Лопастной насос



Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении

Перейти к: навигация, поиск
Центробежный насос

Лопастные (а среди них — центробежные) — основной тип насосов как с точки зрения производительности и универсальности, так и их распространенности (не менее 75% промышленных насосов). Самые маленькие можно взять в руку, а самые большие достигают нескольких метров в диаметре. Мощность центробежных насосов может составлять от долей киловатта до многих тысяч киловатт.

На рисунке показана схема типичного центробежного насоса. Жидкость поступает к центральной части рабочего колеса (крыльчатки). Крыльчатка установлена на валу в корпусе и приводится во вращение электрическим или другим двигателем. Энергия вращения передается крыльчаткой жидкости; жидкость перемещается на периферию крыльчатки, собирается в кольцевом коллекторе (улитке) и удаляется через выходной патрубок. Патрубок имеет расширяющуюся форму; скорость потока в нем падает, и часть кинетической энергии жидкости, приобретенной в рабочем колесе насоса, преобразуется в потенциальную энергию давления. Увеличение давления на выходе из насоса может быть достигнуто увеличением либо частоты вращения, либо диаметра крыльчатки.

При заданной частоте вращения центробежный насос, показанный на рисунке, работает с максимальным КПД только при расчетных значениях расхода и давления. На расчетном режиме КПД центробежного насоса может превышать 90%, на худших (нерасчетных) режимах может составить менее 10%. Перекачка жидкости с минимальными затратами энергии требует правильного выбора типа насоса, тщательного проектирования и согласования его характеристик с характеристиками системы в целом.

В центробежном насосе происходит поворот потока жидкости на 90°от осевого направления к радиальному. В осевых лопастных насосах жидкость движется примерно в осевом направлении, а рабочее колесо имеет форму корабельного винта. Такие насосы наиболее эффективны при больших расходах и малых перепадах давления. Существуют конструкции лопастных насосов, промежуточные между радиальными и осевыми; они обычно используются при больших расходах и умеренных давлениях.

Ось вращения лопастного насоса может быть горизонтальной или вертикальной, входных патрубков может быть один или два; существуют и насосные агрегаты с несколькими рабочими колесами. Многоступенчатые лопастные насосы используются для откачки воды из шахт, в системах водоснабжения и канализации.

В системах водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, центробежные насосы применяются повсеместно. Они различаются по типу конструкции и способу преобразования энергии.

Содержание

Самовсасывающие и нормальновсасывающие насосы

Высота всасывания насоса hs

Считается, что самовсасывающий насос способен удалять воздух из всасывающей линии. Теоретическая максимальная высота всасывания воды составляет 10,33 м и зависит от давления воздуха (норм. давление = 101,3 кПа).

По техническим причинам максимальная высота всасывания hs, которую можно достичь, составляет 7–8 м. Это значение учитывает не только разность высот между самой нижней точкой (водной поверхностью) и всасывающим отверстием насоса, но также и потери на преодоление сопротивления в трубах, насосе и соединениях.

При расчете насоса учтите, что значение высоты всасывания hs должно быть включено в расчетный напор со знаком минус.

Линия всасывания должна иметь как минимум такой же условный проход, что и всасывающее отверстие насоса, или, по возможности, больше. Линия должна быть как можно короче.

Расположение всасывающей линии

Длинные линии всасывания создают повышенное сопротивление трению, что крайне отрицательно влияет на высоту всасывания.

Всасывающая линия должна быть расположена так, чтобы она всегда имела наклон вверх по направлению к насосу. Если линия представляет собой шланг, предпочтительно использовать спиральные шланги, поскольку они имеют повышенную прочность и меньше подвержены утечкам. Обязательно соблюдайте меры по предотвращению утечек, иначе могут возникнуть неполадки и поломки в насосе.

Установка с обратным клапаном или отсечным клапаном/заслонкой

В режиме всасывания рекомендуется всегда устанавливать обратный клапан, чтобы предотвратить опорожнение насоса и всасывающей линии. Обратный клапан с фильтром также защищает насос и расположенные ниже системы от крупных загрязнений, таких как листья, ветки, камни и насекомые. Если использовать обратный клапан невозможно, на всасывающих линиях перед насосом (всасывающим отверстием насоса) следует установить отсечной клапан/заслонку.

