Объемные насосы – насосы, в которых перемещение жидкости (или газа) осуществляется в результате периодического изменения объема рабочей камеры.
В объемных насосах энергия и давление повышаются в результате вытеснения жидкости из замкнутого пространства телами, движущимися возвратно-поступательно или вращательно. В соответствии с этим по форме движения рабочих органов их подразделяют на возвратно-поступательные (поршневые, плунжерные, диафрагменные) и вращательные, или роторные (шестеренные, винтовые и др.).
Наиболее распространенным типом объемных насосов являются поршневые. Насос состоит из цилиндра 1(рисунок 1), в котором с помощью кривошипно-шатунного механизма движется возвратно-поступательно поршень 2; при движении поршня слева направо (из крайнего левого положения (а)в цилиндре возникает разрежение, вследствие чего всасывающий клапан 4поднимается и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу 6поступает в цилиндр 1и движется за поршнем. Нагнетательный клапан 5при этом закрыт, так как на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе 7. При ходе поршня справа налево (из крайнего правого положения (в))в цилиндре создается избыточное давление, под действием которого закрывается (опускается) всасывающий клапан, а нагнетательный клапан 5открывается, и жидкость поступает в нагнетательный
трубопровод.
Рис. 1– Горизонтальный поршневой насос простого действия:
1 – цилиндр; 2 – поршень (l x – ход поршня); 3 – кривошипо-шатунный механизм;
4 – всасывающий клапаны; 5 – нагнетательный клапаны;6 – всасывающий трубопроводы 7 – нагнетательный трубопроводы
Таким образом, за один двойной ход поршня l x происходит одно всасывание и одно нагнетание, т.е. процесс перекачивания жидкости таким насосом, который называют насосом простого действия, осуществляется неравномерно.
В зависимости от числа всасываний и нагнетаний за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма или за один двойной ход поршня. Поршневые насосы подразделяют на насосы простого и многократного действия. У последних достигается более равномерная подача и более высокая подача, чем у насосов простого действия.
По расположению поршня различают горизонтальные и вертикальные поршневые насосы.
По частоте вращения вала кривошипа поршневые насосы подразделяют на тихоходные (40-60 об/мин), нормальные (60-120 об/мин) и быстроходные (120-180 об/мин и более).
Разновидностью поршневого насоса простого действия является диафрагменный (мембранный) насос (рисунок 2), который применяют для перекачивания загрязненных и химически агрессивных жидкостей.
Рис. 2–Диафрагменный (мембранный) насос:
1 − корпус; 2 − клапаны; 3 − цилиндр; 4 − плунжер; 5 – диафрагма
В этом насосе цилиндр 3 и плунжер 4 отделены от перекачиваемой жидкости гибкой перегородкой-диафрагмой 5 из резины или специальной стали. При ходе плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе ее стороны прогибается вправо, открывается нижний клапан 2, и жидкость поступает в насос. При ходе плунжера вниз диафрагма прогибается влево, открывается верхний клапан 2 (нижний клапан при этом закрывается), и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод.
Серьезным недостатком поршневых насосов простого действия является неравномерность их работы. Существенно снижается неравномерность в насосах многократного действия.
В дифференциальном насосе (рисунок 3) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода.
Рис. 3 – Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем:
1− камера; 2 – нагнетательный трубопровод; 3 – сальник; 4 – поршень;5 – цилиндр; 6 – нагнетательный клапан; 7 – всасывающий клапан
Шестеренные насосы. В корпусе 1насоса (рисунок 4) установлены две шестерни 2и3, одна из которых – ведущая приводится во вращение от электродвигателя. Между корпусом и шестернями имеются небольшие радиальные и торцовые зазоры. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, вследствие создаваемого при выходе зубьев из зацепления разрежения жидкость из всасывающего патрубка 4поступает в корпус. В корпусе жидкость захватывается зубьями шестерен, перемещается вдоль стенки корпуса по направлению вращения и поступает в нагнетательный патрубок 5.
Рис. 4 – Шестеренный насос:
1– корпус; 2, 4– шестерни; 3– всасывающий патрубок;5 – нагнетательный патрубок
Шестеренные насосы обладают реверсивностью, т.е. при изменении направления вращения шестерен, области всасывания и нагнетания меняются местами.Объемный коэффициент полезного действия, или коэффициент подачи шестеренного насоса учитывает частичный перенос жидкости обратно в полость всасывания, а также протечки жидкости через зазоры и обычно составляет от 70 до 90 %.
