Насос — это устройство, которое перемещает жидкости ( жидкости или газы ), а иногда и суспензии , [1] посредством механического воздействия, обычно преобразуемого из электрической энергии в гидравлическую энергию .
Механические насосы используются в широком спектре применений, таких как перекачивание воды из колодцев , фильтрация аквариумов , фильтрация и аэрация прудов , в автомобильной промышленности для водяного охлаждения и впрыска топлива , в энергетической промышленности для перекачки нефти и природного газа или для рабочего охлаждения. башни и другие компоненты систем отопления, вентиляции и кондиционирования . В медицинской промышленности насосы используются для биохимических процессов при разработке и производстве лекарств, а также в качестве искусственной замены частей тела, в частности искусственного сердца и протезов полового члена .
Когда насос содержит два или более насосных механизма, через которые последовательно течет жидкость, его называют многоступенчатым насосом . Для конкретного описания количества ступеней можно использовать такие термины, как двухступенчатый или двухступенчатый . Насос, который не подходит под это описание, напротив, представляет собой просто одноступенчатый насос .
В биологии появилось множество различных типов химических и биомеханических насосов ; биомимикрию иногда используют при разработке новых типов механических насосов.
Механические насосы могут быть погружены в жидкость, которую они перекачивают, или располагаться снаружи жидкости.
Насосы можно классифицировать по методу перемещения на электромагнитные насосы, объемные насосы, импульсные насосы, скоростные насосы, гравитационные насосы, паровые насосы и бесклапанные насосы. Существует три основных типа насосов: объемные, центробежные и осевые . В центробежных насосах направление потока жидкости изменяется на девяносто градусов при протекании через рабочее колесо, тогда как в осевых насосах направление потока не меняется. [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 пропускают ток. Это вызывает электромагнитную силу, которая перемещает жидкость.
Приложения включают перекачку расплавленного припоя во многих машинах для пайки волной , перекачивание жидкометаллической охлаждающей жидкости и магнитогидродинамический привод .
Насос прямого вытеснения заставляет жидкость двигаться, улавливая фиксированное количество и вытесняя (вытесняя) этот захваченный объем в нагнетательную трубу.
В некоторых объемных насосах используется расширяющаяся полость на стороне всасывания и уменьшающаяся полость на стороне нагнетания. Жидкость поступает в насос, когда полость на стороне всасывания расширяется, и жидкость вытекает из нагнетания, когда полость сжимается. Объем постоянен на протяжении каждого цикла работы.
Насосы объемного действия, в отличие от центробежных , теоретически могут производить один и тот же поток при заданной скорости (об/мин) независимо от давления нагнетания. Таким образом, объемные насосы представляют собой машины с постоянным расходом . Однако небольшое увеличение внутренней утечки по мере увеличения давления препятствует достижению действительно постоянного расхода.
Объемный насос не должен работать при закрытом клапане на напорной стороне насоса, поскольку он не имеет запорной головки, как центробежные насосы. Поступательный насос, работающий при закрытом выпускном клапане, продолжает производить поток, и давление в нагнетательной линии увеличивается до тех пор, пока линия не разорвется, насос не будет серьезно поврежден или и то, и другое.
Поэтому необходим предохранительный или предохранительный клапан на напорной стороне объемного насоса. Предохранительный клапан может быть внутренним или внешним. Производитель насоса обычно имеет возможность поставить внутренние предохранительные или предохранительные клапаны. Внутренний клапан обычно используется только в целях безопасности. Внешний предохранительный клапан на нагнетательной линии с возвратной линией обратно к линии всасывания или подающему резервуару обеспечивает повышенную безопасность .
