Насосы

Требования к насосам

Требования к производственным процессам постоянно ужесточаются в отношении как качества продукции, так и рентабельности производства. Раньше допускалось продвижение жидкости по установке самотеком. Сегодня жидкость нагнетается по длинным трубопроводам с большим количеством клапанов, сквозь теплообменники, фильтры и другое оборудование, у которого часто бывают большие перепады давления. Скорость потока часто бывает очень высока. Поэтому на многих участках линии установлены пищевые насосы, и имеет все большее значение установка правильного насоса в правильном месте. При этом необходимо решить многие проблемы, которые можно

разделить следующим образом:

• Установка насоса

• Линии всасывания и нагнетания

• Тип и размер нужного насоса подбирается с учетом: — скорости потока

 — продукта, подлежащего перекачиванию

 — вязкости

 — плотности

 — температуры

— давления в системе — материала насоса.

Типовыми насосами, применяемыми на молокозаводах, являются центробежные, водокольцевые и объемные. Эти три вида насосов имеют разные сферы применения. Особенно широко на молокозаводах применяются центробежные насосы.

Центробежный насос, показанный на рис.1 и 2, в основном применяется для работы с маловязкими продуктами, он не используется для сильно газированных продуктов. Водокольцевой насос используется для жидкостей с высоким содержанием воздуха. Объемный насос используют там, где требуется деликатное обращение с продуктом, а также с высоковязкими жидкостями.

Всасывающая линия

До того как начать разговор непосредственно о насосах, важно разобраться в фактах и проблемах, связанных с перекачиванием.

Насос должен быть установлен как можно ближе к баку или к другому резервуару, из которого нужно забирать жидкость, а в линии всасывания должно быть как можно меньше отводов и клапанов. Трубопровод этой линии должен быть большого диаметра, чтобы уменьшить риск кавитации.

Линия подачи

В линию подачи должен быть включен дроссельный клапан любого типа, и по возможности вместе с обратным клапаном. Дроссельный клапан нужен для peгулирования скорости потока, подаваемого насосом. Обратный клапан предохраняет насос от гидроудара и не позволяет жидкости двинуться в обратном направлении при остановке насоса. Обычно обратный клапан устанавливается между насосом и дроссельным клапаном

Кавитация

Кавитация обнаруживает себя характерным «стучанием» в насосе. Она возникает, когда давление в каком-то месте опускается ниже парциального давления и в жидкости образуются мелкие пузырьки пара. По мере продвижения жидкости по направлению к крыльчатке давление нарастает и пар очень быстро сгущается. Его пузырьки лопаются с огромной скоростью, при этом локальное давление может достигать 100 ООО бар.

Это повторяется с большой частотой и может привести к выкрашиванию окружающего материала, особенно если он отличается хрупкостью.

Кавитация возникает, когда давление в линии всасывания слишком низко по сравнению с давлением пара в нагнетаемой жидкости. Опасность кавитации увеличивается, когда перекачиваются вязкие или летучие жидкости.

В насосах кавитация приводит к снижению напора и падению кпд. По мере нарастания кавитации подача жидкости насосом постепенно прекращается.

Кавитации следует избегать. Тем не менее, если условия работы насоса неблагоприятны, но он, несмотря на небольшую кавитацию, исправно работает, допустимо продолжать его эксплуатацию, потому что крыльчатки насосов, используемых на молокозаводах, изготовлены из кислотоустойчивой стали, которая отличается высокой сопротивляемостью износу, причиняемому кавитацией. Крыльчатка может быть немного повреждена только после длительной эксплуатации насоса.

Возможность возникновения в насосе кавитации может быть заранее просчитана.

См. раздел ПВПВ.

Диаграмма рабочих характеристик насоса

Карты-диаграммы рабочих характеристик насосов — бесценное подспорье при выборе необходимого варианта для конкретной работы. Чтобы сделать правильный выбор, нужно ознакомиться с тремя графиками:

• Графиком расхода и напора (кривая QH)

• Потребной мощностью двигателя

• Полной высотой принудительного всасывания (ПВПВ).

Эти графики построены на основе испытаний, проводимых с использованием воды. Если насос планируется использовать для перекачки жидкостей с другими характеристиками, внесенные в карту данные могут быть пересчитаны с необходимой поправкой

При подборе насоса покупатель обычно знает, какой расход (Q) ему потребуется.

В примере, показанном на рис.4, расход (Q) составляет 15 м³/ч. Необходимый напор обычно нужно рассчитать. В данном случае примем его за 30 м.

