Жидкостно -кольцевой насос представляет собой вращающийся объемный газовый насос , в котором жидкость под действием центробежной силы действует как уплотнение .
Жидкостно-кольцевые насосы обычно используются в качестве вакуумных насосов , но также могут использоваться в качестве газовых компрессоров . Функция жидкостно-кольцевого насоса аналогична функции роторно-пластинчатого насоса , с той разницей, что лопасти являются жесткой частью ротора и перемешивают вращающееся кольцо жидкости, образуя уплотнение камеры сжатия. Они изначально имеют конструкцию с низким трением, причем ротор является единственной движущейся частью. Трение скольжения ограничивается уплотнениями вала. [1] Жидкостно-кольцевые насосы обычно приводятся в действие асинхронным двигателем .
Жидкостно-кольцевой насос сжимает газ, вращая лопастное рабочее колесо , расположенное эксцентрично внутри цилиндрического корпуса. Жидкость (часто вода) подается в насос и под действием центробежного ускорения образует движущееся цилиндрическое кольцо у внутренней части корпуса. Это жидкостное кольцо создает ряд уплотнений в пространствах между лопастями рабочего колеса, которые образуют компрессионные камеры. Эксцентриситет между осью вращения рабочего колеса и геометрической осью корпуса приводит к циклическому изменению объема, заключенного между лопастями и кольцом.
Газ (часто воздух) всасывается в насос через впускное отверстие в боковой части корпуса. Газ удерживается в компрессионных камерах, образованных лопатками рабочего колеса и жидкостным кольцом. Уменьшение объема, вызванное вращением рабочего колеса, сжимает газ, который выходит через выпускное отверстие в боковой части корпуса.
Сжатый газ на выходе из насоса содержит небольшое количество рабочей жидкости, которая обычно удаляется в парожидкостном сепараторе .
Самые ранние жидкостно-кольцевые насосы датируются 1903 годом, когда патент был выдан в Германии компании Siemens-Schuckert . Патент США 1,091,529 на жидкостно-кольцевые вакуумные насосы и компрессоры был выдан Льюису Х. Нэшу в 1914 году. [2] Они были изготовлены компанией Nash Engineering Company в Норволке, штат Коннектикут, США. Примерно в то же время в Австрии патент 69274 был выдан компании Siemens-Schuckertwerke на аналогичный жидкостно-кольцевой вакуумный насос.
Эти простые, но очень надежные насосы имеют множество промышленных применений. Они используются для поддержания вакуума конденсатора на больших паротурбинных генераторных установках путем удаления неконденсирующихся газов, где уровень вакуума обычно составляет 30–50 мбар. Они используются на бумагоделательных машинах для обезвоживания пульпы целлюлозы и извлечения воды из пресс-войлоков. Другое применение — вакуумное формование формованных изделий из бумажной массы ( яичных коробок и другой упаковки). Другие применения включают рекультивацию почв, где загрязненные грунтовые воды извлекаются из скважин с помощью вакуума. В нефтепереработке вакуумная дистилляция также использует жидкостно-кольцевые вакуумные насосы для обеспечения технологического вакуума. Жидкостно-кольцевые компрессоры часто используются в системах улавливания паров . В промышленности по производству пластиковой экструзии они используются в качестве вакуумных насосов для дегазации .
Жидкостно-кольцевые системы могут быть одно- или многоступенчатыми. Обычно многоступенчатый насос имеет до двух каскадных ступеней сжатия на общем валу. При работе в вакууме достижимое снижение давления ограничивается давлением паров кольцевой жидкости. По мере того, как создаваемый вакуум приближается к давлению паров кольцевой жидкости, увеличивающийся объем паров, выделяемых кольцевой жидкостью, уменьшает остаточную вакуумную емкость. Эффективность системы снижается по мере приближения к пределу.
Одноступенчатые вакуумные насосы обычно создают вакуум до 35 торр (мм рт. ст.) или 47 миллибар (4,7 кПа), а двухступенчатые насосы могут создавать вакуум до 25 торр, предполагая, что перекачивается воздух, а кольцевая жидкость — вода при температуре 15 °C (59 °F) или ниже. Сухой воздух и температура герметика-воды 15 °C являются стандартной основой производительности, которую большинство производителей используют для своих кривых производительности.
Часть кольцевой жидкости также захватывается потоком газообразного нагнетания. Эта жидкость отделяется от потока газа другим оборудованием, внешним по отношению к насосу. В некоторых системах сбрасываемая кольцевая жидкость охлаждается теплообменником или градирней , а затем возвращается в корпус насоса. В некоторых рециркуляционных системах загрязняющие вещества из газа задерживаются в кольцевой жидкости в зависимости от конфигурации системы. Эти загрязняющие вещества концентрируются по мере того, как жидкость продолжает рециркулировать, и в конечном итоге могут вызвать повреждение и сокращение срока службы насоса. В этом случае требуются системы фильтрации, чтобы гарантировать, что загрязнение поддерживается на приемлемом уровне.
В системах без рециркуляции сбрасываемая горячая жидкость (обычно вода) обрабатывается как поток отходов. В этом случае для восполнения потерь используется свежая холодная вода. Экологические соображения делают такие «прямоточные» системы все более редкими.
Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы могут использовать любую жидкость, совместимую с процессом, в качестве герметизирующей жидкости, при условии, что она имеет соответствующие свойства давления паров. Хотя наиболее распространенным герметиком является вода, можно использовать практически любую жидкость. Второй по распространенности герметизирующей жидкостью является масло. Поскольку масло имеет очень низкое давление паров, жидкостно-кольцевые вакуумные насосы с масляным уплотнением обычно охлаждаются воздухом. Для применения с сухим хлорным газом в качестве герметика используется концентрированная серная кислота .
Возможность использования любой жидкости позволяет жидкостно-кольцевому вакуумному насосу идеально подходить для извлечения растворителя (пара). Например, если такой процесс, как дистилляция или вакуумная сушка, генерирует пары толуола , то можно использовать жидкий толуол в качестве герметика, при условии, что охлаждающая вода достаточно холодная, чтобы поддерживать давление паров герметизирующей жидкости достаточно низким для создания желаемого вакуума. [3]
Ионные жидкости в жидкостно-кольцевых вакуумных насосах могут снизить вакуумное давление с примерно 70 мбар до менее 1 мбар. [4]