Насос прямого вытеснения можно дополнительно классифицировать в зависимости от механизма, используемого для перемещения жидкости:
Эти насосы перемещают жидкость с помощью вращающегося механизма, который создает вакуум, который захватывает и втягивает жидкость. [4]
Преимущества: Роторные насосы очень эффективны [5] , поскольку они могут перекачивать высоковязкие жидкости с более высокими скоростями потока по мере увеличения вязкости. [6]
Недостатки: природа насоса требует очень малых зазоров между вращающимся насосом и внешним краем, что заставляет его вращаться с медленной и 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:
Поршневые насосы перемещают жидкость с помощью одного или нескольких колеблющихся поршней, плунжеров или мембран (диафрагм), тогда как клапаны ограничивают движение жидкости в желаемом направлении. Чтобы произошло всасывание, насос должен сначала потянуть плунжер наружу, чтобы снизить давление в камере. Как только плунжер отодвинется назад, давление в камере увеличится, а внутреннее давление плунжера откроет выпускной клапан и выпустит жидкость в напорную трубу с постоянной скоростью потока и повышенным давлением.
Насосы этой категории варьируются от простых с одним цилиндром до, в некоторых случаях , четырехцилиндровых или более цилиндров. Многие насосы поршневого типа имеют дуплексный (два) или триплексный (три) цилиндра. Они могут быть как одностороннего действия с всасыванием при одном направлении движения поршня и нагнетанием в другом, так и двойного действия с всасыванием и нагнетанием в обоих направлениях. Насосы могут приводиться в действие вручную, воздухом или паром или с помощью ременного привода от двигателя. Этот тип насосов широко использовался в 19 веке - на заре паровых двигателей - в качестве насосов для питательной воды котлов. В настоящее время поршневые насосы обычно перекачивают жидкости с высокой вязкостью, такие как бетон и тяжелые масла, и используются в особых случаях, когда требуется низкая скорость потока при высоком сопротивлении. Ручные поршневые насосы широко применялись для перекачивания воды из колодцев. Обычные велосипедные и ножные насосы для накачивания используют возвратно-поступательное движение.
Эти объемные насосы 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 регулярного технического обслуживания и проверки его клапанов. [14]
Типичные поршневые насосы:
В этих насосах применяется принцип прямого вытеснения:
Это простейшая форма роторных объемных насосов. Он состоит из двух сцепленных шестерен, которые вращаются в плотно прилегающем корпусе. Зубные пространства задерживают жидкость и вытесняют ее по внешней периферии. Жидкость не возвращается обратно на зацепленную часть, поскольку зубья плотно сцепляются в центре. Шестеренчатые насосы широко используются в масляных насосах автомобильных двигателей и в различных гидравлических агрегатах.
Винтовой насос — это более сложный тип ротационного насоса, в котором используются два или три винта с противоположной резьбой — например, один винт вращается по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки. Винты установлены на параллельных валах с шестернями, которые входят в зацепление, поэтому валы вращаются вместе, и все остается на месте. Винты вращают валы и прогоняют жидкость через насос. Как и в других типах ротационных насосов, зазор между движущимися частями и корпусом насоса минимален.
Широко используемый для перекачивания сложных материалов, таких как осадок сточных вод, загрязненный крупными частицами, шнековый насос состоит из винтового ротора, длина которого примерно в десять раз превышает его ширину. Его можно представить как центральный сердечник диаметром x с, как правило, изогнутой спиралью, намотанной на половину толщины x , хотя на самом деле он изготавливается за одну отливку. Этот вал помещается внутри прочной резиновой втулки, толщина стенок которой обычно также составляет x . По мере вращения вала ротор постепенно выталкивает жидкость вверх по резиновой втулке. Такие насосы могут развивать очень высокое давление при небольших объемах.
Названный в честь изобретших его братьев Рутс, этот кулачковый насос вытесняет жидкость, захваченную между двумя длинными винтовыми роторами, каждый из которых вставлен в другой перпендикулярно под углом 90°, вращаясь внутри конфигурации уплотнительной линии треугольной формы, как в точке всасывания, так и в точке всасывания. точка сброса. Эта конструкция обеспечивает непрерывный поток одинакового объема без завихрений. Он может работать с низкой частотой пульсации и обеспечивает плавную работу, необходимую для некоторых применений.
