учебник по ОПОВ

2.2.7 Маркировка трубопроводов

В соответствии с требованиями Закона по Охране здоровья и Безопасности труда Эстонии трубопроводы, содержащие опасную или ядовитую субстанцию, должны быть промаркированы соотвествующими символами опасности, названием субстанции, цветовой идентификацией и направлением движения потока. Правильная идентификация и маркировка трубопровода позволяет существенно снизить травматизм, несчастные случаи, обеспечит быстрое, безопасное и экономичное восстановление и развитие трубного хозяйства любого производства.

Таблица 2.2.1 Цветовая маркировка трубопроводов

2.2.8Контрольные вопросы по теме «Трубопроводы»

Что такое условный проход и номинальное давление трубопровода?

Для чего нужны фитинги?

Какие виды соединений труб существуют?

Перечислите основные виды запорной арматуры.

Какие компенсаторы линейного расширения труб существуют?

Перечислите основные виды регулирующей арматуры.

90

2.3 Насосы и компрессоры

В химическом производстве большинство технологических процессов происходит с участием жидких веществ. Например, сырье, которое подают со склада на установку, промежуточные продукты, перемещаемые между аппаратами, установками и цехами, конечные продукты, доставляемые в емкости готовой продукции. На все перемещения жидкостей необходимо затратить энергию. Наиболее распространенным источником энергии является насос, который создает напорный поток жидкости.

Насос - гидравлическая машина, предназначенная для сообщения жидкости энергии. В насосах механическая энергия двигателя преобразуется в энергию жидкости.

2.3.1 Классификация и параметры работы насосов

Классификация насосов

По основным параметрам: номинальной мощности, номинальному напору, номинальной подаче;

По принципу действия: динамические (лопастные) и объемные

По назначению: химические, энергетические, питательные, нефтяные, кислотные, общего назначения.

По конструктивному исполнению: одно- и многоступенчатые,

горизонтальные и вертикальные, погружные, герметичные, футерованные.

По основным параметрам: номинальной мощности (микро, малый,

средний, крупный), напору (низкий, средний, высокий), подаче (с малой, средней, большой подачей).

Лопастные и объемные насосы принципиально различаются по виду энергии, сообщаемой жидкости в момент её передачи. В лопастных (динамических) насосах энергия и давление жидкости повышаются под действием центробежной силы, возникающей при вращении лопастных колёс или сил трения. В объемных насосах энергия давления повышается в результате вытеснения жидкости из замкнутого пространства телами, двигающимися возвратно-поступательно или вращательно.

Основные параметры насосов

Работу любого насоса характеризуют следующие основные параметры:

Напор насоса Н, м - это высота, на которую может быть поднят 1 кг перекачиваемой жидкости за счет энергии, сообщаемой ей насосом - поэтому напор не зависит от плотности транспортируемой жидкости. Напор измеряется в метрах, но представляет собой избыточную удельную энергию сообщаемую насосом единице массы жидкости. Иногда вместо

91

напора насоса удобнее использовать величину, называемую давлением насоса рн, Па.

Производительность насоса, подача насоса Qv, м3/с – объём жидкости,

подаваемой насосом в нагнетательный (выходной) трубопровод в единицу времени.

Полезная мощность насоса Nп, Вт, кВт – мощность, сообщенная жидкости в насосе

ρ – плотность жидкости, кг/м3

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2

Q – производительность насоса, м3/с

Н– напор насоса, м

Потребляемая мощность насоса Nd, Вт, кВт – мощность, подведенная к насосу от двигателя

ηн – коэффициент полезного действия насоса (к.п.д). Характеризует долю полезной мощности по отношению к потребляемой. Учитывает все потери энергии в насосе.

ηн = 0,8 - 0,9 для поршневых насосов

ηн = 0,6 - 0,8 для центробежных насосов

Существует три вида потерь энергии в насосе: объемные, гидравлические, потери на трение.

