнетательном трубопроводе происходит быстро и объем воздуха в воздушном колпаке не успевает заметно изменяться. Поэтому давление поддерживается почти постоянным.

55

Из принципа работы поршневого насоса ясно, что он может пере­ качивать не только жидкости, но и газы. Поэтому в тех случаях, когда насос установлен выше уровня жидкости, он предварительно выка­ чает воздух из всасывающего трубопровода, и под действием атмос­ ферного давления жидкость начнет поступать в насос. При этом, ко­ нечно, высота столба жидкости во всасывающем трубопроводе не мо­ жет превосходить ту высоту, на которую данная жидкость может быть поднята атмосферным давлением. Например, атмосферное давление может поднять воду на высоту 10,33 м при условии, что в цилиндре насоса будет создан абсолютный вакуум и всасывающий трубопровод

им

Ѵ п г .

обладает гидравлическим сопротивлением, равным нулю, что возможно лишь при неподвижной жидкости.

Практически некоторая, хотя и незначительная часть объема ци­ линдра из-за неплотностей будет заполнена воздухом, а также водя­ ными парами, которые образуются от испарения воды под вакуумом. Благодаря этому в цилиндре будет некоторое остаточное давление. Кроме того, при работе насоса вода во всасывающем трубопроводе нахЬдится в движении, вследствие чего возникает гидравлическое сопротивление. По этим причинам поршневые насосы обычно могут работать на холодной воде при высоте всасывания б—8 м.

С повышением температуры воды количество образующихся в ци­ линдре насоса паров возрастает. Соответственно этому высота всасы­ вания уменьшается и при температуре около 90° С насос перестает всасывать воду. Для того чтобы насос мог всасывать воду при такой температуре, необходимо воду подать к насосу, т. е. он должен рабо­ тать под заливом.

56

Насос описанного устройства называется насосом простого дейст­ вия. В нем для подачи жидкости используется только один ход поршня, так как во время второго хода происходит всасывание.

На рис. 3-3 показан насос двойного действия, подающий жидкость при обоих ходах поршня. Это увеличивает его производительность

в2 раза по сравнению с насосом простого действия, обеспечивает бо­ лее равномерную подачу жидкости и уменьшает пульсацию давления

внагнетательном трубопроводе.

Насос двойного действия представляет собой как бы два насоса простого действия, соединенных в одну машину. В то время как в од­ ной части цилиндра происходит всасывание, во второй, по другую сторону поршня,— нагнетание. Благодаря этому насос непрерывно подает жидкость, но не с одинаковой интенсивностью. Это объясняется тем, что скорость движения поршня изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, НАПОР и м о щ н о с т ь

На рис. 3-4 показано, что ход h поршня равен двум радиусам кри­ вошипа, и для того чтобы поршень сделал один ход из положения 1 в положение 2, вал насоса должен повернуться на 180°, т. е. на поло­ вину оборота. При этом поршень вытеснит из цилиндра жидкость,

объем которой равен — d 2h. Если ход h поршня и диаметр d цилиндра

4

выражены в метрах, то объем жидкости будет в кубических метрах. За вторую половину оборота вала насоса поршень из положения 2

перейдет в положение 1 и произойдет заполнение цилиндра жид­ костью — всасывание. Таким образом, за один оборот вала насос по­

дает — d 2h m s жидкости. Если вал делает п оборотов в секунду, то

4

объем подаваемой насосом жидкости за секунду, или производитель­ ность насоса в кубометрах в секунду, составит

Уц„л— Y-cPh

4

57

вредным объемом, или объемом сжатия. Отсюда вытекает понятие объемного к. п. д. насоса, который равен

— d4i

цнл

Для полезного объема цилиндра можно написать

■^-d2h = УцплЛу

4

Если согласно этому в полученных выше формулах для произво­ дительности насоса сделать замену, то производительность насоса

простого действия равна

поршень мог выдавить жидкость из цилиндра в нагнетательный тру­ бопровод. Это давление называется давлением нагнетания. Разность давлений нагнетания и всасывания называют напором насоса. Если напор насоса обозначить Я, н/м2, можно написать

единицах измерения давления. Часто его выражают в метрах водя­ ного столба (м вод. ст.).

