Объемный насос: принцип работы, характеристики и выбор с технической точки зрения.

Объемный насос перемещает фиксированный объем жидкости за цикл, независимо от давления в системе. Это единственное конструктивное свойство — постоянный объемный выход независимо от давления на выходе — объясняет, почему объемные насосы остаются стандартным выбором для работы с высоковязкими средами, точного дозирования, работы при высоком давлении и низком расходе, а также в любых процессах, где центробежные насосы теряют эффективность или не могут полностью заполняться. В компании Aulank мы производим шестеренчатые насосы с магнитным приводом и лопастные насосы этой категории, и мы годами подбирали типы насосов в соответствии с условиями эксплуатации в химической промышленности, полупроводниковой промышленности, возобновляемой энергетике, фармацевтике и системах терморегулирования. В этом руководстве рассматривается принцип работы объемных насосов, их превосходство над центробежными аналогами и то, что инженеры должны учитывать при выборе.

1. Чем отличается объемный насос от обычного.

Насос объемного типа (PD-насос) захватывает фиксированный объем жидкости в замкнутой полости, а затем механически проталкивает ее от всасывания к нагнетанию при каждом обороте или ходе поршня. Производительность за цикл определяется геометрией шестерен, лопаток, кулачков, винтов, поршней или диафрагм внутри головки насоса. Скорость вращения определяет расход. Давление — нет.

Центробежный насос работает по другому принципу. Его вращающееся рабочее колесо увеличивает скорость жидкости, а спиральный корпус или диффузор преобразует эту скорость в давление. По мере повышения противодавления расход падает вдоль характеристической кривой насоса. Расход в поршневом насосе остается практически неизменным в том же диапазоне давлений — лишь незначительно возрастая со скоростью и незначительно снижаясь из-за внутреннего скольжения.

Практический вывод: если вашей системе требуется подача одинакового объема жидкости каждую минуту независимо от того, что происходит ниже по потоку, подойдет поршневой насос. Если же системе необходимо перемещать большие объемы жидкости низкой вязкости с низким сопротивлением, центробежный насос будет работать эффективнее и обходиться дешевле в эксплуатации.

Основной операционный цикл

Каждый поршневой насос выполняет один и тот же трехступенчатый цикл, различаясь лишь механическими компонентами:

• Фаза всасывания — На входной стороне происходит расширение полости насоса. Увеличение объема создает падение давления, затягивая жидкость через входной патрубок (или обратный клапан на входе для поршневых насосов).
• Фаза переноса — Полость герметизирует и перемещает захваченный объем от входа к выходу. Герметизация обеспечивается малыми зазорами между вращающимися частями и корпусом или обратными клапанами в конструкциях с возвратно-поступательным движением.
• Фаза разряда — На выходной стороне полость сужается, выталкивая жидкость в нагнетательную линию под давлением, требуемым системой.

Поскольку объем полости насоса фиксирован, он будет продолжать создавать поток до тех пор, пока что-либо физически не остановит его — именно поэтому в каждой установке насоса с поршневым потоком необходим предохранительный клапан на нагнетательной стороне. Заблокированный нагнетательный патрубок будет продолжать получать поток до тех пор, пока насос, двигатель или трубопровод не выйдут из строя.

2. Два семейства: роторные и поршневые.

Все объемные насосы делятся на две категории по типу привода. Выбор между ними определяется требованиями к непрерывности потока, диапазоном давления и реакцией жидкости на механическое воздействие.

Роторные поршневые насосы

Роторные поршневые насосы используют вращающиеся элементы — шестерни, лопатки, лопасти, винты или ролики — для создания и перемещения герметичных полостей. Поток непрерывный и относительно плавный, с низкой пульсацией. Рабочие скорости обычно варьируются от 500 до 3500 об/мин в зависимости от типа, и большинство конструкций рассчитаны на вязкость от нескольких сП до 20 000+ сП.

