Центробежный насос

Центробежные насосы используются для транспортировки жидкостей путем преобразования кинетической энергии вращения в гидродинамическую энергию потока жидкости. Энергия вращения обычно исходит от двигателя или электродвигателя. Они представляют собой подкласс динамических осесимметричных турбомашин , поглощающих работу . ^{[ 1 ]} Жидкость поступает в рабочее колесо насоса вдоль или рядом с осью вращения и ускоряется рабочим колесом, вытекая радиально наружу в диффузор или спиральную камеру (корпус), из которой она выходит.

Обычное использование включает перекачку воды, сточных вод, сельского хозяйства, нефти и нефтехимии. Центробежные насосы часто выбирают из-за их высокой производительности, совместимости с абразивными растворами, возможности смешивания, а также их относительно простой конструкции. ^{[ 2 ]} Центробежный вентилятор обычно используется для установки приточно-вытяжной установки или пылесоса . Обратная функция центробежного насоса — водяная турбина, преобразующая потенциальную энергию давления воды в механическую энергию вращения.

История

По мнению Рети, первой машиной, которую можно было охарактеризовать как центробежный насос, была машина для подъема грязи, появившаяся еще в 1475 году в трактате итальянского инженера эпохи Возрождения Франческо ди Джорджо Мартини . ^{[ 3 ]} Настоящие центробежные насосы не были разработаны до конца 17 века, когда Дени Папен построил насос с прямыми лопастями. Изогнутая лопасть была изобретена британским изобретателем Джоном Аппольдом в 1851 году.

Принцип работы

Как и большинство насосов, центробежный насос преобразует энергию вращения, часто исходящую от двигателя, в энергию движущейся жидкости. Часть энергии переходит в кинетическую энергию жидкости. Жидкость поступает в осевом направлении через проушину корпуса, захватывается лопастями рабочего колеса и закручивается по касательной и радиально наружу, пока не выйдет через все окружные части рабочего колеса в диффузорную часть корпуса. Проходя через рабочее колесо, жидкость приобретает как скорость, так и давление. Диффузор в форме пончика или спиральная часть корпуса замедляет поток и еще больше увеличивает давление.

Описание Эйлера

Следствием второго закона механики Ньютона является сохранение момента количества движения (или «момента количества движения»), который имеет фундаментальное значение для всех турбомашин. Соответственно, изменение момента количества движения равно сумме внешних моментов. Угловые моменты

$\rho Qrcu$

на входе и выходе внешний крутящий момент $M$ и моменты трения из-за касательных напряжений $M\tau$ воздействовать на рабочее колесо или диффузор, где:

$\rho$ плотность жидкости (кг/м ³)
$Q$ – расход (м ³/с)
$r$ это радиус
$c$ вектор абсолютной скорости
$u$ – вектор периферийной окружной скорости.

Поскольку на цилиндрических поверхностях в окружном направлении не создаются силы давления, можно записать уравнение (1.10) ^{[ нужны разъяснения ]} как: ^{[ 4 ]}

$\rho Q(c_{2}ur_{2}-c_{1}ur_{1})=M+M_{\tau }$ (1.13)

Уравнение насоса Эйлера

На основании уравнения. (1.13) Эйлер разработал уравнение напора, создаваемого рабочим колесом, см. рис.2.2.

$Yth.g=H_{t}=c_{2}u.u_{2}-c_{1}u.u_{1}$ (1)

$Yth=1/2(u_{2}^{2}-u_{1}^{2}+w_{1}^{2}-w_{2}^{2}+c_{2}^{2}-c_{1}^{2})$ (2)

В уравнении (2) сумма 4-х номеров передних элементов вызывает статическое давление, сумма последних 2-х элементов вызывает скоростное давление. Посмотрите внимательно на рис. 2.2 и подробное уравнение. ^{[ нужны разъяснения ]}

