Насосы. Что необходимо знать и учитывать при применении насосов?

Одно из самых древних изобретений человечества - насос. Еще римляне применяли это устройство для подачи воды. В настоящее время насосы применяются в самых разных областях и перекачивают самый широкий диапазон жидких и полужидких продуктов. По способу подачи жидкости насосы делят на:

• объемные, которые подают жидкость порциями;
• динамические, которые своими рабочими органами передают энергию той жидкости, которая в данный момент находится в насосе. За счет свойств неразрывности потока жидкости она передает энергию, жидкости, которая находится в трубах перед насосом и после насоса. Таким образом, осуществляется перекачка продукта.

1 Физические свойства жидкостей
1.1 Плотность или удельный вес - количество вещества в единице объема, единицы измерения: кг/м³; г/см³, н/м³

Практические значения плотностей некоторых жидкостей приведены в таблице.

где
p_T - значение плотности при текущей температуре;
p₂₀ - значение плотности при температуре 20°С;
t_T - значение температуры;
a - коэффициент изменения плотности 1/°С значение которого приведено в таблице

Более точный перевод значений плотности нефтепродуктов при температурах испытаний от -25°С до 50°С к значениям плотности при температуре 20°С приведен в таблице ГОСТ 3900-85

1.2 Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу.
При движении жидкости по трубопроводу ближайшие слои прилипают к стенкам, остальные слои скользят друг относительно друга. Сила, необходимая для преодоления скольжения слоев называется сопротивлением среды. Если при движении жидкости не возникает завихрений, то величина сопротивления среды пропорциональна скорости движения. Коэффициент пропорциональности есть коэффициент внутреннего трения, и называется абсолютной вязкостью. В расчетах также используется кинематическая вязкость y.
Соотношение между ними определяется формулой:

где
- абсолютная вязкость;
y - кинематическая вязкость;
p - плотность.

Соотношения размерностей абсолютной вязкости в различных системах единиц приведены в таблице

Соотношения размерностей кинематической вязкости в различных системах единиц приведены в таблице

Кроме указанных используются условные единицы вязкости; градусы Энглера (°Е). Соотношение между кинематической и условной вязкостью выражается формулой:

Более точный перевод приведен в приложении 3 ГОСТ 33-82
Соотношение между абсолютной и условной вязкостью

Условные единицы вязкости применяются для выражения вязкости высоковязких продуктов.
Практически в соответствии с ГОСТ 33-82 лабораторным способом определяется кинематическая вязкость жидкости. Сущность метода заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести.
Динамическая вязкость определяется путем расчета: u=p*y

Для более вязких продуктов, вязкость которых невозможно определить по ГОСТ 33-82 применяют другой метод и другие единицы измерения условной вязкости (градусы Енглера °Е) в соответствии с ГОСТ 6258-85.

Суть метода заключается в определении отношения времени истечения из вискозиметра испытуемого нефтепродукта при температуре испытаний ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды при температуре 20°С. Соотношения между единицами кинематической вязкости мм²/сек и градусами условной вязкости приведены в приложении 3 ГОСТ 33-82 в пределах от 1мм²/сек до 120 мм²/сек. Для более высоких значений кинематической вязкости в градусы условной вязкости следует пользоваться формулой ВУ=0,135*y, где y - кинематическая вязкость в мм²/сек.

Зависимость вязкости от температуры жидкости

С повышением температуры вязкость жидкостей понижается и с понижением соответственно повышается. На практике различают жидкости с небольшими пределами изменения вязкости. К ним относятся: вода, бензины различных марок, керосины и другие. Ко второй группе относятся жидкости, у которых при изменении температуры от +20 до -20 вязкость изменяется в 100 и более раз. Это масла.

Выразить закон изменения вязкости жидкости от температуры математическими уравнениями, пригодными для практического применения не представляется возможным, поэтому на практике пользуются номограммами приведенными ниже.

Номограмма зависимости вязкости легковоспламеняющихся нефтепродуктов от температуры
1-1 - бензин, 2-2 - бензол, 3-3 - лигроин, 4-4 - керосин тракторный, 5-5 - керосин осветительный.

1.3 Давление насыщенных паров жидкости - это свойство жидкости при определенной температуре и давлении находиться в равновесии с ее паровой фазой, то есть, сколько жидкости переходит из жидкой фазы в паровую и наоборот столько же переходит из паровой фазы в жидкую. В таком состоянии, то есть при таком внешнем давлении и изменении его в сторону снижения осуществить перемещение жидкости за счет создания более низкого давления (вакуума) невозможно, жидкость будет просто испаряться, и перемещаться будет только ее паровая фаза.

