Насосные установки

Транспортирование жидкостей и газов является необходимой операцией большинства технологических процессов пищевых производств. Наиболее распространенный вид транспортировки текучих сред – трубопроводный. В его состав входят трубопроводы, приемные и расходные резервуары (объемы всасывания и нагнетания), запорные и контрольно-измерительные устройства на трубопроводах, а также насосы, вентиляторы и компрессоры. Часто в него включают различные аппараты для обработки транспортируемых сред (например, теплообменные аппараты для нагревания или охлаждения). Правильное устройство трубопроводов, соединяющих аппараты друг с другом, с источниками сырья и хранилищами готовой продукции, а также машинами, имеет важное значение для производства.

Трубопроводы служат для транспортирования жидкостей с различными физико-химическими свойствами при атмосферном или высоком давлении, под вакуумом. Протяженность трубопроводов на некоторых заводах (спиртовые, сахарные) достигает десятков километров. Их стоимость составляет до 15 % от затрат на сооружение всего предприятия.

Большинство труб изготовляют из стали разных марок, однако в пищевой промышленности целесообразно использование труб из нержавеющей стали, стекла и пластических масс.

Трубы соединяют между собой, с резервуарами и аппаратами, с устройствами, необходимыми для контроля и управления потоками транспортируемой среды с помощью арматуры.

Соединения труб бывают разъемными и неразъемными. Разъемные соединения могут быть фланцевыми, резьбовыми и раструбными, неразъемные – сваркой, пайкой и склеиванием. Выбор типа соединения зависит от материала трубопровода, свойств транспортируемой среды, необходимости частых разборок, от температуры и давления.

Соединительные части трубопроводов обычно называют фасонными деталями, или фитингами. Они служат для перехода от одного диаметра трубы к другому, для поворота или разветвления трубопровода. Наиболее распространенные фасонные детали трубопроводов – отвод, колено, переход, двойник, крестовина.

Различают запорную и регулирующую арматуру. К трубопроводной арматуре относят также предохранительные и перепускные клапаны (для выпуска избытка потока при росте давления), обратные клапаны (препятствующие обратному движению потока), спускные краны, конденсатоотводчики, указатели уровня.

Запорная арматура (вентили, задвижки, краны) классифицируется:

- по способу соединения с трубопроводом (фланцевая, резьбовая и с концами под сварку);

- способу приведения в действие (приводная – открытие и закрытие прохода происходит под действием внешней силы, самодействующая – закрытие и открытие прохода происходит под воздействием потока, транспортируемого по трубопроводу).

Трубопроводная арматура характеризуется условным диаметром прохода и условным давлением.

Для герметизации соединений деталей трубопроводов между собой, а также в различной аппаратуре используют прокладочные материалы, обладающие эластичностью, достаточной прочностью, стойкостью к агрессивным средам, способностью сохранять прочность в определенных пределах температур.

Роль приемных и расходных резервуаров в насосных установках часто выполняют различные технологические аппараты, в том числе емкостного типа, с различными устройствами (змеевики, рубашки, перемешивающие устройства).

Для сообщения транспортируемой по трубопроводам жидкости энергии используются насосы. От работы насосов в значительной степени зависит качество пищевых продуктов, а также ход технологического процесса.

В общем случае к устройству насосов для пищевых продуктов и их работе предъявляют следующие основные требования:

- насос при работе должен оказывать возможно меньшее механическое воздействие на продукт, не изменять его природные свойства (например, не вызывать заметного изменения жировой фазы молока, не снижать ниже допустимой вязкость (консистенцию) кефира, сметаны и других продуктов);

- рабочие органы насосов, соприкасающиеся с продуктом, должны быть выполнены из нержавеющей стали или других материалов, разрешенных органами здравоохранения РФ для контакта с пищевыми продуктами;

- конструкция насосов должна обеспечивать безразборную мойку или быструю и легкую разборку для мойки;

- насосы должны легко присоединяться к трубопроводам;

- насосы должны обеспечивать наибольшую подачу при перекачивании жидкости из одной емкости в другую и создавать необходимое давление при нагнетании через аппараты технологической схемы при устойчивой подаче;

- насосы для дозирования пищевых продуктов должны обеспечивать равномерную подачу продукта и иметь устройства, которые ее регулируют.

Классификация трубопроводов и их расчет. Трубопроводы подразделяются на простые и сложные.

Простым считается трубопровод, не имеющий ответвлений (Рис 2.1, а, б), а сложным – трубопровод с ответвлениями (Рис 2.1, в, г, д).

Сложные трубопроводы делятся на тупиковые (Рис 2.1, в) и кольцевые (рис 5.1, г, д).