Нормальновсасывающий насос не может удалять воздух из линии всасывания.

При использовании нормальновсасывающего насоса, насос и линия всасывания должны быть всегда заполнены жидкостью. Если в насос попадает воздух в результате утечки, например, через сальниковое уплотнение запорного клапана или через незакрывшийся обратный клапан на линии всасывания, насос и линию всасывания необходимо снова наполнять водой.

Работа центробежных насосов

Разрез насоса с мокрым ротором

Насосы необходимы для перемещения жидкостей и преодоления сопротивления потоку со стороны трубопроводных систем. В случае насосных систем с различными уровнями жидкостей сюда также включается преодоление разности геодезических высот.

Благодаря своей конструкции и используемому способу преобразования энергии, центробежные насосы представляют собой гидравлические двигатели.

Двигатель приводит во вращение вал насоса с установленным на нем рабочим колесом. Вода, поступающая в рабочее колесо в осевом направлении через всасывающее отверстие и входной патрубок, перемещается с помощью лопастей рабочего колеса в радиальном направлении. Центробежные силы, действующие на каждую частицу жидкости, способствуют повышению скорости и давления при прохождении воды через лопасти.

После того как вода проходит рабочее колесо, она собирается в спиральном кожухе. Скорость потока несколько замедляется благодаря конструкции кожуха. При этом напор увеличивается за счет преобразования энергии.

Насос состоит из следующих основных компонентов:
* корпус насоса;
* мотор;
* рабочее колесо.

Рабочие колеса

Типы рабочих колес

Рабочие колеса могут быть разных типов, а также открытые и закрытые.

Рабочие колеса большинства современных насосов имеют трехмерную конструкцию, объединяющую преимущества осевого и радиального колес.

КПД насоса

КПД любого механизма представляет собой отношение его полезной мощности к потребляемой. Это отношение обозначается греческой буквой η (эта).

Поскольку не существует такого понятия как "привод, не имеющий потерь", η всегда меньше 1 (100 %). Для циркуляционного насоса системы отопления общий КПД определяется значением КПД мотора ηM (электрического и механического) и КПД насоса ηP. Произведение этих двух значений представляет собой общий КПД ηtot.

ηtot = ηM • ηP

КПД насосов разных типов и размеров могут отличаться в очень широком диапазоне. Для насосов с мокрым ротором КПД ηtot равен от 5% до 54 % (высокоэффективные насосы); для насосов с сухим ротором ηtot равен от 30 % до 80%.

Даже в пределах характеристики насоса текущий КПД в тот или иной момент времени меняется от нуля до максимального значения.

Если насос работает при закрытом клапане, создается высокое давление, но вода не перемещается, поэтому КПД насоса в этот момент равняется нулю. То же самое справедливо при открытой трубе. Несмотря на большое количество перекачиваемой воды, давление не создается, а значит КПД равняется нулю.

Характеристика насоса

Самый большой общий КПД циркуляционного насоса системы отопления достигается в средней части характеристики насоса. В каталогах производителей насосов эта оптимальная рабочая характеристика указана отдельно для каждого насоса.

Насос никогда не работает при постоянной подаче. Поэтому, при расчете насосной системы, убедитесь, что рабочая точка насоса находится в средней трети характеристики насоса большую часть отопительного сезона. Это гарантирует работу насоса при оптимальном КПД.

КПД насоса определяется по следующей формуле:

ηp = Q • H • ρ / 367 • P2

ηP = КПД насоса
Q [м3/ч] = Подача
H [м] = Напор
P2 [кВт] = Мощность насоса
367 = Постоянный коэффициент
ρ [кг/м3] = Плотность жидкости

КПД насоса зависит от его конструкции.

В следующих таблицах показаны значения КПД в зависимости от мощности выбранного мотора и конструкции насоса (с мокрым ротором/с сухим ротором).