Отметьте величину расхода на оси абсцисс Q. От этой точки проведите вертикальную прямую до пересечения с горизонтальной прямой, указывающей на необходимый напор (30 м) на оси ординат Н. Эта точка не находится ни на одной из кривых QН, показывающих диаметр крыльчатки. В данном случае следует выбрать ближайший больший размер крыльчатки. То есть 160 мм. В результате получается напор, равный столбу жидкости высотой 31 м.

Теперь проведем вертикальную прямую от 15м³/ч вниз до пересечения с графиком мощности для крыльчатки размером 160 мм. Горизонтальная прямая, проведенная от точки пересечения влево, показывает, что расход энергии равен 2,3 кВт. К этой цифре добавляем страховочный запас в 15% и получаем в итоге примерно 2,6 кВт. Следовательно, можно остановиться на двигателе мощностью 3 кВт.

Если насос снабжен двигателем определенного типоразмера, необходимо убедиться,

что двигатель не перегружен. Он должен всегда иметь запас производительности на случай перегрузок.

Наконец, вертикальную линию от 15 м³/ч проводим до кривой NPSH (ПВПВ) справа на верхней диаграмме.

Продолжив горизонтальную прямую вправо, узнаем, что необходимый показатель ПВПВ составляет 1 м.

Как избежать кавитации

Основные рекомендации:

• Малый перепад
давлений в линии всасывания (большой диаметр трубы, короткая труба всасывания, малое
число клапанов

и изгибов)

• Высокое давление на входе в насос, которое достигается, например, высоким уровнем жидкости над насосом

• Низкая температура жидкости

Напор (давление)

Выбирая насос, нужно помнить, что напор (Н), показанный на диаграмме, — это давление на входе в насос, при котором жидкость поступает в него без высоты всасывания и давления на входе.

Для определения реального давления на выходе из насоса необходимо рассмотреть условия в зоне всасывания. Если в этой зоне имеется вакуум, насос должен начать работать до того, как в него начнет поступать жидкость.

В этом случае давление на выходе будет ниже указанного на диаграмме рабочих характеристик.

С другой стороны, если зона всасывания наполнена жидкостью для обеспечения положительного давления на входе в насос, давление на выходе будет выше указанного на диаграмме рабочих характеристик.

Полная высота

принудительного всасывания (ПВПВ)

Как уже упоминалось выше, перед установкой насоса важно помнить, что линия всасывания должна быть проложена

таким образом, чтобы исключить возможность кавитации. График ПВПВ включен в диаграммы расхода (рис.3). ПВПВ насоса — это необходимое избыточное давление по сравнению с давлением пара, цель которого — избежать кавитации. На схеме оно обозначено как ПВПВ_терб

До того как это значение может быть использовано, необходимо подсчитать ПВПВ, существующее в линии всасывания в обычных условиях. Этот показатель, ПВПВ_сущ должен быть равным или выше, чем необходимое ПВПВ, представленное на диаграмме.

Для расчета ПВПВ_сущ в системе используется следующая формула: р_а = абсолютное давление на поверхности жидкости, бар p_v = абсолютное давление пара, бар d_r = относительная плотность h_s = статическое всасывание, в метрах столба жидкости h_fs = снижение давления в линии всасывания, в метрах столба жидкости

Уплотнения вала

Уплотнение вала часто является самой уязвимой деталью насоса, поскольку находится между вращающейся деталью (крыльчаткой или валом) и неподвижной частью (корпусом насоса). Обычно применяется механическое уплотнение.

У вращающегося уплотнительного кольца притертая уплотняющая поверхность, которая вращается относительно неподвижного притертого уплотнительного кольца. Между уплотняющими поверхностями образуется пленка жидкости. Эта пленка смазывает уплотнение и предотвращает непосредственный контакт между уплотнительными кольцами,

При этом износ сводится до минимума и обеспечивается долгий срок службы уплотнения. Если насос работает вхолостую, жидкая смазывающая пленка разрушается и износ уплотнительных колец резко ускоряется.

Механическое уплотнение обычно сбалансировано. Это означает, что оно нечувствительно к давлению, создаваемому насосом. Механические уплотнения, используемые в пищевой промышленности, не нуждаются в регулировке и не приводят к износу вала. Выпускаются два варианта таких уплотнений: одинарное и промываемое.

Одинарное механическое уплотнение

В большинстве насосов, применяемых в молочной промышленности, установлены одинарные механические уплотнения (рис.4).

Неподвижное кольцо в таком уплотнении закреплено на опорной стенке корпуса насоса. Вращающееся кольцо может быть установлено внутри или снаружи насоса, а на него надето уплотнительное кольцо. Вращающееся кольцо может двигаться вдоль вала и прижимается к неподвижному кольцу пружиной.

Промываемое уплотнение вала

Промываемое уплотнение (рис.5) состоит из двух уплотнителей. Между ними циркулирует вода или пар для их охлаждения или очистки а также для создания барьера между продуктом и атмосферой.