Приложения включают в себя:
Перистальтический насос — это разновидность насоса прямого вытеснения. Он содержит жидкость внутри гибкой трубки, установленной внутри круглого корпуса насоса (хотя существуют и линейные перистальтические насосы). Ряд роликов , башмаков или скребков , прикрепленных к ротору , сжимают гибкую трубку. Когда ротор вращается, часть сжимаемой трубки закрывается (или закупоривается ), вытесняя жидкость 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 поршневые насосы объемного действия.
Они состоят из цилиндра с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Всасывающий и нагнетательный клапаны установлены в головке цилиндра. Во время хода всасывания плунжер втягивается и всасывающие клапаны открываются, вызывая всасывание жидкости в цилиндр. При ходе вперед плунжер выталкивает жидкость из выпускного клапана. Эффективность и распространенные проблемы. В плунжерных насосах только один цилиндр, поток жидкости варьируется от максимального потока, когда плунжер перемещается через средние положения, до нулевого потока, когда плунжер находится в конечных положениях. Много энергии тратится впустую, когда жидкость ускоряется в системе трубопроводов. Серьезной проблемой могут стать вибрация и гидравлический удар . В целом проблемы компенсируются использованием двух и более цилиндров, не работающих в фазе друг с другом.
В трехплунжерных насосах используются три плунжера, что снижает пульсацию одиночных поршневых насосов. Добавление демпфера пульсаций на выходе насоса может дополнительно сгладить пульсацию насоса или график пульсации преобразователя насоса. Динамическое взаимодействие жидкости под высоким давлением и плунжера обычно требует высококачественных уплотнений плунжера. Плунжерные насосы с большим количеством плунжеров обеспечивают увеличенный расход или более плавный поток без демпфера пульсаций. Одним из недостатков является увеличение движущихся частей и нагрузки на коленчатый вал.
На автомойках часто используются плунжерные насосы тройного типа (возможно, без гасителей пульсаций). В 1968 году Уильям Брюггеман уменьшил размер тройного насоса и увеличил срок его службы, чтобы автомойки могли использовать оборудование с меньшей занимаемой площадью. Прочные уплотнения высокого давления, уплотнения низкого давления и сальники, закаленные коленчатые валы, закаленные шатуны, толстые керамические плунжеры и более прочные шариковые и роликовые подшипники повышают надежность триплексных насосов. Насосы Triplex сейчас 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 10 часов в год, может быть удовлетворен насосом, который прослужит 100 часов между ремонтами. Триплексные насосы промышленного класса или непрерывного режима работы, находящиеся на другом конце качественного спектра, могут работать до 2080 часов в год. [17]
В нефтяной и газовой буровой промышленности используются массивные трехцилиндровые насосы, транспортируемые на полуприцепах, называемые буровыми насосами , для перекачивания бурового раствора , который охлаждает буровое долото и выносит шлам обратно на поверхность. [18] Бурильщики используют тройные или даже пятиплексные насосы для закачки воды и растворителей глубоко в сланец в процессе добычи, называемом гидроразрывом . [19]
Одним из современных применений объемных насосов являются двухдиафрагменные насосы с приводом от сжатого воздуха . Эти насосы, работающие на сжатом воздухе, являются искробезопасными по своей конструкции, хотя все производители предлагают модели, сертифицированные ATEX, соответствующие отраслевым нормам. Эти насосы относительно недороги и могут выполнять самые разнообразные задачи: от откачки воды из насыпей до перекачивания соляной кислоты из безопасного хранилища (в зависимости от того, как насос изготовлен – эластомеры/конструкция корпуса). Эти двухдиафрагменные насосы могут перекачивать вязкие жидкости и абразивные материалы с помощью щадящего процесса перекачки, идеально подходящего для транспортировки сред, чувствительных к сдвигу. [20]
Эти насосы , разработанные в Китае более 1000 лет назад как цепные насосы , могут быть изготовлены из очень простых материалов: для изготовления простого веревочного насоса достаточно веревки, колеса и трубы. Эффективность веревочных насосов изучалась массовыми организациями, а методы их изготовления и эксплуатации постоянно совершенствовались. [21]
Импульсные насосы используют давление, создаваемое газом (обычно воздухом). В некоторых импульсных насосах газ, попавший в жидкость (обычно воду), высвобождается и накапливается где-то в насосе, создавая давление, которое может вытолкнуть часть жидкости вверх.
