Объёмные нагнетатели

Лекция № 13

Объёмные нагнетатели

13.1 ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

На рис. 13.1 показана схема простейшего поршневого насоса (см. лекц. 1) одностороннего всасывания с приводом через кривошипно-шатунный механизм. Передача энергии потоку жидкости происходит за счёт периодического увеличения и уменьшения объёма полости цилиндра со стороны клапанной коробки. При этом указанная полость сообщается то со стороной всасывания (при увеличении объёма), то со стороной нагнетания (сокращение объёма), путём открытия одного из клапанов; другой клапан при этом закрывается.

Рис. 13.1 Схема поршневого насоса                        Рис. 13.2 Индикаторная диаграмма

одностороннего действия                                      поршневого насоса

Изменение давления в указанной полости описывается так называемой индикаторной диаграммой. При движении поршня из крайнего левого положения вправо, в цилиндре создаётся разрежение Р_р, жидкость увлекается за поршнем. При движении поршня справа налево давление возростает до величины Р_наг, и жидкость выталкивается в нагнетательный трубопровод.

Площадь индикаторной диаграммы (рис. 13.2), измеренная в Нм/м², представляет собой работу поршня за два хода, отнесённую к 1 м² его поверхности.

В начале всасывания и в начале негнетания имеют место колебания давления, обусловленные влиянием инерции клапанов и «прилипанием» их к соприкасающимся поверхностям (сёдлам).

Рекомендуемые материалы

Подача поршневого насоса определяется размерами цилиндра и числом ходов поршня. Для насосов одностороннего действия (рис. 13.1):

,

где: n – число двойных ходов поршня в минуту; D – диаметр поршня, м; S - ход поршня, м; h_о – объёмный к.п.д.

Объёмный к.п.д. учитывает, что часть жидкости теряется через неплотности, а часть теряется через клапаны, которые закрываются не мгновенно. Он определяется при испытаниях насоса и составляет обычно h_о = 0.7-0.97.

Положим, что длина кривошипа R много меньше длины шатуна, т.е. R/L »0.

Двигаясь из левого крайнего положения в правое, поршень проходит путь

х=R-Rcosa,   где a - угол поворота кривошипа.

Тогда скорость движения поршня

,   где                                                                        (13.1)

Ускорение поршня:  

Очевидно, всасывание жидкости в клапанную коробку и нагнетание из неё происходят крайне неравномерно. Это вызывает возникновение инерционных сил, нарушающих нормальную работу насоса. Если обе части выражения (13.1) умножить на площадь поршня pD²/4, мы получим соответствующую закономерность для подачи (рис. 13.3)

Поэтому жидкость будет двигаться неравномерно по всей системе трубопроводов, что может привести к усталостному разрушению их элементов.

Рис. 13.3 График подачи поршневого насоса               Рис. 13.4 График подачи поршневого

одинарного действия                                                    насоса двойного действия

Одним из методов выравнивания подачи является использование насосов двойного действия (рис. 13.5), в которых за один оборот приводного вала происходит два хода всасывания и два хода нагнетания (рис. 13.4).

Другой способ повышения равномерности подачи заключается в применении воздушных колпаков (рис. 13.4). Воздух, заключённый в колпаке, служит упругой средой, выравнивающей скорости движения жидкости.

Полная работа поршня за двойной ход

, а мощность , кВт.

Рис. 13.5 Схема поршневого насоса

двойного действия с воздушным колпаком

Это так называемая индикаторная мощность – площадь индикаторной диаграммы. Действительная мощность N больше индикаторной на величину потерь механического трения, что определяется величиной механического к.п.д.

13.2 ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

По своему принципу действия, основанному на вытеснении рабочей среды поршнем, поршневой компрессор напоминает поршневой насос. Однако рабочий процесс поршневого компрессора имеет существенные отличия, связанные со сжимаемостью рабочей среды.

На рис. 13.6 показана схема и индикаторная диаграмма поршневого компрессора одинарного действия. На диаграмме r(v) по оси абсцисс отложен объём под поршнем в цилиндре, однозначно зависящий от положения поршня.

Двигаясь из правого крайнего положения (точка 1) влево, поршень сжимает газ в полости цилиндра. Всасывающий клапан закрыт в течение всего процесса сжатия. Нагнетательный клапан закрыт до тех пор, пока разность давлений в цилиндре и нагнетательном патрубке преодолеет сопротивление пружины. Затем нагнетательный клапан открывается (точка 2) и поршень вытесняет газ в нагнетательный трубопровод вплоть до точки 3 (крайнее левое положение поршня). Затем начинается движение поршня вправо вначале при закрытом всасывающем клапане, затем (точка 4) он открывается и газ поступает в цилиндр.

Рис. 13.6 Схема и индикаторная диаграмма          Рис. 13.7 Схема шестерёнчатого насоса

поршневого компрессора

Таким образом, линия 1-2 соответствует процессу сжатия. В поршневом компрессоре теоретически возможны:

Политропный процесс  (кривая 1-2 на рис. 13.6).

