Насос — это устройство, перемещающее жидкости ( жидкости или газы ) или иногда пульпы [1] посредством механического воздействия, обычно преобразуемого из электрической энергии в гидравлическую энергию.
Механические насосы используются в широком спектре приложений, таких как перекачка воды из скважин , фильтрация аквариумов , фильтрация прудов и аэрация , в автомобильной промышленности для охлаждения воды и впрыска топлива , в энергетической промышленности для перекачки нефти и природного газа или для работы градирен и других компонентов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха . В медицинской промышленности насосы используются для биохимических процессов при разработке и производстве лекарств, а также в качестве искусственных заменителей частей тела, в частности, искусственного сердца и протеза полового члена .
Когда насос содержит два или более насосных механизма, через которые последовательно направляется жидкость, он называется многоступенчатым насосом . Такие термины, как двухступенчатый или двухступенчатый, могут использоваться для конкретного описания количества ступеней. Насос, который не соответствует этому описанию, является просто одноступенчатым насосом в противоположность.
В биологии появилось много различных типов химических и биомеханических насосов ; биомимикрия иногда используется при разработке новых типов механических насосов.
Механические насосы могут быть погружены в перекачиваемую ими жидкость или располагаться вне ее.
Насосы можно классифицировать по способу вытеснения на электромагнитные насосы, насосы объемного действия, импульсные насосы, скоростные насосы, гравитационные насосы, паровые насосы и бесклапанные насосы. Существует три основных типа насосов: объемные, центробежные и осевые насосы. В центробежных насосах направление потока жидкости изменяется на девяносто градусов, когда она протекает через рабочее колесо, в то время как в насосах осевого потока направление потока остается неизменным. [2] [3]
Электромагнитный насос — это насос, который перемещает жидкий металл , расплавленную соль , рассол или другую электропроводящую жидкость с помощью электромагнетизма .
Магнитное поле устанавливается под прямым углом к направлению движения жидкости, и через него пропускается ток. Это вызывает электромагнитную силу, которая перемещает жидкость.
Области применения включают перекачку расплавленного припоя во многих машинах для пайки волной припоя , перекачку жидкометаллического охлаждающего вещества и магнитогидродинамический привод .
Объемный насос перемещает жидкость, захватывая фиксированное количество жидкости и вытесняя (вытесняя) этот захваченный объем в выпускную трубу.
Некоторые объемные насосы используют расширяющуюся полость на стороне всасывания и уменьшающуюся полость на стороне нагнетания. Жидкость поступает в насос, когда полость на стороне всасывания расширяется, и жидкость вытекает из нагнетания, когда полость сжимается. Объем постоянен в каждом цикле работы.
Насосы объемного типа, в отличие от центробежных , теоретически могут производить один и тот же поток при заданной скорости вращения независимо от давления нагнетания. Таким образом, насосы объемного типа являются машинами с постоянным расходом . Однако небольшое увеличение внутренней утечки при увеличении давления препятствует действительно постоянному расходу.
Насос объемного типа не должен работать при закрытом клапане на стороне нагнетания насоса, поскольку у него нет запорной головки, как у центробежных насосов. Насос объемного типа, работающий при закрытом клапане нагнетания, продолжает производить поток, а давление в линии нагнетания увеличивается до тех пор, пока линия не разорвется, насос не будет серьезно поврежден или и то, и другое.
Поэтому необходим предохранительный или спускной клапан на стороне нагнетания насоса объемного действия. Предохранительный клапан может быть внутренним или внешним. Обычно производитель насоса имеет возможность поставлять внутренние предохранительные или спускные клапаны. Внутренний клапан обычно используется только в качестве меры предосторожности. Внешний предохранительный клапан на линии нагнетания с возвратной линией к линии всасывания или питающему резервуару обеспечивает повышенную безопасность .
Объемные насосы можно дополнительно классифицировать в зависимости от механизма, используемого для перемещения жидкости:
Эти насосы перемещают жидкость с помощью вращающегося механизма, создающего вакуум, который захватывает и втягивает жидкость. [4]
Преимущества: Роторные насосы очень эффективны [5], поскольку они могут перекачивать высоковязкие жидкости с более высокой скоростью потока по мере увеличения вязкости. [6]
Недостатки: Природа насоса требует очень малых зазоров между вращающимся насосом и внешним краем, заставляя его вращаться с медленной, постоянной скоростью. Если роторные насосы работают на высоких скоростях, жидкости вызывают эрозию, что в конечном итоге приводит к увеличению зазоров, через которые может проходить жидкость, что снижает эффективность.