$H_{t}$ : теоретическое давление напора: $g$ = между 9,78 и 9,82 м/с ² в зависимости от широты условное стандартное значение составляет ровно 9,80665 м/с. ² барицентрическое гравитационное ускорение
$u_{2}=r_{2}\omega$ : вектор периферийной окружной скорости
$u_{1}=r_{1}\omega$ : вектор входной окружной скорости
$\omega =2\pi n$ : угловая скорость
$w_{1}$ : вектор относительной скорости на входе
$w_{2}$ : вектор относительной скорости на выходе
$c_{1}$ вектор абсолютной скорости на входе
$c_{2}$ : вектор абсолютной скорости на выходе

Треугольник скоростей

Цветной треугольник, образованный векторами скорости $u,c,w$ называется треугольником скоростей . Это правило помогло превратить уравнение (1) в уравнение (2) и подробно объяснило, как работает насос.

На рис. 2.3 (а) показан треугольник скоростей лопастного рабочего колеса с загнутыми вперед лопатками; На рис. 2.3 (б) показан треугольник скоростей радиального прямолопастного рабочего колеса. Он довольно четко иллюстрирует добавленную к потоку энергию (показана в векторе $c$ ) обратно пропорциональны скорости потока $Q$ (показано в векторе $c_{m}$ ).

Коэффициент эффективности

$\eta ={\frac {\rho .gQH}{P_{m}}}$

где:

$P_{m}$ необходимая входная мощность механики (в ваттах)
$\rho$ плотность жидкости (кг/м ³)
$g$ — стандартное ускорение свободного падения (9,80665 м/с). ²)
$H$ энергетический напор, добавленный к потоку (в метрах)
$Q$ — расход (в м ³/с)
$\eta$ - КПД насосной установки в десятичном виде

Напор добавлен насосом( $H$ ) представляет собой сумму статической подъемной силы, потери напора из-за трения и любые потери из-за клапанов или изгибов труб выражаются в метрах жидкости. Мощность чаще выражают в киловаттах (10 ³ Вт, кВт) или лошадиных сил . Значение КПД насоса, $\eta _{\textrm {pump}}$ , может быть указан для самого насоса или как совокупный КПД системы насоса и двигателя.

Вертикальные центробежные насосы

Вертикальные центробежные насосы также называют консольными насосами. В них используется уникальная конфигурация вала и опоры подшипников, которая позволяет улитке висеть в поддоне, в то время как подшипники находятся вне поддона. В этом типе насоса не используется сальниковая коробка для уплотнения вала, а вместо этого используется «дроссельная втулка». Обычно насосы этого типа применяются в мойках деталей .

Пенные насосы

В горнодобывающей промышленности или при добыче нефтеносного песка образуется пена , отделяющая богатые минералы или битум от песка и глины. Пена содержит воздух, который имеет тенденцию блокировать обычные насосы и вызывать потерю заливки. На протяжении истории промышленность разрабатывала различные способы решения этой проблемы. В целлюлозно-бумажной промышленности в рабочем колесе сверлят отверстия. Воздух выходит к задней части крыльчатки, а специальный экспеллер выбрасывает его обратно во всасывающий резервуар. Рабочее колесо также может иметь специальные небольшие лопатки между первичными лопатками, называемые раздельными лопатками или вторичными лопатками. Некоторые насосы могут иметь большое отверстие, индуктор или рециркуляцию пены под давлением из нагнетания насоса обратно на всасывание, чтобы разрушить пузырьки. ^{[ 5 ]}

Многоступенчатые центробежные насосы

Центробежный насос, содержащий два или более рабочих колеса, называется многоступенчатым центробежным насосом. Рабочие колеса могут быть установлены на одном валу или на разных валах. На каждом этапе жидкость направляется к центру, прежде чем попасть к выпуску по внешнему диаметру.

Для более высокого давления на выходе рабочие колеса можно соединить последовательно. Для более высокого расхода рабочие колеса можно подключить параллельно.

Распространенным применением многоступенчатого центробежного насоса является насос питательной воды котла . Например, для агрегата мощностью 350 МВт потребуется два питательных насоса, подключенных параллельно. Каждый питательный насос представляет собой многоступенчатый центробежный насос производительностью 150 л/с при давлении 21 МПа.