мех механический к.п.д., характеризует потери мощности на механическое трение в насосе (например, в сальниках)

Для обеспечения перемещения жидкости насос монтируют совместно с другим оборудованием по определенной схеме, создавая насосную установку. В схему входят: резервуары (исходный и напорный), всасывающий и напорный трубопроводы, запорно-регулирующая арматура (рис. 2.3.1.)

92

Насос 4 выкачивает жидкость из исходного резервуара 1 (в данном примере это открытая емкость) по всасывающему трубопроводу 2 и подает ее по напорному трубопроводу 6 в резервуар 8. Задвижка 7 служит для регулирования подачи насоса, приборы: 3 - вакуумметр В и 5 - манометр М - для определения напора,

создаваемого насосом.

Рис. 2.3.1. Схема насосной установки:

1 – исходный резервуар с жидкостью; 2 – всасывающая труба; 3 – вакуумметр; 4 – насос; 5 – манометр; 6 – напорная труба; 7 – задвижка; 8 – напорный резервуар; h – расстояние между приборами; hвс – высота всасывания; hн – высота нагнетания; Нг – высота подъема жидкости; р1 и р2

– давления в исходном и напорном резервуарах.

Напор насоса Нн в данной насосной установке затрачивается на подъем жидкости на высоту Нг, которая является суммой высоты всасывания hвс и высоты нагнетания hн и высоты потерянного напора hп, который затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления во всасывающем и напорном трубопроводах.

Если исходный и напорный резервуары закрыты и давление в них соответственно равно р1 и р2, то уравнение имеет вид:

Напор насоса Нн определяют по показаниям манометра рм и вакуумметра рв, обычно пренебрегая разностью скоростных напоров в напорной и всасывающей линии ввиду их малой величины:

где h – расстояние между приборами по вертикали. Величина небольшая, ею можно пренебрегать.

2.3.2 Центробежные насосы

Центробежные насосы широко распространены в химическом производстве благодаря простоте конструкции и обслуживания. Они работают при высокой частоте вращения вала. Поэтому промежуточная передача (ременная или редуктор) между валом двигателя и валом насоса отсутствует. Центробежные насосы имеют высокий к.п.д. Основным недостатком таких насосов является зависимость развиваемого напора от подачи. Это затрудняет регулирование их параметров.

93

Устройство и принцип действия центробежного насоса

На рис. 2.3.2. представлена схема центробежного консольного насоса. Название обусловлено тем, что его рабочее колесо закреплено на свободном конце вала 9 – консоли. Насос имеет корпус, напоминающий улитку, в который помещено рабочее колесо. Рабочее колесо состоит из двух дисков: переднего и заднего, между которыми находятся рабочие лопасти (лопатки) 3 криволинейной формы. В переднем диске есть окно для ввода жидкости в рабочее колесо.

Рис. 2.3.2. Центробежный консольный насос: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – линия для залива насоса перед пуском; 5 – всасывающий трубопровод; 6 – обратный клапан; 7 – фильтр; 8 – нагнетательный трубопровод; 9 – вал; 10 – сальник.

Насос работает следующим образом. Рабочее колесо, закрепленное на валу, вращается с большой угловой скоростью. Жидкость, залитая в корпус насоса 1 перед пуском, лопастями вовлекается во вращательное движение. Центробежные силы заставляют её двигаться по рабочим каналам между лопастями от центра колеса к периферии. Покинув рабочее колесо, жидкость продолжает двигаться по каналу в корпусе к выходному патрубку – нагнетательному трубопроводу. При оттоке жидкости в центральной части насоса понижается давление. Образуется разность давлений на поверхности жидкости в заборном резервуаре и в центре насоса. За счет этой разности давлений жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу и через всасывающий патрубок поступает в полость насоса, занимая место предыдущей порции ушедшей жидкости. Указанный процесс происходит непрерывно без нарушения непрерывности потока.

