Ви, мабуть, ніколи не думаєте про механізми, що перекачують рідину, поки щось не зламається. Тоді ви знаєте, що без насосів цивілізація встає. По суті це прості пристрої: витрачається енергія, переміщається рідина. Але інженерні рішення необхідні для забезпечення ефективності цього процесу? Це складна, сувора історія видобутку корисних копалин, фізики та матеріалознавства.
Найраніші версії були грубими за своєю природою. Подумайте про перські та римські водяні колеса. Або про гвинт Архімеда. Ви обертаєте його, і вода піднімається нагору. Просто. Але в міру того, як в епоху Середньовіччя гірничодобувні підприємства заглиблювалися все далі, простих коліс стало недостатньо. Їм були потрібні насоси всмоктувального типу.
Георгій Агрікола описав їх у своїй роботі De re metallica ще в 1556 році. Принцип дії ґрунтується на атмосферному тиску. Поршень піднімається нагору. Створюється частковий вакуум. Зовнішній атмосферний тиск штовхає воду всередину циліндра. Це елегантний трюк. До тих пір, поки ви не впертеся в жорстку межу.
Атмосферний тиск може підняти воду лише приблизно на 34 фути (10 метрів). Спробуйте відкачати воду з шахти, глибше цієї позначки? Це не спрацює. Вакуум не утворюється. Тому інженери винайшли напірні насоси. Тепер перехід поршня вниз фізично виштовхує воду через бічний клапан. Висота підйому залежить від сили, що прикладається, а не тільки від тиску повітря.
Класифікація насосів
Як ми класифікуємо цей хаос? Все зводиться до передачі енергії. Існує три основні способи переміщення рідини:
- Об’ємне витіснення. Переміщення певного об’єму рідини з точки А до точки Б.
- Кінетична енергія. Швидке обертання рідини або удар імпульсом.
- Електромагнітна сила. Використання магнітних полів для штовхання провідних рідин. Для цього рідина має бути хорошим електричним провідником.
Якщо ви перекачуєте газ, ви, мабуть, маєте на увазі компресори, нагнітачі або вентилятори. Якщо ви механічно витісняєте рідину, це насос позитивного витіснення. Якщо ви використовуєте робоче колесо, що обертається, для додання швидкості, це кінетичний насос.
Тут діє загальне правило. Насоси позитивного витіснення забезпечують малі обсяги високого тиску. Кінетичні насоси забезпечують більші обсяги при низькому тиску. Це компроміс. Ви не можете отримати обидві переваги без спеціалізованої інженерії.
Є один аспект. Вам потрібний певний тиск на вході, щоб просто змусити рідину текти в насос. Якщо цей тиск надто низький, виникає кавітація. Це утворення порожнеч там, де має бути рідина. У всмоктувальній лінії утворюються бульбашки пари. Вони потрапляють у насос. Вони потрапляють у зону вищого тиску. Вони хлопаються.
Результат? Надмірний шум. Вібрація. Корозія. Ерозія. Насос буквально поїдає сам себе зсередини.
ККД насоса не є статичним. Він залежить від рідини. Рідини з низькою в’язкістю, такі як вода, ефективно перекачуються. В’язкі рідини, такі як патока? Не дуже. В’язкість зменшується в міру підвищення температури. Саме тому на промислових підприємствах часто нагрівають густі рідини перед їх перекачуванням. Це практичний прийом. Нагрійте її. Вона тече краще.
Насоси позитивного витіснення
Ці насоси піднімають заданий об’єм рідини за кожний цикл. Вони є надійними робітничими конячками. Діляться на два основні класи: поршневі та ротаційні.
До поршневих відносяться поршневі, плунжерні та мембранні типи. До ротаційних відносяться шестерні, роторні (з кулачками), гвинтові, лопатеві та ексцентрикові насоси.