К традиционным импульсным насосам относятся:
Вместо цикла накопления и выпуска газа давление можно создавать за счет сжигания углеводородов. Такие насосы с приводом от сгорания напрямую передают импульс от процесса сгорания через исполнительную мембрану перекачиваемой жидкости. Чтобы обеспечить такую прямую передачу, насос должен быть почти полностью изготовлен из эластомера (например, силиконовой резины ). Следовательно, горение заставляет мембрану расширяться и тем самым выкачивать жидкость из соседней насосной камеры. Первый мягкий насос с приводом от сгорания был разработан ETH Zurich. [22]
Гидравлический цилиндр – это водяной насос, работающий от гидроэнергии. [23]
Он принимает воду при относительно низком давлении и высокой скорости потока и выводит воду при более высоком гидравлическом напоре и более низкой скорости потока. Устройство использует эффект гидроудара для создания давления, которое поднимает часть входной воды, питающей насос, до точки выше, чем точка начала подачи воды.
Гидроцилиндр иногда используется в отдаленных районах, где есть как источник малонапорной гидроэлектроэнергии, так и необходимость перекачивать воду в пункт назначения, расположенный выше по высоте, чем источник. В этой ситуации таран часто бывает полезен, поскольку для него не требуется никакого внешнего источника 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 увеличение потенциальной энергии (давления), когда скорость снижается до или во время выхода потока из насоса в нагнетательную трубу. Это преобразование кинетической энергии в давление объясняется Первым законом термодинамики или, точнее, принципом Бернулли .
Динамические насосы можно подразделить в зависимости от средств, с помощью которых достигается прирост скорости. [24]
Данные типы насосов имеют ряд особенностей:
Практическая разница между динамическими и объемными насосами заключается в том, как они работают в условиях закрытого клапана. Насосы прямого вытеснения физически вытесняют жидкость, поэтому закрытие клапана после насоса прямого вытеснения приводит к постоянному повышению давления, которое может привести к механическому повреждению трубопровода или насоса. Динамические насосы отличаются тем, что их можно безопасно эксплуатировать в условиях закрытого клапана (в течение коротких периодов времени).
Такой насос еще называют центробежным насосом . Жидкость поступает по оси или центру, ускоряется рабочим колесом и выходит под прямым углом к валу (радиально); Примером является центробежный вентилятор , который обычно используется в пылесосе . 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 множества вихрей, которые возбуждаются рабочим колесом в рабочем канале насоса. Как правило, насос с радиальным потоком работает при более высоких давлениях и более низких скоростях потока, чем осевой насос или насос со смешанным потоком.
Их также называют 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 радиальные (центробежные) насосы. Осевые насосы нельзя эксплуатировать на максимальной скорости без специальных мер предосторожности. Если при низком расходе общий подъем напора и высокий крутящий момент, связанные с этой трубой, будут означать, что пусковой крутящий момент должен стать функцией ускорения всей массы жидкости в системе трубопроводов. Если в системе большое количество жидкости, медленно ускоряйте насос. [25]
Насосы смешанного потока представляют собой компромисс между радиальными и осевыми насосами. Жидкость испытывает как радиальное ускорение, так и подъемную силу и выходит из рабочего колеса под углом от 0 до 90 градусов в осевом направлении. Как следствие, насосы смешанного потока работают при более высоких давлениях, чем насосы с осевым потоком, обеспечивая при этом более высокий расход, чем насосы с радиальным потоком. Угол выхода потока определяет характеристику напора и расхода по отношению к радиальному и смешанному потоку.
