Насосы и насосное оборудование
В жизни и своем развитии человек всегда испытывал необходимость в перемещении (транспортировании) различных жидкостей, гидросмесей, а также сыпучих, вязких и других материалов.
Насос - это устройство для напорного перемещения материалов (всасывания и нагнетания), главным образом, жидкостей, с сообщением им внешней энергии. Изобретение насоса относится к глубокой древности. История развития насосостроения, как и все развитие техники, связана с потребностями человеческого общества на каждом этапе его развития, и к ней причастны многие великие умы человечества.
Современные насосы классифицируются в соответствии с ГОСТ 17389-72 по различным признакам, например, по принципу действия конструкции.
Условно насосы можно разделить на две группы:
- насосы-машины, приводимые в действие от двигателей;
- насосы-аппараты, действующие за счет других источников энергии и не имеющие движущихся рабочих органов.
Кроме этого, известны насосные устройства специального назначения, такие как вакуумные насосы, тепловые насосы.
Лопастные насосы
Лопастные насосы являются основным типом насосов (не менее 75% промышленных насосов) по производительности, универсальности и распространенности.
Центробежные насосы
Перекачивание жидкости или создание давления производится вращением одного или нескольких рабочих колес. В результате воздействия рабочего колеса жидкость выходит из него с более высоким давлением и большей скоростью, чем при входе. При этом происходит поворот потока жидкости на 90° от осевого направления к радиальному. Выходная скорость преобразуется в корпусе центробежного насоса в давление перед выходом жидкости из насоса.
Жидкость поступает к центральной части рабочего колеса (крыльчатке). Крыльчатка установлена на валу в корпусе и приводится во вращение электрическим или другим двигателем. Энергия вращения передается крыльчаткой жидкости; жидкость перемещается на периферию крыльчатки,собирается в кольцевом коллекторе (улитке) и удаляется через выходной патрубок. Патрубок имеет расширяющуюся форму; скорость потока в нем падает, и часть кинетической энергии жидкости, приобретенной в рабочем колесе насоса, преобразуется в потенциальную энергию давления. Увеличение давления на выходе из насоса может быть достигнуто увеличением либо частоты вращения, либо диаметра крыльчатки.
Вход жидкости в колесо организован в центре. Далее жидкость захватывается лопатками (для уменьшения утечек и повышения прочности лопатки с боков закрыты дисками), отбрасывается к периферии и далее попадает в улитку (корпус насоса).
В данной конструкции насоса хорошо видно увеличивающееся сечение для прохода жидкости между рабочим колесом и корпусом. Далее проходное сечение резко уменьшается (отсечка потока) и в корпусе организуется канал или отверстие для отвода жидкости. Наиболее распространенным типом центробежных насосов являются одноступенчатые центробежные насосы с горизонтальным расположением вала и рабочим колесом одностороннего входа.
Осевые насосы
Пропеллерные (осевые) насосы применяют для перекачивания больших количеств жидкостей, при небольших напорах, главным образом, для создания циркуляции жидкостей в различных аппаратах, например, при выпаривании.
Рабочее колесо насоса, по форме близкое к гребному винту, расположено в корпусе. Жидкость захватывается лопастями рабочего колеса и перемещается в осевом направлении, одновременно участвуя во вращательном движении. За насосом установлен направляющий аппарат для преобразования вращательного движения жидкости в поступательное.
Осевые насосы бывают жестколопастными, с лопастями пропеллерного типа, закрепленным неподвижно на втулке рабочего колеса, и поворотно-лопастными, оборудованными механизмом для изменения угла наклона лопастей. Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием КПД на высоком уровне. Рабочие колеса осевого насоса имеют высокий коэффициент быстроходности ns = 500-1500 об/мин.
Вихревые насосы
Вихревые насосы относятся к машинам трения и обладают хорошей способностью самовсасывания, т.е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой. Благодаря этому вихревые насосы применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами. Существуют две разновидности вихревых насосов: закрытого и открытого типа.
В вихревом насосе закрытого типа частицы жидкости из ячеек, расположенных по периферии рабочего колеса, под влиянием центробежных сил будут переходить в канал корпуса насоса и затем, передав часть своей кинетической энергии находящейся там среде, возвратятся в другие ячейки. Совершая винтообразное вихревое перемещение, каждая частица за время ее нахождения в насосе несколько раз побывает в ячейках ротора и получит от него определенную энергию.
