Поршневой насос, плунжерный насос для воды, жидкости, его устройство и виды

Поршневой насос (плунжерный насос) и его особенности:

Поршневой насос (плунжерный насос) представляет собой объемный насос, который использует поршень или плунжер для перемещения рабочей среды через цилиндрическую камеру (рабочий цилиндр) и ее вытеснения из данной камеры.

Поршневой насос (плунжерный насос) – это возвратно-поступательный насос, который имеет внутренние полости, расширяющиеся и сжимающиеся при возвратно-поступательном (назад и вперед; вверх и вниз) движении, а не при круговом (вращательном) движении.

Поршневой насос (плунжерный насос) – это объемный насос, который перемещает газы, жидкости или газожидкостные смеси с помощью возвратно-поступательных движений поршня или плунжера в рабочем цилиндре за счет привода.

Поршневой насос (плунжерный насос) является одним из первых видов изобретенных человечеством насосов.

Особенность данного насоса заключается в том, что в отличие от многих других объёмных насосов, поршневые (плунжерные) насосы не являются обратимыми, то есть, они не могут работать в качестве гидродвигателей из-за наличия клапанной системы распределения.

Поршневой насос (плунжерный насос) отличается простотой конструкции и возможностью работы с различными рабочими средами, в т.ч. с вязкими жидкостями, суспензиями и жидкостями с твердыми включениями, за счет создания высоких давлений.

Поршневые (плунжерные) насосы могут приводиться в действие вручную либо с помощью электродвигателя, парового двигателя, пневматического или гидравлического привода.

Отличие поршневого насоса от плунжерного насоса заключается в том, что используется в качестве рабочего органа: поршень или плунжер. Поршень – это деталь цилиндрической формы. Плунжер (от англ. plunge — «нырять, погружаться») — вытеснитель или поршень цилиндрической формы, длина которого намного больше диаметра. В поршневом механизме, в отличие от плунжерного, уплотнение располагается на цилиндрической поверхности поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых колец. В плунжерном механизме в отличие от поршня уплотнитель располагается на цилиндре и при совершении плунжером возвратно-поступательного движения движется по поверхности плунжера.

Поршневые (плунжерные) насосы изготавливаются из различных материалов: чугуна, стали и сплавов, бронзы, латуни, никелевых сплавов, алюминия, керамики, пластмассы и пр. При этом выбор материала корпуса и рабочего цилиндра зависит от конкретной сферы применения. Во всяком случае они должны обладать достаточной прочностью, а также выдерживать условия эксплуатации. Материалы, контактирующие с перекачиваемой средой (поршень, плунжер, выпускные клапаны и всасывающие клапаны, внутренняя поверхность рабочей камеры), должны быть устойчивы к любой коррозии, вызванной жидкостью, химическому воздействию рабочей среды, стойкостью к истиранию, высокой прочностью на растяжение, долговечностью.

Сферы применения

Область применения жидкостных насосов поршневого типа достаточно широка, что объясняется их высокой универсальностью. Между тем конструкция таких машин не позволяет использовать их в тех случаях, когда перекачивать необходимо значительные объемы воды или другой жидкости. Одним из основных достоинств этих гидравлических машин является то, что их поршни, вытесняя жидкость через нагнетательную магистраль, одновременно всасывают ее новую порцию через подающий канал, что в условиях сухого цилиндра очень важно. Этим качеством и предопределяется назначение поршневых жидкостных насосов как наиболее эффективных устройств, используемых на предприятиях химической промышленности.

Гидравлический поршневой насос для автокрана

Сферы применения жидкостных насосов поршневого типа расширяются и за счет того, что такое оборудование может успешно использоваться для работы с химически агрессивными средами, некоторыми видами топлива и взрывоопасными смесями. Активно применяются насосы данного типа и в бытовых целях, с их помощью можно создавать трубопроводные системы для автономного водоснабжения частных строений и для полива. Между тем, решив использовать такой прибор, не забывайте о том, что для перекачивания больших объемов жидкости он не предназначен.

Еще одной сферой, в которой активно используются жидкостные насосы поршневого типа, является пищевая промышленность. Это объясняется тем, что такие устройства отличаются очень деликатным отношением к перекачиваемой через них жидкости.