КПД стандартных насосов с мокрым ротором (ориентировочные значения)

Насосы с мотором мощностью P2 ηtot
до 100 Вт прибл. 5 % – прибл. 25 %
от 100 до 500 Вт прибл. 20 % – прибл. 40 %
от 500 до 2500 Вт прибл. 30 % – прибл. 50 %


КПД насосов с сухим ротором (ориентировочные значения)

Насосы с мотором мощностью P2 ηtot
до 1,5 кВт прибл. 30 % – прибл. 65%
от 1,5 до 7,5 кВт прибл. 35 % – прибл. 75%
от 7,5 до 45,0 кВт прибл. 40 % – прибл. 80%

Потребление энергии центробежными насосами

Как Вы уже поняли из предыдущего раздела, мотор приводит во вращение вал насоса, на котором установлено рабочее колесо. В насосе создается повышенное давление и жидкость перемещается через него, что является результатом преобразования электрической энергии в гидравлическую. Энергия, необходимая мотору, называется потребляемой энергией P1 насоса.

Выходные характеристики насосов
Выходные характеристики центробежных насосов приведены на графике: вертикальная ось, ордината, означает потребляемую энергию P1 насоса в ваттах [Вт]. Горизонтальная ось или абсцисса показывает подачу Q насоса в кубических метрах в час [м3/ч]. (Это также справедливо для характеристики насоса, которую мы обсудим позже.) В каталогах характеристики напора и мощности часто объединяются для наглядной демонстрации взаимосвязи.

Взаимосвязь между напором насоса и графиком мощности P1

Выходная характеристика демонстрирует следующую взаимосвязь: мотор потребляет минимум энергии при низкой подаче. При увеличении подачи потребление энергии также увеличивается.

Влияние частоты вращения мотора
При изменении частоты вращения насоса и неизменных остальных условиях системы потребление энергии P изменяется пропорционально значению частоты n в кубе.

На основании данных соображений, изменяя частоту вращения насоса можно адаптировать насос к требуемой тепловой нагрузке потребителя. При увеличении частоты вращения в два раза, подача увеличивается в той же пропорции. Напор возрастает в четыре раза. Поэтому, энергия, потребляемая приводом, получается умножением примерно на восемь. При снижении частоты, подача, напор в трубопроводе и потребление энергии уменьшаются в той же пропорции.

Постоянная частота вращения, обусловленная конструкцией.
Отличительной характеристикой центробежного насоса является то, что напор зависит от используемого мотора и его частоты вращения. Насосы с частотой n > 1500 об/мин называются быстроходными насосами, а те, у которых частота n < 1500 об/мин называются тихоходными.

Моторы тихоходных насосов имеют более сложную конструкцию, а значит, они более дорогие. Однако в случаях, когда использование тихоходного насоса возможно или даже необходимо из-за характеристик контура отопления, применение быстро ходного насоса может привести к неоправданно высокому потреблению энергии. Таким образом, высокая цена тихоходного насоса компенсируется существенной экономией энергии, потребляемой приводом. Это способствует быстрой окупаемости первоначальных вложений.

Обеспечивая контролируемое снижение частоты вращения при снижении отопительной нагрузки, устройство бесступенчатого регулирования частоты вращения способствует значительной экономии средств.

Насосы с сухим ротором

Особенности
Насосы с сухим ротором используются для подачи жидкостей с большим напором. Лучше всего они подходят для подачи охлаждающей жидкости и агрессивных сред. В отличие от насосов с мокрым ротором, в этих насосах жидкость не соприкасается с мотором.

Еще одним их отличием от насосов с мокрым ротором является способ изоляции корпуса/вала насоса. Это достигается с помощью сальникового или скользящего торцевого уплотнений (СТУ).

В стандартных насосах с сухим ротором обычно используются трехфазные моторы с постоянной частотой вращения. Как правило, они регулируются через внешнюю электронную систему управления частотой вращения. Сегодня насосы с сухим ротором выпускаются со встроенным электронным блоком управления частотой вращения, который благодаря современной технологии может устанавливаться и на моторы с большой выходной мощностью.

Общий КПД насосов с сухим ротором существенно выше, чем у насосов с мокрым ротором.

Насосы с сухим ротором подразделяются на три основных типа:

In-line насосы
Насосы, у которых всасывающий и напорный патрубки находятся на одной оси и имеют одинаковый условный проход, называются in-line насосами. In-line насосы оснащаются стандартными фланцевыми электромоторами с воздушным охлаждением.