К роторным типам относятся:

• Шестеренчатые насосы — Две зацепляющиеся шестерни удерживают жидкость между зубьями и корпусом. Компактный, точный дозатор, подходящий для самого широкого диапазона вязкости.
• Лопастные насосы — Ротор с прорезями и скользящими лопастями создает расширяющиеся и сжимающиеся камеры. Подходит для жидкостей с низкой и средней вязкостью, обеспечивает самокомпенсирующийся износ.
• Винтовые насосы — Один или несколько винтовых роторов перемещают жидкость вдоль оси. Высокий расход при высоком давлении, очень низкая пульсация.
• Кулачковые насосы — Бесконтактные вращающиеся лопасти бережно обрабатывают твердые частицы и чувствительные к сдвигу жидкости.
• Перистальтические насосы — Ролики сжимают гибкую трубку; жидкость никогда не соприкасается с компонентами насоса. Используется для стерильных, абразивных или чувствительных к загрязнениям сред.

Поршневые насосы с поршневым приводом

Поршневые насосы с поршневым приводом используют линейное возвратно-поступательное движение поршня, плунжера или диафрагмы для попеременного заполнения и опорожнения камеры. Входные и выходные обратные клапаны регулируют поток. Эти насосы создают самое высокое давление в категории поршневых насосов — с помощью плунжерных конструкций можно достичь давления более 1000 бар — но поток пульсирующий и требует использования демпферов или многоканальных конфигураций для обеспечения плавности.

К типам с взаимным взаимодействием относятся:

• Поршневые насосы — Поршень, движущийся возвратно-поступательно, находится в цилиндре, герметизированном поршневыми кольцами. Высокое давление, умеренный поток.
• Плунжерные насосы — Твердый поршень перемещается внутри неподвижного уплотнения. Обладает более высокой производительностью по давлению, чем поршневые насосы; используется для струйной очистки водой под высоким давлением и впрыскивания химических веществ.
• Диафрагменные насосы — Гибкая диафрагма изолирует жидкость от приводных компонентов. Герметичная, идеально подходит для работы с опасными, токсичными или стерильными средами.

Для более подробного описания каждого типа насосов с механическими чертежами, параметрами и критериями выбора, см. наш раздел Полное руководство по классификации типов объемных насосов.

3. Характеристики производительности, имеющие значение в реальных системах.

Классическое определение дает лишь частичное представление о ситуации. На практике важно то, как поршневой насос ведет себя в реальных условиях эксплуатации — при изменении вязкости в зависимости от температуры, при скачках давления на выходе, при наличии в рабочей жидкости газа или при неправильной конструкции всасывающей линии. Следующие характеристики напрямую влияют на надежность системы.

Кривая зависимости постоянного расхода от давления

Кривая производительности поршневого насоса по сути представляет собой вертикальную линию. Расход остается практически постоянным от низкого давления до максимального номинального давления на выходе, с лишь небольшим падением, вызванным внутренним проскальзыванием. Проскальзывание — это жидкость, которая просачивается обратно со стороны высокого давления на сторону низкого давления на входе через внутренние зазоры. Проскальзывание увеличивается с перепадом давлений и уменьшается с вязкостью — это означает, что объемная эффективность поршневого насоса возрастает по мере увеличения густоты жидкости, что противоположно центробежному поведению.

Самовсасывание и подъемная способность

Большинство поршневых насосов являются самовсасывающими. Они могут откачивать воздух из всасывающей линии и поднимать жидкость снизу, без внешнего заполнения. Достижимая высота всасывания варьируется в зависимости от типа: винтовые и прогрессивные насосы могут создавать подъемы до 7–8 метров в благоприятных условиях, в то время как шестеренчатые и лопастные насосы обычно обеспечивают подъем до 4–6 метров. Центробежные насосы, как правило, не могут самовсасывать без вспомогательного оборудования.

Управление вязкостью

Именно здесь поршневые насосы находят свое место в промышленных системах. Эффективность центробежного насоса резко падает, как только вязкость превышает примерно 100 сП, а большинство конструкций становятся неэкономичными при вязкости выше 500 сП из-за потерь на трение на диске рабочего колеса. Поршневые насосы работают в противоположном направлении — вязкая жидкость действует как герметик во внутренних зазорах, уменьшая проскальзывание и повышая объемную эффективность. Именно поэтому в системах с термомаслом, линиях перекачки полимеров, дозировании клея и перекачке битума по умолчанию используются поршневые насосы.

Допуски на сдвиг и прочность твердых тел

Чувствительные к сдвигу жидкости — эмульсии, латекс, некоторые полимеры, пищевые продукты с тонкой структурой — разрушаются при высокой скорости вращения рабочего колеса. Перистальтические насосы работают при более низких скоростях вращения и оказывают более мягкое механическое воздействие, поэтому в пищевой, молочной, косметической и фармацевтической промышленности предпочтительны лопастные и винтовые насосы. Для абразивных твердых частиц перистальтические и лопастные насосы выдерживают воздействие частиц, которые могли бы разрушить зубья шестерен или уплотнения поршня.

