Центробежни помпи

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2009

Новости в техническите характеристики и конструкцията на помпите

 

   В предишен брой на списание Инженеринг ревю обърнахме специално внимание на видовете центробежни помпи и спецификите в приложната им област. В настоящия материал се разглеждат по-важните им характеристики. Най-общо, работата на помпите се определя от комплекс хидравлични, електрически и механични параметри, както и от типа на пренасяната течност.

Хидравлични параметри на помпите
Дебит. Както е добре известно, дебитът представлява количеството течност, което преминава през помпата за единица време. Дебитът е два основни вида - обемен и масов:
Qm = r.Q; Q = Qm /r
Връзката между тях е плътността, т.е. масовият дебит е масата, която се пренася през помпата за единица време, а обемният е пренасяният обем за единица време.
Налягане. Измерва се като силата, приложена върху единица площ (фиг. 1) ptot = psta + pdyn . Общото налягане представлява сума от статичното и динамичното налягане. Статичното налягане се измерва перпендикулярно на движещия се поток течност. Като статично се определя и налягането на неподвижна течност. Динамичното налагане не се измерва директно, а се пресмята по формулата: pdyn = 1/2 (rv2), в която с r е означена плътността в kg/m3, а с v - скоростта на течността в m/s.
Напор. Напорът на една центробежна помпа се дефинира като височината, на която тя би могла да повдигне дадена течност. Характеристиката се измерва в метри и е независима от плътността на течността. Връзката между напора и налягането се намира по зависимостта: H=P/rg, в която: H е напора в метри; P - налягането в Pa (известно е, че Pa = N/m2), r е плътността в kg/m3, а g е земното ускорение в m/s2. Обикновено налягането се измерва в bar (1 bar=100 000 Pa).
На фиг. 2 е показана връзката между напор и налягане на три различни течности. Както се вижда, изпомпването на различни течности се проявява в различни напори и съответно различни работни точки.

Електрически параметри на помпите
Мощност. Измерва се в kW. Обикновено с P1 се отбелязва консумацията от мрежата, или, казано по друг начин, електроенергията, която се плаща. Друга характеристика - P2, представлява мощността на изхода на двигателя или на входа на помпата. С Ph се отбелязва хидравличната мощност, т.е. мощността, която помпата предава на флуида под формата на напор и дебит. Най-често използваната мощност е Р2.
Коефициент на полезно действие (КПД, в %). Когато се говори за КПД, обикновено се приема ефективността на помпата, тъй като КПД на двигателя е много голям (около 98 - 99%), а и оказва слабо влияние върху резултатите. Ефективността на помпата зависи от няколко фактора, сред които: формата на кожуха на помпата, формата на работното колело, размерите на дифузора, грапавостта на повърхнините и др.
Типичният помпен агрегат се състои  от помпена част и двигателна част. КПД на агрегата се определя по следната формула: hP = Pн/P2, hM = P2/P1, hT = hP . hM
Ако помпата се управлява от честотен инвертор, то в определянето на ефективността на агрегата следва да се вземе предвид и КПД на инвертора. hT = hP . hM . hFC
Напрежение, във V;
Ток, в А;
Фактор на мощността. Играе сериозна роля при помпите. Представлява ъгълът между тока и напрежението. Следователно, електрическата мощност на една помпа би могла да се определи по следната формула: P1 = UIcosj

Свойства на течностите
При преноса на течности следва да се вземат предвид три основни техни свойства:
l Кинематичен вискозитет на течността, cSt;
l Температура на течността, °C;
l Плътност на течността, kg/m3;
l Топлинен капацитет на течността, kJ/kgK.
Най-големите усилия на конструкторите в посока подобряване на работата на центробежните помпи са концентрирани в две насоки:
l Разработване на нови конструкции,
l Разработване на нови материали.

