Работа насосов определяется несколькими ключевыми параметрами, среди которых основные — это подача, напор (давление), потребляемая мощность, полезная мощность и коэффициент полезного действия (КПД).
Давайте рассмотрим эти основные параметры более детально.
1. Подача насоса Q — это объем жидкости, который насос перемещает за единицу времени.
Считая, что в насосе жидкость практически не сжимается, чаще всего пользуются объёмной подачей (м 3 /с), реже – массовой подачей (кг/с).
2. Напор рабочего устройства H – это разница энергий единицы веса жидкости между сечениями потока после насоса и перед ним (или изменение удельной энергии перекачиваемой жидкости на участке от входа в насос до его выхода). (см. фрагмент № 1Г, рис. 1).
где z1 – расстояние от оси всасывающего патрубка до плоскости сравнения, м;
z2 – расстояние от оси нагнетательного патрубка до плоскости сравнения, м;
р1 и р2 – это абсолютные давления жидкости на входе и выходе устройства, Па;
V1 и V2 – скорости потока жидкости при входе и выходе насоса, м/с.
Высота напора насоса измеряется в метрах водяного столба.
Давление насоса р и его напор Н связаны соотношением р = ρgH, где ρg – удельный вес рабочей жидкости.
3. Мощность насоса N – энергия, подводимая от двигателя к насосу в единицу времени (Вт). N = Мкр·n, где Мкр – крутящий момент на валу двигателя; n – частота вращения вала.
4. Полезная мощность Nп – это мощность, которую насос передаёт жидкости (Вт). Формула для расчёта: Nп = рQ, где р – давление в Паскалях; Q – объёмная подача в м³/с.
5. Мощность насоса N больше полезной мощности Nп на величину потерь. Эти потери оцениваются КПД насоса η = .
Каждый насос снабжён паспортом, в котором приведена характеристика насоса, то есть зависимость основных параметров от подачи (для динамических насосов) или от давления (для объёмных насосов).
Подробнее о характеристике центробежного насоса см. Фрагмент № 3Г, о характеристике поршневого насоса см. Фрагмент № 4Г.
ПРИМЕЧАНИЕ
Для любителей точных формулировок приводим выдержки из ГОСТ 17398 – 72:
Объёмная подача насоса — это соотношение между объемом жидкости, которую он перекачивает, и временным интервалом.
НАПОР НАСОСА – величина, определяемая зависимостью .
МОЩНОСТЬ НАСОСА – это количество энергии, используемой насосом.
ПОЛЕЗНАЯ МОЩНОСТЬ НАСОСА – мощность, сообщаемая насосом подаваемой жидкой среде и определяемая зависимостью Nп = рQ.
КПД НАСОСА – отношение полезной мощности к мощности насоса.
Объемная подача поршневых насосов
В функционирующем насосе жидкости передается дополнительная энергия, которая используется для преодоления сопротивлений в напорной трубе и подъема жидкости в бак. Вертикальное расстояние h вс от свободной поверхности водоема до центра расположения насоса обозначается как вакуумметрическая высота всасывания. Потери энергии в всасывающем трубопроводе именуются потерями при всасывании. Вертикальное расстояние h н от центра насоса до уровня воды в баке называется геодезической высотой нагнетания. Энергетические потери в напорной линии именуются потерями при нагнетании. Общая сумма геодезических высот h вс + h н, добавленная к сумме потерь энергии в системе, называется напором насоса Н:
Н = h вс + h н + h wвс + h wн. (7.9)
Напор, развиваемый насосом, представляет собой количество энергии, сообщаемое насосом единице массы перекачиваемой жидкости. Напор измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости или в единицах давления.
Напор, развиваемый работающим насосом, можно определить также по формуле (7.9) с использованием показаний вакуумметра и манометра, которыми обычно оборудуются насосные установки (рис. 3.4):
H = h м + h в + Δh + (w н 2 – w в 2 ) / (2 g), (7.10)
где Н – высота подъема жидкости насосом, м;
h м – показание манометра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;
h в – значение вакуумметра, представленное в метрах столба перекачиваемой жидкости;
Δh – вертикальное расстояние между точками присоединения манометра и вакуумметра, м;
w н, w в – скорости в нагнетательной и всасывающей линиях (в местах присоединения манометра и вакуумметра), м/с;
g – прис ускорение свободного падения, м/с².
Одним из основных технических показателей насоса является также давление насоса р:
р = р к – р н + ρ (w к 2 – w н 2 ) / (2 g) + ρ g (z к – z н), (7.11)
где р к, р н – давление на выходе и на входе в насос, Па;
ρ – плотность жидкой среды, кг/м 3 ;
w к, w н – скорость потока жидкости на выходе и на входе насоса, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;
z к, z н – это высота центра масс сечения, относящегося к выходу и входу в насос, в метрах.
Напор насоса Н и давление насоса р связаны между собой зависимостью
Н = р / (ρ g), (7.12)
где ρ – масса единицы объема жидкости, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 .
Объемной подачей насоса называется отношение объема подаваемой жидкой среды ко времени.
Q = V / τ, (7.13)
где V – объема подаваемой жидкой среды, м 3 ;
τ – продолжительность времени, в секундах.
Определим объемную подачу для однопоршневого насоса одностороннего действия. Объем жидкости за один ход поршня равен:
V = F * S,
где F – площадь поршня, м 2 ;
S – ход поршня, м.
Если поршень выполняет n двойных движений (оборотов кривошипа) за 1 секунду, то его расчетная подача будет равна:
Q т = F S n.
Так как число двойных ходов поршня связано в угловой скоростью ω, рад/с,
выражением n = ω / (2 π), то можно записать, что теоретическая подача насоса равна
Q т = F S ω / (2 π). (7.14)
Фактическая подача Q ниже теоретической из-за задержки в закрытии впускных и выпускных клапанов, утечек через клапаны, сальники и поршневые уплотнения, а также из-за выброса воздуха из всасываемой жидкости. Реальная подача однопоршневого насоса одностороннего действия равна:
Q = η 0 Q т = η 0 F S ω / (2 π), (7.15)
где η 0 – коэффициент эффективности насоса, значение которого определяется его конструкцией (обычно в диапазоне 0,85…0,99)
Действительная подача однопоршневого насоса двустороннего действия равна:
Q = η 0 (2 F – f) S ω / (2 π), (7.16)
где f – площадь поперечного сечения штока, м 2 .
Действительная подача трехпоршневого насоса одностороннего действия равна утроенной подаче однопоршневого насоса одностороннего действия, т. е.
Q = 3 η 0 F S ω / (2 π). (7.17)
У двухпоршневого насоса двустороннего действия действительная подача равна удвоенной подаче однопоршневого насоса двустороннего действия:
Q = η 0 (2 F – f) S ω / π. (7.18)