Роторные объемные насосы делятся на пять основных типов:
Возвратно-поступательные насосы перемещают жидкость с помощью одного или нескольких качающихся поршней, плунжеров или мембран (диафрагм), в то время как клапаны ограничивают движение жидкости в желаемом направлении. Для того чтобы произошло всасывание, насос должен сначала потянуть плунжер наружу, чтобы уменьшить давление в камере. Как только плунжер оттолкнется, он увеличит давление в камере, а внутреннее давление плунжера затем откроет выпускной клапан и выпустит жидкость в нагнетательную трубу с постоянной скоростью потока и повышенным давлением.
Насосы в этой категории варьируются от симплексных , с одним цилиндром, до в некоторых случаях с четверкой (четырьмя) цилиндрами или более. Многие насосы возвратно-поступательного типа являются дуплексными (двумя) или триплексными (тремя) цилиндрами. Они могут быть либо одностороннего действия с всасыванием в одном направлении движения поршня и нагнетанием в другом, либо двухстороннего действия с всасыванием и нагнетанием в обоих направлениях. Насосы могут приводиться в действие вручную, воздухом или паром, или ременным приводом от двигателя. Этот тип насосов широко использовался в 19 веке — в первые дни парового движения — в качестве насосов для подачи воды в котлы. Сейчас возвратно-поступательные насосы обычно перекачивают высоковязкие жидкости, такие как бетон и тяжелые масла, и служат в специальных приложениях, где требуется низкая скорость потока при высоком сопротивлении. Возвратно-поступательные ручные насосы широко использовались для откачки воды из скважин. Обычные велосипедные насосы и ножные насосы для накачивания используют возвратно-поступательное действие.
Эти насосы с положительным вытеснением имеют расширяющуюся полость на стороне всасывания и уменьшающуюся полость на стороне нагнетания. Жидкость поступает в насосы, когда полость на стороне всасывания расширяется, и жидкость вытекает из нагнетания, когда полость сжимается. Объем постоянен при каждом цикле работы, а объемная эффективность насоса может быть достигнута путем планового обслуживания и проверки его клапанов. [14]
Типичные возвратно-поступательные насосы:
В этих насосах применяется принцип вытеснения:
Это простейшая форма роторных объемных насосов. Он состоит из двух зацепленных шестерен, которые вращаются в плотно прилегающем корпусе. Зубчатые пространства захватывают жидкость и заставляют ее двигаться по внешней периферии. Жидкость не возвращается обратно на зацепленную часть, потому что зубья плотно зацепляются в центре. Шестеренчатые насосы широко используются в масляных насосах автомобильных двигателей и в различных гидравлических силовых агрегатах.
Винтовой насос — это более сложный тип роторного насоса, который использует два или три винта с противоположной резьбой — например, один винт вращается по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки. Винты установлены на параллельных валах, которые часто имеют шестерни, которые входят в зацепление, так что валы вращаются вместе, и все остается на месте. В некоторых случаях ведомый винт приводит в движение вторичный винт без шестерен, часто используя жидкость для ограничения истирания. Винты вращаются на валах и гонят жидкость через насос. Как и в других формах роторных насосов, зазор между движущимися частями и корпусом насоса минимален.
Широко используемый для перекачивания сложных материалов, таких как ил сточных вод, загрязненный крупными частицами, винтовой насос состоит из винтового ротора, длина которого примерно в десять раз больше его ширины. Его можно представить как центральный сердечник диаметром x с, как правило, изогнутой спиралью, намотанной вокруг толщиной в половину x , хотя на самом деле он изготавливается в виде одной отливки. Этот вал помещается внутри прочной резиновой втулки, толщина стенки которой также обычно составляет x . По мере вращения вала ротор постепенно нагнетает жидкость вверх по резиновой втулке. Такие насосы могут развивать очень высокое давление при малых объемах.
Названный в честь братьев Рутс, которые его изобрели, этот кулачковый насос перемещает жидкость, заключенную между двумя длинными винтовыми роторами, каждый из которых вставлен в другой, когда перпендикулярен под углом 90°, вращаясь внутри треугольной конфигурации уплотнительной линии, как в точке всасывания, так и в точке нагнетания. Такая конструкция обеспечивает непрерывный поток с равным объемом и без вихрей. Он может работать при низких скоростях пульсации и обеспечивает мягкую производительность, которая требуется в некоторых приложениях.