Этот вид уплотнения рекомендуется для следующих работ:

• С паровым барьером для перекачки стерилизованной продукции с целью недопущения повторного бактериального обсеменения

• Водяной промывки при перекачивании растворов кристаллизующихся продуктов — например, сахарных сиропов

• Водяного охлаждения уплотнения в случаях, когда на валу рядом

с уплотнением может образовываться и пригорать осадок по причине сильного нагрева уплотняющих поверхностей. В качестве примера можно привести подкачивающий насос в пастеризаторах

• Создания водяного барьера для исключения контакта воздуха и продукта во время перекачивания при очень низком давлении на входе- например, из деаэратора сосуда.

Давление парового барьера не должно быть выше атмосферного при 100°С, так как в ином случае пар может стать сухим. Это приведет к высыханию уплотнений и повреждению их поверхностей. Подача пара и воды регулируется на входе перед уплотнением, при этом в выпускной трубе не должно быть препятствий. Эти среды всегда подаются через нижнее соединение.

Материал уплотнений вала

Обычно используется следующая комбинация материалов: для вращающегося уплотнительного кольца — графит, а для неподвижного — нержавеющая сталь.

Еще более удачная комбинация — карбид кремния и графит. Для абразивных жидкостей рекомендуются уплотнения с очень твердыми поверхностями.

В таких случаях применяется карбид кремния для обоих колец.

Центробежные насосы

Принцип работы

Жидкость, поступающая в насос, направляется в центр крыльчатки, и лопасти крыльчатки придают ей круговое движение (см. рис.6). Под воздействием центробежной силы и движения крыльчатки жидкость покидает ее под более высоким давлением и с большей скоростью, чем в центре крыльчатки. Скорость частично преобразуется в давление в корпусе насоса перед тем, как жидкость покидает его через выпускной штуцер.

Лопасти крыльчатки образуют в насосе каналы. Обычно лопасти изогнуты в обратную сторону, но в маленьких насосах они бывают прямыми.

Область применения центробежных насосов

Центробежные насосы наиболее широко применяются в молочной промышленности, и именно им следует отдавать предпочтение, если они подходят для выполнения планируемой работы. Причина в том, что центробежный насос обычно обходится дешевле и при покупке, и в работе, и в техническом обслуживании. Кроме того, эти насосы легче других адаптируются к различным рабочим режимам.

Центробежные насосы могут использоваться для перекачки любых жидкостей с относительно низкой вязкостью, которые не нуждаются в особо бережном

обращении. Они могут также работать с жидкостями, в которых содержатся сравнительно крупные частицы, естественно, при условии, что эти частицы не больше размера канала крыльчатки.

Недостаток центробежного насоса в том, что он не может перекачивать жидкости с высоким содержанием воздуха: пропадает наполнение, и перекачивание прекращается. В таких случаях для возобновления работы насос приходится останавливать, производить его заливку и снова запускать. Другими словами, центробежный насос не относится к категории самовсасывающих насосов, так что перед началом работы его корпус и линия всасывания должны быть заполнены жидкостью. Поэтому установку такого насоса следует тщательно спланировать.

Регулирование потока

Редко удается подобрать такой насос, который бы абсолютно точно соответствовал требуемой производительности. Для получения необходимого значения существует несколько способов регулировки:

• Дросселирование — очень гибкий, но неэкономичный метод

• Уменьшение диаметра крыльчатки — менее гибкий, но более экономичный

• Регулировка скорости — и гибкий, и экономичный. Эти три варианта проиллюстрированы на рис.7.

Дросселирование

Самый простой способ управления потоком — установка дроссельного клапана на выходе из насоса. Это обеспечит точную регулировку давления и расхода, идущего от насоса. Это наиболее подходящий метод, если насос предназначается для работы в режимах изменяющегося давления и расхода. Недостаток этого метода — в его неэкономичности в том случае, если давление и расход постоянны.

Дросселирование может выполняться с помощью вмонтированных в трубопровод пластин с отверстиями, ручных или автоматических управляющих клапанов или механического расходомера, который часто врезается в линии обработки молока.

Самый экономичный вариант насоса получится, если диаметр его крыльчатки будет уменьшен до значения D₁. На диаграммах большинства насосов имеются графики для различных диаметров крыльчаток.

Уменьшение диаметра крыльчатки

Уменьшив заводской диаметр крыльчатки D до D₁, можно получить более низкую, по сравнению с максимальной, кривую насоса (см. рис.8). Новый диаметр D₁ можно приблизительно определить, проведя прямую линию на диаграмме рабочих характеристик насоса от точки О через А к стандартной кривой В крыльчатки D. Зафиксируйте давление Н и потребное новое давление Н₁. Новый диаметр крыльчатки D₁ рассчитывается с помощью формулы:

Регулировка скорости

Изменение скорости приводит к изменению центробежной силы, созданной крыльчаткой. Давление и производительность также изменяются — возрастают с ростом скорости и снижаются с ее уменьшением.