Вся энергия, передаваемая жидкости, получается за счет механической энергии, приводящей в движение рабочее колесо. Это можно измерить при изэнтропическом сжатии, приводящем к небольшому повышению температуры (помимо повышения давления).

Использование энергии

Потребление энергии в насосной установке определяется требуемым расходом, высотой подъема, длиной и характеристиками трения трубопровода. Мощность, необходимая для привода насоса ( $P_{i}$ ) определяется просто с использованием единиц СИ:

$P_{i}={\cfrac {\rho \ g\ H\ Q}{\eta }}$

где:

$P_{i}$ необходимая входная мощность (в ваттах )
$\rho$ плотность жидкости (в килограммах на кубический метр , кг/м ³)
$g$ — стандартное ускорение свободного падения (9,80665 м/с). ²)
$H$ это напор энергии, добавленный к потоку (в метрах )
$Q$ — объемный расход (в кубических метрах в секунду , м ³/с)
$\eta$ - КПД насосной установки в десятичном виде

Напор добавлен насосом( $H$ ) представляет собой сумму статической подъемной силы, потерь напора из-за трения и любых потерь из-за клапанов или изгибов труб, выраженных в метрах жидкости. Мощность чаще выражают в киловаттах (10 ³ Вт, кВт) или лошадиных сил (1 л.с. = 0,746 кВт). Значение КПД насоса, $\eta _{pump}$ , может быть указан для самого насоса или как совокупный КПД системы насоса и двигателя.

Потребление энергии определяется путем умножения потребляемой мощности на время работы насоса.

Проблемы центробежных насосов

Вот некоторые трудности, с которыми сталкиваются центробежные насосы: ^{[ 7 ]}

Кавитация — чистая положительная высота всасывания ( NPSH ) системы слишком мала для выбранного насоса.
Износ рабочего колеса — может усугубляться взвешенными твердыми частицами или кавитацией.
Коррозия внутри насоса, вызванная свойствами жидкости.
Перегрев из-за низкого расхода
Утечка вдоль вращающегося вала.
Отсутствие заливки — для работы центробежные насосы должны быть заполнены (перекачиваемой жидкостью).
Всплеск
Вязкие жидкости могут снизить эффективность
Другие типы насосов могут быть более подходящими для применений с высоким давлением.
Крупные твердые частицы или мусор могут засорить насос.

Центробежные насосы для контроля твердых частиц

Система контроля твердых частиц на нефтяном месторождении требует большого количества центробежных насосов, которые могут располагаться на резервуарах для бурового раствора или в них. Типы используемых центробежных насосов: песочные насосы, погружные шламовые насосы, сдвиговые насосы и загрузочные насосы. Они определены для разных функций, но принцип их работы один и тот же.

Насосы с магнитной связью

Насосы с магнитной связью или насосы с магнитным приводом отличаются от традиционного типа перекачки, поскольку двигатель соединен с насосом с помощью магнитных средств, а не с помощью прямого механического вала. Насос работает посредством приводного магнита, «приводящего в движение» ротор насоса, который магнитно связан с первичным валом, приводимым в движение двигателем. ^{[ 8 ]} Их часто используют там, где утечка перекачиваемой жидкости представляет большой риск (например, агрессивная жидкость в химической или атомной промышленности, поражение электрическим током – садовые фонтаны). Другие случаи использования включают случаи, когда необходимо перекачивать агрессивные, горючие или токсичные жидкости (например, соляную кислоту , гидроксид натрия, гипохлорит натрия, серную кислоту, железо/хлорид железа или азотную кислоту). ^{[ 9 ]} сальник или сальник У них нет прямого соединения между валом двигателя и рабочим колесом, поэтому не требуется . Риск утечки отсутствует, если корпус не сломан. насоса Поскольку вал насоса не опирается на подшипники снаружи корпуса , опору внутри насоса обеспечивают втулки. Мощность насосов с магнитным приводом может варьироваться от нескольких ватт до гигантских 1 МВт. ^{[ нужна ссылка ]}