Винтовые насосы. Эти насосы имеют ведущий винт 1 (рисунок 5) и несколько ведомых винтов 2, расположенных внутри кожуха 3. Винты имеют специальный профиль – такой, что линия зацепления между ними обеспечивает полную герметизацию области нагнетания от области всасывания. Направление нарезки ведомых винтов противоположно направлению нарезки ведущего.
Рис. 5 – Винтовой насос:
1– ведущий винт; 2 – ведомые винты; 3– кожух
Наибольшее распространение в промышленности получили винтовые насосы с тремя винтами, из которых средний – ведущий, а два боковых – меньшего диаметра – ведомые. Винты помещены в кожух с гладкой цилиндрической поверхностью. При вращении винтов жидкость, заполняющая впадины в нарезках, перемещается вдоль оси насоса и вытесняется в линию нагнетания.
Давление, развиваемое винтовыми насосами, зависит от числа шагов винтовой нарезки. Оно увеличивается с возрастанием отношения длины витка к его диаметру. Подача этих насосов увеличивается с увеличением частоты вращения винтов, при этом давление, создаваемое насосом, остается без изменения.
Пластинчатые насосы. Насос состоит из ротора 1 (рисунок 6), расположенного эксцентрично в корпусе 2. В роторе имеются радиальные прорези, в которых свободно могут скользить пластины 3.При вращении ротора пластины под действием центробежной силы плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса. При этом серповидное рабочее пространство 4 разделяется на камеры – всасывания и нагнетания. Объем камеры всасывания при движении пластины от всасывающего патрубка 5 увеличивается, в результате чего в этой камере создается разрежение, и жидкость всасывается в корпус насоса через патрубок 5. После прохождения пластиной точки аобъем камеры всасывания уменьшается, и жидкость поступает из насоса в нагнетательный патрубок 6.
Рис. 6 – Пластинчатый ротационный насос:
1 – ротор, 2 – корпус; 3 – пластины; 4 – рабочее пространство;5 – всасывающий патрубок; 6 – нагнетательный патрубок
Подача жидкости роторными насосами, в том числе и пластинчатыми, весьма равномерна, ее можно регулировать изменением числа оборотов вала (ротора). Теоретически подача роторных насосов, как и всех объемных насосов, не зависит от создаваемого ими напора. В действительности возникает незначительное снижение подачи при повышении напора вследствие протечки жидкости через зазоры внутри насоса.
Монтежю. К объемным насосам, которые перекачивают жидкость с помощью вытесняющей среды, относятся монтежю (рисунок 7 ). Обычно монтежю представляют собой резервуар 1, заполняемый самотеком перекачиваемой жидкостью с помощью трубопровода 2 (таким резервуаром может быть аппарат, в котором осуществляется тот или иной процесс); при этом вентиль на линии 4открыт. Если жидкость самотеком подавать в корпус нельзя, открывается вакуумная линия 5;при этом все остальные линии, кроме линии 2(т. е. 3, 4, 6), естественно, должны быть закрыты.
Рис. 7 – Монтежю:
1 – корпус; 2 – линия подачи перекачиваемой жидкости; 3 – линия подачи сжатого газа; 4 – воздушник; 5 – линия вакуума; 6 – нагнетательный трубопровод
Для перекачивания жидкости с помощью монтежю используют сжатый газ (обычно воздух), поступающий в резервуар через трубопровод 3.При этом перекрываются линии 2, 4, 5. Под действием давления сжатого газа жидкость перетекает из корпуса в нагнетательный трубопровод 6.После опорожнения монтежю перекрываются линии 3, 5, 6 иоткрывается линия 4для сообщения резервуара с атмосферой. Таким образом, монтежю работает периодически. Давление, необходимое для перекачивания жидкости с помощью монтежю, определяют по уравнению Бернулли.
К достоинствам монтежю следует отнести простоту устройства, отсутствие движущихся деталей, легкость чистки. Поэтому монтежю можно применять для перекачивания сравнительно небольших объемов химически агрессивных и загрязненных жидкостей.
К недостаткам монтежю относятся периодичность работы, низкий коэффициент полезного действия (от 10 до 25 %), громоздкость, необходимость постоянного наблюдения за их работой.
Основными достоинствами поршневых и плунжерных насосов являются высокий коэффициент полезного действия и возможность подачи незначительных объемов жидкостей, в том числе высоковязких, под любым заданным давлением. Однако неравномерность подачи, наличие легко изнашиваемых клапанов, сложность соединений с двигателем, тихоходность, а следовательно, большие размеры и масса существенно ограничивают области применения поршневых и плунжерных насосов в химической промышленности. Следует отметить, что в эксплуатации плунжерные насосы несколько проще, так как у них меньше изнашиваемых деталей (отсутствуют поршневые кольца и т.п.).