Величина давления насыщенных паров жидкости зависит от температуры самой жидкости. Чем выше температура, тем легче испаряется жидкость и выше величина давления насыщенных паров, и наоборот.

Давление насыщенных паров еще называют упругостью паров жидкости и способностью сплошного потока жидкости к разрыву при снижении величины давления со стороны всасывающего патрубка насоса.

Значение величины давления насыщенных паров очень важная характеристика жидкости и ее всегда необходимо учитывать при разработке всасывающей линии и подъеме жидкости на требуемую высоту по трубе с помощью насоса.

Единицы измерения давления насыщенных паров: Па, мм.рт.ст; м.вод.ст; бар.

Соотношения единиц измерения приведены в таблице.

Во всех случаях давление насыщенных паров приводится в абсолютных единицах, не путать с избыточным давлением, понятие которого применяется в технике.
Зависимость давления насыщенных паров для разных жидкостей приведена в таблице.

Рекомендуемые области применения динамических (центробежных) насосов или объемных (поршневых) в зависимости от вязкости при температуре перекачки указаны на рисунке.

График рекомендуемых областей применения центробежных и поршневых насосов.

2. Описание процесса всасывания жидкости с помощью вакуума создаваемого насосом во всасывающем трубопроводе.

Параметры, влияющие на всасывающую способность насоса, находятся между собой в следующей принципиальной зависимости.

где
А - давление на поверхности жидкости (атмосферное давление в Па)
p - плотность жидкости в кг/м³
g - ускорение свободного падения 9,8м/сек²
h - высота всасывания в м.
z - потеря давления во всасывающем трубопроводе определяется по формуле:

где
- коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формулам, приведенным в таблице при определенных значениях числа Рейнольдса

где
v - скорость жидкости в м/сек
d - диаметр всасывающего трубопровода в м.
y - кинематическая вязкость в м²/сек

Условный диаметр	Значение критерия Рейнольдса	Формулы для определения
50	2800<Re<3500	=0,3164Re-0,25
50	3500<Re<12000	*106=43300-0,626Re
50	12000<Re<200000	=0,0203+1,7*Re-0,5
80	2800<Re<5000	=0,3164Re-0,25
80	5000<Re<15000	*106=40200-0,505Re
80	15000<Re<320000	=0,0187+1,7*Re-0,5
100	2800<Re<6000	=0,3164Re-0,25
100	6000<Re<16000	*106=38700-0,451Re
100	16000<Re<400000	=0,0180+1,7*Re-0,5
150	2800<Re<12000	=0,3164Re-0,25
150	12000<Re<20000	*106=34800-0,322Re
150	20000<Re<700000	=0,0164+1,7*Re-0,5
200	2800<Re<14000	=0,3164Re-0,25
200	14000<Re<22000	*106=33200-0,275Re
200	22000<Re<1200000	=0,0157+1,7*Re-0,5
250	2800<Re<16000	=0,3164Re-0,25
250	16000<Re<28000	*106=32300-0,262Re
250	28000<Re<1600000	=0,0151+1,7*Re-0,5
300	2800<Re<20000	=0,3164Re-0,25
300	20000<Re<1800000	=0,0147+1,7*Re-0,5
350	2800<Re<38000	=0,3164Re-0,25
350	38000<Re<1900000	=0,0143+1,7*Re-0,5
400	2800<Re<47000	=0,3164Re-0,25
400	47000<Re<1900000	=0,01395+1,7*Re-0,5
450	2800<Re<54000	=0,3164Re-0,25
450	54000<Re<2250000	=0,01365+1,7*Re-0,5
500	2800<Re<69000	=0,3164Re-0,25
500	69000<Re<3000000	=0,01345+1,7*Re-0,5
600	2800<Re<83000	=0,3164Re-0,25
600	83000<Re<3500000	=0,01305+1,7*Re-0,5
700	2800<Re<200000	=0,3164Re-0,25
700	200000<Re<4000000	=0,01275+1,7*Re-0,5

Значения коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от значений числа Рейнольдса указаны на графиках, приведенных ниже.

l_прив - приведенная длина трубопровода

где
l - длина трубопровода;
- сумма эквивалентных длин местных сопротивлений (поворотов, сужений);
- сопротивление приемного (обратного) клапана, который устанавливается на конце всасывающей трубы для удержания столба жидкости от зеркала уровня последней до полости насоса.
Диаметр всасывающего трубопровода d определяется по формуле:

где
Q - требуемый расход в м³/c

Рекомендуемая скорость жидкости приведена в таблице:

h - кавитационный запас насоса м., величина, которого для каждого насоса определяется при выпуске и приводится в графике характеристик насоса и определяется по следующей методике:

С помощью выходной задвижки выставляют номинальное значение расхода Q_ном и путем частичного перекрытия входной задвижки достигается заметное влияние эффекта кавитации (повышенный шум, падение производительности и напора на величину до 50%) фиксируются показания манометров Р_м1 и Р_м2.