Приложения включают в себя:
Перистальтический насос — это тип насоса положительного вытеснения. Он содержит жидкость внутри гибкой трубки, установленной внутри круглого корпуса насоса (хотя были созданы линейные перистальтические насосы). Ряд роликов , башмаков или скребков, прикрепленных к ротору, сжимают гибкую трубку. Когда ротор вращается, часть трубки, находящаяся под сжатием, закрывается (или закупоривается ), заставляя жидкость проходить через трубку. Кроме того, когда трубка открывается в свое естественное состояние после прохождения кулачка, она втягивает ( возвращает ) жидкость в насос. Этот процесс называется перистальтикой и используется во многих биологических системах, таких как желудочно-кишечный тракт .
Плунжерные насосы представляют собой возвратно-поступательные насосы прямого вытеснения.
Они состоят из цилиндра с возвратно-поступательным плунжером. Всасывающий и нагнетательный клапаны установлены в головке цилиндра. В такте всасывания плунжер втягивается, а всасывающие клапаны открываются, вызывая всасывание жидкости в цилиндр. В прямом ходе плунжер выталкивает жидкость из нагнетательного клапана. Эффективность и распространенные проблемы: При наличии только одного цилиндра в плунжерных насосах поток жидкости варьируется от максимального потока, когда плунжер движется через средние положения, до нулевого потока, когда плунжер находится в конечных положениях. Много энергии тратится впустую, когда жидкость ускоряется в системе трубопроводов. Вибрация и гидравлический удар могут быть серьезной проблемой. В целом, проблемы компенсируются использованием двух или более цилиндров, не работающих в фазе друг с другом. Центробежные насосы также подвержены гидравлическому удару. Анализ пульсаций, специализированное исследование, помогает оценить этот риск в таких системах.
В трехплунжерных насосах используются три плунжера, что снижает пульсацию по сравнению с одноплунжерными насосами возвратно-поступательного движения. Добавление демпфера пульсации на выходе насоса может дополнительно сгладить пульсацию насоса или график пульсации преобразователя насоса. Динамическая связь жидкости высокого давления и плунжера обычно требует высококачественных плунжерных уплотнений. Плунжерные насосы с большим количеством плунжеров имеют преимущество в виде увеличенного потока или более плавного потока без демпфера пульсации. Увеличение движущихся частей и нагрузки на коленчатый вал является одним из недостатков.
Автомойки часто используют эти плунжерные насосы типа триплекс (возможно, без демпферов пульсации). В 1968 году Уильям Брюггеман уменьшил размер триплексного насоса и увеличил срок службы, чтобы автомойки могли использовать оборудование с меньшими габаритами. Прочные уплотнения высокого давления, уплотнения низкого давления и масляные сальники, закаленные коленчатые валы, закаленные шатуны, толстые керамические плунжеры и более прочные шариковые и роликовые подшипники повышают надежность триплексных насосов. Триплексные насосы теперь представлены на множестве рынков по всему миру.
Триплексные насосы с более коротким сроком службы являются обычным явлением для домашнего пользователя. Человек, который использует домашнюю мойку высокого давления в течение 10 часов в год, может быть удовлетворен насосом, который работает 100 часов между переборками. Триплексные насосы промышленного класса или непрерывного действия на другом конце спектра качества могут работать до 2080 часов в год. [17]
В нефтяной и газовой промышленности бурения используются массивные трехцилиндровые насосы, перевозимые на полуприцепах, называемые грязевыми насосами, для перекачивания бурового раствора , который охлаждает буровое долото и переносит шлам обратно на поверхность. [18] Бурильщики используют трехцилиндровые или даже пятицилиндровые насосы для закачки воды и растворителей глубоко в сланец в процессе добычи, называемом фрекингом . [19]
Работающие на сжатом воздухе, эти насосы являются искробезопасными по своей конструкции, хотя все производители предлагают модели с сертификатом ATEX для соответствия отраслевым нормам. Эти насосы относительно недороги и могут выполнять широкий спектр задач, от откачки воды из дамб до откачки соляной кислоты из безопасного хранилища (в зависимости от того, как изготовлен насос — эластомеры/конструкция корпуса). Эти двухдиафрагменные насосы могут работать с вязкими жидкостями и абразивными материалами с мягким процессом откачки, идеально подходящим для транспортировки чувствительных к сдвигу сред. [20]
Разработанные в Китае как цепные насосы более 1000 лет назад, эти насосы могут быть сделаны из очень простых материалов: веревки, колеса и трубы достаточно, чтобы сделать простой канатный насос. Эффективность канатных насосов изучалась низовыми организациями, и методы их изготовления и эксплуатации постоянно совершенствовались. [21]
Импульсные насосы используют давление, создаваемое газом (обычно воздухом). В некоторых импульсных насосах газ, запертый в жидкости (обычно воде), высвобождается и накапливается где-то в насосе, создавая давление, которое может вытолкнуть часть жидкости вверх.
