Насос

Небольшой насос с электрическим приводом

Большой насос с электрическим приводом для гидротехнических сооружений недалеко от Хенгштайзее , Германия

Насос представляет собой устройство , которое перемещает жидкость ( жидкости или газы ), а иногда и суспензии , при механическом воздействии, как правило , преобразуются из электрической энергии в гидравлическую энергию. Насосы можно разделить на три основные группы в зависимости от метода, который они используют для перемещения жидкости: насосы прямого подъема , поршневые и гравитационные . ^[1]

Насосы работают с помощью некоторого механизма (обычно возвратно-поступательного или вращательного ) и потребляют энергию для выполнения механической работы по перемещению жидкости. Насосы работают от многих источников энергии, включая ручное управление, электричество , двигатели или энергию ветра , и бывают разных размеров, от микроскопических для использования в медицине до крупных промышленных насосов.

Механические насосы служат в широком спектре применений, таких как перекачка 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 элементы систем отопления, вентиляции и кондиционирования . В медицинской индустрии, насосы используются для биохимических процессов при разработке и производстве медицины, а также в качестве искусственных заменителей частей тела, в частности, искусственного сердца и протезов полового члена .

Когда корпус содержит только одно вращающееся рабочее колесо , он называется одноступенчатым насосом. Когда корпус содержит две или более вращающихся крыльчатки, он называется двухступенчатым или многоступенчатым насосом.

В биологии, много различных типов химических и биомеханических насосы уже развивались ; биомимикрия иногда используется при разработке новых типов механических насосов.

Типы [ править ]

Механические насосы могут быть погружены в жидкость, которую они перекачивают, или располагаться вне жидкости.

Насосы можно разделить по способу их вытеснения на поршневые насосы , импульсные насосы , скоростные насосы , гравитационные насосы , паровые насосы и бесклапанные насосы . Насосы бывают трех основных типов: объемные, центробежные и осевые . В центробежных насосах направление потока жидкости изменяется на девяносто градусов, когда она проходит через рабочее колесо, в то время как в осевых насосах направление потока не изменяется. ^[2]

Поршневые насосы[ редактировать ]

Насос прямого вытеснения заставляет жидкость двигаться, улавливая фиксированное количество и выталкивая (вытесняя) этот захваченный объем в нагнетательную трубу.

В некоторых объемных насосах используется расширяющаяся полость на стороне всасывания и уменьшающаяся полость на стороне нагнетания. Жидкость втекает в насос, когда полость на стороне всасывания расширяется, и жидкость вытекает из нагнетания, когда полость схлопывается. Объем постоянный на протяжении каждого цикла работы.

Поведение и безопасность поршневого насоса [ править ]

Насосы прямого вытеснения, в отличие от центробежных , теоретически могут производить одинаковый поток при заданной скорости (об / мин) независимо от давления нагнетания. Таким образом, объемные насосы являются машинами с постоянным расходом . Однако небольшое увеличение внутренней утечки по мере увеличения давления препятствует действительно постоянной скорости потока.

Положительный-поршневой насос не должен работать с закрытым клапаном на нагнетательной стороне насоса, поскольку он не имеет отсечной голову, как центробежные насосы. Объемный насос, работающий при закрытом нагнетательном клапане, продолжает создавать поток, и давление в нагнетательной линии увеличивается до тех пор, пока линия не лопнет, насос не будет серьезно поврежден или и то, и другое.

Поэтому необходим предохранительный или предохранительный клапан на нагнетательной стороне поршневого 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 качестве меры предосторожности. Внешний предохранительный клапан в нагнетательной линии с обратной линией к всасывающей линии или питающему резервуару обеспечивает повышенную безопасность людей и оборудования.

Типы положительного смещения [ править ]

Насосы прямого вытеснения можно дополнительно классифицировать по механизму, используемому для перемещения жидкости:

• Поршневого типа с принудительным вытеснением: шестеренчатый насос с внутренним или внешним зацеплением , винтовой насос , кулачковый насос , челночный блок, гибкая лопасть или скользящая лопасть , круговой поршень, гибкое рабочее колесо , спирально закрученные корни (например, насос Венделкольбена) или жидкостные насосы
• Поршневые насосы прямого вытеснения: поршневые насосы , плунжерные насосы или диафрагменные насосы
• Линейные объемные насосы : канатные насосы и цепные насосы

Роторные поршневые насосы [ править ]

Эти насосы перемещают жидкость с помощью вращающегося механизма, который создает вакуум, который захватывает и втягивает жидкость. ^[3]

Преимущества: роторные насосы очень эффективны ^[4], потому что они могут перекачивать высоковязкие жидкости с более высокими расходами при увеличении вязкости. ^[5]

Недостатки: природа насоса требует очень близких зазоров между вращающимся насосом и внешним краем, что позволяет ему 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.