Грунтовка

Процесс заполнения насоса жидкостью называется заливкой. Для заливки всем центробежным насосам требуется наличие жидкости в корпусе жидкости. Если корпус насоса заполняется парами или газами, крыльчатка насоса становится загазованной и неспособна перекачивать. ^{[ 10 ]} Чтобы гарантировать, что центробежный насос остается заполненным и не становится связанным с газом, большинство центробежных насосов располагаются ниже уровня источника, из которого насос должен всасывать газ. Такого же эффекта можно добиться, подавая жидкость на всас насоса под давлением, создаваемым другим насосом, расположенным во всасывающей линии.

Самовсасывающий центробежный насос

В нормальных условиях обычные центробежные насосы не способны откачать воздух из впускной линии, ведущей к уровню жидкости, геодезическая высота которого ниже высоты насоса. Самовсасывающие насосы должны быть способны откачивать воздух из линии всасывания насоса без каких-либо внешних вспомогательных устройств.

Центробежные насосы с внутренней ступенью всасывания, такие как водоструйные насосы или насосы с боковым каналом, также классифицируются как самовсасывающие насосы. ^{[ 10 ]} Самовсасывающие центробежные насосы были изобретены в 1935 году. Одной из первых компаний, выпустивших на рынок самовсасывающие центробежные насосы, была компания American Marsh в 1938 году. ^{[ нужна ссылка ]}

Центробежные насосы, которые не имеют внутренней или внешней ступени самовсасывания, могут начать перекачивать жидкость только после первоначального заполнения насоса жидкостью. Их крыльчатки более прочные, но медленные и предназначены для перемещения жидкости, которая намного плотнее воздуха, поэтому они не могут работать в присутствии воздуха. ^{[ 11 ]} Кроме того, необходимо установить обратный клапан или выпускной клапан на стороне всасывания, чтобы предотвратить любое сифонное действие и гарантировать, что жидкость останется в корпусе после остановки насоса. В самовсасывающих центробежных насосах с сепарационной камерой перекачиваемая жидкость и захваченные пузырьки воздуха закачиваются в сепарационную камеру под действием рабочего колеса.

Воздух выходит через выпускное сопло насоса, а жидкость опускается обратно вниз и снова увлекается рабочим колесом. Таким образом, всасывающая линия постоянно вакуумируется. Конструкция, необходимая для такой самовсасывающей функции, отрицательно влияет на эффективность насоса. Кроме того, размеры разделительной камеры относительно велики. По этим причинам это решение применяется только для небольших насосов, например, садовых насосов. Наиболее распространенными типами самовсасывающих насосов являются боковые и водокольцевые насосы.

Другой тип самовсасывающего насоса — центробежный насос с двумя корпусными камерами и открытым рабочим колесом. Эта конструкция используется не только из-за ее самовсасывания, но и из-за эффекта дегазации при кратковременной перекачке двухфазных смесей (воздух/газ и жидкость) в технологических процессах или при работе с загрязненными жидкостями, например, при сливе воды. из строительных ям. Этот тип насоса работает без приемного клапана и устройства для откачки на стороне всасывания. Перед вводом в эксплуатацию насос необходимо заправить перекачиваемой жидкостью. Двухфазная смесь перекачивается до тех пор, пока всасывающая линия не будет вакуумирована и уровень жидкости не будет вытеснен в переднюю всасывающую камеру атмосферным давлением. При нормальной работе насоса этот насос работает как обычный центробежный насос.

