Центробежные и объемные насосы: Как выбрать?

Центробежные и объемные насосы Как выбрать

Насосы - второе по распространенности промышленное оборудование после двигателей. В настоящее время во всем мире работают миллионы насосов, перекачивающих тысячи различных типов жидкостей.

Выбор подходящего насоса из огромного количества доступных вариантов - сложная задача. В значительной степени выбор насоса заключается в согласовании возможностей конкретного насоса с требованиями системы и характеристиками перекачиваемой жидкости.

В этой статье мы начнем со свойств перекачиваемой жидкости, с точки зрения требований пользователя, а затем перейдем к особенностям выбора насоса.

Центробежные и объемные насосы Как выбрать

1. Основные требования

В любой области применения первым шагом должно быть понимание основных требований, предъявляемых пользователем к насосу. Например: условия на входе, требуемый расход, перепад давления, температура и характеристики жидкости, такие как вязкость, абразивность, чувствительность к сдвигу и коррозионная активность. Все эти условия должны быть определены до выбора насоса.

Чтобы насосы хорошо работали, они должны находиться в правильных условиях всасывания. Фактически, самая большая проблема, с которой сталкиваются насосы, может быть связана с плохими условиями всасывания. Поскольку способность насоса выталкивать жидкость значительно превышает его способность всасывать жидкость, условия всасывания должны быть в пределах возможностей насоса.

Перепад давления также является важным фактором, особенно если речь идет об энергосбережении и сроке службы насоса. Использование труб меньшего диаметра и большей длины может снизить первоначальную стоимость системы, но также может привести к увеличению перепада давления для насоса.

Такой перепад давления может привести к увеличению энергопотребления и потенциальному сокращению срока службы насоса, что означает повышение эксплуатационных расходов и снижение эффективности.

Необходимые характеристики жидкости обычно известны, главное - понять, как конкретный насос влияет на эти характеристики. Большинство пользователей предпочитают, чтобы жидкость, нагнетаемая насосом, была в том же состоянии, что и при входе в насос. Для правильного выбора насоса огромное значение имеют совместимость материалов, вязкость, чувствительность к сдвигу и наличие специфических веществ или твердых частиц.

2. Центробежные насосы в сравнении с объемными насосами

После того как основные требования выполнены и характеристики жидкости известны, можно приступать к выбору насоса. Насосы обычно делятся на две основные категории: кинетические насосы (наиболее крупным типом которых являются центробежные насосы) и объемные насосы (PD).

По данным Министерства торговли США, около 70% всех продаж насосов приходится на кинетические насосы, а остальные 30% - на объемные насосы. Первый шаг при выборе насоса - определить, какой из центробежных или объемных насосов больше подходит для ваших нужд.

Поскольку большинство промышленных насосов являются центробежными, многие люди в первую очередь рассматривают именно центробежные насосы. Стоимость центробежных насосов обычно ниже, чем у объемных насосов, и они также являются правильным типом насоса для использования во многих ситуациях.

Каждый тип насоса перемешивает жидкость своим уникальным способом, и у каждого есть свои рабочие характеристики и кривые. Важно отметить, что центробежные насосы влияют на скорость потока жидкости, в результате чего на нагнетательном патрубке создается определенное давление.

В отличие от этого, объемный насос перемешивает жидкость, сначала получая определенное количество жидкости и подавая ее из всасывающего отверстия в нагнетательное.

В центробежных насосах сначала создается давление, а затем поток. Для объемных насосов сначала формируется поток, а затем возникает давление.

Производительность

Для того чтобы выбрать наиболее подходящий тип из различных насосов, важно понимать различия в рабочих характеристиках этих двух типов насосов. Если посмотреть на графики их производительности (рис. 1a), можно увидеть, насколько различны принципы их работы.

Центробежные насосы демонстрируют переменный расход, который зависит от давления (или напора), в то время как объемные насосы демонстрируют более или менее постоянный расход, который не зависит от давления.

Рисунки 1a-1d: Сравнение этих графиков показывает некоторые важные различия между центробежными и объемными насосами.

Вязкость

Вязкость играет важную роль в механическом КПД насоса. Поскольку центробежные насосы работают на частоте вращения двигателя, их КПД снижается с увеличением вязкости, вызванным увеличением потерь на трение внутри насоса. Обратите внимание, что скорость снижения КПД центробежных насосов быстро увеличивается с ростом вязкости (рис. 1b).

Еще одним важным отличием является влияние вязкости на производительность насоса. На графике расхода (рис. 1c) можно заметить снижение расхода при увеличении вязкости для центробежных насосов, в то время как для объемных насосов наблюдается увеличение расхода.