Ротационные поршневые насосы делятся на 5 основных типов:

• Шестеренные насосы - это простой тип роторного насоса, в котором жидкость проталкивается вокруг пары шестерен.
• Винтовые насосы - внутренняя часть этого насоса обычно представляет собой два винта, вращающихся друг против друга для перекачивания жидкости.
• Пластинчато-роторные насосы
• Насосы с полыми дисками (также известные как насосы с эксцентриковыми дисками или насосы с полыми роторными дисками), как и спиральные компрессоры , имеют цилиндрический ротор, заключенный в круглый корпус. Когда ротор вращается по орбите и вращается до некоторой степени, он захватывает жидкость между ротором и корпусом, втягивая жидкость через насос. Он используется для высоковязких жидкостей, таких как нефтепродукты, а также может выдерживать высокое давление до 290 фунтов на квадратный дюйм. ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]}
• Вибрационные насосы или вибрационные насосы аналогичны линейным компрессорам , но имеют тот же принцип работы. Они работают с помощью подпружиненного поршня с электромагнитом, подключенным к переменному току через диод. Подпружиненный поршень - единственная движущаяся часть, и он расположен в центре электромагнита. Во время положительного цикла переменного тока диод позволяет энергии проходить через электромагнит, создавая магнитное поле, которое перемещает поршень назад, сжимает пружину и создает всасывание. Во время отрицательного цикла переменного тока диод блокирует ток, протекающий к электромагниту, позволяя пружине разжиматься, перемещая поршень вперед, перекачивая жидкость и создавая давление, как поршневой насос.. Благодаря невысокой стоимости широко используется в недорогих кофемашинах эспрессо . Однако вибрационные насосы не могут работать более одной минуты, так как они выделяют большое количество тепла. Линейные компрессоры не имеют этой проблемы, так как они могут охлаждаться рабочей жидкостью (которая часто является хладагентом). ^{[13] [14]}

Поршневые поршневые насосы [ править ]

Поршневые насосы перемещают жидкость с помощью одного или нескольких колеблющихся поршней, плунжеров или мембран (диафрагм), в то время как клапаны ограничивают движение жидкости в желаемом направлении. Для всасывания насос должен сначала потянуть плунжер наружу, чтобы снизить давление в камере. Как только плунжер оттолкнется, он увеличит камеру давления, и внутреннее давление плунжера затем откроет выпускной клапан и выпустит жидкость в нагнетательную трубу с высокой скоростью.

Насосы в этой категории варьируются от одинарных , с одним цилиндром, до, в некоторых случаях, с четырьмя (четырьмя) цилиндрами или более. Многие насосы возвратно - поступательного типа являются дуплекс (два) или триплекс (три) цилиндра. Они могут быть одностороннего действия с всасыванием при одном направлении движения поршня и нагнетанием в другом, или двустороннего действия.с всасыванием и нагнетанием в обоих направлениях. Насосы могут приводиться в действие вручную, воздухом или паром, либо с помощью ремня с приводом от двигателя. Насосы этого типа широко использовались в XIX веке - на заре создания паровых двигателей - в качестве насосов питательной воды для котлов. В настоящее время поршневые насосы обычно перекачивают жидкости с высокой вязкостью, такие как бетон и тяжелые масла, и служат в особых случаях, когда требуется низкая скорость потока при высоком сопротивлении. Поршневые ручные насосы широко применялись для откачки воды из колодцев. Обычные велосипедные насосы и ножные насосы для накачивания используют возвратно-поступательное действие.

Эти объемные насосы имеют расширяющуюся полость на стороне всасывания и уменьшающуюся полость на стороне нагнетания. Жидкость втекает в насосы, когда полость на стороне всасывания расширяется, и жидкость вытекает из нагнетания, когда полость схлопывается. Объем является постоянным для каждого цикла работы, а объемный КПД насоса может быть достигнут путем текущего обслуживания и проверки его клапанов. ^[15]

Типичные поршневые насосы:

• Плунжерные насосы - поршень, совершающий возвратно-поступательное движение, проталкивает жидкость через один или два открытых клапана, закрываемых всасыванием на обратном пути.
• Мембранные насосы - похожи на плунжерные насосы, в которых плунжер нагнетает гидравлическое масло, которое используется для изгиба диафрагмы в насосном цилиндре. Мембранные клапаны используются для перекачивания опасных и токсичных жидкостей.
• Насосы поршневые объемные насосы - обычно простые устройства для перекачки небольших количеств жидкости или геля вручную. Обычный дозатор мыла для рук является таким насосом.
• Радиально-поршневые насосы - разновидность гидравлического насоса, в котором поршни выступают в радиальном направлении.