См. также

Ссылки

^ Шепард, Деннис Г. (1956). Принципы турбомашин . Макмиллан. ISBN 0-471-85546-4 . LCCN 56002849 .
^ «Типы, стоимость и характеристики опрыскивающих насосов» . Расходные материалы для опрыскивателей . 13.10.2018. Архивировано из оригинала 21 ноября 2018 г. Проверено 21 ноября 2018 г.
^ Рети, Ладислао; Джорджо Мартини, Франческо (лето 1963 г.). «Трактат Франческо ди Джорджио (Армани) Мартини о инженерном деле и его плагиаторах». Технологии и культура . 4 (3): 287–298 (290). дои : 10.2307/3100858 . JSTOR 3100858 .
^ Гюлих, Иоганн Фридрих (2010). Центробежные насосы (2-е изд.). Спрингер. ISBN 978-3-642-12823-3 .
^ Баха Абулнага (2004). Перекачивание нефтепесчаной пены (PDF) . 21-й Международный симпозиум пользователей насосов, Балтимор, Мэриленд. Опубликовано Техасским университетом A&M, Техас, США. Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2014 г. Проверено 28 октября 2012 г.
^ Мониш, Пареш Гирдхар, Окто (2004). Практическое проектирование, эксплуатация и обслуживание центробежных насосов (1. изд. изд.). Оксфорд: Ньюнс. п. 13. ISBN 0750662735 . Проверено 3 апреля 2015 г. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Ларри Бахус, Angle Custodio (2003). Знать и понимать центробежные насосы . ООО "Эльзевир" ISBN 1856174093 .
^ Карасик, Игорь Дж. (2001). Справочник по насосу (третье изд.). Макгроу Хилл Образование . ISBN 9780070340329 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Что такое насос с магнитным приводом?» . CECO Экологическая . 12 июля 2021 г. Проверено 30 апреля 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б Гулих, Дж. Ф. (2008). Центробежные насосы . Берлин: Шпрингер. п. 79. дои : 10.1007/978-3-642-12824-0 . ISBN 978-3-642-12824-0 .
^ «Как работают самовсасывающие насосы?» . Блог прямых продаж насосов . 11 мая 2018 г. Проверено 11 мая 2018 г.

Источники

Комитет по стандартам ASME B73, Насосы для химических стандартов

Внешние ссылки

[Shepard-1] Шепард, Деннис Г. (1956). Принципы турбомашин . Макмиллан. ISBN 0-471-85546-4 . LCCN 56002849 .

[2] «Типы, стоимость и характеристики опрыскивающих насосов» . Расходные материалы для опрыскивателей . 13.10.2018. Архивировано из оригинала 21 ноября 2018 г. Проверено 21 ноября 2018 г.

[Ladislao_Reti_290-3] Рети, Ладислао; Джорджо Мартини, Франческо (лето 1963 г.). «Трактат Франческо ди Джорджио (Армани) Мартини о инженерном деле и его плагиаторах». Технологии и культура . 4 (3): 287–298 (290). дои : 10.2307/3100858 . JSTOR 3100858 .

[4] Гюлих, Иоганн Фридрих (2010). Центробежные насосы (2-е изд.). Спрингер. ISBN 978-3-642-12823-3 .

[5] Баха Абулнага (2004). Перекачивание нефтепесчаной пены (PDF) . 21-й Международный симпозиум пользователей насосов, Балтимор, Мэриленд. Опубликовано Техасским университетом A&M, Техас, США. Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2014 г. Проверено 28 октября 2012 г.

[6] Мониш, Пареш Гирдхар, Окто (2004). Практическое проектирование, эксплуатация и обслуживание центробежных насосов (1. изд. изд.). Оксфорд: Ньюнс. п. 13. ISBN 0750662735 . Проверено 3 апреля 2015 г. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] Ларри Бахус, Angle Custodio (2003). Знать и понимать центробежные насосы . ООО "Эльзевир" ISBN 1856174093 .

[8] Карасик, Игорь Дж. (2001). Справочник по насосу (третье изд.). Макгроу Хилл Образование . ISBN 9780070340329 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[9] «Что такое насос с магнитным приводом?» . CECO Экологическая . 12 июля 2021 г. Проверено 30 апреля 2023 г.

[priming-10] Jump up to: ^а ^б Гулих, Дж. Ф. (2008). Центробежные насосы . Берлин: Шпрингер. п. 79. дои : 10.1007/978-3-642-12824-0 . ISBN 978-3-642-12824-0 .

[11] «Как работают самовсасывающие насосы?» . Блог прямых продаж насосов . 11 мая 2018 г. Проверено 11 мая 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]