В вихревых насосах открытого типа жидкость подводится вблизи вала насоса, проходит между лопатками рабочего колеса и отводится к выходному отверстию в корпусе из открытого (без перемычки) периферийного канала.
В результате такого многоступенчатого действия вихревые насосы по сравнению с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными насосами развивают в 3-7 раз больший напор, но работают с более низким (в 2-3 раза) КПД.
Объемные насосы
Винтовые насосы
Винтовые (шнековые) насосы используются для непрерывной, почти без пульсаций, перекачки сред:
- с содержанием твердых веществ и без них;
- для перекачки жидкостей с вязкостью до 80000 МПа с
- токсичных материалов;
- абразивных материалов;
- прилипающих материалов;
- агрессивных материалов.
В качестве вытеснителя у винтовых насосов используется винт, вращающийся в неподвижной обойме. Винтовые насосы характеризуются высокой равномерностью подачи, простотой конструкции и эксплуатации, компактностью и малой массой. Они развивают рабочее давление до 2 МПа и обеспечивают дальность подачи материала до 100 м по горизонтали и до 60 м по вертикали.
Перистальтические насосы
Перистальтический насос является шланговым насосом. Принцип действия насоса основан на прокатывании по шлангу пережимных роликов, что обеспечивает движение жидкости.
При вращении ротора в глицерине башмак полностью пережимает шланг (рабочий орган насоса), расположенный по окружности внутри корпуса, и выдавливает перекачиваемую жидкость в магистраль. За башмаком шланг восстанавливает свою форму и всасывает жидкость. Абразивные частицы вдавливаются в эластичный внутренний слой шланга, затем выталкиваются в поток, не повреждая шланга.
Транспортируемый материал соприкасается только с внутренней поверхностью шланга, а не с подвижными деталями насоса. Поэтому шланговые насосы особенно пригодны для транспортировки агрессивных, абразивных и других продуктов, а также для транспортировки жидкостей с твердыми частицами и жидкостей, чувствительных к перемешиванию. Шланговые перистальтические насосы экономичны, обладают надежной и долговечной конструкцией, просты в эксплуатации и обслуживании.
Производительность насосов находится в диапазоне от 75 до 32000 л/час, что позволяет использовать их для решения большинства задач. Перистальтические насосы могут работать в режиме дозатора.
Область применения перистальтических насосов:
- строительство (перекачка строительных растворов, смол, отвердителей и т.п.);
- аэрация;
- очистные сооружения;
- химическая промышленность (агрессивные среды);
- целлюлозно-бумажная промышленность;
- пищевая, фармацевтическая промышленность (дозирование и перекачка теста, физраствора);
- атомная энергетика;
- дозирование;
- вакуумирование.
Предназначен для перекачки следующих сред и продуктов:
- высокоабразивных;
- высоковязких;
- большой плотности;
- химически активных;
- разрушающихся от механического воздействия.
Выделяют также дозировочные насосные агрегаты - шланговые перистальтические насосы в комплекте с блоком управления частотой вращения обеспечивают регулирование подачи в диапазоне от 10 до 100% с точностью до 1,5%. Возможно управление производительностью насоса с помощью аналогового сигнала от внешнего устройства. Дискретное дозирование может осуществляться с помощью реле времени, останавливающего насос по завершении подачи требуемого количества продукта.
Преимущества перистальтического насоса:
- надежность, простота эксплуатации;
- постоянная подача;
- абсолютно герметичен;
- возможность реверсивной работы.
- возможна прокачка газожидкостных смесей;
- единственная изнашивающаяся деталь - шланг - заменяется без демонтажа насоса через 500 - 2000 часов работы в зависимости от свойств перекачиваемой среды;
- гладкая проточная часть, отсутствуют клапаны, карманы.
- нет контакта перекачиваемой среды с движущимися металлическими частями;
- не разрушается структура перекачиваемой среды;
- cамоочистка насоса изменением направления вращения;
- возможность работы "всухую", т. е. необязательно наличие жидкости в проточной части;
- самовсасывание до 9 м водного столба без предварительной заливки;
- всасывание разлитой жидкости с горизонтальных поверхностей.
Поршневые насосы
Поршневые насосы относятся к объемным. Отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа-поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объеме, но в различные моменты времени. Чтобы периодически соединять рабочий объем то со стороной всасывания,то со стороной нагнетания, в насосе предусмотрены всасывающий и нагнетательные клапаны.Во время работы насоса жидкость получает главным образом потенциальную энергию, пропорциональную давлению ее нагнетания.