Различные поршневые насосы [ править ]

В этих насосах действует принцип прямого вытеснения:

• Роторный насос
• Винтовой насос прогрессивного действия
• Роторный шестеренчатый насос
• Поршневой насос
• Мембранный насос
• Винтовой насос
• Шестеренчатый насос
• Гидравлический насос
• Пластинчато-роторный насос
• Перистальтический насос
• Канатный насос
•  Насос с гибким рабочим колесом

Шестеренчатый насос [ править ]

Это простейшая форма роторных поршневых насосов. Он состоит из двух зубчатых колес, которые вращаются в плотно прилегающем корпусе. Пространства между зубами захватывают жидкость и заставляют ее двигаться по внешней периферии. Жидкость не попадает обратно в сетчатую часть, потому что зубы плотно зацепляются в центре. Шестеренчатые насосы находят широкое применение в масляных насосах автомобильных двигателей и в различных гидравлических агрегатах .

Винтовой насос [ править ]

Винтовой насос является более сложным типом роторного насоса , который использует два или три винта с противоположной ниткой - например, один винт вращается по часовой стрелке , а другой против часовой стрелки. Винты установлены на параллельных валах с зубчатыми колесами, которые входят в зацепление, поэтому валы вращаются вместе, и все остается на месте. Винты включают валы и прогоняют жидкость через насос. Как и в других типах роторных насосов, зазор между движущимися частями и корпусом насоса минимален.

Винтовой насос [ править ]

Этот насос, широко используемый для перекачивания сложных материалов, таких как отстой сточных вод, загрязненный крупными частицами, состоит из винтового ротора, длина которого примерно в десять раз превышает его ширину. Это можно представить в виде центрального сердечника диаметром x с, как правило, изогнутой спиралью, намотанной вокруг толщины половины x , хотя на самом деле он изготавливается в виде единой отливки. Этот вал помещается в прочную резиновую втулку, толщина стенки обычно также равна x . По мере вращения вала ротор постепенно выталкивает жидкость через резиновую втулку. Такие насосы могут создавать очень высокое давление при малых объемах.

Насосы типа Рутса [ править ]

Названный в честь изобретателей братьев Рутс, этот лопастной насос вытесняет жидкость, захваченную между двумя длинными спиральными роторами, каждый из которых вставлен в другой, перпендикулярно под углом 90 °, вращаясь внутри конфигурации линии уплотнения треугольной формы, как в точке всасывания, так и точка разряда. Такая конструкция обеспечивает непрерывный поток равного объема без завихрения. Он может работать с низкой частотой пульсации и обеспечивает плавную работу, которая требуется для некоторых приложений.

Приложения включают:

• Промышленные воздушные компрессоры большой мощности .
• Нагнетатели Рутса на двигателях внутреннего сгорания .
• Бренд сирены гражданской обороны, Федеральная Signal Corporation «S Thunderbolt .

Перистальтический насос [ править ]

Перистальтический насос представляет собой тип положительного поршневого насоса. Он содержит жидкость в гибкой трубке, установленной внутри круглого корпуса насоса (хотя были сделаны линейные перистальтические насосы). Несколько роликов , башмаков или дворников, прикрепленных к ротору, сжимают гибкую трубку. Когда ротор вращается, часть трубки, находящаяся под давлением, закрывается (или закупоривается ), выталкивая жидкость через трубку. Кроме того, когда трубка открывается до своего естественного состояния после прохождения кулачка, она втягивает ( восстанавливает ) жидкость в насос. Этот процесс называется перистальтикой и используется во многих биологических системах, таких какжелудочно-кишечный тракт .

Плунжерные насосы [ править ]

Плунжерные насосы представляют собой поршневые поршневые насосы.

Они состоят из цилиндра с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Всасывающий и нагнетательный клапаны установлены в головке цилиндра. Во время такта всасывания плунжер втягивается, а всасывающие клапаны открываются, вызывая всасывание жидкости в цилиндр. При прямом ходе поршень выталкивает жидкость из выпускного клапана. Эффективность и общие проблемы: При использовании только одного цилиндра в плунжерных насосах расход жидкости варьируется от максимального расхода, когда плунжер перемещается через средние положения, и нулевого расхода, когда плунжер находится в крайних положениях. Когда жидкость ускоряется в системе трубопроводов, тратится много энергии. Вибрация и гидравлический удар могут стать серьезной проблемой. Как правило, проблемы компенсируются использованием двух или более цилиндров, работающих не синхронно друг с другом.