Это связано с тем, что жидкость с более высокой вязкостью заполняет пустоты внутри объемного насоса, что приводит к повышению объемной эффективности. На рисунке 1c представлено только влияние вязкости на расход насоса.

Имейте в виду, что в системе также увеличатся потери в трубопроводе. Это означает, что подача в центробежном насосе будет еще больше снижаться при увеличении перепада давления на насосе.

Эффективность

При рассмотрении влияния перепада давления на механический КПД насоса кинетические и объемные насосы демонстрируют разные характеристики. На рисунке 1d показано, как на эффективность насоса влияет увеличение давления.

Для объемных насосов эффективность фактически повышается с ростом давления, в то время как у центробежных насосов есть точка наилучшей эффективности (BEP). По обе стороны от этой точки общая эффективность насоса значительно снижается.

Условия на входе

Эти два типа насосов имеют существенно разные требования к условиям на входе. Центробежные насосы нуждаются в определенном количестве жидкости в насосе для создания разницы давлений. Сухой насос без жидкости не может запуститься самостоятельно.

После запуска центробежные насосы должны соответствовать определенным требованиям к давлению на входе, рекомендованным производителем.

Поскольку объемные насосы перемешивают жидкость, расширяя и сжимая ее объем, на входе создается отрицательное давление, что позволяет насосу самовсасываться.

В некоторых случаях это единственный определяющий фактор при выборе между объемным или центробежным насосом.

Заключение

В итоге, если вязкость превышает 150 сП, и необходимо прогнозировать расход в широком диапазоне, или если требуется самовсасывание, можно рассмотреть вариант использования объемного насоса. При выборе между центробежными и объемными насосами следует также учитывать потребление энергии, поскольку между ними могут быть существенные различия.

Это особенно важно при расходе менее 100 галлонов в минуту, когда снижение эффективности центробежных насосов более выражено.

3. Объемный насос

Даже после принятия решения об использовании объемного насоса остается множество вариантов, которые необходимо рассмотреть. Прежде чем подробно рассказать о специфике каждой операции перекачки, давайте рассмотрим некоторые общие эксплуатационные характеристики объемных насосов.

Как уже говорилось выше, роторный объемный насос нагнетает одинаковый объем жидкости при каждом вращении вала. Это означает, что расход нагнетаемой жидкости пропорционален скорости вращения.

Другими словами, расход можно регулировать, просто изменяя скорость вращения насоса. Для более вязких жидкостей насос можно дозировать, просто измеряя количество оборотов вала.

Конструкция объемного насоса требует плотного прилегания внутренних компонентов и определенного рабочего зазора. Из-за этого зазора часть жидкости будет перетекать обратно из напорной части во всасывающую.

Это явление известно как "проскальзывание". Количество проскальзывающей жидкости зависит от вязкости жидкости, разницы давлений и внутреннего зазора насоса. Более низкая вязкость обычно приводит к большему проскальзыванию, в то время как более густые жидкости проскальзывают меньше.

Поскольку объемный насос всегда пытается нагнетать одно и то же количество жидкости, важно иметь в системе необходимые устройства защиты от избыточного давления. Если на выходе насоса возникает засорение, это обычно приводит к повышению давления, которое прекращается только тогда, когда: нагрузка превышает предел возможностей двигателя; некоторые компоненты в системе ломаются и сбрасывают давление; или насос выходит из строя. Все эти ситуации небезопасны. Объемный насос нуждается в способе сброса давления.

Для сброса давления существует несколько способов. Наиболее распространенным является использование предохранительного клапана, но можно также использовать разрывную мембрану в нагнетательном трубопроводе.

Поскольку крутящий момент привода напрямую зависит от перепада давления внутри объемного насоса, можно также использовать муфту с ограничением крутящего момента. Главное - помнить, что внутри объемного насоса может возникнуть очень высокое давление, которое необходимо ограничить в случае блокировки или частичной блокировки нагнетания.

Объемные насосы можно разделить на множество типов. Американский институт гидравлики, организация, созданная производителями насосов, выпустила различные публикации по типам и стандартам насосов. Они классифицируют роторные объемные насосы следующим образом: крыльчатые, поршневые, кулачковые, шестеренные, кольцевые поршневые и винтовые.

Кроме того, для каждого типа насоса существуют подкатегории, то есть существует множество типов объемных насосов. Все эти насосы выполняют одну и ту же функцию - перекачивают жидкость, так как же выбрать правильный?