Преимущества, недостатки и применение поршневых (плунжерных) насосов:

Основные преимущества поршневых (плунжерных) насосов:

• надежность и долговечность конструкции при своевременном техническом уходе;
• высокая ремонтопригодность;
• высокий эксплуатационный ресурс;
• наличие возможности «сухого» всасывания;
• работа в широком диапазоне давлений;
• возможность создавать очень высокие давления (1000 атмосфер и более);
• возможность регулирования давления рабочей среды, не влияя на скорость потока/движения (расход) рабочей среды;
• изменения давления рабочей среды и скорости потока/движения (расхода) рабочей среды мало влияют на производительность насоса;
• работа с различными рабочими средами, в т.ч. с вязкими жидкостями, суспензиями, абразивными жидкостями и жидкостями с твердыми включениями (в этом случае насос изготавливается из высокопрочных материалов).

Поршневые (плунжерные) насосы благодаря простоте своей конструкции и высокому эксплуатационному ресурсу используются в системах водоснабжения, в пищевой и химической промышленности, в быту. Поршневые (плунжерные) насосы используются с глубокой древности.

В тоже время насос не лишен недостатков. Для него характерны:

• низкая производительность;
• импульсный темп работы и перекачивания рабочей среды. Жидкость движется по трубопроводу с различной скоростью (скачками);
• наличие трущихся деталей и узлов;
• высокие эксплуатационные расходы;
• наличие масла в деталях и узлах во внутренней конструкции насоса;
• попадание и загрязнение перекачиваемой рабочей среды маслами;
• необходимость в применении уплотнений в конструкции насоса.

Основной и существенные недостаток данного типа насосов – пульсация. Пульсации можно уменьшить, расположив несколько поршней (плунжеров) в ряд и соединив их с одним валом таким образом, чтобы циклы их работы были сдвинуты друг относительно друга по фазе на равные углы. Другим способом борьбы с пульсацией является использование дифференциальной схемы включения насоса, при которой нагнетание рабочей среды осуществляется не только во время прямого хода поршня, но и во время обратного хода.

Модели двухстороннего действия

Появление данной разновидности поршневых насосов обусловлено стремлением производителей устранить эффект пульсации, который возникает именно по причине ритма, в котором поршень выталкивает порции жидкости. В таких насосах штоковая и поршневая полости имеют индивидуальные клапанные системы. Такой принцип распределения подачи воды позволяет не только устранять пульсацию, но и повышать производительность. Правда, односторонние жидкостные поршневые насосы все же имеют свои преимущества, которые выражаются в более высокой степени надежности и долговечности. Еще одной модификацией, которая должна была устранить ритмическую подачу жидкости, является насос, дополненный гидроаккумулятором. В момент пикового давления такие агрегаты собирают энергию, а при ее понижении – наоборот, отдают. Впрочем, полностью устранить пульсацию получается не всегда и эксплуатирующим предприятиям приходится соответствующим образом разрабатывать конфигурации приема жидкости уже вне конструкции насоса.

Конструкция и устройство поршневого (плунжерного) насоса:

Поршневые насосы и плунжерные насосы можно различать по конструкции в зависимости от типа, действия насоса и количества цилиндров.

Наиболее простая конструкция поршневого (плунжерного) насоса состоит из возвратно-поступательного механизма, включающего в себя поршень (плунжер), шатун и кривошип, рабочего цилиндра (корпуса, рабочей камеры, цилиндрической камеры), двух клапанов (входной и выходной) и привода.

Поршень (плунжер) изготавливается из прочного материала, совместимого с перекачиваемой средой, и герметично с помощью уплотнителей соединен или примыкает к стенкам камеры (рабочего цилиндра). Объем рабочей камеры немного больше того объема жидкости, газа или газожидкостной смеси, чем может вытеснить поршень за один цикл работы. Входной и выходной клапаны, как правило, представляют собой подпружиненные шаровые краны или заслонки, изготовленные из того же химического стойкого и прочного материала, что и поршень (плунжер). Входной клапан впускает рабочую среду в рабочую камеру, а выходной – выпускает.

Привод служит для приведения поршня (плунжера), соединенного через кривошипный механизм, в возвратно-поступательное движение. При этом сам рабочий механизм привода может быть разный: рычажный, пневматический, паровой, гидравлический или электрический.