Плунжерные насосы тройного типа [ править ]

В трехплунжерных насосах используются три плунжера, что снижает пульсацию одинарных поршневых насосов. Добавление демпфера пульсаций на выходе насоса может еще больше сгладить пульсации насоса или график пульсаций преобразователя насоса. Динамическое взаимодействие жидкости под высоким давлением и плунжера обычно требует высококачественных уплотнений плунжера. Плунжерные насосы с большим количеством плунжеров имеют преимущество увеличения потока или более плавного потока без демпфера пульсаций. Одним из недостатков является увеличение подвижных частей и нагрузки на коленчатый вал.

В автомойках часто используются эти трехцилиндровые плунжерные насосы (возможно, без демпферов пульсаций). В 1968 году Уильям Брюггеман уменьшил размер трехцилиндрового насоса и увеличил срок его службы, чтобы на автомойках можно было использовать оборудование с меньшей площадью основания. Прочные уплотнения высокого давления, уплотнения низкого давления и масляные уплотнения, закаленные коленчатые валы, закаленные шатуны, толстые керамические плунжеры и усиленные шариковые и роликовые подшипники повышают надежность тройных насосов. Насосы Triplex сейчас представлены на множестве рынков по всему миру.

Триплексные насосы с более коротким сроком службы - обычное дело для домашнего пользователя. Человек, который использует бытовую мойку высокого давления в течение 10 часов в год, может быть доволен насосом, который проработает 100 часов между ремонтами. Триплексные насосы промышленного или непрерывного действия на другом конце диапазона качества могут работать до 2080 часов в год. ^[16]

В нефтегазовой отрасли бурения используются массивные тройные насосы, перевозимые полуприцепом, называемые буровыми насосами, для перекачки бурового раствора , который охлаждает буровое долото и переносит шлам обратно на поверхность. ^[17] Бурильщики используют тройные или даже пятиуровневые насосы для закачки воды и растворителей глубоко в сланец в процессе добычи, называемом гидроразрывом . ^[18]

Пневматические двухмембранные насосы [ править ]

Одно современное применение положительного смещения-насосов сжатого воздуха с питанием двойной мембранный насос. Эти насосы, работающие на сжатом воздухе, являются искробезопасными по конструкции, хотя все производители предлагают модели, сертифицированные по ATEX, для соответствия отраслевым нормам. Эти насосы относительно недороги и могут выполнять широкий спектр задач, от откачки воды из насыпей до перекачки соляной кислоты из безопасного хранилища (в зависимости от того, как изготовлен насос - эластомеры / конструкция корпуса). Эти двухдиафрагменные насосы могут перекачивать вязкие жидкости и абразивные материалы с щадящей перекачкой, идеально подходящей для транспортировки чувствительных к сдвигу сред. ^[19]

Канатные насосы [ править ]

Эти насосы, разработанные в Китае как цепные насосы более 1000 лет назад, могут быть изготовлены из очень простых материалов: веревки, колеса и трубы из ПВХ достаточно, чтобы сделать простой канатный насос. Эффективность канатных насосов изучается низовыми организациями, и методы их изготовления и эксплуатации постоянно совершенствуются. ^[20]

Импульсные насосы [ править ]

Импульсные насосы используют давление, создаваемое газом (обычно воздухом). В некоторых импульсных насосах газ, захваченный жидкостью (обычно водой), выпускается и накапливается где-то в насосе, создавая давление, которое может подтолкнуть часть жидкости вверх.

К обычным импульсным насосам относятся:

• Гидравлические поршневые насосы - кинетическая энергия водоснабжения с низким напором временно накапливается в гидроаккумуляторе с воздушными пузырьками, а затем используется дляподачиводы к более высокому напору.
• Импульсные насосы - работают за счет природных ресурсов, только за счет кинетической энергии.
• Воздушные насосы - работают с воздухом, вставленным в трубу, которая толкает воду вверх, когда пузырьки движутся вверх.

Вместо цикла накопления и выпуска газа давление может создаваться за счет сжигания углеводородов. Такие насосы с приводом от внутреннего сгорания напрямую передают импульс от горения через исполнительную мембрану насосной жидкости. Чтобы обеспечить такую ​​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 с приводом от внутреннего сгорания был разработан ETH Zurich. ^[21]

Гидравлические поршневые насосы [ править ]

Гидроцилиндр является водяной насос питается от гидроэлектростанций. ^[22]

Он забирает воду при относительно низком давлении и высоком расходе и выводит 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, превышающей точку, в которой вода начиналась.

Гидроцилиндр иногда используется в отдаленных районах, где есть как источник низконапорных гидроэлектростанций, а также необходимость для перекачивания воды до более высокого назначения по высоте, чем источник. В этой ситуации часто бывает полезен гидроцилиндр, поскольку он не требует внешнего источника энергии, кроме кинетической энергии текущей воды.