Регулировка скорости — самый эффективный путь управления насосом. Скорость крыльчатки всегда полностью соответствует производительности насоса и, следовательно, соответствует также и расходу энергии, и обработке жидкости.

Вместе со стандартными трехфазными двигателями может быть использован преобразователь частоты. Они имеются в вариантах для ручного или автоматического управления потоком и давлением.

Насосы на частоту 60 Гц

Большинство центробежных насосов рассчитаны на частоту питающего напряжения 50 Гц, что для двухполюсного двигателя означает 3000 об/мин. Но в некоторых странах источники энергии рассчитаны на частоту 60 Гц, при которой скорость возрастает на 20%, то есть до 3600 об/мин.

У изготовителей можно получить характеристики насосов, работающих при 60 Гц.

Напор и давление

Плотность

Напор, измеряемый в метрах столба жидкости, не зависит от плотности перекачиваемой жидкости. Однако плотность имеет большое значение для давления на выходе и для потребляемой энергии.

Если в разных случаях и насос, и вязкость обрабатываемой жидкости неизменны, можно сохранять неизменной и высоту столба жидкости (10 метров в нашем примере) независимо от ее плотности. Однако изменение плотности, т.е. массы жидкости, будет приводить к изменению показаний манометра (см. примеры на рис.9).

Примечание

В диаграммах подачи насосов напор всегда обозначается в метрах столба жидкости, а расход энергии приводится на основе работы с водой, плотность которой равна 1. Это значит, что для перекачки жидкостей большей плотности показатель энергии в графике должен быть умножен на плотность.

Давление насоса в метрах водяного столба соответственно получается при умножении давления в метрах столба жидкости на относительную плотность. С более тяжелой жидкостью насос должен выполнять большую работу, чем с более легкой. Расход энергии изменяется пропорционально плотности.

Если в примере А расход составляет 1 кВт, то в примере В — 1,2 кВт. а в примере С — только 0,8 кВт.

Вязкость

Жидкости с более высокой вязкостью создают большее гидравлическое сопротивление, чем менее вязкие жидкости. При перекачивании более вязких жидкостей поток и напор снижаются, а потребность в энергии возрастает из-за возросшего гидравлического сопротивления в крыльчатке и корпусе насоса.

Центробежные насосы могут перекачивать жидкости с относительно высокой вязкостью, но не рекомендуются для работы с жидкостями, вязкость которых выше 500 сантипуазов, потому что с превышением этого уровня расход энергии резко возрастает.

Водокольцевые насосы

Эти насосы, изображенные на рис.10 и 11, работают как самовсасывающие насосы, если их корпус залит жидкостью хотя бы наполовину. Они способны перекачивать жидкости с высоким содержанием газа или воздуха.

Насос состоит из крыльчатки с прямыми радиальными лопастями (4), вращающимися в корпусе, впускного и выпускного отверстий и приводного двигателя. От впускного отверстия (1) жидкость поступает на лопасти, которые

с ускорением направляют ее в корпус насоса, где она образует «жидкое кольцо», вращающееся практически с той же скоростью, что и крыльчатка.

В стенке корпуса имеется канал. В точке 2 он узкий, но по мере

приближения к точке 3 он становится глубже и шире, а затем — снова уменьшается по мере приближения к точке 6. При переносе жидкости лопастями происходит заполнение ею канала, при этом увеличивается пространство для жидкости, проходящей сквозь лопасти. Это приводит к образованию вакуума в центре, в который

затягивается дополнительное количество жидкости из линии всасывания.

После прохождения точки 3 объем между лопастями уменьшается в связи с уменьшением глубины канала. Это принуждает жидкость к постепенному смещению к центру и повышает давление, и жидкость выводится через отверстие 7 к выходу из насоса 5.

Воздух, попавший в линию всасывания, будет перекачан таким же путем, как и жидкость.

Применение

Водокольцевые насосы находят себе применение в молочной промышленности в тех случаях, когда продукт содержит большой процент воздуха или газа и когда вследствие этого применение центробежных насосов невозможно. Просвет между крыльчаткой и стенками корпуса у центробежного насоса слишком маленький, поэтому он не пригоден для работы с абразивными жидкостями.

Типовое применение водокольцевого насоса — возвратный насос системы безразборной мойки (СБМ) для перекачки моющего раствора из промытой емкости, поскольку такой раствор содержит, как правило, большое количество воздуха.