Литература

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1982.
2. Гейер В. Г., Дулин В. С., Заря А. Н. Гидравлика и гидропривод: Учеб для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1991.

Данная разновидность насосов является одной из самых древних. Механическое вытеснение жидкостной среды можно назвать простейшей реализацией принципа перекачки. В наши дни конструкции таких агрегатов, конечно, имеют более сложное устройство по сравнению с первыми представителями класса. В современном виде поршневой жидкостный насос имеет прочный корпус, развитую элементную базу и предполагает наличие широких возможностей для коммуникации. Последний аспект обуславливает распространение оборудования в разных сферах от бытовых нужд и вплоть до промышленных узкоспециализированных отраслей.

Принцип действия поршневого (плунжерного) насоса:

Принцип действия на примере одностороннего насоса с одним цилиндром (плунжером):

1. После запуска насоса поршень (плунжер) начинает совершать периодические движения вверх и вниз на определенное расстояние внутри цилиндра с помощью шатуна.
2. При втягивании поршня шатуном в цилиндре создаётся разрежение, благодаря чему открывается клапан, находящийся у всасывающего отверстия, через которое начинает поступать рабочая среда.
3. Когда поршень совершает движения в обратную сторону, то наоборот, всасывающий клапан закрывается, а открывается тот, который относится к нагнетательному отверстию, что впоследствии способствует выходу рабочей среды через него.

Типы и виды поршневых (плунжерных) насосов:

Различают два основных типа поршневых насосов: подъемный насос и силовой насос.

Поршневой насос для подъема. В подъемном насосе восходящий ход поршня втягивает воду (или иную жидкость) через клапан в нижнюю часть рабочего цилиндра. При движении вниз вода проходит через клапаны, установленные в поршне, в верхнюю часть рабочего цилиндра. При следующем движении вверх вода отводится из верхней части рабочего цилиндра через носик. Этот тип насоса ограничен высотой воды, которая может поддерживаться давлением воздуха против вакуума.

В поршневом силовом насосе при движении поршня вверх вода (или иная жидкость) через впускной клапан поступает в рабочий цилиндр. При спуске вода сбрасывается через выпускной клапан в выпускную трубу.

Поршневые (плунжерные) насосы классифицируют по:

– давлению:

• низкого давления — до 0,2 МПа,
• среднего — от 0,2 до 0,6 МПа,
• высокого давления — более 0,6 МПа;

– коэффициенту быстроходности ns:

• тихоходные,
• нормальные,
• быстроходные;

– функциональному назначению (водопроводные, бытовые и т. д.);

– количеству рабочих цилиндров в насосе;

– по принципу действия насоса:

• насосы одинарного действия (имеют по одному клапану на каждом конце, где всасывание и нагнетание происходят в противоположных направлениях),
• насосы двойного действия (используют два клапана на каждом конце, что обеспечивает всасывание и нагнетание в обоих направлениях).

Разбор задачи

На какую высоту можно поднять воду обычным поршневым насосом при нормальном атмосферном давлении?

Важно понимать, что не мы тащим воду наверх, а атмосферное давление толкает жидкость. Поднимая руками поршень, мы создаём безвоздушное пространство, из-за чего давление снаружи поршня становится больше и выталкивает жидкость.

И подобно тому, как человек не может поднять руками грузовик, атмосферное давление не бесконечно и поднимет столб жидкости определённой высоты.

Жидкость будет подниматься до тех пор, пока её давление меньше атмосферного. То есть, когда давление столба жидкости будет равно атмосферному, высота столба будет наибольшей.

$$p=\rho gh$$

• $p$ – давление столба жидкости и величина нормального атмосферного давления (760 мм рт. ст. или 101 300 Па)
• $\rho$ – плотность воды ($997 \frac{кг}{м^3}$)
• $g$ – ускорение свободного падения.

Выразим высоту $h$ из этой формулы:

$h=\frac{p}{\rho g}=\frac{101300 Па}{997\frac{кг}{м^3} \cdot 9,8 \frac{Н}{кг}}≈10.4 м$

Таким же образом можно рассчитать предельную высоту подъема для других жидкостей, если мы знаем их плотность.