Насосы скорости [ править ]

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 выигрыш в потенциальной энергии (давлении), когда скорость снижается до или по мере того, как поток выходит из насоса в нагнетательную трубу. Это преобразование кинетической энергии в давление объясняется Первым законом термодинамики или, более конкретно , принципом Бернулли .

Динамические насосы могут быть далее подразделены в зависимости от средств, с помощью которых достигается увеличение скорости. ^[23]

Эти типы насосов обладают рядом характеристик:

1. Непрерывная энергия
2. Преобразование добавленной энергии в увеличение кинетической энергии (увеличение скорости)
3. Преобразование повышенной скорости (кинетической энергии) в увеличение напора

Практическое различие 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 поршневого насоса вызывает постоянное повышение давления, которое может вызвать механический отказ трубопровода или насоса. Динамические насосы отличаются тем, что они могут безопасно работать в условиях закрытого клапана (в течение коротких периодов времени).

Насосы радиальные [ править ]

Такой насос еще называют центробежным насосом . Жидкость входит вдоль оси или центра, ускоряется крыльчаткой и выходит под прямым углом к ​​валу (радиально); Примером может служить центробежный вентилятор , который обычно используется для создания пылесоса . Другой тип радиально-проточного насоса - это вихревой насос. Жидкость в них движется по касательной вокруг рабочего колеса. Преобразование механической энергии двигателя в потенциальную энергию потока происходит с помощью множества завихрений, которые возбуждаются крыльчаткой в ​​рабочем канале насоса. Обычно радиальный насос работает при более высоком давлении и меньшем расходе, чем осевой или смешанный насос.

Осевые насосы [ править ]

Их также называют насосами для всех жидкостей. Жидкость выталкивается наружу или внутрь, чтобы перемещать жидкость в осевом направлении. Они работают при гораздо более низком давлении и более высоких расходах, чем радиальные (центробежные) насосы. Насосы с осевым потоком нельзя разогнать без особых 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 для всей массы жидкости в системе труб. Если в системе большое количество жидкости, медленно разгоняйте насос. ^[24]

Насосы смешанного типа работают как компромисс между радиальными и осевыми насосами. Жидкость испытывает как радиальное ускорение, так и подъемную силу, и выходит из рабочего колеса где-то между 0 и 90 градусами от осевого направления. Как следствие, насосы смешанного потока работают при более высоком давлении, чем насосы с осевым потоком, при этом обеспечивая более высокий расход, чем насосы с радиальным потоком. Угол выхода потока определяет характеристику напор-нагнетание по отношению к радиальному и смешанному потоку.

Эжекторно-струйный насос [ править ]

Для создания низкого давления используется струя, часто состоящая из пара. Это низкое давление всасывает жидкость и толкает ее в область более высокого давления.

Гравитационные насосы [ править ]

Гравитационные насосы включают сифон и фонтан Герона . Гидроцилиндр также иногда называют гравитационный насос; в гравитационном насосе вода поднимается за счет силы тяжести и так называемого гравитационного насоса.

Паровые насосы [ править ]

Паровые насосы долгое время представляли в основном исторический интерес. Они включают любой тип насоса, приводимый в действие паровым двигателем, а также беспоршневые насосы, такие как Thomas Savery или паровой насос Pulsometer .

В последнее время возродился интерес к маломощным солнечным паровым насосам для использования в мелких ирригационных системах в развивающихся странах. Ранее небольшие паровые двигатели были нежизнеспособны из-за растущей неэффективности по мере уменьшения размеров паровых двигателей. Однако использование современных инженерных материалов в сочетании с альтернативными конфигурациями двигателей означает, что эти типы систем теперь являются рентабельной возможностью.

Бесклапанные насосы [ править ]

Бесклапанная перекачка способствует транспортировке жидкости в различных биомедицинских и инженерных системах. В бесклапанной насосной системе нет клапанов (или физических закупорок) для регулирования направления потока. Однако эффективность перекачивания жидкости в бесклапанной системе не обязательно ниже, чем в системе с клапанами. Фактически, многие гидродинамические системы в природе и в технике более или менее полагаются на бесклапанный насос для транспортировки в них рабочих текучих сред. Например, кровообращение в сердечно-сосудистой системе в некоторой степени поддерживается даже при выходе из строя сердечных клапанов. Между тем, сердце эмбриона позвоночного начинает перекачивать кровь задолго до того, как разовьются различимые камеры и клапаны. В микрофлюидике , бесклапанные сопротивление насосовбыли изготовлены и, как ожидается, будут особенно подходить для работы с чувствительными биожидкостями. В струйных принтерах, работающих по принципу пьезоэлектрического преобразователя, также используется бесклапанная перекачка. Камера насоса опорожняется через печатную струю из-за пониженного сопротивления потока в этом направлении и заполняется капиллярами .