Плунжерний насос є найпоширенішим старим типом. Він складається із циліндра. Поршень чи плунжер рухається вперед-назад. У плунжерному насосі ущільнення нерухоме. Плунжер вдавлюється у рідину. У поршневому насосі ущільнення рухається разом із поршнем.
Коли поршень рухається назовні, об’єм у циліндрі збільшується. Рідина надходить через впускний односторонній клапан. Коли він рухається усередину, обсяг зменшується. Тиск різко зростає. Рідина виштовхується через випускний клапан.
Швидкість перекачування не є постійною. Вона падає до нуля, коли поршень змінює напрямок. Вона досягає піку на півдорозі ходу. Щоб згладити цей процес, можна використовувати обидві сторони поршня. Двосторонні насоси. Або можна додати більше циліндрів.
Ви можете змінювати швидкість, змінюючи частоту поворотно-поступальних рухів штока поршня. Або змінюючи довжину ходу. Поршень може приводитися в дію безпосередньо пором, стисненим повітрям або гідравлічним маслом. Або через механічну передачу, що перетворює обертальний рух у зворотно-поступальний.
Ці насоси дорогі. Але вони довговічні. Поршневі насоси працювали понад 100 років без ремонту чи заміни. Це не помилка. Столітня служба.
Мембранні насоси працюють аналогічно, але замінюють поршень пульсуючої гнучкою мембраною. Немає ущільнень, що контактують із рідиною. Це вирішує конкретну проблему. Витоку. Якщо ви перекачуєте токсичні, корозійні чи дорогі хімікати, витік через ущільнення неприпустимий. Мембрана утримує все усередині у герметичному стані.
Рідина входить та виходить через зворотні клапани. Мембрана може приводитися в дію механічно або за допомогою рідини, такої як стиснене повітря або олія.
Вони забезпечують пульсуючий вихідний потік. Рідини. Гази. Суміші. Вони корисні для рідин, що містять жорсткі частинки. І вони можуть працювати всуху протягом тривалих періодів часу. Ви також можете змінювати швидкість перекачування під час роботи машини.
Як зовнішні шестеренні насоси насправді переміщують рідину
Більшість людей вважають, що насоси це чарівні коробки, які засмоктують щось і випльовують це. Це негаразд. Вони є просто механічні пастки. Зовнішній шестеренний насос – робоча конячка промислової обробки рідин – покладається на напрочуд простий трюк.
Одна шестерня обертається. Вона рухається двигуном або мотором. Друга шестерня просто залишається на місці та дозволяє себе штовхати. Вона обертається вільно.
Тут починається цікаве з погляду фізики. Коли зуби розходяться один від одного, вони створюють порожнечу. Частковий вакуум. Природа не любить вакуум, тому вона швидко заповнює цю прогалину. Рідина засмоктується у простір між зубами та корпусом.
Але пастка не залишається відкритою вічно.
Шестерні знову входять у зачеплення. Зуби блокуються. Рідини нема куди подітися, крім як вийти назовні. Тиск різко зростає. Воно змушує рідину потрапити у напірний трубопровід.
Подумайте про спрямованість. Ви можете змінити напрямок обертання. Якщо ви обертаєте шестерні в інший бік, впускний та випускний отвори змінюються місцями. Насос видає рідину в будь-якому напрямку, залежно від того, в який бік обертається двигун.
Це ефективно. Це надійно. Але це також примітивно.
Частковий вакуум, що створюється розбіжністю шестерень, що обертаються, затягує рідину в насос.
Саме цей механізм робить шестеренні насоси повсюдними. Вони перекачують густі олії. Вони перекачують паливо. Вони перекачують хімікати, які б зруйнували більш делікатний імпелер.
Корпус фіксований. Він не рухається. Зуби рухаються всередині нього. Рідина переміщається з одного боку на іншу, замкнена в кишенях між зубами та стінкою. Це безперервний цикл.
Нема пульсацій. Нема вібрації. Лише стабільний, ритмічний тиск.
