Шламови помпи

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2012

Шламови помпиШламови помпи

Sanrock

Част I. Особености на използваните конструкции центробежни и вихрови помпи

  Хидравличните смеси, накратко хидросмеси, известни още и като шламове (slurries), представляват механична смес от течност (най-често вода) и твърди частици. Комбинацията от вида, формата, големината и количеството на частиците, заедно с естеството на транспортиращата течност, определя характеристиките и хидродинамичните свойства на шлама.

Две групи хидросмеси
Най-общо хидросмесите могат да се разделят на две големи групи - утаими и неутаими. Неутаимите хидросмеси съдържат много фини частици, които формират стабилни и хомогенни смеси със забележимо увеличен ефективен вискозитет. Подобни шламове имат слабо изразено абразивно действие, но въпреки това изискват особено внимание при избор на подходяща помпа и задвижване, тъй като много често тяхното поведение се различава от това на нормалните течности. Наличието в шлама на достатъчно количество фини частици води до съществено изменение на реологичните свойства в сравнение с обикновените течности. Това е класът на т. нар. ненютонови течности.
Утаимите хидросмеси се формират от по-груби частици и представляват една нестабилна смес. В тази връзка, особено внимание се отделя на хидравличното изчисление на подобни системи. Например, необходимо е да се осигури една минимално необходима скорост на протичане през тръбопроводите, за да не настъпи утаяване в тях (критична скорост). Тези по-груби частици имат засилено абразивно действие и са сред най-често срещаните в различните индустриални приложения. Някои типични хидросмеси, които дават и представа за широкото приложение на шламовите помпа, са: въглищните смеси, при които отделните частици са с размери от 0 до 3 mm; смесите от рудодобивната и миннообогатителна промишленост с преобладаващи частици с размери от 0,1 до 1,5 mm. Примери са медни, оловно-цинкови и др. концентрати, каолинови разтвори и т. н. Към типичните хидросмеси се причисляват и смесите от влакнести материали, които представляват смес от вода и материали с различна степен на смилане - целулоза, хартиена маса, дървесина и др. Частиците обикновено са с дължина от 0,05 до 0,5 mm. Също така, хранителни смеси и пулпове, смеси от пясък, глина, варовик, утайки от промишлени и битови отпадни води и др. Размерите на частиците варират в широки граници: глина - под 0,002 mm, тиня/утайки - до 0,05 mm, фин пясък - от 0,05 до 0,1 mm, среднозърнест пясък - от 0,1 до 0,5 mm, едър пясък - от 0,5 до 2 mm. Бетонови хидросмеси, съставени от цимент, пясък с едрина до 5 mm и чакъл с едрина до 40 mm. Строителни разтвори - основно вар и пясък, понякога с добавен цимент. Хидросмеси при добив на инертни материали, изкопни работи, поддръжка и изграждане на пристанища и трасета за воден транспорт (драгажни работи), отводняване и осушаване на рудници и др. Размерите на частиците са до 50 и повече mm.

Екологичните и енергоспестяващите качества на хидравличния транспорт са предпоставка за все по-широка употреба на шламовите помпи в близките години.

Центробежни шламови помпи
Обикновено шламовите помпи се определят като помпи, транспортиращи хидросмеси с едрина на твърдата фаза до 3-5 mm. Често обаче, към този клас помпи се включват и тези, които могат да работят с много по-големи по размер частици.

Съществува голямо разнообразие от видове помпи, които потенциално могат да се използват за транспортиране на хидросмеси, но най-широко разпространение са намерили центробежните шламови помпи (centrifugal slurry pumps), които са типичен представител на класа на динамичните (турбо) помпи. Използват се за разходи (дебити) от няколко литра до няколко хиляди литра за секунда, като големината на твърдите частици може да достигне и до 300 mm. Главното ограничение при употребата им е, че не могат да създават големи напори. Проблемът се решава чрез последователно свързване на няколко помпени стъпала. Така може да се постигне налягане до 7 MPa.
Принципът на действие на центробежните шламови помпи е идентичен с този на помпите за чиста вода. В неподвижен корпус се върти ротор със закрепено към него работно колело. В резултат от действието на центробежните сили се увеличава енергията на шлама и той се увлича в движение от входящия към изходящия отвори, разположени в корпуса. Тъй като основната цел е транспортирането на твърдата фаза, а не на водата, колкото е по-висока концентрацията на частиците, толкова по-голяма е ползата от гледна точка на енергийната ефективност и капиталовите разходи. От друга страна, обаче, това означава, че износването от абразивното въздействие на частиците ще е значително. По тази причина е необходима специална конструкция на помпата и използването на специални материали. Това се налага и от факта, че често хидросмесите са със засилено корозионно действие. За да се реализира по-ниска честота на въртене, с което биха се намалили скоростите в проточната част, а от това и износването, шламовите помпи са като правило по-големи по размер, отколкото сравнимите по параметри помпи за чиста течност. Валовете, лагерите и уплътненията трябва също да са по-здрави и устойчиви. Съществен неблагоприятен резултат от конструктивните изменения е, че шламовите помпи, дори когато работят с чиста течност, не могат да достигнат ефективността на помпите за чиста вода.