Ремонт насоса [ править ]

Изучение записей о ремонте насоса и средней наработки на отказ (MTBF) имеет большое значение для ответственных и добросовестных пользователей насоса. Ввиду этого факта, в предисловии к Руководству пользователя насоса 2006 года упоминается статистика «отказов насоса». Для удобства эта статистика отказов часто переводится в MTBF (в данном случае установленный срок службы до отказа). ^[25]

В начале 2005 года Гордон Бак, главный инженер John Crane Inc. по полевым работам в Батон-Руж, штат Луизиана, изучил отчеты о ремонте ряда нефтеперерабатывающих и химических заводов, чтобы получить достоверные данные о надежности центробежных насосов. Всего в исследование были включены 15 действующих заводов, на которых установлено около 15 000 насосов. На самом маленьком из этих заводов было около 100 насосов; у нескольких заводов было более 2000. Все производственные мощности находились в США. Кроме того, они считаются «новыми», другие - «обновленными», а третьи - «установленными». Многие из этих заводов - но не все - заключили союз с Джоном Крейном. В некоторых случаях альянсный контракт предусматривал присутствие на месте 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 были предметом «одноразового использования», поскольку химическая атака ограничивает жизнь. В последние годы ситуация улучшилась, но несколько ограниченное пространство, доступное в «старых» сальниках, стандартизированных по DIN и ASME, накладывает ограничения на тип подходящего уплотнения. Если пользователь насоса не модернизирует камеру уплотнения, в насосе предусмотрены только более компактные и простые версии. Без этой модернизации срок службы химических установок обычно составляет от 50 до 60 процентов от значений нефтеперерабатывающего завода.

Незапланированное техническое обслуживание часто является одной из самых значительных эксплуатационных расходов, а отказы торцевых 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 не модернизированного аналога. Учтите, что опубликованные средние значения предотвращенных отказов насосов варьируются от 2600 до 12 000 долларов США. Это не включает упущенные альтернативные издержки. Одно возгорание насоса происходит на 1000 отказов. Меньшее количество отказов насоса означает меньшее количество разрушительных пожаров насоса.

Как уже отмечалось, типичный отказ насоса, исходя из фактических отчетов за 2002 год, стоит в среднем 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. ^{[25] [26] [27]}

Приложения [ править ]

Насосы используются в обществе для самых разных 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), перевозки химических веществ, сточных вод , борьбы с наводнениями, морских служб и т. Д.

Из-за широкого разнообразия применений насосы имеют множество форм и размеров: от очень больших до очень маленьких, от перекачки газа до перекачки жидкости, от высокого давления до низкого давления и от большого объема до малого объема.

Заполнение насоса [ править ]

Обычно жидкостный насос не может просто всасывать воздух. Подающая линия насоса и внутренний корпус, окружающий насосный механизм, должны быть сначала заполнены жидкостью, которая требует перекачивания: оператор должен ввести жидкость в систему, чтобы начать перекачивание. Это называется грунтовкой.насос. Потеря заливки обычно происходит из-за попадания воздуха в насос. Зазоры и коэффициенты вытеснения в насосах для жидкостей, как тонких, так и более вязких, обычно не могут вытеснить воздух из-за его сжимаемости. Так обстоит дело с большинством скоростных (ротодинамических) насосов - например, центробежных насосов. 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 поршневые насосы имеют достаточно плотное уплотнение между движущимися частями и корпусом или корпусом насоса, поэтому их можно назвать самовсасывающими . Такие насосы могут также служить в качестве заправочных насосов , так называемых, когда они используются для удовлетворения этой потребности в других насосах вместо действий, предпринимаемых человеком-оператором.

Насосы как общественное водоснабжение [ править ]

Одним из видов насосов, когда-то распространенных во всем мире, был ручной водяной насос, или «кувшинный насос». Его обычно устанавливали над общественными водозаборными колодцами в те времена, когда еще не было водопровода.

В некоторых частях Британских островов его часто называли приходским насосом . Хотя такие общественные насосы больше не являются обычным явлением, люди по-прежнему использовали выражение приходской насос для описания места или форума, где обсуждаются вопросы, представляющие интерес для местного населения. ^[31]

Поскольку вода из питчерных насосов забирается 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, передаваемым через воду. Печально известный случай - 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 удалить ручку общественной помпы; затем вспышка утихла.

Современные ручные коммунальные насосы 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 часто не загрязнены, а также повышает безопасность колодца, защищая источник воды от зараженных ведер. Такие насосы, как насос Afridev, дешевы в сборке и установке и просты в обслуживании с помощью простых деталей. Однако нехватка запасных частей для насосов этого типа в некоторых регионах Африки снизила их полезность в этих регионах.