В тупиковых трубопроводах к любому узлу жидкость подводится только с одного направления, а в кольцевых – с двух и более. Сложные трубопроводы могут применяться в качестве систем водоснабжения или рассольного охлаждения. При этом могут быть использованы тупиковая или кольцевая схемы, однако необходимо учитывать, что кольцевая схема более надежна в эксплуатации, хотя и требует больших затрат на строительство.

Любой сложный трубопровод можно разбить на участки, в пределах которых его можно считать простым и расчет вести поэтапно от участка к участку.

При проектировании трубопроводов выполняют геометрический и гидравлический расчеты.

Геометрический расчет сводится к определению внутреннего диаметра трубопроводов. Из уравнения расхода

, (2.1)

где Q – заданный расход транспортируемой жидкости, м³/с; – скорость движения жидкости, м/с.

Скорость движения жидкости в трубопроводах предприятий пищевой промышленности следует выбирать в пределах 0,5…2,0 м/с. В формулу (2.1) целесообразно подставлять оптимальную скорость, однако ее определение требует сложного технико-экономического расчета.

После расчета диаметра трубы выбирают трубу ближайшего диаметра по сортаменту.

Увеличение скоростей транспортирования жидкостей ведет к росту гидравлического сопротивления, а следовательно, повышению энергетических затрат на транспортирование (мощности насосов).

При движении жидкостей со скоростями, превышающими 2 м/с, в трубопроводах появляется шум и увеличивается опасность возникновения гидравлического удара при резком открытии или закрытии запорной арматуры.

При гидравлическом расчете трубопроводов решаются задачи двух типов.

К первому типу относятся задачи, в которых при известных геометрических размерах трубопровода, расходе, физических свойствах жидкости нужно определить начальный напор (давление) или перепад давления в начале и конце системы.

Вторая задача заключается в определении необходимого расхода при известных геометрических размерах трубопровода, напоре (давлении), физических свойствах жидкости. Гидравлический расчет осуществляется с использованием уравнения Бернулли (1.122) и уравнения сплошности течения (1.27).

Первая задача решается при расчете простого трубопровода с целью определения требуемого напора (давления) насоса P _н, необходимого для выбора марки насоса установленного типа, обеспечивающего заданный расход Q _н.

Пусть имеем простой трубопровод, по которому жидкость из резервуара I перекачивается насосом в резервуар II (Рис 2.2).

Известны Q, μ, ρ, , d, l, Δ, z ₁, z ₂, p ₂. Необходимо определить давление в начале трубопровода p ₁ (или необходимый перепад давления Δp).

Выбираем характерные для данной схемы сечения и плоскость сравнения. Сечение 1-1 – сечение трубы в начале трубопровода, а сечение 2-2 совпадает со свободной поверхностью жидкости в резервуаре II. Плоскость сравнения лежит ниже сечения 1-1 (плоскость 0-0).

Так как в рассматриваемой схеме насосной установки имеют место потери напора по длине и в местных сопротивлениях, то, определяя их по формулам Дарси-Вейсбаха (1.174) и Вейсбаха (1.233), запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений:

.

Упростим уравнение, считая, что » 0 α ₁ = α ₂ = 1. Тогда после несложных преобразований получим:

. (2.2)

Скорость движения потока в трубопроводе определим по уравнению (2.1), а коэффициент гидравлического трения – по методике, изложенной в главе 3. Коэффициенты местных сопротивлений выбираем из справочной литературе.

Из формулы (2.2) определяем искомое давление p ₁ (или Δp).

Вторая задача сводится к определению скорости (расхода) жидкости по заданному напору (давлению).

Пусть имеем резервуар I, из которого по короткому простому трубопроводу вытекает жидкость (Рис 2.3).

Обычно известно: давление в начале трубопровода р ₁, давление в конце – р ₂, геометрические размеры трубопровода – l, d, физические свойства жидкости μ, , ρ, шероховатость внутренней поверхности трубы Δ.

Требуется определить скорость движения потока в трубе (или расход Q).

Составляют уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2:

. (2.3)

При решении задач подобного типа могут иметь место три случая:

а) площадь сечения 1-1 f ₁>> f ₂ площади сечения 2-2 (трубы);

б) f ₁ = f ₂;

в) f ₁<< f ₂.

В уравнении (2.3) кроме неизвестны также и λ. Если трубопровод состоит из нескольких участков разного диаметра, значения скоростей на каждом участке выражают, пользуясь уравнением сплошности потока

= const,

через скорость какого-либо одного участка.

Рассмотрим случай, когда f ₁>> f ₂. Тогда ₁<< ₂ и слагаемое .