Поршневые насосы классифицируют на горизонтальные и вертикальные, одинарного и многократного действия, одно- и многоцилиндровые, а также по быстроходности, роду подаваемой жидкости и другим признакам.
По сравнению с центробежными насосами поршневые имеют более сложную конструкцию, отличаются тихоходностью, а следовательно, и большими габаритами, а также массой на единицу совершаемой работы. Но они обладают сравнительно высоким КПД и независимостью подачи от напора, что позволяет использовать их в качестве дозировочных.
В зависимости от конструкции поршня различают собственно поршневые и плунжерные насосы. В поршневых насосах рабочим органом является поршень с уплотнительными кольцами, пришлифованными к внутренней зеркальной поверхности цилиндра. Плунжер не имеет уплотнительных колец и отличается от поршня большим отношением длины к диаметру.
Плунжерные насосы не требуют такой тщательной обработки внутренней поверхности цилиндра, как поршневые, поэтому их применяют для перекачивания загрязненных и вязких жидкостей, а также для создания более высоких давлений.
Поршневые и плунжерные насосы имеют цилиндр и поршень , совершающий возвратно-поступательное движение. Цилиндр снабжен клапанами всасывания и нагнетания . При прямом ходе поршня и открытом клапане происходит процесс нагнетания рабочей среды в напорный трубопровод, при обратном ходе и открытом всасывающем клапане - заполнение объема цилиндра. Главная особенность работы поршневых насосов - периодичность подачи и возвратно-поступательное движение и в связи с этим более сложный привод.
Роторные насосы
Роторные насосы получили распространение, главным образом, для осуществления небольших подач жидкости.
По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы делят на:
- зубчатые (в том числе шестеренные),
- винтовые,
- шиберные,
- коловратные,
- аксиально- и радиально-поршневые,
- лабиринтные.
Каждый из них имеет свои разновидности, но объединяющий их признак - общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых насосов. Роторные насосы отличаются отсутствием всасывающего и нагнетательного клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию.
В роторных насосах взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в подвижных рабочих камерах, которые попеременно соединяются с полостями всасывания и нагнетания. В связи с этим в роторных насосах нет клапанов. Отсутствие клапанов дает возможность иметь большую быстроходность, т.е. число рабочих циклов в единицу времени.
Принцип действия роторного насоса. Роторные насосы имеют цилиндрический ротор , эксцентрически расположенный в корпусе. В радиальных щелях расположены подвижные пластины , которые под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности цилиндра. Рабочая среда поступает через патрубок всасывания и переталкивается лопастями в патрубок нагнетания .
Наиболее распространенным типом роторных насосов являются пластинчато-роторные насосы. Они могут быть однократного, двукратного или многократного действия.
На практике применяются насосы и с большей кратностью, но их конструкции сложнее, поэтому использование таких насосов ограничено.
Шестеренные насосы
Шестеренный насос представляет собой зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих герметическое замыкание рабочих камер и передачу вращающего момента с ведущего вала на ведомый.
Наиболее простым по конструкции и самым распространенным является шестеренный насос с внешним зацеплением. Он состоит из корпуса и двух эвольвентных зубчатых колес (шестерен) и , находящихся в зацеплении. В представленной конструкции ведущей является шестерня , а ведомой.
Жидкость во всасывающей полости заполняет впадины между зубьями. Затем впадины с жидкостью перемешаются по дугам окружности от полости всасывания в полость нагнетания (показано штрихпунктирной линией).
В полости нагнетания каждый зуб входит в соответствующую впадину и вытесняет из нее жидкость (в частности, зуб 6 входит во впадину ). Таким образом, жидкость вытесняется из впадин в полость нагнетания.
Следует иметь в виду, что впадина несколько больше зуба, поэтому часть жидкости возвращается обратно в полость всасывания. Шестеренные насосы могут быть с внешним и внутренним зацеплением.
Число зубьев может быть уменьшено до двух, при этом вращающиеся элементы будут иметь очертания, напоминающие восьмерку.
В таком нагнетателе необходимо обеспечить привод от двигателя обеих "восьмерок", так как в отличие от зубчатых насосов они не имеют зацепления.
К достоинствам шестеренных насосов следует отнести компактность, простоту конструкции, отсутствие клапанов, возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, независимость от противодавления сети, реверсивность, возможность получения высоких давлений (5 МПа для шестеренного насоса, 0,5 МПа для насоса "восьмерочного" типа).
Основные недостатки состоят в быстром износе рабочих органов, невысокой подаче и низком КПД (до 0,75%).