Процессы всасывания и нагнетания жидкости в поршневом насосе

При неустановившемся движении жидкости за поршнем, который движется с переменной скоростью, по длине хода изменяется давление.

Для практики важно знать, какие факторы влияют на величину давления и каково его наименьшее значение в процессе всасывания.

Рассмотрим насосную установку (рисунок 6.18), состоящую из поршневого, приводного насоса, перекачивающего жидкость из приемного бака 2 в напорный бак 3. Обозначим: давление окружающей среды р₀, давление в цилиндре насоса в процессе всасывания р_в, нагнетания р_н, длину и диаметр (площадь сечения) подводящего и , напорного и трубопроводов, геометрическую высоту всасывания Н_в- нагнетания Н_Н, скорость поршня V, скорость жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах V_B, V_H.

Рисунок 6.18

Составим уравнение баланса удельной энергии (уравнение Бернулли) для неустановившегося движения потока жидкости в процессе всасывания для сечений от свободной поверхности приемного бака 2 до оси насоса 1, приняв за плоскость сравнения свободную поверхность в баке:

,

где - гидравлические потери напора в подводящем трубопроводе;

- инерциальный напор, возникающий при неустановившемся движении жидкости.

Известно, что гидравлические потери напора состоят из потерь по длине и местных сопротивлений в трубопроводе (поворотах, запорных устройствах, фильтрах и др.), а именно:

.

Учитывая, что все местные сопротивления можно заметить эквивалентной им длиной трубы, а скорости в трубопроводе скоростью поршня, пользуясь уравнением неразрывности можно написать

,

где - расчетная длина трубопровода.

Потери в клапане зависят от его конструкции и степени открытия. В момент открытия потери имеют максимум , а затем снижаются и сохраняют приблизительно постоянное значение по длине хода.

Инерционный напор можно оценить из следующих соображений: если масса жидкости, следующей за поршнем, равна массе жидкости в трубопроводе , а ускорение из условия неразрывности , то сила инерции составит

.

Тогда инерционный напор при всасывании равен

.

Таким образом, уравнение Бернулли для неустановившегося движения жидкости в процессе всасывания приобретает следующий вид:

.

Пьезометрический напор в цилиндре насоса в процессе всасывания (будем называть его напором всасывания) составит

.

Напор всасывания всегда ниже напора на свободной поверхности приемного бака и зависит от геометрической высоты всасывания Н_В, размеров подводящего трубопровода, сопротивления клапана насоса и числа двойных ходов поршня n, определяющих скорость и ускорение поршня.

Для определения напора в цилиндре насоса в процессе нагнетания составим уравнение Бернулли для сечений, проходящих через ось насоса (плоскость сравнения), и относительно свободной поверхности напорного бака 3 (рисунок 6.18):

.

Воспользовавшись всеми вышеприведенными разъяснениями для процесса всасывания, аналогично получаем напор нагнетания

.

Напор в процессе нагнетания представляет собой сумму пьезометрического напора на свободной поверхности жидкости в напорном баке инерционного напора, потерь напора на все виды сопротивлений в клапанах и напорном трубопроводе и геометрической высоты нагнетания. Так как напор в цилиндре насоса зависит от скорости и ускорения поршня, то, очевидно, он имеет переменное значение по длине его хода.