Кавитационный запас определяется по формуле:

где
h - кавитационный запас в м;
P_м1 - показание манометра на всасывающем трубопроводе в Па;
P_н.п - давление насыщенных паров жидкости при температуре испытаний;
Z_м1 - расстояние оси манометра до оси насоса в м.;
Q - подача насоса в м³/c;
d - диаметр входного трубопровода, в м.

Геометрическая высота всасывания насоса определяется по формуле:

Обозначения параметров формулы описаны выше.

Таким образом, был описан процесс всасывания жидкости в динамике, то есть имелось в виду, что насос и все подводящие трубопроводы заполнены, насос работает, и подача жидкости обеспечивается. Указаны критерии, при которых процесс может прерваться из-за разрыва сплошности потока.

Однако это никакого отношения не имеет к процессу самовсасывания насосом жидкости, когда подводящий трубопровод не заполнен жидкостью, и задача насоса создать в подводящем трубопроводе вакуум такой величины, чтобы жидкость под действием атмосферного давления была поднята, заполнила насос, и начался процесс подачи жидкости.

Безусловно, должны быть выполнены условия, рассмотренные выше, однако плюс к этому насос должен обладать функцией компрессора, то есть удалять воздух из всасывающей трубы. Обычный центробежный насос не обладает свойством самовсасывания и для запуска его в работу требуется полное заполнение всасывающей трубы и внутренней полости насоса перекачиваемой жидкостью. Он не способен удалять воздух из всасывающей магистрали.

Однако при применении специальных устройств эти насосы получают способность к самовсасыванию.
Такие устройства бывают четырех типов:

• дополнительная емкость на всасывающей трубе не сливаемая при остановке, величина которой должна быть больше объема всасывающей магистрали;
• дополнительный, объемный самовсасывающий насос для заполнения полостей насоса и всасывающей трубы;
• устройство рециркуляционное, в котором часть жидкости с выхода насоса подается на вход через трубу Вентури, которая создает вакуум в подводящей магистрали и таким образом производится самовсасывание;
• устройство сепарационного типа, в котором поток жидкости циркулирующей в насосе захватывает воздух из всасывающей магистрали.

На смесь жидкости с воздухом в колесе действует центробежная сила, которая разгоняет на периферию жидкость и направляет ее в один из каналов, а большую часть воздуха направляет во второй канал, соединенный с выходным патрубком. Таким образом, жидкость, находящаяся в насосе создает затвор, препятствующий прохождению воздуха с выхода на вход.

Во всех случаях необходимо обеспечивать свободный выход воздуха из выходного патрубка насоса, так как увеличение давления в нем не способствует эффективному самовсасыванию насоса. Объемные насосы теоретически все являются самовсасывающими, однако для получения эффективного процесса необходимо, чтобы их рабочие органы были смочены перекачиваемой жидкостью, а на выходе был обеспечен свободный выход воздуха и было как можно меньше паразитных объемов, то есть таких полостей из которых затруднен выход воздуха.

Параметры самовсасывания характеризуются:

• размерами заполняемой всасывающей линии (вместимостью);
• временем заполнения всасывающей линии до достижения определенной степени вакуумметрического давления и установившейся производительности насоса.
• типом (маркой) перекачиваемой жидкости;
• температурой перекачиваемой жидкости;
• величиной давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при температуре перекачки.

3 Описание процесса подачи жидкости в напорном трубопроводе насоса

Диаметр напорного трубопровода определяется по формуле:

где скорость потока жидкости выбирается из таблицы:

Потребный напор насоса будет равен

где
Z - потери в трубопроводе;
H - геометрическая высота подъема или требуемая величина рабочего давления в гидравлической системе при номинальной величине подачи жидкости.

Графически механическая характеристика насоса и характеристика гидравлической системы в зависимости от расхода изображены на рисунке.

Как видно из графиков характеристика гидравлической системы может меняться путем дросселирования, то есть частичного перекрытия задвижки на выходе насоса.

Дроссельная задвижка может устанавливаться и на входе в насос, тогда графически мы получим следующие характеристики.

В любом случае мощность на валу насоса определяется по формуле:

где
v - плотность жидкости в кг/м³;
Q - подача в м³/сек;
Н - полный напор в м;
W - потребляемая мощность насоса, кВт.