К традиционным импульсным насосам относятся:
Вместо цикла накопления и высвобождения газа давление может быть создано путем сжигания углеводородов. Такие насосы, работающие на сгорании, напрямую передают импульс от события сгорания через приводную мембрану к насосной жидкости. Чтобы обеспечить эту прямую передачу, насос должен быть почти полностью изготовлен из эластомера (например, силиконовой резины ). Следовательно, сгорание заставляет мембрану расширяться и тем самым выкачивать жидкость из соседней насосной камеры. Первый мягкий насос, работающий на сгорании, был разработан ETH Zurich. [22]
Гидравлический таран — это водяной насос, работающий на гидроэнергии. [23]
Он принимает воду при относительно низком давлении и высоком расходе и выдает воду с более высоким гидравлическим напором и более низким расходом. Устройство использует эффект гидравлического удара для создания давления, которое поднимает часть входящей воды, которая приводит в действие насос, до точки выше, чем та, где вода начала поступать.
Гидравлический таран иногда используется в отдаленных районах, где есть как источник гидроэнергии с низким напором, так и необходимость перекачки воды в пункт назначения, расположенный выше источника. В этой ситуации таран часто оказывается полезным, поскольку ему не требуется внешний источник энергии, кроме кинетической энергии текущей воды.
Ротодинамические насосы (или динамические насосы) представляют собой тип скоростного насоса, в котором кинетическая энергия добавляется к жидкости за счет увеличения скорости потока. Это увеличение энергии преобразуется в прирост потенциальной энергии (давления), когда скорость уменьшается до или во время выхода потока из насоса в выпускную трубу. Это преобразование кинетической энергии в давление объясняется Первым законом термодинамики , или, более конкретно, принципом Бернулли .
Динамические насосы можно далее подразделить в зависимости от способа, с помощью которого достигается увеличение скорости. [24]
Эти типы насосов имеют ряд характеристик:
Практическое различие между динамическими и объемными насосами заключается в том, как они работают в условиях закрытого клапана. Объемные насосы физически вытесняют жидкость, поэтому закрытие клапана ниже по потоку от объемного насоса приводит к постоянному повышению давления, которое может привести к механическому отказу трубопровода или насоса. Динамические насосы отличаются тем, что их можно безопасно эксплуатировать в условиях закрытого клапана (в течение коротких периодов времени).
Такой насос также называют центробежным насосом . Жидкость поступает вдоль оси или центра, ускоряется рабочим колесом и выходит под прямым углом к валу (радиально); примером является центробежный вентилятор , который обычно используется для реализации пылесоса . Другой тип радиального насоса - вихревой насос. Жидкость в них движется в тангенциальном направлении вокруг рабочего колеса. Преобразование механической энергии двигателя в потенциальную энергию потока происходит посредством множественных вихрей, которые возбуждаются рабочим колесом в рабочем канале насоса. Как правило, радиальный насос работает при более высоких давлениях и меньших расходах, чем осевой или смешанный насос.
Их также называют насосами с полностью жидкостными насосами . Жидкость выталкивается наружу или внутрь для перемещения жидкости в осевом направлении. Они работают при гораздо более низких давлениях и более высоких скоростях потока, чем насосы с радиальным потоком (центробежные). Насосы с осевым потоком не могут работать на высокой скорости без специальных мер предосторожности. Если при низкой скорости потока общий подъем напора и высокий крутящий момент, связанный с этой трубой, означали бы, что пусковой крутящий момент должен был бы стать функцией ускорения для всей массы жидкости в системе труб. [25]
Смешанные насосы работают как компромисс между радиальными и осевыми насосами. Жидкость испытывает как радиальное ускорение, так и подъем и выходит из рабочего колеса где-то между 0 и 90 градусами от осевого направления. Как следствие, смешанные насосы работают при более высоких давлениях, чем осевые насосы, обеспечивая при этом более высокие напоры, чем радиальные насосы. Угол выхода потока определяет характеристику напора-напора по отношению к радиальному и смешанному потоку.