Преобразуем выражение (2.3) относительно ₂, обозначив через – перепад гидростатических напоров в сечениях 1-1 и 2-2,

. (2.4)

Аналогично получаем выражение по определению для других случаев (f ₁ » f ₂, f ₁ << f ₂).

Для решения выражений применяют метод последовательных приближений.

Порядок расчета заключается в следующем:

- задаются скоростью движения жидкости в трубе;

- определяют режим движения;

- из справочной литературы выбирают значения коэффициентов местных сопротивлений ξ _i;

- по выражению (2.4) вычисляют значение в первом приближении;

- сравнивают полученное значение с принятым в начале расчета. Если ошибка составляет более 5 %, то выполняют второе приближение, задаваясь уже значением , полученным в первом приближении. Расчет продолжают до тех пор, пока ошибка составит менее 5 %.

Классификация, принцип действия и устройство насосов. Насосом называется гидравлическая машина, передающая энергию электродвигателя протекающей через нее жидкости. Энергия жидкости на входе в насос меньше, чем на выходе.

Все насосы по принципу действия делятся на два основных вида: динамические и объемные (рис 2.4).

Динамическими называются насосы, в которых жидкость перемещается под силовым воздействием в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса.

Объемными называются насосы, в которых жидкость перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры при переменном сообщении этой камеры со входом и выходом насоса.

Таким образом, динамические насосы можно также назвать «проточными», а объемные – «герметичными». В связи с этим для рабочего процесса динамических насосов характерны большие скорости движения их рабочих органов и жидкости, а рабочий процесс объемных насосов заключается в вытеснении жидкости из рабочих камер рабочими органами. Большие скорости рабочих органов в объемных насосах в принципе не обязательны, т. к. основную роль в рабочем процессе играет давление жидкости.

По виду сил, действующих на жидкость, динамические насосы делят на лопастные насосы и насосы трения. Силами, действующими на жидкость, являются: в лопастных насосах – возникающие при обтекании лопастей (лопаток) рабочих колес, а в насосах трения – силы трения.

По направлению движения жидкости в рабочем колесе насоса лопастные насосы делят на центробежные и осевые. В первых жидкость перемещается через рабочее колесо от центра к периферии, а во вторых – в направлении оси вращения колеса.

По тому же признаку насосы трения делят на:

вихревые, в которых жидкость перемещается по периферии рабочего колеса в окружном направлении;

дисковые, в которых жидкость перемещается от центра рабочего колеса, не имеющего лопаток, к периферии;

червячные, в которых жидкость перемещается по винтовым каналам вдоль оси вращения винта.

Две последних разновидности насосов применяются в качестве масляных насосов систем смазки некоторых двигателей и других машин.

Поскольку около 90 % динамических насосов, используемых в различных отраслях пищевой промышленности, являются центробежными, рассмотрим принцип их действия.

Проточная часть центробежного насоса (Рис 2.5) состоит из рабочего колеса 1, спирального отвода 2 и входного патрубка 3. Рабочее колесо обычно состоит из двух дисков, один из которых насажен на вал, а второй скреплен с первым лопатками и имеет входное отверстие. В некоторых конструкциях второй диск отсутствует (открытое колесо).

Принцип действия центробежного насоса заключается в силовом воздействии лопаток вращающегося колеса на жидкость, протекающую через межлопаточные каналы. В результате этого воздействия жидкость непрерывно отбрасывается в спиральный отвод с увеличенной скоростью и повышенным давлением. Спиральный отвод имеет улиткообразную форму и предназначен для того, чтобы уловить уходящую из колеса жидкость и частично преобразовать ее кинетическую энергию в энергию давления. Дальнейшее преобразование кинетической энергии происходит в диффузоре 4, который часто устанавливают на выходе из насоса.

Если при наполненных жидкостью корпусе и всасывающем трубопроводе привести во вращение рабочее колесо, то жидкость, находящаяся в каналах рабочего колеса (между его лопастями), под действием центробежной силы будет отбрасываться от центра колеса к периферии. В результате этого в центральной части колеса создается разрежение, а на периферии – повышенное давление. Под действием этого давления жидкость из насоса поступает в напорный трубопровод, одновременно через всасывающий трубопровод под действием разряжения жидкость поступает в насос. Таким образом осуществляется непрерывная подача жидкости центробежным насосом.

Центробежные насосы могут быть не только одноступенчатыми (с одним рабочим колесом – Рис 2.6), но и многоступенчатыми (с несколькими рабочими колесами). При этом принцип их действия во всех случаях остается одним и тем же: жидкость перемещается под действием центробежной силы, развиваемой вращающимся рабочим колесом.

