Добавлено: 28.09.2026

Теория перекачивания жидкостей: начальные понятия

Транспортировка жидкостей всегда занимала существенное место в человеческой деятельности. Вода нужна, например, для приготовления пищи и орошения. Даже сегодня наше общество не может существовать без многих способов подачи воды, с которыми мы сталкиваемся на каждом шагу.

Первым средством, применявшимся для доставки воды по назначению, была лохань или ведро. Чтобы поднять воду со дна колодца, применялись веревка и примитивный ворот. Сегодня наиболее распространенным средством доставки жидкостей являются насосы с электрическим приводом. Для различных целей применяется множество различных типов подобных насосов. В частности, стали очень распространены центробежные насосы благодаря таким своим преимуществам как:

высокая надежность
простота конструкции
низкая стоимость
универсальное применение

Физические условия

Чтобы выбрать оптимальный насос для решения конкретных задач, необходимо учитывать следующие физические условия

1. Характеристики жидкости

плотность ("тяжесть" жидкости)
давление насыщенных паров (температура кипения)
температура
вязкость ("густоту" жидкости)

2. Объем, который необходимо подать (расход)

3. Высота всасывания: разница в уровне между насосом и точкой забора жидкости.

4. Высота нагнетания: разница в уровне между насосом и наивысшей точкой, в которую подается жидкость

5. Потери давления на всасывании (потери на трение)

6. Потери давления в напорном трубопроводе (потери на трение)

7. Конечное избыточное давление

8. Начальное избыточное давление

Когда все эти данные известны, можно определить режим работы насоса и выбрать его оптимальную модель.

Характеристики жидкости

Для выбора оптимального насоса необходимо иметь полную информацию о характеристиках той жидкости, которая должна подаваться потребителю.

Естественно, что "более тяжелая" жидкость потребует больше затрат энергии при перекачивании данного объема. Чтобы описать, насколько одна жидкость "тяжелее" другой, используется такое понятие, как "плотность" или "удельный вес"; этот параметр определяется как масса (вес) единицы объема жидкости и обычно обозначается как "ρ" (греческая буква "ро"). Измеряется в килограммах на кубометр (кг/м³).

Любая жидкость при определенных температуре и давлении стремится испариться (температура или точка начала кипения); повышение давления вызывает повышение температуры и наоборот. Таким образом, при более низком давлении (даже возможно при вакууме), которое может иметь место со стороны всасывания насоса, жидкость будет иметь более низкую температуру кипения. Если она близка или в особенности ниже текущей температуры жидкости, возможно образование пара и возникновение кавитации в насосе, что в свою очередь может иметь отрицательные последствия для его характеристик и способно вызвать серьезные повреждения.

Вязкость жидкости вызывает потери на трение в трубах. Численное значение этих потерь можно получить у изготовителя конкретного насоса. Необходимо учитывать, что вязкость "густых" жидкостей, таких как масло, с ростом температуры падает.

Расход воды

Он определяется как объем, который должен быть подан за указанное время, и обозначается как "Q". Применяемые единицы измерения: как правило, это литры в минуту (л/мин) для насосов небольшой мощности/производительности, кубометры в час (м³/ч) для насосов средней производительности и, наконец, кубометры в секунду (м³/с) для самых мощных насосов.

Размеры поперечного сечения трубопровода определяются объемом, который должен быть подан потребителю при данной скорости потока жидкости "v":

Геодезическая (статическая) высота всасывания

Она определяется как разница в геодезическом уровне между впускным патрубком насоса и свободной поверхностью жидкости в наиболее низко расположенном резервуаре, измеряется в метрах (м) (рис. 3, поз. 1).

Статическая высота подачи (статический напор)

Она определяется как разница в геодезическом уровне между выпускным патрубком и наивысшей точкой гидросистемы, в которую необходимо подать жидкость (рис. 3, поз. 2).

Потери давления на всасывании

Это потери на трение между жидкостью и стенками трубопровода и зависят от вязкости жидкости, качества шероховатости поверхности стенок трубопровода и скорости потока жидкости. При увеличении скорости потока в 2 раза потери давления возрастают во второй степени (рис. 4, поз. 1).

Информацию о потерях давления в трубопроводе, коленах, фитингах и т.п. при различных скоростях потока можно получить у поставщика.

Потери давления в напорном трубопроводе

Смотрите описание, приведенное выше (рис. 4, поз. 2).

Конечное избыточное давление

Это давление, которое необходимо иметь в той точке, куда должна подаваться жидкость (рис. 5, поз. 1).

Начальное избыточное давление

Это давление на свободной поверхности жидкости в месте водозабора. Для открытого резервуара или бака это просто атмосферное (барометрическое) давление (рис. 5, поз. 2).

Связь между напором и давлением

Как можно видеть из рис. 6, столб воды высотой 10 м оказывает такое же давление, что и столб ртути (Hg) высотой 0,7335 м.

Умножив высоту столба (напор) на плотность жидкости и ускорение свободного падения (g), получим давление в ньютонах на квадратный метр (Н/м²) или в паскалях (Па). Поскольку это очень незначительная величина, в практику эксплуатации насосов ввели единицу измерения, равную 100000 Па, названную баром.

Уравнение на рис. 6 можно решить в метрах высоты столба жидкости:

Таким образом, высоту столба жидкостей с различной вязкостью можно привести к эквивалентной высоте водяного столба. На рис. 7 приводятся коэффициенты преобразования для множества различных единиц измерения давления.

Мощность насоса

Гидравлическая мощность (Phyd) насоса определяет объем жидкости, подаваемой при данном напоре за данное время, и может быть рассчитана с помощью следующей формулы:

Пример расчета общего гидравлического напора со схемой установки насоса. (рис. 8)

Объем в 35 м³ воды за час должен быть перекачан из колодца глубиной 4 м в бак, размещенный на высоте 16 м относительно уровня установки насоса; конечное давление в баке должно быть 2 бара.

Потери напора на трение во всасывающем трубопроводе принимаются равными 0,4 м, а в напорном трубопроводе составляют 1,3 м включая потери в коленах.

Плотность воды предположительно составляет 1000 кг/м³ и значение ускорения свободного падения 9,81 м/с².

Решение:

Общий напор (H):

* В данном примере конечное избыточное давление дано как абсолютное давление, т.е. как давление, измеренное относительно абсолютного вакуума.

** Если конечное избыточное давление дано как абсолютное, то начальное избыточное давление необходимо вычесть, поскольку это давление "помогает" насосу всасывать жидкость.

По материлам: Grundfos. Теория перекачивания жидкости.