Пульсация

Поршневые насосы создают пульсирующий поток в зависимости от частоты вращения. Одноцилиндровые конструкции генерируют наибольшую пульсацию; двухцилиндровые и трехцилиндровые конфигурации значительно сглаживают ее. Роторные насосы обеспечивают гораздо более плавный поток, хотя шестеренчатые и лопастные насосы все еще создают небольшие пульсации на частоте зацепления шестерен. Когда пульсация имеет значение — например, для равномерности покрытия, аналитического оборудования, чувствительного оборудования на выходе — выбор роторной конструкции с низкой пульсацией или добавление демпферов пульсаций имеет важное значение. Например, серия шестеренчатых насосов MDC-X от Aulank снижает пульсацию до 70% по сравнению с обычными шестеренчатыми насосами за счет оптимизированной геометрии ротора.

4. Периферийный насос против центробежного насоса: в каких случаях выигрывает тот или иной.

Два семейства насосов пересекаются в меньшей степени, чем принято считать. Правильный ответ обычно становится очевидным, если сопоставить условия эксплуатации.

Полезное эмпирическое правило: для жидкостей, подобных воде, при высоком расходе и умеренном давлении (перекачка воды, контуры охлаждения, общие вспомогательные задачи) в первую очередь следует выбирать центробежный режим. При возникновении любого из следующих условий следует выбирать поршневой режим: жидкость с вязкостью выше ~200 сП, требуется высокая точность дозирования, высокое давление при низком расходе, чувствительность к сдвигу, прерывистое всасывание или значительное попадание воздуха/газа.

5. Где используются объемные насосы

Список областей применения обширен, но лежащая в его основе логика всегда сводится к одной из вышеперечисленных характеристик производительности. Вот области применения, где поршневые насосы демонстрируют наилучшие результаты, взятые из систем, которые мы поставляли или обслуживали.

• Химическая обработка — Перекачка растворителей, дозирование кислот и щелочей, подача полимеров, загрузка реактора. Шестеренчатые насосы с магнитным приводом исключают утечки через уплотнения при работе с опасными средами; лопастные насосы обеспечивают стабильную циркуляцию.
• Фармацевтическая и биотехнологическая отрасли — Стерильное наполнение, дозирование АФИ, приготовление буферных растворов, подача сырья для ферментации. Обязательны гигиеничная конструкция и точность дозирования ±0,5%.
• Продукты питания и напитки — Мёд, сироп, шоколад, молочные продукты, соусы, растительные масла. Лопастные и винтовые насосы перекачивают вязкие и чувствительные к сдвигу продукты, не повреждая их структуру.
• Нефть и газ — Перекачка сырой нефти, работа с буровыми растворами, впрыск химических реагентов, подача мазута. Высокое давление, изменение вязкости в зависимости от температуры, периодическое попадание газа.
• Терморегулирование и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — Циркуляция термомасла, системы нагрева горячим маслом, низкотемпературные гликолевые контуры. Однонасосные платформы, охватывающие диапазон температур от -120°C до +400°C, устраняют необходимость в отдельных типах насосов для горячего и холодного воздуха.
• Полупроводники и новые источники энергии — Циркуляция охлаждающей жидкости при термических испытаниях батарей, подаче прекурсоров, обработке суспензий для процессов химико-механической полировки (CMP). Стабильный поток при изменяющемся противодавлении имеет решающее значение для воспроизводимости процесса.
• Сточные воды и окружающая среда — Перекачка осадка, дозирование полимеров, дозирование химических реагентов для процессов очистки. Винтовые насосы перемещают загустевший осадок с высоким содержанием твердых частиц.
• Печать и нанесение покрытий — Подача чернил, дозирование клея, циркуляция краски. Отсутствие пульсаций обеспечивает равномерность покрытия.

6. Как выбрать подходящий объемный насос

Выбор насоса чаще всего терпит неудачу из-за неполных данных об эксплуатации, чем из-за неудачной конструкции. Прежде чем запрашивать коммерческое предложение, точно определите следующие параметры. Нечеткие ответы на этом этапе создают проблемы, которые проявляются во время ввода в эксплуатацию, а не на этапе выбора.