Герметизация многофазных насосов [ править ]

Применение многофазных насосов, также называемых трехфазными, выросло из-за увеличения активности бурения нефтяных скважин. Кроме того, экономичность многофазного производства привлекательна для операций по разведке и добыче, поскольку это приводит к более простым и компактным установкам в полевых условиях, снижению затрат на оборудование и повышению производительности. По сути, многофазный насос может обеспечить все свойства потока текучей среды с помощью одного оборудования, занимающего меньшую площадь. Часто два небольших многофазных насоса устанавливаются последовательно вместо одного массивного насоса.

Для операций в середине и вверх по течению многофазные насосы могут быть расположены на берегу или в море и могут быть подключены к одной или нескольким устьям скважин. В основном, многофазные насосы используются для транспортировки неочищенного потока, добываемого из нефтяных скважин, в производственные процессы или сооружения для сбора. Это означает, что насос может обрабатывать поток (скважинный поток) от 100% газа до 100% жидкости и любую возможную комбинацию между ними. Поток может также содержать абразивные материалы, такие как песок и грязь. Многофазные насосы предназначены для работы в изменяющихся или непостоянных условиях технологического процесса. Многофазная перекачка также помогает устранить выбросы парниковых газов, поскольку операторы стремятся свести к минимуму сжигание газа и удаление воздуха из резервуаров, где это возможно. ^[32]

Типы и особенности многофазных насосов [ править ]

Геликоаксиальный (центробежный) [ править ]

Ротодинамический насос с одним единственным валом, для которого требуются два механических уплотнения, 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 (принудительное смещение) [ править ]

Двухвинтовой насос состоит из двух винтов, которые перемещают перекачиваемую жидкость. Двухвинтовые насосы часто используются, когда условия перекачивания содержат большие объемные доли газа и изменяются условия на входе. Для уплотнения двух валов требуются четыре механических уплотнения.

Прогрессивная полость (положительное смещение) [ править ]

Если насос не подходит для центробежного насоса, вместо него используется винтовой насос. ^[33] Винтовые насосы винтового типа являются одновинтовыми, которые обычно используются в неглубоких скважинах или на поверхности. Этот насос в основном используется на поверхности, где перекачиваемая жидкость может содержать значительное количество твердых частиц, таких как песок и грязь. Объемный КПД и механический КПД винтового насоса с прогрессивным двигателем возрастают с увеличением вязкости жидкости. ^[33]

Электро-погружные (центробежные) [ править ]

Эти насосы в основном представляют собой многоступенчатые центробежные насосы и широко используются в нефтяных скважинах в качестве метода искусственного подъема. Эти насосы обычно используются, когда перекачиваемая жидкость в основном жидкая.

Буферный резервуар Буферный резервуар часто устанавливается перед всасывающим патрубком насоса на случай пробкового потока . Буферный резервуар разрушает энергию жидкой пробки, сглаживает любые колебания входящего потока и действует как уловитель песка.

Как видно из названия, многофазные насосы и их механические уплотнения могут сталкиваться с большими вариациями условий эксплуатации, такими как изменение состава технологической жидкости, колебания температуры, высокое и низкое рабочее давление и воздействие абразивных / эрозионных сред. Задача состоит в выборе соответствующего механического устройства уплотнения и поддержки системы для обеспечения максимизируется срок службы уплотнения и его общую эффективность. ^{[32] [34] [35]}

Технические характеристики [ править ]

Насосы обычно оцениваются по мощности , объемному расходу , давлению на выходе в метрах (или футах) напора, всасыванию на входе в футах (или метрах) напора на всасывании. Напор можно упростить, указав на количество футов или метров, на которое насос может поднимать или опускать столб воды при атмосферном давлении .

С точки зрения первоначального проектирования инженеры часто используют величину, называемую удельной скоростью, для определения наиболее подходящего типа насоса для конкретной комбинации расхода и напора.

Сила накачки [ править ]

Сила, передаваемая жидкости, увеличивает энергию жидкости на единицу объема. Таким образом, соотношение мощности находится между преобразованием механической энергии насосного механизма и жидкостных элементов внутри насоса. Как правило, это регулируется серией одновременных дифференциальных уравнений, известных как уравнения Навье – Стокса . Однако можно использовать более простое уравнение, связывающее только разные энергии в жидкости, известное как уравнение Бернулли . Следовательно, мощность P, необходимая насосу:

${\displaystyle P={\frac {\Delta pQ}{\eta }}}$

где Δp - это изменение общего давления между входом и выходом (в Па), а Q - объемный расход жидкости в м ³ / с. Общее давление может иметь компоненты гравитационного, статического давления и кинетической энергии ; то есть энергия распределяется между изменением гравитационной потенциальной энергии жидкости (подъем или спуск), изменением скорости или изменением статического давления. η - коэффициент полезного действия насоса, который может быть задан производителем, например, в виде кривой насоса , и обычно выводится из любой динамики жидкости.моделирование (т.е. решения Навье – Стокса для конкретной геометрии насоса) или путем тестирования. Эффективность насоса зависит от конфигурации и условий эксплуатации насоса (таких как скорость вращения, плотность и вязкость жидкости и т. Д.).