Регенеративные турбинные насосы , также известные как тормозные , фрикционные , жидкостно-кольцевые , периферийные , тяговые , турбулентные или вихревые насосы, представляют собой класс ротодинамических насосов , которые работают при высоком напоре, обычно 4–20 бар (400–2000 кПа; 58– 290 фунтов на квадратный дюйм). [26]
Насос имеет рабочее колесо с несколькими лопастями или лопастями, которое вращается в полости. Порт всасывания и порты давления расположены по периметру полости и изолированы барьером, называемым стриппером , который позволяет рециркулировать только каналу наконечника (жидкости между лезвиями) и вытесняет любую жидкость в боковой канал (жидкость в полость снаружи лопастей) через порт давления. В регенеративном турбинном насосе, когда жидкость многократно движется по спирали от лопатки в боковой канал и обратно к следующей лопатке, кинетическая энергия передается периферии, [26] таким образом, давление растет с каждой спиралью, аналогично регенеративному нагнетателю. . [27] [28] [29]
Поскольку регенеративные турбинные насосы не могут блокировать пар , они обычно применяются для транспортировки летучих, горячих или криогенных жидкостей. Однако, поскольку допуски обычно жесткие, они уязвимы к воздействию твердых частиц или частиц, вызывающих заклинивание или быстрый износ. КПД обычно низкий, а давление и потребляемая мощность обычно уменьшаются с увеличением расхода. Кроме того, направление накачки можно изменить, изменив направление вращения. [29] [27] [30]
Насос с боковым каналом имеет всасывающий диск, рабочее колесо и нагнетательный диск. [31]
При этом используется струя, часто пара, для создания низкого давления. Это низкое давление всасывает жидкость и перемещает ее в область более высокого давления.
Гравитационные насосы включают сифон и фонтан Герона . Гидравлический домкрат также иногда называют гравитационным насосом; В гравитационном насосе вода поднимается за счет силы тяжести и так называемого гравитационного насоса.
Паровые насосы долгое время представляли в основном исторический интерес. Они включают в себя насосы любого типа, приводимые в движение паровым двигателем , а также беспоршневые насосы , такие как насос Томаса Савери или паровой насос Pulsometer .
В последнее время возродился интерес к солнечным паровым насосам малой мощности для использования в орошении мелких хозяйств в развивающихся странах. Ранее небольшие паровые двигатели были нежизнеспособны из-за растущей неэффективности по мере уменьшения размеров паровых двигателей. Однако использование современных конструкционных материалов в сочетании с альтернативными конфигурациями двигателей привело к тому, что системы такого типа теперь стали экономически эффективной возможностью.
Бесклапанная перекачка способствует транспортировке жидкостей в различных биомедицинских и инженерных системах. В бесклапанной насосной системе нет клапанов (или физических перекрытий), которые могли бы регулировать направление потока. Однако эффективность перекачки жидкости в бесклапанной системе не обязательно ниже, чем в системе с клапанами. Фактически, многие гидродинамические системы в природе и технике в той или иной степени полагаются на бесклапанную перекачку для транспортировки рабочих жидкостей. Например, кровообращение в сердечно-сосудистой системе в некоторой степени сохраняется даже при отказе клапанов сердца. Между тем сердце эмбрионального позвоночного начинает перекачивать кровь задолго до развития различимых камер и клапанов. Подобно кровообращению в одном направлении, дыхательная система птиц нагнетает воздух в одном направлении в ригидные легкие, но без какого-либо физиологического клапана. В микрофлюидике были изготовлены бесклапанные импедансные насосы , которые, как ожидается, будут особенно пригодны для работы с чувствительными биологическими жидкостями. Струйные принтеры, работающие по принципу пьезоэлектрического преобразователя, также используют бесклапанную накачку. Камера насоса опорожняется через печатную струю из-за уменьшения сопротивления потоку в этом направлении и заполняется капиллярно .
Изучение записей о ремонте насосов и среднего времени наработки на отказ (MTBF) имеет большое значение для ответственных и добросовестных пользователей насосов. Учитывая этот факт, в предисловии к «Руководству пользователя насоса» 2006 года упоминается статистика «отказов насосов». Для удобства эту статистику отказов часто пересчитывают в MTBF (в данном случае — срок службы до отказа). [32]
В начале 2005 года Гордон Бак, главный инженер John Crane Inc. по полевым работам в Батон-Руж, штат Луизиана, изучил записи о ремонтах ряда нефтеперерабатывающих и химических заводов, чтобы получить значимые данные о надежности центробежных насосов. Всего в исследование были включены 15 действующих станций, имеющих около 15 000 насосов. На самой маленькой из этих станций было около 100 насосов; на нескольких заводах их было более 2000. Все предприятия располагались в США. Кроме того, другие считаются «новыми», другие — «обновленными», а третьи — «устоявшимися». Многие из этих заводов (но не все) заключили союз с Джоном Крейном. В некоторых случаях контракт альянса предусматривал присутствие на объекте технического специалиста или инженера John Crane Inc. для координации различных аспектов программы.