Хотя большинство объемных насосов можно модифицировать для решения широкого спектра задач, некоторые типы лучше других подходят для тех или иных условий. К счастью, для базовой транспортировки жидкости несколько насосов доказали свое превосходство. В следующих разделах мы рассмотрим рабочие характеристики шестеренчатых насосов с внутренним зацеплением, шестеренчатых насосов с внешним зацеплением и насосов с крыльчаткой.

4. Шестеренчатый насос внутреннего зацепления

Насос с внутренней шестерней состоит из внешнего компонента, известного как ротор, который отвечает за привод внутренней шестерни, также известной как ведомая шестерня (рис. 2). Ведомая шестерня немного меньше ротора и вращается вокруг неподвижного штифта, работая внутри ротора.

Когда эти компоненты расходятся, образуется определенный зазор, позволяющий жидкости поступать в насос. Когда эти компоненты сцепляются, объем пространства постепенно уменьшается, заставляя жидкость вытекать из нагнетательного отверстия.

Жидкость может поступать в расширяющуюся полость через шестерни ротора и углубление под головкой насоса. Последний ключевой элемент конструкции насосов этого типа - барьер в форме полумесяца, который интегрирован в головку насоса.

Барьер в форме полумесяца закрывает объем жидкости между ведомым и зубчатым колесами, служа уплотнением между впускным и выпускным отверстиями.

Рисунок 2- Шестеренчатый насос с внутренним зацеплением идеально подходит для жидкостей с высокой вязкостью, но при перекачивании жидкостей с высокой мутностью он может выйти из строя.
Рис. 3. Система внутреннего зацепления имеет высокоадгезионную опору вала с помощью шейки вала и подшипников, снижающих износ.

Шестерня ротора закреплена на валу шестерни и опирается на муфту вала или подшипник качения (рис. 3). Узел ведомой шестерни также включает подшипник с буртиком, который находится в перекачиваемой жидкости и вращается вокруг неподвижного штифта.

В зависимости от расположения уплотнения вала опорный подшипник вала ротора может работать в перекачиваемой жидкости. Этот аспект необходимо подчеркнуть при перекачке агрессивных жидкостей, так как они могут разъедать опорный подшипник.

Фактический предел давления таких насосов зависит от работы опорного подшипника вала ротора. Номинальное дифференциальное давление подавляющего большинства шестеренных насосов с внутренним зацеплением составляет 200 фунтов на квадратный дюйм, хотя при правильных условиях применения они могут использоваться и для более высоких давлений.

Скорость вращения шестеренчатых насосов с внутренним зацеплением относительно ниже, чем у центробежных насосов. Как правило, максимальная скорость составляет 1150 об/мин, но в некоторых небольших конструктивных схемах она может достигать 3450 об/мин. Поскольку шестеренные насосы с внутренним зацеплением могут работать на низких скоростях, они хорошо подходят для перекачивания высоковязких жидкостей, хотя могут успешно применяться и для тонких жидкостей. Шестеренные насосы с внутренним зацеплением успешно перекачивают жидкости с вязкостью более 1 000 000 сСт и жидкости с очень низкой вязкостью, такие как жидкий пропан и аммиак.

Диапазон производительности насосов этого типа составляет от 0,5 галлонов в минуту до 1500 галлонов в минуту. Материалы включают чугун и различные коррозионностойкие сплавы, в том числе хастеллой.

При изготовлении шестеренчатых насосов с внутренним зацеплением используются жесткие допуски, которые могут быть нарушены при перекачивании крупных твердых частиц. Этот тип насосов может перекачивать мелкие взвешенные частицы в коррозионных средах, но он изнашивается и постепенно снижает производительность.

В условиях коррозии выбор коррозионностойких материалов позволяет значительно продлить срок службы насоса. В этом случае карбид вольфрама, закаленная сталь или различные покрытия могут дать отличные результаты.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением имеют очень широкий спектр применения и могут эффективно использоваться даже для жидкостей, чувствительных к сдвигу. К таким областям применения относятся сточные воды, полимеры, чувствительные к сдвигу краски, асфальтовые эмульсии и некоторые продукты питания, например, майонез.

При использовании этого типа насоса только очень небольшое количество жидкости подвергается воздействию сдвига в любой момент времени. Кроме того, при необходимости можно регулировать зазор и скорость, чтобы свести к минимуму воздействие сдвигающих сил.

4. Шестеренные насосы с внешним зацеплением

Внешние шестеренчатые насосы работают так же, как и внутренние шестеренчатые насосы, - за счет включения и выключения двух шестерен, приводящих в движение поток жидкости (рис. 4).