${\displaystyle \Delta P={(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2}+\Delta zg+{\Delta p_{\mathrm {static} } \over \rho }}$

Для типичной «перекачивающей» конфигурации работа передается жидкости и, таким образом, является положительной. Для жидкости, передающей работу насосу (например, турбине ), работа отрицательна. Мощность, необходимая для привода насоса, определяется делением выходной мощности на КПД насоса. Кроме того, это определение охватывает насосы без движущихся частей, таких как сифон .

Эффективность [ править ]

Эффективность насоса определяется как отношение мощности, передаваемой жидкости насосом, к мощности, подаваемой для приведения в действие насоса. Его значение не является фиксированным для данного насоса, КПД зависит от нагнетания и, следовательно, рабочего напора. Для центробежных насосов эффективность имеет тенденцию увеличиваться с увеличением расхода до точки, находящейся в середине рабочего диапазона (пиковая эффективность или точка максимальной эффективности (BEP)), а затем снижается по мере дальнейшего увеличения скорости потока. Такие данные о производительности насоса, как это, обычно предоставляются производителем перед выбором насоса. Эффективность насоса со временем снижается из-за износа (например, увеличения зазоров по мере уменьшения размера крыльчатки).

Когда система включает в себя центробежный насос, важной проблемой проектирования является согласование характеристики потери напора-расхода с насосом, чтобы он работал в точке максимальной эффективности или близко к ней.

Эффективность насоса является важным аспектом, и насосы следует регулярно проверять. Термодинамическое испытание насоса - это один из методов.

Минимальная защита потока [ править ]

Для большинства больших насосов требуется минимальный расход, ниже которого насос может быть поврежден из-за перегрева, износа рабочего колеса, вибрации, выхода из строя уплотнения, повреждения приводного вала или плохой работы. ^[36] Система защиты от минимального расхода гарантирует, что насос не будет работать с расходом ниже минимального. Система защищает насос даже в том случае, если он остановлен или остановлен, то есть, если напорный трубопровод полностью закрыт. ^[37]

Простая система минимального потока представляет собой труба работает от нагнетания насоса линии обратно к всасывающей линии. Эта линия оснащена диафрагмой, размер которой позволяет пропускать минимальный поток насоса. ^[38] Устройство обеспечивает поддержание минимального потока, хотя оно является расточительным, так как рециркулирует жидкость, даже когда поток через насос превышает минимальный поток.

Более сложная, но более дорогостоящая система включает в себя устройство измерения потока на выходе насоса, которое подает сигнал в контроллер потока, который приводит в действие клапан управления потоком (FCV) в линии рециркуляции. Если измеренный расход превышает минимальный расход, FCV закрывается. Если измеренный расход падает ниже минимального расхода, FCV открывается для поддержания минимального расхода. ^[36]

По мере рециркуляции жидкостей кинетическая энергия насоса увеличивает температуру жидкости. У многих насосов эта добавленная тепловая энергия рассеивается по трубопроводу. Однако для крупных промышленных насосов, таких как насосы для нефтепроводов, в линии рециркуляции предусмотрен рециркуляционный охладитель для охлаждения текучих сред до нормальной температуры всасывания. ^{[39] В} качестве альтернативы рециркулируемые жидкости могут быть возвращены до экспортного холодильника на нефтеперерабатывающем заводе , нефтяном терминале или морской установке .

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Австралийская ассоциация производителей насосов. Австралийский технический справочник по насосам , 3-е издание. Канберра: Австралийская ассоциация производителей насосов, 1987. ISBN 0-7316-7043-4 . 
• Хикс, Тайлер Г. и Теодор У. Эдвардс. Разработка приложений для насосов . Книжная компания McGraw-Hill, 1971 год. ISBN 0-07-028741-4 
• Карасик, Игорь , изд. (2007). Справочник по насосам (4-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN 9780071460446.
• Роббинс, Л. Б. "Самодельные системы давления воды" . Popular Science , февраль 1919 г., стр. 83–84. Статья о том, как домовладелец может легко построить систему водоснабжения дома под давлением, не использующую электричество.

Викискладе есть медиафайлы по теме насосы .