Из рабочего колеса жидкость выходит с большой скоростью. Для преобразования скоростного напора в энергию давления вокруг рабочего колеса устанавливают направляющий аппарат. Он представляет собой кольцо, состоящее из двух дисков с направляющими лопатками. Скорость жидкости на выходе из

направляющего аппарата меньше, чем на входе, а давление, наоборот, больше.

Канал в корпусе насоса сделан расширяющимся – корпус имеет форму улитки. Согласно уравнению неразрывности потока при расширении уменьшается скорость потока. Давление в соответствии с уравнением Бернулли, наоборот, повышается. Дополнительное уменьшение скорости происходит в выходном коническом, расширяющемся патрубке - диффузоре. Таким образом, преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию происходит в

94

самом насосе. По нагнетательному трубопроводу жидкость поступает в приемный резервуар. Так как центробежный насос не может засасывать жидкость вследствие разности плотностей жидкости и воздуха (паров), то перед пуском всасывающий трубопровод и корпус насоса должны быть залиты перекачиваемой жидкостью или же в них необходимо создать разрежение специальным насосом. Рабочие лопасти насоса загнуты назад по отношению к направлению вращения. Если их загнуть вперед, то скорость потока на выходе из колеса будет большей. Таким образом, без увеличения диаметра колеса можно создать и больший напор. Но при этом увеличиваются гидравлические потери, снижается к.п.д. насоса. Поэтому обычно предпочитают увеличить размеры насоса, но при экономичной работе, т.е. создают лопатки, загнутые назад.

Законы пропорциональности. Характеристика насоса

Каждый центробежный насос имеет определенную производительность (подачу) Q, напор Н, частоту вращения вала n, мощность N. При этом насос должен работать в области максимального значения к.п.д. Однако при эксплуатации часто приходится использовать имеющийся насос для других условий работы, что изменяет его рабочие показатели. Поэтому необходимо знать взаимосвязь между всеми рабочими параметрами насоса.

С изменением числа оборотов колеса насоса изменяются его производительность, напор и потребляемая мощность.

Зависимости носят название законов пропорциональности. Согласно этим законам:

производительность центробежного насоса пропорциональна частоте вращения вала

развиваемый насосом напор пропорционален квадрату частоты вращения вала

гидравлическая мощность насоса пропорциональна кубу частоты вращения вала

Например, при увеличении частоты вращения вала в два раза подача насоса увеличится в два раза, напор возрастет в четыре раза, а мощность – в восемь раз. Зависимость между напором H, мощностью N, к.п.д. насоса и его производительностью Q при постоянной частоте вращения (n = const) изображают графически и называют характеристикой насоса (рис. 2.3.3.).

95

требуется увеличить напор, развиваемый насосной установкой при неизменной подаче. Расход в любом сечении трубопровода при таком соединении

насосов одинаков, а общий напор, создаваемый установкой, представляет собой сумму напоров отдельных насосов.

Целью параллельного соединения насосов (рис. 2.3.6.) является увеличение подачи жидкости в трубопровод. Насосы одновременно работают на один общий напорный трубопровод. Это обеспечивает увеличение подачи жидкости. Однако, суммарная подача насосов меньше, чем сумма подач этих же насосов при их раздельной работе. Общий напор всегда больше напора, развиваемого насосами при отдельной работе.

Рис.2.3.6. Схема параллельного соединения насосов

Высота всасывания насоса. Кавитация

Высота всасывания насоса hвс – это расстояние по вертикали от уровня жидкости в исходном резервуаре до оси насоса (рис. 2.3.7.).

Рис. 2.3.7. Высота всасывания насоса: а – образование вакуума в насосе; б – установка насоса с «подпором»; 1 – насос; 2 - резервуар

Достижимая высота всасывания должна быть

pa – атмосферное давление, если отбор жидкости производится из открытого резервуара, Па;

pнас – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости, Па;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

97

g – ускорение силы тяжести, 9,81м/с2;

wвс – скорость жидкости в линии всасывания, м/с;

hп вс – потери напора на линии всасывания, м

Высота всасывания уменьшается с понижением атмосферного давления и увеличением давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости.