Однако в насосах с внешним зацеплением используются две совершенно одинаковые шестерни, которые входят в зацепление и вращаются друг с другом. Каждая шестерня опирается на зубчатый вал, а с обеих сторон каждой шестерни расположен подшипник. Как правило, все четыре подшипника работают в перекачиваемой жидкости.

Рисунок 4: Отличная несущая способность внешнего шестеренчатого насоса очень подходит для применения в областях с высоким давлением.
Рисунок 5. Шестеренные насосы с внешним зацеплением, изготовленные по индивидуальному заказу, такие как эти насосы с двойным зацеплением, могут применяться для работы с несколькими сегментами трещин.

Поскольку шестерня поддерживается с обеих сторон, внешний шестеренчатый насос можно использовать в системах высокого давления, например, в гидравлических устройствах.

Насосы, предназначенные для гидравлической подачи, могут выдерживать давление в тысячи фунтов на квадратный дюйм. Промышленные конвейерные насосы могут выдерживать и более высокое давление, но характеристики жидкости могут ограничивать диапазон давления.

Более жидкие жидкости могут достигать сотен фунтов на квадратный дюйм, а более вязкие жидкости могут приближаться к давлению гидравлических насосов. Как правило, небольшие шестеренные насосы с внешним зацеплением должны работать в диапазоне от 1750 до 3450 об/мин, в то время как большие шестеренные насосы с внешним зацеплением работают с максимальной скоростью 640 об/мин.

Диапазон производительности внешнего шестеренчатого насоса варьируется от очень низкой (несколько капель в минуту) до довольно высокой - 1500 галлонов в минуту. Внешние шестеренчатые насосы могут быть изготовлены из различных видов сырья, включая высококачественные сплавы.

В конструкциях шестеренчатых насосов с внешним зацеплением можно использовать более жесткие допуски, чем в насосах с внутренним зацеплением. Однако шестеренные насосы с внешним зацеплением не допускают попадания твердых частиц в перекачиваемую жидкость. Поскольку на обоих концах шестерни имеется зазор, невозможно отрегулировать торцевой зазор в зависимости от износа. После износа внешнего шестеренчатого насоса его необходимо собрать или заменить.

При правильной настройке частоты вращения, особенно для жидкостей с высокой вязкостью, внешний шестеренчатый насос может работать как с вязкими, так и с водными жидкостями. Поскольку вязким жидкостям требуется некоторое время, чтобы заполнить пространство между зубьями шестерен, при перекачивании вязких жидкостей скорость насоса должна быть значительно снижена. Его предел вязкости фактически такой же, как и у внутреннего шестеренчатого насоса, - 1 000 000 сСт.

Производительность внешнего шестеренчатого насоса в критических условиях всасывания не идеальна, особенно для летучих жидкостей. Летучие жидкости часто подвергаются частичному испарению, когда пространство между зубьями быстро расширяется.

5. Крыльчатый насос

Принцип работы лопастного насоса теоретически схож с другими объемными насосами с расширяющимся и сужающимся объемом, но для реализации этой теории используется другой механизм (рис. 6). Интересно, что крыльчатый насос - это, по сути, два насоса в одном.

Первое насосное действие создается за счет объемного расширения между рабочим колесом, ротором и корпусом насоса, в то время как менее заметное насосное действие происходит в области под рабочим колесом.

В этой области, независимо от того, входит ли рабочее колесо в паз ротора или выходит из него, возникает насосное действие, на которое приходится около 15% общего рабочего объема насоса.

Как правило, эта область вентилируется через щели внутри крыльчатки или ротора. Это очень важно понимать, особенно при работе с более вязкими жидкостями, так как поток вязкой жидкости в область между рабочими колесами и из нее может быть более сложным.

Поэтому максимальная вязкость среды, рекомендуемая для данного типа насосов, составляет около 25 000 сСт.

Рисунок 6: Возможность заливки насоса с крыльчаткой в режиме "сухого старта" превосходит другие объемные насосы.
Рисунок 7: Неметаллические Рабочие колеса могут использоваться в центробежных насосах для достижения превосходной производительности при перекачивании жидких сред.

Рабочее колесо, являющееся основным уплотнительным элементом между всасывающим и нагнетательным патрубками, обычно изготавливается из неметаллических композитных материалов. Благодаря отсутствию контакта металла с металлом, насосы с рабочим колесом часто используются для перекачки жидкостей с низкой вязкостью без смазывающего эффекта, таких как пропан и аммиак. Поскольку рабочее колесо непосредственно соприкасается с корпусом насоса, а внутренний зазор сведен к минимуму, можно оптимизировать характеристики скольжения жидких жидкостей.