Для уплотнения вала насоса в корпусе с целью предотвращения утечек перекачиваемой жидкости устанавливается сальник 5, конструкция которого определяется давлением в насосе, частотой вращения вала рабочего колеса насоса, видом перекачиваемой жидкости (агрессивность, содержание твердых примесей, температура и т. п.).

Центробежные насосы классифицируют по ряду признаков.

По количеству колес:

одноколесные насосы. Напор, создаваемый таким насосом, зависит от частоты вращения колеса, которая ограничивается его прочностью;

многоколесные (многоступенчатые) насосы, состоящие из нескольких рабочих колес, вращающихся на общем валу в общем корпусе. В этом насосе жидкость проходит последовательно через все колеса. Подача многоколесного насоса такая же как одноступенчатого насоса с колесом таких же размеров и при тех же оборотах. Но напор многоступенчатого насоса равен сумме напоров, развиваемых каждым колесом в отдельности. Число колес достигает иногда двенадцати. Дальнейшее увеличение их числа нежелательно из-за значительного прогиба вала и биения при вращении. Теперь есть многоступенчатые насосы, создающие напор более 4000 м.

По создаваемому напору: низконапорные, развивающие напор до 20 м; средненапорные, от 20 до 60 м; высоконапорные, свыше 60 м.

По расположению входа в насос: с боковым входом; с осевым входом; с двусторонним входом – колесо такого насоса представляет собой как бы сложенные тыльными сторонами два колеса с боковым входом (жидкость входит в колесо с двух сторон, благодаря чему увеличивается подача насоса).

По расположению oси вращения рабочих органов: горизонтальные (наиболее распространенные); вертикальные.

По виду разъема корпуса: с осевым разъемом (разъем корпуса происходит в плоскости от рабочего колеса); с торцевым разъемом (разъем происходит в плоскости, перпендикулярной оси рабочего колеса).

По способу соединения с двигателем: приводные, соединенные с двигателем ременной передачей или редуктором; соединенные непосредственно с двигателем при помощи муфты; моноблок-насосы. Рабочее колесо установлено на одном валу с электродвигателем.

По назначению и роду перекачиваемой жидкости: для чистой воды; канализационные; производственно-технические (для перекачивания нефти, кислот, горячей и шахтной воды); землесосы и песковые насосы; шлаковые и др.

Конструкции насосов отличаются друг от друга в зависимости от назначения.

К вихревым относятся насосы, в которых поток жидкости создается за счет сил трения или инерции (Рис 2.7).

Жидкость захватывается лопатками рабочего колеса 2 у входного патрубка 3 в кольцевой канал между рабочим колесом и корпусом 1, попадает в межлопаточную полость рабочего колеса 2 и затем вновь выбрасывается в кольцевой канал.

Таким образом, при прохождении межлопаточных полостей колеса на пути от входа 3 к выходу 4 жидкость многократно получает приращение энергии. В силу этого при одном и том же диаметре рабочего колеса вихревые насосы развивают напор в 2…4 раза больше, чем центробежные. Благодаря этому вихревые насосы имеют меньшие габаритные размеры и массу по сравнению с центробежными насосами тех же рабочих параметров.

Важным преимуществом вихревых насосов является и то, что они обладают самовсасывающей способностью, что намного упрощает их эксплуатацию. Одним из направлений совершенствования вихревых насосов является также разработка мер по регулированию параметров их работы.

Вихревой насос (рис 2.8) содержит корпус 1 с отсекателем 5 и рабочим каналом 4, который перекрывается регулируемой заслонкой 2, имеющей П-образную форму, и лопаточное рабочее колесо 3, расположенное в корпусе. Заслонка установлена с возможностью радиального перемещения. При работе насоса рабочая среда перемещается рабочим колесом по каналу от входа к выходу. Посредством радиального перемещения заслонки часть рабочего канала выключается из работы, обеспечивая большее или меньшее значение напора и подачи соответствующим изменением потребляемой мощности.

Для гидротранспортирования сред с содержанием твердых и эластичных кусков материала весьма перспективно применение свободно-вихревых насосов. Отличительной особенностью насосов этого типа является то, что полуоткрытое рабочее колесо, располагающееся в нише задней стенки корпуса, образует с передней внутренней поверхностью корпуса свободную камеру. В результате этого при вращении рабочего колеса воздействию лопастей подвергается не весь поток, а только 15…20 %. Эта часть потока (циркуляционный поток) воздействует на основной, который проходит через свободную камеру, за счет вихревого энергообмена и проявления сил вязкостного трения. Основной поток жидкости проходит через свободную камеру, минуя вращающееся рабочее колесо. Поэтому насос имеет малую засоряемость, удобен для мойки и стерилизации.