Регенеративные турбинные насосы, также известные как насосы сопротивления , трения , жидкостно-кольцевые насосы , периферийные , тяговые , турбулентные или вихревые насосы, представляют собой класс центробежных насосов , работающих при высоких давлениях напора, обычно 4–20 бар (400–2000 кПа; 58–290 фунтов на кв. дюйм). [26]
Насос имеет рабочее колесо с несколькими лопастями или лопатками, которое вращается в полости. Всасывающее отверстие и напорные отверстия расположены по периметру полости и изолированы барьером, называемым стриппер , который позволяет рециркулировать только каналу наконечника (жидкость между лопастями) и заставляет любую жидкость в боковом канале (жидкость в полости снаружи лопастей) проходить через напорный порт. В регенеративном турбинном насосе, когда жидкость многократно закручивается по спирали от лопасти в боковой канал и обратно к следующей лопасти, кинетическая энергия передается на периферию, [26] таким образом, давление нарастает с каждой спиралью, аналогично регенеративному нагнетателю. [27] [28] [29]
Поскольку регенеративные турбинные насосы не могут стать паровыми запертыми , они обычно применяются для транспортировки летучих, горячих или криогенных жидкостей. Однако, поскольку допуски обычно жесткие, они уязвимы для твердых частиц или частиц, вызывающих заклинивание или быстрый износ. Эффективность обычно низкая, а давление и потребление энергии обычно уменьшаются с потоком. Кроме того, направление накачки может быть изменено путем изменения направления вращения. [29] [27] [30]
Насос с боковым каналом имеет всасывающий диск, рабочее колесо и нагнетательный диск. [31]
Это использует струю, часто паровую, для создания низкого давления. Это низкое давление всасывает жидкость и выталкивает ее в область более высокого давления.
Гравитационные насосы включают сифон и фонтан Герона . Гидравлический таран также иногда называют гравитационным насосом. В гравитационном насосе жидкость поднимается силой тяжести.
Паровые насосы долгое время представляли в основном исторический интерес. Они включают в себя любой тип насоса, работающего от парового двигателя , а также беспоршневые насосы, такие как насос Томаса Савери или паровой насос Пульсометра .
Недавно вновь возрос интерес к маломощным солнечным паровым насосам для использования в мелкомасштабном орошении в развивающихся странах. Ранее небольшие паровые двигатели не были жизнеспособны из-за растущей неэффективности по мере уменьшения размеров паровых двигателей. Однако использование современных конструкционных материалов в сочетании с альтернативными конфигурациями двигателей означает, что эти типы систем теперь являются экономически эффективной возможностью.
Бесклапанная перекачка помогает транспортировать жидкость в различных биомедицинских и инженерных системах. В бесклапанной насосной системе нет клапанов (или физических окклюзий), которые бы регулировали направление потока. Однако эффективность перекачки жидкости бесклапанной системой не обязательно ниже, чем у системы с клапанами. Фактически, многие гидродинамические системы в природе и технике в большей или меньшей степени полагаются на бесклапанную перекачку для транспортировки рабочих жидкостей в них. Например, кровообращение в сердечно-сосудистой системе поддерживается в некоторой степени даже при отказе клапанов сердца. Между тем, эмбриональное сердце позвоночных начинает перекачивать кровь задолго до развития различимых камер и клапанов. Подобно циркуляции крови в одном направлении, дыхательные системы птиц перекачивают воздух в одном направлении в жестких легких, но без какого-либо физиологического клапана. В микрофлюидике были изготовлены бесклапанные импедансные насосы , и, как ожидается, они будут особенно подходящими для обработки чувствительных биожидкостей. Струйные принтеры, работающие по принципу пьезоэлектрического преобразователя, также используют бесклапанную перекачку. Камера насоса опорожняется через печатную струю из-за уменьшения сопротивления потоку в этом направлении и заполняется за счет капиллярного эффекта .
Изучение записей о ремонте насосов и среднего времени между отказами (MTBF) имеет большое значение для ответственных и добросовестных пользователей насосов. В связи с этим в предисловии к Справочнику пользователя насосов 2006 года упоминается статистика «отказов насосов». Для удобства эта статистика отказов часто переводится в MTBF (в данном случае, установленный срок службы до отказа). [32]
В начале 2005 года Гордон Бак, главный инженер John Crane Inc. по полевым операциям в Батон-Руж, штат Луизиана, изучил записи о ремонте ряда нефтеперерабатывающих и химических заводов, чтобы получить значимые данные о надежности центробежных насосов. В исследование было включено в общей сложности 15 действующих заводов, насчитывающих около 15 000 насосов. На самом маленьком из этих заводов было около 100 насосов; на нескольких заводах было более 2000. Все объекты находились в Соединенных Штатах. Кроме того, некоторые из них считались «новыми», другие — «обновленными», а третьи — «установленными». Многие из этих заводов, но не все, имели соглашение об альянсе с John Crane. В некоторых случаях договор альянса включал присутствие на месте техника или инженера John Crane Inc. для координации различных аспектов программы.