Повечето центробежни шламови помпи са конструирани като едностъпални с  хоризонтален вал и делене на корпуса във вертикална равнина. Двигателят и помпата са отделни и независими конструктивно елементи, разположени върху специален фундамент. Валовете им са свързани с подходящ съединител. Този тип са известни и като конзолни помпи.

Особености на работното колело
Работното колело е главният въртящ се елемент на помпата. Съставено е от няколко лопатки, разположени върху диск (основен или заден диск) с главина, чрез която колелото се свързва с вала. Ако работното колело е снабдено и с диск, покриващ лопатките и от предната страна (покривен или преден диск), то се определя като колело от закрит тип - фиг. 1а. Ако покривен диск липсва, това е колело от полуоткрит тип - фиг. 1б. Колела, съставени само от главина и лопатки са от открит тип и не се използват в шламовите помпи. В разглежданите помпи се използват по-често колела от закрит тип, защото те показват по-висока ефективност и по-малка склонност към износване. Полуоткритите колела се прилагат основно при по-малките помпи, където може да възникне проблем със запушване (блокиране) на каналите. Този тип колела са подходящи и за хидросмеси, склонни към разпенване. Лопатките на работното колело при шламовите помпи са по-дебели, за да компенсират износването. Като следствие от това, техният брой трябва да е по-малък, за да не се получи прекалено стеснение на междулопатъчните канали. Лопатките обикновено са между три и пет. При всички случаи каналите трябва да са достатъчно широки, за да пропуснат частици с планирания максимален размер за конкретния модел. Широчината на колелото е преоразмерена. Крайният ефект от тези конструктивни изменения е, че напорът и ефективността намаляват в сравнение с колелата за чиста течност. Друга характерна особеност на шламовите колела е наличието на тесни, най-често чисто радиални разтоварващи лопатки от външната страна на носещия, а често и на покривния диск. Хлабината между разтоварващите лопатки и тялото на помпата е малка, затова течността между диска и тялото се върти с ъглова скорост почти равна на ъгловата скорост на колелото. Центробежните сили, действащи върху флуида, намаляват значително налягането. Намаленото налягане при основния диск облекчава работата на крайното уплътнение на вала и увеличава уплътнителния ефект, а намаленото налягане при покривния диск ограничава обратното циркулационно течение към входа на колелото, като така се увеличава к. п. д. Друг полезен ефект е, че центробежното действие не позволява навлизането на частици в тясната хлабина между тялото и колелото, което намалява износването.

Конструкция на нагнетателните и смукателните канали
В неподвижното тяло на помпата са оформени смукателните и нагнетателните канали. Смукателните канали довеждат хидросместа до входа на работното колело. При шламовите помпи най-често те са цилиндрични или по-рядко конусовидни, като във втория случай стесняващият се към колелото канал осигурява едно 10 - 15% увеличение на скоростта, което оказва положително влияние върху течението на входа в колелото, но увеличава износването в тази зона.

Нагнетателните канали изпълняват две основни функции. Първата е да поемат и отведат равномерно хидросместа, напускаща работното колело по цялата му периферия. Втората е да намалят скоростта на течението и по този начин да преобразуват част от кинетичната енергия в потенциална, т. е. да се увеличава налягането към изхода. Основните форми на нагнетателните канали при центробежните помпи са показани на фиг. 2. От хидродинамична гледна точка, най-ефективен е спиралният канал, при който сеченията нарастват по определена закономерност и формата е близка до логаритмична спирала. В действителност, за да се облекчи технологията на изработка (като правило чрез отливане от твърди метали), профилът се опростява до две полуокръжности или четири дъги. Пръстеновидният канал е с постоянно напречно сечение, а полуспиралният в началото е пръстеновиден и преминава в спирален към изхода. При шламовите помпи се използват по-широко последните два типа, тъй като по-голямата хлабина при езика на спиралата и формата като цяло е по-благоприятна по отношение на износването и дълготрайността, което обаче е за сметка на по-ниската ефективност. Използват се две конструкции нагнетателни канали. По-практичен и по-икономичен за производство е вариантът, когато спиралното тяло е един детайл. Другият вариант е тялото да е делимо на две части във вертикална равнина. Тази конструкция се използва при шламовите помпи с допълнителна гумена или метална облицовка на вътрешните обтечени повърхнини, за да се облекчи нейният монтаж, инспекция и подмяна при износване.

Вихрови помпи
Една разновидност на динамичните помпи, а в частност и на шламовите помпи, са вихровите помпи (vortex pumps). На външен вид вихровите помпи приличат на центробежните и понякога се считат за тяхна разновидност, но принципът на действие е различен. При вихровите помпи работното колело е полуоткрито и изцяло разположено извън спиралното тяло. Колелото генерира система от вихри, които осигуряват помпения ефект. Тъй като работното колело е извън основното течение в спиралното тяло, частиците в течността рядко контактуват с лопатките на колелото, а от това следва малко износване и дълъг експлоатационен живот. Тази конструкция е особено подходяща за хидросмеси с дълги влакнести частици и частици с големи размери, защото няма опасност от запушване. Практически, всяко тяло, което може да влезе през смукателния отвор, ще премине и през спиралата, а оттам и към изходния отвор.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top