Чому це важливо? Тому що коли вам потрібно перемістити те, що не хоче рухатись – важкий шлам, в’язке мастило, густий полімер – вам потрібен об’ємний насос. Вам потрібно фізично штовхати молекулу вперед.
Шестеренні насоси роблять саме це. Вони захоплюють рідину. Вони тримають її. Вони викидають її з іншого боку.
Просто. Грубо. Ефективно.
Конструкція практично не змінилася за сторіччя. Це не є ознакою застою. Це ознака досконалості.
Або майже досконалості.
Як тільки рідина залишає точку зачеплення, вона перебуває під тиском. Високий тиск. Достатнім, щоб проштовхнутись через вузькі труби. Достатнім, щоб подолати опір.
Ви можете змінити потік. Ви можете змінити напрямок вивантаження. Просто змініть напрямок обертання.
У цьому полягає краса. Один двигун. Дві шестірні. Замкнений контур.
Це працює, доки не перестане працювати. Знос зрештою збільшує зазори. Відстань між зубами та корпусом збільшується. Ефективність падає. Насос все ще перекачує рідину, але менший за неї.
Але це проблема на завтра.
А поки що шестерні обертаються. Вакуум формується. Рідина рухається.
І нам навіть не треба про це думати.
Внутрішні шестеренні насоси: принципи роботи та обмеження
Подивіться на внутрішній шестеренний насос, зображений на малюнку 2. Це хитромудрий пристрій. Ведена шестерня є ротором з зубами, вирізаними на його внутрішньому колі. Ці зубці зачіплюються з веденою шестернею (idler gear), що має зовнішні зубці. Відома шестерня зміщена щодо центру. Це усунення створює насосний ефект. Фіксована частина корпусу, звана півмісяцем (crescent), поділяє потік. Вона відокремлює провідну шестерню від ротора.
Ця конструкція добре справляється із рідинами, що містять захоплені пари або гази. Але є один нюанс. Насос покладається на саму рідину, що перекачується, для змащування рухомих частин усередині. Якщо перекачувати чистий газ? Шестерні труться одна об одну без захисної масляної плівки. Вони швидко зношуються. Тож гази не підходять.
Для рідин вихідний потік стабільний. Пульсації зневажливо малі. Якщо підтримувати постійну швидкість обертання ротора, ви отримаєте постійну витрату. Але знос змінює правила гри. Ерозія та корозія збільшують зазори між шестернями. Рідина проскакує через ці зазори замість того, щоб рухатися вперед. Ефективність падає.
Внутрішні шестеренні насоси вимагають, щоб рідина забезпечувала мастило, що робить їх непридатними для перекачування газів.
Забивання – ще один ворог. Тверді частинки заклинюють у вузьких проміжках. Не можна запускати ці насоси зі шламами або рідинами, що містять багато сміття. Однак їм не потрібні зворотні клапани. Ця простота дозволяє їм справлятися з дуже в’язкими рідинами. Густі олії? Жодних проблем.
Лопатеві насоси та компресори
Лопатеві насоси схожі на родичів зовнішніх шестеренних насосів. Вони мають ту саму базову форму. Але ротори відрізняються. Замість шестерень вони мають лопаті. Дві, три чи чотири лопаті. Ключова відмінність полягає в тому, як вони рухаються. Обидва ротори рухаються. Вони не чіпляються один з одним, як шестерні.
Така конструкція означає велику пульсацію на виході. Зовнішні шестерні насоси працюють плавніше. Лопатеві насоси створюють грубіший потік. Але вони менше зношуються. Ротори не стикаються. Немає контакту метал-по-металу. Це робить їх довговічними для абразивних матеріалів, хоча вони менш ефективні у забезпеченні стабільності потоку.
Компресори лопатевого типу використовують той самий принцип. Вони перекачують газ. Кожен ротор має дві лопаті. Вони переміщують повітря чи газ туди, де шестеренні насоси зазнали б невдачі через відсутність мастила.