Однако не все заводы являются нефтеперерабатывающими заводами, и в других местах наблюдаются разные результаты. На химических заводах насосы исторически считались «выбрасываемыми» предметами, поскольку химическое воздействие ограничивает жизнь. В последние годы ситуация улучшилась, но несколько ограниченное пространство, доступное в «старых» сальниковых коробках, соответствующих стандартам DIN и ASME, налагает ограничения на тип подходящего уплотнения. Если пользователь насоса не модернизирует камеру уплотнения, насос будет работать только с более компактными и простыми версиями. Без этой модернизации срок службы химических установок обычно составляет около 50–60 процентов от значений нефтеперерабатывающего завода.
Внеплановое техническое обслуживание часто является одной из наиболее значительных затрат при эксплуатации, а отказы механических уплотнений и подшипников являются одной из основных причин. Имейте в виду потенциальную ценность выбора насосов, которые изначально стоят дороже, но служат гораздо дольше между ремонтами. Среднее время безотказной работы более качественного 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. Сюда не входят издержки упущенных возможностей . На 1000 отказов происходит один пожар насоса. Меньшее количество отказов насосов означает меньшее количество разрушительных пожаров насосов.
Как уже отмечалось, типичный отказ насоса, согласно фактическим отчетам за 2002 год, обходится в среднем в 5000 долларов США. Сюда входят затраты на материалы, детали, рабочую силу и накладные расходы. Увеличение среднего времени безотказной работы насоса с 12 до 18 месяцев позволит сэкономить 1667 долларов США в год, что может быть больше, чем затраты на повышение надежности центробежного насоса. [32] [1] [33]
Насосы используются в обществе для различных целей. Ранние применения включают использование ветряной или водяной мельницы для перекачки 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 услуг и т. д.
Из-за широкого спектра применений насосы имеют множество форм и размеров: от очень больших до очень маленьких, от газа до жидкости, от высокого давления до низкого давления и от большого объема до малого объема.
Обычно жидкостный насос не может просто всасывать воздух. Линия подачи насоса и внутренний корпус, окружающий насосный механизм, сначала должны быть заполнены жидкостью, требующей перекачки: 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 рабочего объема в насосах для жидкостей, как жидких, так и более вязких, обычно не могут вытеснить воздух из-за его сжимаемости. Так обстоит дело с большинством скоростных (ротодинамических) насосов, например центробежных. Для таких насосов положение насоса всегда должно быть ниже точки всасывания, в противном случае насос следует заполнять жидкостью вручную или использовать вторичный 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 корпусом насоса, поэтому их можно назвать самовсасывающими . Такие насосы также могут служить в качестве заливочных насосов , так называемых, когда они используются для удовлетворения потребностей других насосов вместо действий, предпринимаемых человеком-оператором.
Одним из видов насосов, когда-то распространенных во всем мире, был водяной насос с ручным приводом, или «кувшинный насос». Его обычно устанавливали над общественными колодцами с водой во времена, когда еще не было водопроводного водоснабжения.
В некоторых частях Британских островов его часто называли приходским насосом . Хотя такие общественные насосы больше не распространены, люди по-прежнему использовали выражение «приходской насос» для описания места или форума, где обсуждаются вопросы, представляющие местный интерес. [37]
Поскольку вода из кувшинных насосов забирается непосредственно из почвы, она более подвержена загрязнению. Если такая вода не фильтруется и не очищается, ее употребление может привести к желудочно-кишечным или другим заболеваниям, передающимся через воду. Печально известным случаем является вспышка холеры на Брод-стрит в 1854 году . В то время не было известно, как передается холера, но врач Джон Сноу заподозрил зараженную воду и приказал снять ручку общественного насоса; затем вспышка утихла.