Однако не все заводы являются нефтеперерабатывающими, и в других местах происходят разные результаты. На химических заводах насосы исторически были «выброшенными» предметами, поскольку химическое воздействие ограничивает срок службы. В последние годы ситуация улучшилась, но несколько ограниченное пространство, доступное в «старых» сальниках, соответствующих стандартам DIN и ASME, накладывает ограничения на тип уплотнения, который подходит. Если пользователь насоса не модернизирует уплотнительную камеру, насос подходит только для более компактных и простых версий. Без этой модернизации срок службы на химических установках обычно составляет около 50–60 процентов от значений для нефтеперерабатывающих заводов.
Незапланированное обслуживание часто является одной из самых существенных статей расходов на владение, а отказы механических уплотнений и подшипников являются одной из основных причин. Помните о потенциальной ценности выбора насосов, которые изначально стоят дороже, но служат гораздо дольше между ремонтами. Среднее время безотказной работы лучшего насоса может быть на один-четыре года больше, чем у его немодернизированного аналога. Учтите, что опубликованные средние значения предотвращенных отказов насосов варьируются от 2600 до 12 000 долларов США. Это не включает в себя упущенные выгоды . Один пожар насоса происходит на 1000 отказов. Меньше отказов насосов означает меньше разрушительных пожаров насосов.
Как уже отмечалось, типичный отказ насоса, согласно фактическим отчетам за 2002 год, обходится в среднем в 5000 долларов США. Сюда входят расходы на материалы, детали, рабочую силу и накладные расходы. Увеличение MTBF насоса с 12 до 18 месяцев позволит сэкономить 1667 долларов США в год — что может быть больше, чем стоимость модернизации надежности центробежного насоса. [32] [1] [33]
Насосы используются во всем обществе для различных целей. Ранние применения включают использование ветряной или водяной мельницы для перекачивания воды. Сегодня насос используется для орошения, водоснабжения , подачи бензина, систем кондиционирования воздуха , охлаждения (обычно называемого компрессором), перемещения химикатов, перемещения сточных вод , борьбы с наводнениями, морских служб и т. д.
В связи с широким спектром применения насосы имеют множество форм и размеров: от очень больших до очень маленьких, от перекачивания газа до перекачивания жидкости, от высокого давления до низкого давления, от большого объема до малого объема.
Обычно жидкостный насос не может просто всасывать воздух. Линия подачи насоса и внутренний корпус, окружающий насосный механизм, должны быть сначала заполнены жидкостью, которую необходимо перекачивать: Оператор должен ввести жидкость в систему, чтобы начать перекачку. Это называется заливкой насоса. Потеря заливки обычно происходит из-за попадания воздуха в насос. Зазоры и коэффициенты вытеснения в насосах для жидкостей, как жидких, так и более вязких, обычно не могут вытеснять воздух из-за его сжимаемости. Это касается большинства скоростных (ротодинамических) насосов — например, центробежных насосов. Для таких насосов положение насоса всегда должно быть ниже точки всасывания, в противном случае насос следует вручную заполнить жидкостью или использовать вспомогательный насос до тех пор, пока весь воздух не будет удален из линии всасывания и корпуса насоса.
Однако объемные насосы, как правило, имеют достаточно плотное уплотнение между движущимися частями и корпусом или кожухом насоса, поэтому их можно назвать самовсасывающими . Такие насосы также могут служить в качестве заливочных насосов , так называемых, когда они используются для удовлетворения этой потребности других насосов вместо действий, предпринимаемых оператором-человеком.
Одним из видов насоса, некогда распространенного во всем мире, был ручной водяной насос, или «кувшинный насос». Он обычно устанавливался над общественными колодцами до появления водопровода.