Мощность насосного агрегата:

где
n_эл - КПД электродвигателя

Указанные формулы справедливы для центробежных насосов и жидкостей с вязкостью от 1 до 8°Е или от 1 сСт до 58 сСт. Для жидкостей с вязкостью свыше 58сСт или 8°Е характеристики Q-H, Q-N, Q-? нарушаются и должны быть пересчитаны. На рисунке представлена номограмма для определения коэффициентов пересчета характеристик вязких центробежных насосов для перекачки вязких жидкостей, разработанная в Гидронефтемаше.

Определяемые по номограмме коэффициенты определяют следующие зависимости:

Величина потребляемой мощности

Кроме того, при максимальной производительности насоса должна проверяться допустимая величина токов фаз электродвигателя.
Величина последних не должна превышать значений для каждого электродвигателя (см.табл.).

На характеристике электронасоса значение мощности в координатах Q(H) должно быть потребляемым, то есть та, что снимается на питающих проводах, а значение КПД электронасоса на характеристике в координатах Q(H) должны рассчитываться от величин потребляемой мощности на проводах и фактических значений величин Q и H по формуле:

Практически мощность насосного агрегата измеряется ваттметром путем включения его попеременно в каждую фазу согласно схеме:

Значения номинальных токов для электродвигателей используемых в составе насосных агрегатов приведены в таблице:

Примеры

Задача 1

Обеспечить подачу бензина из заглубленного резервуара в автоцистерну с помощью насосного агрегата КМС и установки налива АСН-5.

Максимальная высота всасывания 4м. Расстояние по горизонтали от емкости до насоса 30м.
Трубопровод состоит из прямого участка без поворотов.
1. Перекачиваемая жидкость - бензин
2. Температура перекачки средняя +15°С
3. Давление насыщенных паров при t=15°С равен 42787Па
4. Кинематическая вязкость 0,7 сСт требуемая производительность налива 40-60м³/ч.
Насос КМС - имеет следующие характеристики:
- производительность до 65м³/ч;
- Напор 35м;
- Поддерживает функцию самовсасывания;
- Кавитационный запас 2,0м при производительности 50м³/ч.

1. Определяем диаметр всасывающего трубопровода, приняв скорость в трубопроводе 1,5м/сек:

Принимаем ближайшее значение

Проверяем условие безкавитационной работы насоса

Показания манометра
(максим. вакуум на всасывающей линии)

Если фактически манометр будет показывать более высокий вакуум, то причину надо искать в сопротивлении, которое может создавать приемный клапан или дополнительные отводы и другие сопротивления.

Задача 2

Обеспечить подачу бензина из наземного резервуара высотой 11м расположенного от установки налива на расстоянии 100м

- Перекачиваемая жидкость - бензин;
- Вязкость - 0,7сСт;
- Температура перекачиваемой жидкости -20..+40°С;
- Давление насыщенных паров 66,7кПа;
- Требуемая производительность перекачки 100м³/ч;
- Максимальная высота взлива 11м, минимальная 0,5м;
- Кавитационный запас насоса КМ 100/25 - 2,0

1. Определяем диаметр всасывающего трубопровода, рекомендуемая скорость прокачки 1,5м/сек

Принимается d_y=150мм
2. Условие безкавитационной работы насоса при высоте взлива 11м и при высоте взлива 1м.

где
Н - высота взлива
Условие безкавитационной работы

При высоте взлива 1 м

Условие безкавитационной работы выполняется

Показания мановакууметра при входе в насос должны быть

или 0,56 кг/см²
Если длина всасывающего трубопровода будет равна 200м, то его сопротивление будет равно

Условие безкавитационной работы

Условие не выполняется

Задача 3

Обеспечить подачу бензина насосом бензоколонки из емкости глубиной 4м с производительностью 50л/мин на расстоянии 20м.

Средняя температура продукта в заглубленной емкости 15°С
Диаметр всасывающей трубы 40мм
Продукт - бензин
Давление насыщенных паров 66,7кПа по Рейду при 38°С
Кавитационный запас насоса 1,5м.

Условие безкавитационной работы

Р_н.п при температуре 15°С равно 42787 Па

h=1,5м<1,52 условие безкавитационной работы выполняется.
Показания мановакууметра на входе в насос должны быть не более
P_м=1,5+1,52=3,02м (вакуума) или 0,30 кг/см²
Гидравлические характеристики систем выпускаемых изделий
АСН5 - гидравлическое сопротивление (в кг/см²) напорной части

Величины сопротивлений прямых участков труб различного диаметра длиной 10м на различных расходах при вязкости 1сСт=10^-6м²/сек

Расчет произведен по следующим формулам

где
Q - м³/ч, d - м, v - м/сек,

где
у - м²/сек

Для d_y>50 формулы для расчета приведены в таблице.