Объем воздушных колпаков

Определим необходимый средний объем воздуха в колпаке для однопоршневого насоса одностороннего действия, воспользовавшись графиком его подачи (рис. 4.18).

Известно, что среднюю, в течение рабочего цикла, подачу насоса возможно представить согласно (4.24) высотой прямоугольника akmn, площадь которого равняется площади синусоиды abcde.

На участке аb графика (рис. 4.18) текущая подача насоса меньше средней подачи и потому за этот период движения поршня уровень жидкости в воздушном нагнетательном колпаке снижается. В точке b этот уровень будет самым низким. На участке bcd текущая подача насоса превосходит среднюю подачу и уровень в воздушном колпаке за этот период повышается. В точке d уровень жидкости в воздушном колпаке будет находиться в самом верхнем положении. На участке de уровень опять будет снижаться.

Количество жидкости, которая подается поршнем в течение одного рабочего цикла через нагнетательный патрубок (рабочий объем) насоса (с графиком подачи abcde), можно выразить, как и в (4.24)

. (4.38)

Количество жидкости, которое должен аккумулировать воздушный колпак за это время, возможно представить произведением средней подачи некоторого воображаемого насоса (с графиком подачи bcd) на время осуществления одного рабочего цикла в нем при той же угловой скорости (рабочий объем воображаемого насоса)

. (4.39)

Очевидно (рис. 4.18), что

, (4.40)

где - угол поворота кривошипа, при котором текущая подача насоса равняется средней подаче .

Из графика подачи (рис. 4.18) можно получить зависимость

,

откуда для однопоршневого насоса одностороннего действия с использованием (4.25)

.

Тогда , а из (4.40) .

В соответствии с принятыми обозначениями (рис. 4.18) и зависимостью (4.25)

(4.41)

Тогда выражение (4.39) с учетом и (4.41) примет вид

. (4.42)

Отношение рабочих объемов воображаемого (4.42) и действительного (4.38) насосов составляет

.

Если и - соответственно максимальный и минимальный объемы воздуха в колпаке, то

.

Средний объем воздуха в колпаке .

Соответственно среднее давление в колпаке , где - минимальное, а - максимальное абсолютное давление воздуха в колпаке.

Допуская, что процесс изменения состояния воздуха в колпаке изотермический, можно записать

,

или

,

откуда не трудно получить [2]

.

Последнее выражение можно представить в виде

.

Отношение называют степенью неравномерности давления.

Следовательно для однопоршневого насоса одностороннего действия средний объем воздуха в колпаке

. (4.43)

Аналогичные зависимости можно получить и для других поршневых насосов, так:

· для однопоршневого насоса двустороннего действия

; (4.44)

· для двопоршневого насоса двустороннего действия

; (4.45)

· для трехпоршневого насоса

. (4.46)

Формулы (4.43) - (4.46) справедливые как для нагнетательных, так и для всасывающих колпаков. Для дифференциального насоса средний объем воздуха в нагнетательном колпаке определяется по формуле (4.44), а во всасывающем колпаке - по формуле (4.43).

Чем меньшее значение степени неравномерности давления , тем более равномерно движется жидкость в трубопроводе, но для обеспечения этого нужен больший объем . Если принять = 0,025, при котором движение жидкости можно считать установившемся, то объем воздушной части колпака будет:

· для однопоршневого насоса одностороннего действия

;

· для однопоршневого насоса двустороннего действия

;

· для двопоршневого насоса двустороннего действия

;

· для трехпоршневого насоса

.

Для нагнетательных колпаков приведенные значения следует рассматривать как минимальные. При длинных напорных трубопроводах берется несколько большим, причем уменьшается до 0,01. Для всасывающих колпаков при коротком всасывающем трубопроводе и небольшой высоте всасывания может быть принят большим (до ).

Поскольку воздух занимает приблизительно 2/3 объему воздушного колпака, то полный объем колпака составляет .

В одноплунжерних насосах одностороннего действия воздушные колпаки 1 и 3 часто составляют неотъемлемую конструктивную составляющую насоса (рис. 4.19).

Во время работы насоса уровень жидкости во всасывающем колпаке 3 постепенно снижается. Это происходит из-за увеличения количества воздуха в колпаке 3 за счет выделения его из перекачиваемой жидкости при снижении давления. Для предупреждения попадания значительных разовых порций воздуха в рабочую камеру насоса, что бы нарушило его нормальную работу, в нижней части приемного патрубка 2 выполняется ряд небольших отверстий. Достигая, при понижении уровня жидкости, этих отверстий, воздух отсасывается через них небольшими порциями в рабочую камеру.

В нагнетательном колпаке 1 (рис. 4.19) уровень жидкости, напротив, постепенно повышается, так как уменьшается в верхней части колпака количество воздуха. Уменьшение количества воздуха в нагнетательном колпаке 1 в процессе работы насоса обусловлено повышением его растворимости в жидкости при более высоком давлении, чем во всасывающем колпаке 3. В связи с этим возникает необходимость периодически пополнять потери воздуха в нагнетательном колпаке 1, что в мощных насосных установках обеспечиваются небольшими компрессорами.

В конструкциях некоторых других поршневых насосов под всасывающим клапаном или на цилиндре насоса предусматривается воздушный кран с обратным клапаном (сапуном). При открытии крана воздух засасывается в цилиндр насоса и потом вытесняется в нагнетательный колпак.

Для наблюдением за уровнем жидкости, следовательно, за объемом воздух в колпаках, на них устанавливают мерные стекла.

Рис. 4.19. Конструктивная схема одноплунжерного насоса одностороннего действия с воздушными колпаками: 1 - нагнетательный колпак; 2 – приемный патрубок; 3 – всасывающий колпак; 4, 6 – водомерное стекло; 5 – вакууметр; 7 - манометр

Следует отметить, что применение мерных стекол для колпаков насосов, которые перекачивают нефть и нефтепродукты, опасно. В колпаках таких насосов находится не чистый воздух, а смесь воздуха и нефтяных паров, которая при определенном их соотношении является взрывоопасной. Поэтому в поршневых насосах, которые используются в нефтяной промышленности, вместо мерных стекол применяются пробные краны.

Кроме того, в ряде случаев при перекачивании нефтепродуктов нежелателен или даже недопустим контакт перекачиваемой жидкости с воздухом (например, при перекачивании горячих нефтепродуктов) и приходится отказываться от воздушных колпаков.

Воздушным колпакам можно придавать разную форму, но наибольшее распространение получили цилиндрические.

Для правильного функционирования воздушного колпака подвод и отведение жидкости необходимо организовать таким образом, чтобы вся жидкость проходила через колпак, изменяя в нем направление своего движения и теряя скорость (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Схемы нагнетательных воздушных колпаков