В некоторых частях Британских островов его часто называли приходским насосом . Хотя такие общественные насосы больше не распространены, люди все еще использовали выражение приходской насос для описания места или форума, где обсуждаются вопросы местного значения. [37]
Поскольку вода из кувшинных насосов берется непосредственно из почвы, она более подвержена загрязнению. Если такую воду не фильтровать и не очищать, ее употребление может привести к желудочно-кишечным или другим заболеваниям, передающимся через воду. Известный случай — вспышка холеры на Брод-стрит в 1854 году . В то время не было известно, как передается холера, но врач Джон Сноу заподозрил загрязненную воду и приказал снять ручку общественного насоса, в котором он подозревал это; затем вспышка утихла.
Современные ручные общественные насосы считаются наиболее устойчивым недорогим вариантом для безопасного водоснабжения в условиях нехватки ресурсов, часто в сельской местности в развивающихся странах. Ручной насос открывает доступ к более глубоким грунтовым водам, которые часто не загрязнены, а также повышает безопасность колодца, защищая источник воды от загрязненных ведер. Насосы, такие как насос Afridev, разработаны так, чтобы их было дешево изготавливать и устанавливать, а также легко обслуживать с помощью простых деталей. Однако нехватка запасных частей для этих типов насосов в некоторых регионах Африки снизила их полезность для этих областей.
Применение многофазных насосов, также называемых трехфазными, возросло из-за возросшей активности бурения нефтяных скважин. Кроме того, экономика многофазного производства привлекательна для операций по добыче, поскольку это приводит к более простым и меньшим по размеру установкам на месторождении, снижению затрат на оборудование и повышению производительности. По сути, многофазный насос может вместить все свойства потока жидкости с помощью одного оборудования, которое имеет меньшую площадь. Часто два меньших многофазных насоса устанавливаются последовательно, а не только один массивный насос.
Ротодинамический насос с одним валом, требующий двух механических уплотнений, этот насос использует осевое рабочее колесо открытого типа. Его часто называют насосом Посейдона , и его можно описать как нечто среднее между осевым компрессором и центробежным насосом.
Двухвинтовой насос состоит из двух взаимозацепляющихся винтов, которые перемещают перекачиваемую жидкость. Двухвинтовые насосы часто используются, когда условия перекачки содержат высокие объемные доли газа и колеблющиеся условия на входе. Для герметизации двух валов требуются четыре механических уплотнения.
Когда насосное применение не подходит для центробежного насоса, вместо него используется прогрессивный винтовой насос. [38] Прогрессивные винтовые насосы представляют собой одновинтовые типы, обычно используемые в неглубоких скважинах или на поверхности. Этот насос в основном используется в поверхностных приложениях, где перекачиваемая жидкость может содержать значительное количество твердых частиц, таких как песок и грязь. Объемная эффективность и механическая эффективность прогрессивного винтового насоса увеличиваются по мере увеличения вязкости жидкости. [38]
Эти насосы в основном являются многоступенчатыми центробежными насосами и широко используются в нефтяных скважинах в качестве метода искусственного подъема. Эти насосы обычно указываются, когда перекачиваемая жидкость в основном жидкая.
Буферная емкость Буферная емкость часто устанавливается выше всасывающего патрубка насоса в случае пробкового потока . Буферная емкость прерывает энергию пробки жидкости, сглаживает любые колебания входящего потока и действует как песколовка.
Как следует из названия, многофазные насосы и их механические уплотнения могут сталкиваться с большими изменениями в условиях эксплуатации, такими как изменение состава рабочей жидкости, колебания температуры, высокие и низкие рабочие давления и воздействие абразивных/эрозионных сред. Задача заключается в выборе подходящей компоновки механического уплотнения и системы поддержки для обеспечения максимального срока службы уплотнения и его общей эффективности. [39] [40] [41]
Насосы обычно оцениваются по мощности в лошадиных силах , объемному расходу , выходному давлению в метрах (или футах) напора, всасыванию на входе в футах (или метрах) напора. Напор можно упростить, указав количество футов или метров, на которое насос может поднять или опустить столб воды при атмосферном давлении .
С точки зрения первоначального проектирования инженеры часто используют величину, называемую удельной скоростью , чтобы определить наиболее подходящий тип насоса для определенной комбинации расхода и напора. Чистый положительный напор всасывания (NPSH) имеет решающее значение для производительности насоса. Он имеет два ключевых аспекта: 1) NPSHr (требуемый): напор, необходимый для работы насоса без проблем с кавитацией. 2) NPSHa (доступный): фактическое давление, обеспечиваемое системой (например, из верхнего резервуара). Для оптимальной работы насоса NPSHa всегда должен превышать NPSHr. Это гарантирует, что насос имеет достаточное давление для предотвращения кавитации, разрушительного состояния.