Современные общественные насосы с ручным управлением считаются наиболее устойчивым и недорогим вариантом безопасного водоснабжения в условиях ограниченных ресурсов, часто в сельских районах развивающихся стран. Ручной насос открывает доступ к более глубоким грунтовым водам, которые зачастую не загрязнены, а также повышает безопасность колодца, защищая источник воды от загрязненных ведер. Насосы, такие как насос Afridev, имеют дешевую конструкцию и установку, а также просты в обслуживании благодаря простым деталям. Однако нехватка запасных частей для насосов этого типа в некоторых регионах Африки снизила их полезность для этих регионов.
Применение многофазных насосов, также называемых трехфазными, расширилось в связи с увеличением объемов бурения нефтяных скважин. Кроме того, экономика многофазного производства привлекательна для добывающих компаний, поскольку она приводит к более простым и меньшим по размеру полевым установкам, снижению затрат на оборудование и повышению производительности. По сути, многофазный насос может обеспечить все свойства потока жидкости с помощью одной единицы оборудования, занимающей меньшую площадь. Часто два небольших многофазных насоса устанавливаются последовательно, а не один массивный насос.
Ротодинамический насос с одним валом, требующий двух механических уплотнений. В этом насосе используется 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 винтов, находящихся в зацеплении, которые перемещают перекачиваемую жидкость. Двухвинтовые насосы часто используются, когда условия перекачки содержат большие объемные доли газа и нестабильные условия на входе. Для уплотнения двух валов необходимы четыре механических уплотнения.
Если для перекачивания не подходит центробежный насос, вместо него используется винтовой насос. [38] Винтовые насосы представляют собой одновинтовые насосы, которые обычно используются в неглубоких скважинах или на поверхности. Этот насос в основном используется на поверхностях, где перекачиваемая жидкость может содержать значительное количество твердых частиц, таких как песок и грязь. Объемный КПД и механический КПД винтового насоса увеличиваются по мере увеличения вязкости жидкости. [38]
Эти насосы, по сути, представляют собой многоступенчатые центробежные насосы и широко используются на нефтяных скважинах в качестве метода механизированной добычи. Эти насосы обычно используются, когда перекачиваемая жидкость в основном жидкая.
Буферный бак На случай пробкового течения перед всасывающим патрубком насоса часто устанавливается буферный бак . Буферный резервуар разрушает энергию жидкой пробки, сглаживает любые колебания входящего потока и действует как пескоуловитель.
Как видно из названия, многофазные насосы и их механические уплотнения могут подвергаться большим изменениям в условиях эксплуатации, например, при изменении состава технологической жидкости, колебаниях температуры, высоких и низких рабочих давлениях и воздействии абразивных/эрозионных сред. Задача состоит в том, чтобы выбрать подходящее расположение механического уплотнения и систему поддержки, чтобы обеспечить максимальный срок службы уплотнения и его общую эффективность. [39] [40] [41]
Насосы обычно оцениваются по мощности , объемному расходу , давлению на выходе в метрах (или футах) напора, всасыванию на всасывании в футах (или метрах) напора. Напор можно упростить как количество футов или метров, на которое насос может поднять или опустить столб воды при атмосферном давлении .
С начальной точки зрения проектирования инженеры часто используют величину, называемую удельной скоростью , чтобы определить наиболее подходящий тип насоса для конкретной комбинации расхода и напора.