Конструкция in-line насоса с сухим ротором

Такой тип насосов считается наиболее подходящим для систем зданий, требующих большой выходной мощности. Эти насосы устанавливаются непосредственно на трубопровод. При этом трубопровод закрепляется кронштейнами или насос устанавливается на фундамент или отдельный кронштейн.

Блочные насосы
Блочные насосы являются низконапорными центробежными насосами постоянной частоты вращения со стандартным электромотором воздушного охлаждения. Жидкость поступает в насос в осевом направлении, а выходит в радиальном. Кронштейны или опоры для мотора входят в стандартную комплектацию насосов.

Консольные насосы
Данные центробежные насосы имеют осевой вход и радиальный выход жидкости из насоса. Насос и мотор имеют самостоятельные узлы крепления. Поэтому они устанавливаются на фундаментной плите.

В зависимости от жидкости и рабочих условий, они могут оснащаться СТУ или сальниковым уплотнением. Условный проход таких насосов определяется напорным патрубком. Всасывающий патрубок имеет больший условный проход.

Уплотнение вала
Как Вы уже поняли из предыдущего раздела, вал может быть герметизирован (в стандартной комплектации или в качестве опции, в случае с консольными насосами) от атмосферы с помощью СТУ или сальниковым уплотнением. Ниже приводится описание этих двух типов уплотнений.

Скользящие торцевые уплотнения

СТУ насоса с сухим ротором

Основой конструкции скользящего торцевого уплотнения являются два кольца с тщательно отполированными поверхностями. Они прижимаются друг к другу с помощью пружины и работают вместе. СТУ являются динамическими уплотнениями и используются для герметизации вращающегося в жидкости вала при высоких рабочих давлениях.

СТУ состоит из двух отполированных износостойких колец (например, силиконовых или графитовых), которые прижаты друг к другу осевыми силами. Одно кольцо (динамическое) вращается вместе с валом, в то время как другое кольцо (статическое) неподвижно закреплено в корпусе.

Между поверхностями скольжения образуется тонкая пленка воды, служащая смазкой и средством охлаждения.

В зависимости от режима работы насоса возможно несколько типов трения сопрягаемых поверхностей: смешанное трение, граничное трение или сухое трение, причем последнее (происходящее при отсутствии смазывающей пленки) вызывает немедленное разрушение поверхностей. Срок службы зависит от рабочих условий, таких как состав и температура рабочей жидкости.

Сальниковые уплотнения
В качестве материалов для сальников используют высококачественную пряжу из синтетических волокон, например Kevlar® или Twaron®, PTFE, пряжу из пористого графита, пряжу из синтетических минеральных волокон, а также натуральные волокна, такие как пенька, вата или рами. Материал для сальников выпускается в виде нитей или спрессованных мотков, в сухом виде или со специальной пропиткой в зависимости от назначения. Если материал приобретается в виде нитей, сначала необходимо сформировать кольцо и придать ему форму. Затем, кольцо сальника оборачивается вокруг вала насоса и подтягивается с помощью обжимной втулки.

Типы монтажа Допустимые способы монтажа

Недопустимые способы монтажа

Особые указания для блочных насосов

Центробежные насосы высокого давления

Разрез центробежного насоса высокого давления

Эти насосы обычно являются многоступенчатыми.

Интенсивность подачи насоса зависит от размера рабочего колеса и других факторов. Напор в центробежных насосах высокого давления достигается применением нескольких рабочих колес, установленных последовательно. Кинетическая энергия преобразуется в давление частично в рабочем,а частично в выпрямляющем аппарате.

Благодаря возможности варьирования числом ступеней центробежные насосы высокого давления развивают более высокое давление по сравнению с низконапорными одноступенчатыми центробежными насосами.

Некоторые насосы имеют до 20 ступеней. Таким образом, они могут обеспечивать напор до 250 м. Почти все центробежные насосы высокого давления, которые мы описали, принадлежат к семейству насосов с сухим ротором. Тем не менее, в последнее время производители с успехом оснащают их моторами с мокрым ротором.

Характеристики центробежного насоса высокого давления


См.также

Источники

http://www.wilo.ua


Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструкции
Инструменты
Печать/экспорт

Реклама