Адиабатный процесс  (кривая 1-2’’).

Изотермический процесс  (кривая 1-2’).

Протекание процесса сжатия зависит от теплообмена между газом в цилиндре и окружающей средой. Поршневые компрессоры выполняются обычно с водяным охлаждением цилиндра. При этом процесс сжатия и расширения являются политропными (с показателями политропы n<k, n=1.2…1.35).

Вытолкнуть весь газ из цилиндра невозможно, т.к. поршень не может вплотную подойти к крышке. Поэтому часть газа остаётся в цилиндре. Объём, занятый этим газом, называется объёмом вредного пространства. Это приводит к уменьшению объёма всасываемого газа V_вс. Отношение этого объёма к рабочему объёму цилиндра V_р, называется объёмным коэффициентом l_о=V_вс/V_р.

Теоретическая объёмная подача поршневого компрессора

.

Действительная подача Q=l_оQ_т.

Работа компрессора расходуется не только на сжатие газа, но и на преодоление сопротивления трения

A=A_ад+A_тр.

Отношение А_ад/А=h_ад называется адиабатическим к.п.д. если исходить из более экономичного изотермического цикла, то получим так называемый изотермический к.п.д. h_из=А_из/А, А=А_из+А_тр.

Если работу А умножить на массовую подачу G, то получим мощность компрессора:

N_i=AG – индикаторная мощность;

N_ад=A_адG – при адиабатном процессе сжатия;

N_из=A_изG – при изотермическом процессе сжатия.

Мощность на валу компрессора N_в больше индикаторной на величину потерь на трение, что учитывается механическим к.п.д.:   h_м=N_i/N_в.

Тогда общий к.п.д. компрессора h=h_изh_м.

13.3.1 ШЕСТЕРЕНЧАТЫЕ НАСОСЫ

Схема шестеренчатых насосов приведена на рис. 13.7.

Находящиеся в защеплении зубчатые колеса 1, 2 помещены в корпус 3. При вращении колес в направлении, указанном стрелками, жидкость поступает из полости всасывания 4 во впадины между зубьями и перемещается в напорную полость 5. Здесь при входе зубьев в защепление происходит вытеснение жидкости из впадины.

Минутная подача шестеренчатого насоса приближенно равна:

Q=pА(D_г-А)вnh_о,

где: А - межцентровое расстояние (рис. 13.7); D_г - диаметр окружности головок; в - ширина шестерен; n - частота вращения ротора, об/мин; h_о – объемный к.п.д., находящийся в пределах 0.7...0.95.

13.3.2 ПЛАСТИНЧАТЫЕ НАСОСЫ

Простейшая схема пластинчатого насоса показана на рис. 13.8. В корпусе 1 вращается эксцентрично расположенный ротор 2. В радиальных канавках, выполненных в роторе, перемещаются пластины 3. Участок внутренней поверхности корпуса ав и сd, а также пластины отделяют полость всасывания 4 от полости нагнетания 5. Вследствие наличия эксцентриситета e, при вращении ротора жидкость переносится из полости 4 в полость 5.

Рис. 13.8 Схема пластинчатого насоса                Рис. 13.9 Схема водокольцевого вакуум-насоса

Если эксцентриситет выполнен постоянным, то средняя подача насоса равна:

Q=f_аlznh_о,

где f_а - площадь пространства между пластинами, при пробегании его по дуге ав; l - ширина ротора; n - частота вращения, об/мин; h_о - объемный к.п.д.; z – количество пластин.

Пластинчатые насосы применяются для создания давлений до 5 МПа.

Информация в лекции "5.1. Общая характеристика европейской культуры Нового времени" поможет Вам.

13.3.3 ВОДОКОЛЬЦЕВЫЕ ВАКУУМ-НАСОСЫ

Насосы этого типа применяются для отсасывания воздуха и создания вакуума. Устройство такого насоса показано на рис. 13.9. В цилиндрическом корпусе 1 с крышками 2 и 3 эксцентрично расположен ротор 4 с лопастями 5. При вращении ротора вода, частично заполняющая корпус, отбрасывается к его переферии, образуя кольцевой объем. При этом объемы, находящиеся между лопастями, изменяются в зависимости от их положения. Поэтому возникает всасывание воздуха через серповидное отверстие 7,сообщающееся с патрубком 6. В левой части (на рис. 13.9), где объем уменьшается, происходит вытеснение воздуха через отверстие 8 и патрубок 9.

В идеальном случае (при отсутствии зазора между лопастями и корпусом) вакуум-насос может создавать во всасывающем патрубке давление, равное давлению насыщения пара. При температуре T=293 К оно будет равно 2.38 кПа.

Теоретическая подача:

,

где D₂ и D₁ – внешний и внутренний диаметры рабочего колеса, м; а – минимальное погружение лопасти в водяное кольцо, м; z - число лопастей; b – ширина лопасти; l – радиальная длина лопасти; s – толщина лопасти, м; n – частота вращения, об/мин; h_о – объёмный к.п.д.