Во время всасывания, т. е. когда поршень движется вверх, внутри

58

воздух, действуя также на каждый квадратный метр его поверхности с силой ра в направлении сверху вниз. В результате каждыйквадрат­ ный метр поверхности будет испытывать силу ра—Рх, а на всю поверх­ ность поршня будет действовать сверху вниз сила

± - й %(ра— рг) н,

4

где d — диаметр поршня, м.

Поршень движется снизу вверх и проходит путь /г, м. При этом (как известно из механики) затрачивается работа •

A i= — d2(ра—рх)/г дж.

4

При нагнетании, т. е. когда поршень, дойдя до крайнего верхнего положения, начнет двигаться вниз, внутри цилиндра возникнет дав­ ление р 2, которое будет действовать на каждый квадратный метр поршня снизу вверх с силой р 2, н.

Атмосферный воздух по-прежнему будет давить сверху вниз, с си­ лой ра, н. В результате каждый квадратный метр поверхности поршня будет испытывать силу р 2—ра, к, а на весь поршень снизу вверх бу­ дет действовать сила

-7- d2(Р2—Ра).

4

При перемещении поршня сверху вниз на расстояние h должна быть затрачена работа

А 2 = — d2(p2— pa)h дж.

4

Общая работа А 0, затрачиваемая на перемещение поршня за оба его хода, т. е. за один оборот вала насоса, равна

А 0 = А гА~А2 — — d2(ра рх) h -\- — d2(р2—ра) h —

4 4

=— d2h(p2—рх) дж.

4

Если вал делает в 1 сек п оборотов, то работа, затраченная в тече­ ние секунды, равна

A = A 0n = — d2(p2— p1)hn дж.

4

Поскольку мощность представляет собой работу, производимую в течение 1 сек, то средняя мощность Р, необходимая для перемеще­ ния поршня насоса, равна

р = — d2(p2 —pi) hn вт.

4

59

Вполученном равенстве, согласно предыдущему,

Н— р2—р1 нім2,

апосле замены

Р= d?hn'j Н вт.

Выражение, поставленное в скобки, представляет собой произво­ дительность насоса (м31сек), т. е.

V = — сГ-Іт,

4

поэтому, сделав замену, получим Р = ѴН вт.

Для того чтобы найденную мощность перевести в киловатты, нужно

Таким образом, мы определили среднюю мощность, требующуюся для перемещения поршня. Однако мы не учитывали возникающих сил трения и связанных с этим потерь мощности. Фактически средняя мощность будет несколько больше и для ее определения нужно ввести к. п. д. г\ насоса. Тогда для средней мощности, потребляемой насосом, окончательно получим следующую формулу:

1000ч

где V — производительность, м3/сек\ Н — напор, нім2\

т) — коэффициент полезного действия, который колеблется в пре­ делах 0,75 — 0,95 в зависимости от конструкции и произво­ дительности насоса (чем мощнее насос, тем выше его к. п. д.).

КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

Плунжерные насосы

Поршневые насосы простого действия в большинстве случаев де­ лают в виде так называемых плунжерных насосов. Отличительной особенностью их является конструкция поршня, который называют плунжером. В остальном плунжерные насосы не имеют существенных отличий от поршневых.

Устройство плунжерного насоса схематически показано на рис. 3-6. В подшипниках 1 лежит коленчатый вал 2 насоса с кривошипом 3, с пальцем которого при помощи головного подшипника 5 сцеплен ша­ тун 4. На другом конце шатуна также имеется головной подшипник 6, который входит в выемку в плунжере 7 и может поворачиваться на пальце 8, вставленном в специальное отверстие плунжера. Плунжер

60