Высота всасывания при перекачивании жидкости из открытых резервуаров не может быть больше высоты столба перекачиваемой жидкости, соответствующего атмосферному давлению.

Обычно для жидкостей при температуре окружающей среды hвс не превышает 5- 6м. Для горячих жидкостей hвс намного меньше. Зависимость для расчета hвс справедлива для всех насосов. При расчете вводят поправки в зависимости от типа насоса.

Таким образом, насос нельзя устанавливать на произвольной высоте над уровнем жидкости в резервуаре. Чем больше высота всасывания, тем меньше давление на входе в насос. При его понижении до давления насыщенных паров жидкости возникает явление кавитации.

Кавитация заключается в том, что в случае локальных понижений давления в насосе (ниже давления насыщенного пара жидкости при данной температуре) из жидкости начинают выделяться пары и растворенные в ней газы. Пузырьки пара, увлекаемые жидкостью по каналам колеса в область более высоких давлений, быстро конденсируются. Жидкость мгновенно проникает в пустоты, образующиеся при конденсации пузырьков. Это приводит к многочисленным мелким гидравлическим ударам. Отсюда резкое снижение подачи, напора насоса, быстрое его разрушение. Если этот процесс происходит на поверхности детали насоса, имеющей микротрещины, то под действием ударов они будут расширяться и разрушат насос. Работа насоса становится неустойчивой, подача не постоянной.

Для предотвращения кавитации:

повышают давление жидкости на входе в насос

снижают высоту всасывания

При определении высоты всасывания из рассчитанного значения h вс вычитают некоторую высоту – кавитационный запас (приводится в каталогах по насосам).

Основным условием всасывания является рвс > рнас перекачиваемой жидкости при данной температуре. В противном случае будет сильное выделение паров и растворенных в жидкости газов, разрыв потока, резкое снижение высоты всасывания или прекращение поступления жидкости в насос.

98

Понижение давления на входе в насос связано с гидравлическими потерями. Для уменьшения кавитации всасывающий трубопровод должен иметь:

минимально возможную длину и большой диаметр по сравнению с напорной трубой;

минимальное количество местных сопротивлений, например, поворотов.

Все это уменьшает гидравлические потери, а значит, повышает давление на входе в насос. Иногда для предотвращения кавитации высоту всасывания делают отрицательной, т.е. насос устанавливают ниже уровня жидкости в исходном резервуаре. Такой насос работает с «подпором ». «Подпор» повышает давление на входе в насос.

2.3.3 Поршневые насосы

Поршневые насосы относятся к насосам объемного действия. В объемных насосах энергия давления повышается в результате вытеснения жидкости из замкнутого пространства телами, двигающимися возвратно-поступательно или вращательно. В зависимости от этого различают:

поршневые, плунжерные, диафрагменные (возвратно-поступательные);

шестерённые, винтовые (вращательные или роторные).

Достоинством объемных насосов является тот факт, что их напор не зависит от подачи. Основные недостатки: тихоходность, громоздкость, наличие клапанов, требующих особого ухода и ремонта, неравномерность всасывания и нагнетания жидкости, металлоемкость.

Классификация поршневых насосов

В зависимости от конструкции поршня: собственно поршневые и плунжерные (скальчатые);

В зависимости от числа всасываний и нагнетаний (за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма или за два хода S поршня): простого действия и многократного действия;

В зависимости от расположения поршня: вертикальные и горизонтальные

Поршневой насос простого действия

Насос состоит из корпуса-цилиндра 1, внутри которого возвратно-поступательно движется поршень 2. При движении поршня из левого крайнего положения в крайнее правое положение в цилиндре создается разрежение. Вследствие этого поднимается всасывающий клапан 6, и жидкость по трубе поступает в цилиндр, двигаясь за поршнем 2. При ходе поршня справа налево в цилиндре создается избыточное давление, клапан 6 опускается, нагнетательный (напорный) клапан 8

99