Эффективность работы свободно-вихревого насоса улучшается, если рабочее колесо снабжено предохранительным элементом, отделяющим от него поток. В этом случае жидкая среда попадает на вращающееся рабочее колесо отфильтрованной, в результате чего исключается его поломка и уменьшается абразивный износ. Конструктивно предохранительные устройства могут быть решетчатыми, сетчатыми, установленными на самом рабочем колесе или неподвижно соединенными с корпусом.

Свободно-вихревой насос (рис 2.9),с конической предохранительной решеткой 2 обеспечивает самоочищение решетки и повышает устойчивость работы насоса. Основной поток 6, поступающий в корпус 1 насоса делится на циркулирующий поток 5, проходящий через отверстия 3 в решетке 2, и остальную часть, включающую крупные включения твердых тел.

Вследствие разности диаметров диска и колеса образуется щель 4, служащая каналом выхода жидкости в свободную камеру. Крупные включения твердых тел, содержащиеся в жидкости, задерживаются на решетке и отбрасываются центробежными силами в основной поток.

Для трубопроводного транспортирования кусковых эластичных материалов можно использовать динамический насос трения шнекового типа КРК (фирма АМАГ, Германия, Рис 2.10).

В насосах этого типа продукт с жидкостью, поступивший в камеру всасывания 3, подхватывается вращающейся лопастью, имеющей вид сужающегося шнека (спирали), и за счет силы трения перемещаемая среда скользит по наружной поверхности лопасти и внутренней поверхности корпуса 1, направляясь в камеру нагнетания 4. Насос развивает напор до 30 м, имеет подачу до 140×10³ м³/с.

Для перемещения пастообразных сред широко применяются шнековые вытеснители (рис 2.11). В этом насосе шнек 2 имеет левую и правую навивку. Корпус 1 насоса герметичен и имеет штуцер 3 для присоединения к вакуум-насосу. При входе в горловину насоса продукт вакуумируется и, захваченный шнеком, перемещается от центра влево. Затем входит в полую трубу шнека, перемещается к выходным отверстиям, второй раз вакуумируется и напорным винтом подается в нагнетательный трубопровод. Такая конструкция насоса позволяет осуществить высокую степень вакуумирования продукта. Обратный перепуск продукта из зоны высокого давления в зону низкого давления минимален.

Это объясняется тем, что внутренняя поверхность корпуса насоса футеруется фторопластом и винт при вращении выбирает в футеровке пазы, соответствующие своему профилю, значительно уменьшая зазоры.

Лабиринтными называют насосы со шнеком и обоймой, имеющие нарезку (каналы) противоположного направления (рис 2.12).

Основными деталями лабиринтных насосов являются шнек (ротор) 1 и обойма (статор) 2 корпуса; шнек расположен относительно обоймы с некоторым зазором. При вращении шнека жидкость получает многократное приращение кинетической энергии в канавках 4 ротора и движется по винтовым каналам 3 обоймы от всасывающего патрубка к нагнетательному. Коэффициент полезного действия этих насосов невелик – до 0,30…0,35. При малой подаче (2…4 м³/ч) они способны развивать значительные напоры (до 60…80 м).

Детали проточной части лабиринтных насосов изготовляют из материалов, стойких к химически активным жидкостям, поэтому они находят применение как в химической промышленности, так и в пищевой.

Струйные насосы (гидроэлеваторы или эжекторы) относятся к группе насосов - аппаратов, т. е. насосов, не имеющих движущихся частей. Они действуют по принципу передачи кинетической энергии от потока рабочей жидкости к потоку перекачиваемой жидкости, при этом подача энергии от одного потока к другому происходит непосредственно без промежуточных механизмов (рис 2.13).

Струйный насос состоит из подвода рабочей жидкости 1, входного конуса 2, сопла 3, камеры смешения 4 и диффузора 5. Принцип действия струйного насоса основан на использовании уравнения Бернулли, согласно которому сумма удельной потенциальной и кинетической энергии потока во всех его сечениях постоянна. В сопле жидкость приобретает большую скорость, кинетическая энергия ее возрастает, а потенциальная, следовательно, уменьшается. При этом давление снижается и при определенной скорости становится меньше атмосферного, т. е. во всасывающей камере возникает вакуум. Под действием вакуума вода из приемного резервуара по всасывающей трубе поступает во всасывающую камеру и далее в камеру смешения. В камере смешения происходит перемешивание

Дата добавления: 2015-07-20