Большинство крыльчатых насосов для конвейеров ограничивают давление до 125 фунтов на квадратный дюйм, хотя некоторые из них рассчитаны на 200 фунтов на квадратный дюйм. Предельное давление крыльчатого насоса во многом зависит от прочности крыльчатки.

Благодаря неметаллическому рабочему колесу и очень маленьким рабочим зазорам насосы с рабочим колесом отлично справляются с заливкой. Когда насос начинает операцию заливки, он должен выпустить воздух, и в результате получается очень жидкая жидкость. Поскольку насосы с крыльчаткой хорошо справляются с этой задачей, их иногда используют в качестве вакуумных насосов.

Рабочее колесо насоса обычно поддерживается с обеих сторон ротора втулками вала или подшипниками качения. Если используются подшипники со втулками вала, они будут работать в жидкости. Если используются подшипники качения, необходимо использовать внутренние уплотнения насоса, чтобы подшипники могли работать в жидкости. смазочное масло или смазкой. Такая конструкция требует двух механических уплотнений, по одному с каждой стороны ротора.

Крыльчатые насосы обычно работают в диапазоне скоростей от 1000 до 1750 об/мин, а расход может достигать 2000 галлонов в минуту. Однако при работе с жидкостями высокой вязкости требуемая скорость значительно снижается, чтобы жидкость могла попасть под крыльчатку.

При работе с жидкостями высокой вязкости для предотвращения поломки требуются рабочие колеса из более прочных материалов. Наиболее распространенными материалами для изготовления рабочих колес насосов являются чугун или ковкий чугун. Некоторые производители используют материалы из нержавеющей стали в насосах, которые должны работать с жидкими, агрессивными жидкостями.

Крыльчатые насосы могут работать с некоторыми агрессивными веществами, но не с твердыми. При перекачивании агрессивных веществ необходимо соблюдать осторожность при правильном выборе материала рабочего колеса и уплотнения. Как и шестеренные насосы с внешним зацеплением, крыльчатые насосы имеют фиксированные торцевые зазоры на обоих концах ротора и рабочего колеса.

После износа эти зазоры невозможно отрегулировать, однако некоторые производители теперь предлагают сменные или реверсивные торцевые крышки. Использование облицовки корпуса также является одним из способов восстановления производительности насоса при износе.

Резюме

Понимание принципов работы различных насосов - хорошее начало для правильного выбора модели для конкретной области применения. Хотя различия между различными вариантами могут быть не очень четкими, основные отличия в работе и производительности могут быть использованы для выбора.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением могут применяться в самых разных областях, но обычно они работают медленнее других насосов. Изначально выбор шестеренчатого насоса с внутренним зацеплением может повлечь за собой несколько более высокие затраты, но по сравнению с более медленными насосами срок его службы, как правило, дольше.

Шестеренные насосы с внешним зацеплением обладают отличными характеристиками по перекачке давления и точному управлению потоком, но их нельзя использовать для перекачки твердых или агрессивных сред. Стоимость изготовления шестеренных насосов с внешним зацеплением ниже, поэтому они являются экономичным и разумным выбором в областях применения с меньшим спросом.

Крыльчатые насосы хорошо работают при перекачке жидких жидкостей, но при работе с вязкими жидкостями должны работать на пониженных скоростях. Крыльчатые насосы также не могут работать с твердыми материалами.

Неправильный выбор насоса часто приводит к увеличению затрат. В частности, это может негативно сказаться на времени простоя, потерях производства, затратах на техническое обслуживание и потреблении энергии. Уделив больше времени выбору правильного насоса для правильной системы, можно свести к минимуму ненужные расходы и получить более высокую долгосрочную выгоду.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Как правильно выбрать предохранительный клапан: Пошаговое руководство

Ввиду разнообразия предохранительных клапанов, а также разнообразия и сложности систем, работающих под давлением, при выборе предохранительного клапана необходимо учитывать влияние таких факторов, как температура, давление и среда [...]...

Советы по использованию предохранительных клапанов: Повышение безопасности вашей системы

Исследователь провел проект системы горячего водоснабжения гостиницы, обеспечивающей постоянное снабжение паром (0,3 Мпа) в качестве источника тепла, температурой подачи воды 60-55 градусов, с использованием [...]...

Литой алюминиевый сплав: Характеристики, свойства и многое другое

Алюминиевые сплавы, из которых можно непосредственно получать детали с помощью процессов литья металлов, отливки из алюминиевых сплавов. Содержание легирующих элементов в таких сплавах обычно выше, чем в [...]...

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.