Свойства жидкости

• Вязкость — при минимальной, нормальной и максимальной рабочей температуре. Вязкость многих жидкостей изменяется на порядок между холодным пуском и установившимся состоянием.
• Удельная плотность — влияет на выбор мощности двигателя.
• Химическая совместимость — Смачиваемые детали (ротор, шестерни, корпус, уплотнения, уплотнительные кольца) должны быть устойчивы к воздействию рабочей среды. Необходимо подтвердить диапазон pH, содержание хлоридов и наличие растворителей или окислителей.
• Содержание сухих веществ — Размер частиц, твердость и концентрация. Даже мелкие абразивные частицы быстро выводят из строя шестеренчатые насосы; могут потребоваться лопастные или перистальтические насосы.
• Чувствительность к сдвигу — Эмульсии, латекс, некоторые пищевые продукты требуют бережного нагнетания жидкости с помощью насоса.
• давление пара — определяет требования к показателю NPSH и конструкцию всасывающей стороны.

Условия эксплуатации

• Скорость потока — Минимальное, нормальное и максимальное значения. Укажите, является ли значение постоянным или переменным. Определите требуемую точность для измерительных приборов.
• Давление на выходе — в нормальном и наихудшем сценариях. Укажите любые скачки давления в системе, вызванные закрытием клапанов или засорением фильтра.
• Условия всасывания — Затопленный, подъемный или вакуумный резервуар. Рассчитайте NPSHa и убедитесь, что он превышает NPSHr на безопасное расстояние (обычно 0,5–1 м).
• Температура — температура жидкости на входе в насос и температура окружающей среды вокруг установки.
• Рабочий цикл — непрерывный, прерывистый или пакетный режим. Влияет на выбор двигателя и уплотнения.

Системная интеграция

• Сброс давления — На нагнетательном патрубке необходимо установить предохранительный клапан, рассчитанный на полную мощность насоса. Без него закрытый клапан, расположенный ниже по потоку, приведет к выходу из строя насоса или трубопровода.
• Контроль пульсации — Для поршневых и некоторых роторных конструкций требуются демпферы для чувствительного оборудования, расположенного ниже по потоку.
• Обходной контур — Полезно в тех случаях, когда разряд может прекратиться без немедленной реакции оператора.
• Тип привода — Прямой привод, ременная передача, редуктор или частотно-регулируемый привод. Стандартным методом регулировки расхода является регулирование скорости с помощью частотно-регулируемого привода.

Для систем, содержащих чувствительные к протечкам среды или в случаях, когда нарушение герметичности недопустимо, мы рекомендуем провести оценку. Шестеренчатые насосы с магнитным приводом и герметичные лопастные насосы, что полностью исключает динамическое уплотнение.

7. Типичные операционные проблемы и способы их предотвращения.

Большинство проблем с поршневыми насосами в полевых условиях связаны с небольшим числом первопричин. Раннее распознавание симптомов предотвращает дорогостоящие поломки.

Один важный момент: никогда не допускайте длительной работы поршневого насоса всухую. Перекачиваемая жидкость действует как смазка для внутренних поверхностей и как уплотнение в зазорах. Работа всухую быстро разрушает уплотнения, ускоряет износ и может привести к заклиниванию насоса. Если в вашем применении существует риск работы всухую — пустые резервуары, прорыв газа, ошибки в последовательности работы клапанов — с самого начала предусмотрите датчики низкого уровня или насосы, устойчивые к работе всухую.

Поговорите с Ауланком о вашей заявке.

Компания Aulank производит шестеренчатые насосы с магнитным приводом и лопастные насосы высокого давления для промышленного применения в химической, полупроводниковой, энергетической, фармацевтической, пищевой промышленности, а также в системах терморегулирования. Наша продуктовая линейка охватывает вязкость до 20 000 сП, температуры от -120°C до +400°C и давление до 100 бар, с поддержкой ODM для нестандартных конфигураций. Если ваша рабочая точка не соответствует техническим характеристикам каталога, или если вы не уверены, подходит ли объемный или центробежный насос для вашей системы, отправьте нам ваши условия эксплуатации, и мы предоставим рекомендации по выбору. Посетите наш сайт. Страница товара "Насос объемного вытеснения" или свяжитесь с нашей инженерной командой для технической консультации.