Мощность, передаваемая жидкости, увеличивает энергию жидкости на единицу объема. Таким образом, силовая связь существует между преобразованием механической энергии насосного механизма и жидкими элементами внутри насоса. В общем, это определяется серией одновременных дифференциальных уравнений, известных как уравнения Навье – Стокса . Однако можно использовать более простое уравнение, связывающее только различные энергии жидкости, известное как уравнение Бернулли . Отсюда мощность P, необходимая насосу:
где Δp – изменение общего давления между входом и выходом (в Па), а Q – объемный расход жидкости, выраженный в м 3 /с. Полное давление может иметь компоненты гравитационного, статического давления и кинетической энергии ; т.е. энергия распределяется между изменением гравитационной потенциальной энергии жидкости (движение вверх или вниз по склону), изменением скорости или изменением статического давления. η — это эффективность насоса, которая может быть представлена информацией производителя, например, в виде кривой насоса, и обычно получается либо из моделирования гидродинамики (т. е. решения уравнения Навье-Стокса для конкретной геометрии насоса), либо путем тестирования. Эффективность насоса зависит от конфигурации насоса и условий эксплуатации (таких как скорость вращения, плотность и вязкость жидкости и т. д.).
В типичной «насосной» конфигурации работа передается жидкости и, таким образом, является положительной. Для жидкости, передающей работу насосу (т.е. турбине ) , работа отрицательна. Мощность, необходимая для привода насоса, определяется путем деления выходной мощности на КПД насоса. Кроме того, это определение охватывает насосы без движущихся частей, например сифон .
КПД насоса определяется как отношение мощности, передаваемой насосом к жидкости, к мощности, подаваемой для привода насоса. Его значение не является фиксированным для конкретного насоса, эффективность зависит от расхода и, следовательно, рабочего напора. Для центробежных насосов эффективность имеет тенденцию увеличиваться с увеличением расхода до точки в середине рабочего диапазона (пиковая эффективность или точка наилучшей эффективности (BEP)), а затем снижается по мере дальнейшего увеличения расхода. Подобные данные о производительности насоса обычно предоставляются производителем перед выбором насоса. Эффективность насоса имеет тенденцию снижаться со временем из-за износа (например, увеличения зазоров по мере уменьшения размеров рабочих колес).
Когда система включает в себя центробежный насос, важной проблемой проектирования является согласование характеристики потери напора-расхода с насосом так, чтобы он работал на уровне или близко к точке своего максимального КПД.
Эффективность насоса является важным аспектом, и насосы следует регулярно проверять. Одним из методов является термодинамическое испытание насоса .
Большинство больших насосов имеют минимальный требуемый расход, ниже которого насос может быть поврежден из-за перегрева, износа рабочего колеса, вибрации, разрушения уплотнения, повреждения приводного вала или плохой производительности. [42] Система защиты минимального расхода гарантирует, что насос не будет работать при расходе ниже минимального. Система защищает насос, даже если он остановлен или остановлен, то есть если нагнетательная линия полностью закрыта. [43]
Простейшая система минимального расхода представляет собой трубу, идущую от нагнетательной линии насоса обратно к всасывающей линии. Эта линия оснащена диафрагмой такого размера, чтобы обеспечить прохождение минимального расхода насоса. [44] Такое устройство обеспечивает поддержание минимального расхода, хотя оно является расточительным, поскольку обеспечивает рециркуляцию жидкости, даже когда расход через насос превышает минимальный расход.
Более сложная, но более дорогая система (см. схему) включает устройство измерения расхода (FE) на выходе насоса, которое подает сигнал на контроллер расхода (FIC), который приводит в действие клапан регулирования расхода (FCV) в линии рециркуляции. Если измеренный расход превышает минимальный расход, клапан FCV закрывается. Если измеренный расход падает ниже минимального расхода, клапан FCV открывается для поддержания минимального расхода. [42]
По мере рециркуляции жидкостей кинетическая энергия насоса увеличивает температуру жидкости. У многих насосов эта дополнительная тепловая энергия рассеивается через трубопроводы. Однако для больших промышленных насосов, таких как насосы нефтепроводов, на линии рециркуляции предусмотрен рециркуляционный охладитель для охлаждения жидкостей до нормальной температуры всасывания. [45] В качестве альтернативы, рециркулированные жидкости могут быть возвращены перед экспортным охладителем на нефтеперерабатывающем заводе , нефтяном терминале или морской установке .
{{cite web}}: |last=имеет общее имя ( справка ){{cite news}}: |last=имеет общее имя ( справка )