Мощность, сообщаемая жидкости, увеличивает энергию жидкости на единицу объема. Таким образом, соотношение мощности существует между преобразованием механической энергии механизма насоса и жидкостными элементами внутри насоса. В общем, это регулируется серией одновременных дифференциальных уравнений, известных как уравнения Навье-Стокса . Однако можно использовать более простое уравнение, связывающее только различные энергии в жидкости, известное как уравнение Бернулли . Отсюда мощность, P, требуемая насосом:
где Δp — изменение общего давления между входом и выходом (в Па), а Q — объемный расход жидкости, указанный в м 3 /с. Общее давление может иметь компоненты гравитационной, статической и кинетической энергии ; т. е. энергия распределяется между изменением потенциальной энергии гравитации жидкости (подъем или спуск по склону), изменением скорости или изменением статического давления. η — КПД насоса, который может быть указан в информации производителя, например, в виде кривой насоса, и обычно выводится либо из моделирования динамики жидкости (т. е. решения уравнений Навье-Стокса для конкретной геометрии насоса), либо путем испытаний. КПД насоса зависит от конфигурации насоса и условий эксплуатации (таких как скорость вращения, плотность и вязкость жидкости и т. д.).
Для типичной конфигурации «насоса» работа передается жидкости и, таким образом, положительна. Для жидкости, передающей работу насосу (т. е. турбине ), работа отрицательна. Мощность, необходимая для приведения в действие насоса, определяется путем деления выходной мощности на эффективность насоса. Кроме того, это определение охватывает насосы без подвижных частей, такие как сифон .
Эффективность насоса определяется как отношение мощности, передаваемой насосом жидкости, к мощности, подаваемой на привод насоса. Ее значение не является фиксированным для данного насоса, эффективность является функцией расхода и, следовательно, также рабочего напора. Для центробежных насосов эффективность имеет тенденцию к увеличению с расходом до точки, находящейся на полпути через рабочий диапазон (пиковая эффективность или точка наилучшей эффективности (BEP)), а затем снижается по мере дальнейшего увеличения расхода. Такие данные о производительности насоса обычно предоставляются производителем до выбора насоса. Эффективность насоса имеет тенденцию к снижению со временем из-за износа (например, увеличения зазоров по мере уменьшения размера рабочих колес).
Если в систему входит центробежный насос, важным вопросом проектирования является согласование характеристики потери напора и расхода с насосом, чтобы он работал в точке максимальной эффективности или близкой к ней.
Эффективность насоса является важным аспектом, и насосы должны регулярно проверяться. Термодинамическое тестирование насоса является одним из методов.
Большинство больших насосов имеют минимальное требование к потоку, ниже которого насос может быть поврежден из-за перегрева, износа рабочего колеса, вибрации, отказа уплотнения, повреждения приводного вала или плохой работы. [42] Система защиты от минимального потока гарантирует, что насос не будет работать ниже минимального расхода. Система защищает насос, даже если он закрыт или не работает, то есть если нагнетательная линия полностью закрыта. [43]
Простейшая система минимального потока — это труба, идущая от линии нагнетания насоса обратно к линии всасывания. Эта линия оснащена пластиной с отверстием, размер которой позволяет пропускать минимальный поток насоса. [44] Такое расположение обеспечивает поддержание минимального потока, хотя оно и расточительно, поскольку рециркулирует жидкость, даже когда поток через насос превышает минимальный поток.
Более сложная, но и более дорогая система (см. схему) включает в себя устройство измерения расхода (FE) в нагнетании насоса, которое подает сигнал в регулятор расхода (FIC), который активирует клапан регулирования расхода (FCV) в линии рециркуляции. Если измеренный расход превышает минимальный расход, то FCV закрывается. Если измеренный расход падает ниже минимального расхода, то FCV открывается для поддержания минимального расхода. [42]
По мере рециркуляции жидкостей кинетическая энергия насоса повышает температуру жидкости. Для многих насосов эта дополнительная тепловая энергия рассеивается через трубопровод. Однако для крупных промышленных насосов, таких как насосы нефтепроводов, в линии рециркуляции предусмотрен рециркуляционный охладитель для охлаждения жидкостей до нормальной температуры всасывания. [45] В качестве альтернативы рециркулированные жидкости могут быть возвращены выше по течению экспортного охладителя на нефтеперерабатывающем заводе , нефтяном терминале или морской установке .
{{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь ){{cite news}}: |last=имеет общее название ( помощь )