Разработване на нови конструкции
Както вече бе спомената в предишния материал, посветен на центробежните помпи, те са създадени отдавна и имат конструкция, която е подобрена съществено през годините. Най-общо, устройството на един помпен агрегат (фиг. 3) включва - центробежна помпа, електродвигател (или двигател с вътрешно горене), съединител между помпата и двигателя, както и управляващ елемент за регулиране работата на агрегата.
Известно е, че хидравликата е една от най-старите науки в света. Счита се, че на базата й са въведени дори и някои от най-важните параметри в електротехниката, като съпротивление и капацитет. От днешна гледна точка, хидравличните процеси, характерни за едно работно колело на центробежна помпа, са добре изследвани, математично описани и компютърно моделирани. На фиг. 4а и 4б е показан пример на недобре оразмерено работно колело на центробежна помпа. Работните лопатки са прави, без оптимизирана форма, и предизвикват турболенции и паразитни кръгови потоци в междулопатъчните пространства. Напълно логично, това води до нисък коефициент на полезно действие. Стрелките указват посоката на скоростта на течността, а цветът - разпределението на налягането. На фиг. 5а и 5б би могло да се види пример за коректно оразмерено колело. Видно е равномерното разпределение на налягането, както и отсъствието на паразитни вихри и смущения на потока през работното колело.
Друга важна част от помпата е
механичното уплътнение на вала
Предназначението му е да не позволява на пренасяната течност да излезе извън конструкцията на помпата. В миналото широко разпространение намираха салниковите уплътнения. Известно е, че те представляват лоени въжета, които се увиват около вала на помпата, като пристегнати достатъчно те не позволяват на течността да напусне помпата. Недостатъците им са: големите утечки, сериозният шум при работа и значителната консумация (загуба) на енергия.
В табл. 1 са показани характерните загуби за механично и салниково уплътнение, при центробежна помпа с напор 50 м., вал с диаметър - 50 мм и обороти на въртене - 2900 об/мин. Съответно, на фигура 6 може да се види устройството на механично касетъчно уплътнение на вала, състоящо се от две части: подвижна (вътяща се) част - фиксирана на вала на помпата и неподвижна част - фиксирана в кожуха на помпата.
По време на работа течността образува тънък слой между двете повърхнини. Този слой се образува от хидродинамичните сили, действащи при въртенето на вала, както и от хидростатичните сили на налягането на работната течност.
Дебелината на слоя зависи от оборотите на въртене на помпата, температурата и вискозитета на течността, както и от аксиалните сили, дължащи се на механичното уплътнение. Течността в слоя се подменя непрекъснато, което е провокирано от изпарението й, както и от циркулиращото й движение.
Често се наблюдават отлагания по повърхнините, които нарушават нормалната работа на уплътнението. За да се избегне образуването им, а и за да се постигне по-дълъг живот на уплътнението, повърхнините се изработват от твърди материали, като волфрамов или силициев карбид. Друг подход за борба с неблагоприятните условия, а именно отлагането на примеси, появата на ниско/високо налягане или температура, пренос на агресивни или експлозивни течности е залагането в конструкцията на двойни механични уплътнения на вала.
Двойните уплътнения на вала са два основни вида: “тандем” или “гръб към гръб”.

Специфични двойни механични уплътнения
Тандем двойно уплътнение. Представлява две механични уплътнения, разположени едно след друго, които образуват обща уплътнителна камера между тях (фиг. 7). Между двете уплътнения (в камерата) има междинна течност, която събира утечките от работната течност, охлажда и смазва външното уплътнение, предпазва от работа на сухо, стабилизира смазващия слой и предпазва проникването на въздух в помпата при работа под вакуум. Необходимо е винаги да се спазва условието, налягането на междинната течност да е винаги по-малко от работното налягане на работната течност.
Гръб към гръб двойно уплътнение (фиг. 8). Приема се като оптимално решение за пренос на абразивни, агресивни, гъсти и експлозивни течности, които износват, повреждат или блокират обикновените механични уплътнения. Този вид уплътнение се състои от две механични уплътнения, обърнати с гръб едно към друго, които образуват междинна уплътнителна камера. В нея циркулира работната течност, която винаги е с 1-2 bar по-високо налягане от характерното за работното налягане на помпата. Налягането в камерата би могло да се поддържа по два основни начина. Първият включва използването на независим източник на налягане. Много системи имат усилвател на налягане. Вторият подход се базира на добавянето на отделна помпа.

Използвани електродвигатели
Електродвигателите са стандартизирани по NEMA (National Electrical Manufacturers Association) и IEC (Internationa Electrotechnical Commission).
Най-общо, двигателите се характеризират с висок КПД - от порядъка на 80 - 93%. Загубите в двигателите са два основни типа - зависещи и независещи от товара на електродвигателя.
Загуби, зависещи от товара. Известно е, че този вид загуби зависят квадратично от големината на тока. Групата включва - загуби в статорните намотки (загуби в медта), загуби в ротора (от приплъзване) и загуби от разсейване (в различни части).
Загуби, независещи от товара.
В зависимост от коефициента си на полезно действие, двигателите се категоризират в три класа - EFF1, EFF2 и EFF3. Двигателите от клас EFF3 се характеризират с най-висок КПД и следователно са най-енергоспестяващи.
Добре известно е, че двигателите могат да дефектират при дълъг период на претоварване и по тази причина повечето световни производители ги преоразмеряват. Обикновено се използват при 75% - 80% от мощността им. Причината е, че при тази мощност имат сравнително висок фактор на мощността и КПД. При падане на товара под 25% се отчита рязък спад на параметрите на двигателите.

Темата продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top