Принцип роботи гвинтового насоса
Гвинтові насоси працюють інакше. Гвинтовий ротор із гвинтовою нарізкою обертається усередині фіксованого корпусу. Корпус має форму, що утворює порожнини. Коли гвинт обертається, ці порожнини переміщаються від всмоктування нагнітання.
Коли порожнина утворюється на вході, утворюється частковий вакуум. Цей вакуум всмоктує рідину у насос. Рідина переміщається всередині цієї прогресуючої порожнини. Вона не розбризкується. Вона рухається прямою лінією.
На виході корпус звужується. Порожнина закривається. Це закриття підвищує тиск. Тиск виштовхує рідину в напірний трубопровід. Це метод об’ємного витіснення.
Гвинтові насоси створюють стабільний потік, захоплюючи рідину в прогресуючих порожнинах, які переміщуються осьово через насос.
Ці насоси є універсальними. Вони справляються з рідинами, які містять пари. Вони також справляються із твердими частинками. Гвинтова конструкція дозволяє сміттю проходити без заклинювання. Вихідний потік стабільний. Пульсації дуже малі при заданій швидкості обертання ротора.
Їм не потрібні вхідні чи вихідні зворотні клапани. Це робить їх ідеальними для в’язких рідин. Густі речовини легко проходять. Немає додаткових клапанів, які б забитися.
Компроміс між вартістю та довговічністю
Гвинтові насоси недешеві. Вони
Насос із плаваючими роторними пластинами, показаний на малюнку 3, спирається на простий, але продуманий механічний пристрій. Ротор розташований ексцентрично усередині корпусу. Прямокутні пластини вставлені в пази краю ротора. Коли двигун обертає ротор, відцентрова сила відкидає пластини назовні. Вони щільно притискаються до вигнутої внутрішньої стінки нерухомого корпусу. Це утворює герметичне ущільнення.
При обертанні ротора за всмоктування створюється частковий вакуум. Рідина спрямовується всередину, заповнюючи простір, що утворився. Пластини, що обертаються, захоплюють порції рідини між ротором і корпусом. Вони переносять цю рідину до нагнітання. Там обсяг простору зменшується. Тиск зростає. Рідина виштовхується у напірний трубопровід.
Як регулювати витрати
Швидкість перекачування можна контролювати, змінюючи ексцентриситет. Це означає зміну ступеня усунення ротора від центру. Переміщаючи його, ви змінюєте об’єм, охоплений пластинами. Конструкція саморегулюється при зносі. Пластини висуваються і засуваються у міру зношування. Вони зберігають контакт із корпусом. Продуктивність насоса не знижується, доки пластини не зносяться сильно.
Ці насоси є надійними. Вони забезпечують постійну витрату з малими пульсаціями при будь-якій швидкості. Вам не потрібні зворотні клапани на всмоктуванні чи нагнітанні. Це спрощує систему. Вони добре справляються з рідинами, змішаними з парами чи газами. Але вони не працюють із твердими частинками. Якщо у вашій рідині є жорсткі включення, не використовуйте пластинчастий насос. Пластини миттєво заклинять чи вийдуть із ладу.
Існують також компресори пластинчастого типу, але вони перекачують гази, а чи не рідини.
Перехід до кінетичних насосів
Кінетичні насоси працюють за іншим принципом. Вони спочатку повідомляють рідини швидкість, а потім перетворять цю кінетичну енергію на тиск. Більшість швидкості перетворюється на статичний тиск. Цей клас включає відцентрові та регенеративні насоси.
Відцентрові насоси існують приблизно з 1680 року. Протягом століть вони використовувалися мало. Чому? Технологія ще була досить розвинена. Кінетичні насоси стали поширеними лише у 20 столітті. Матеріали та точність виробництва, необхідні для ефективної роботи на високих швидкостях нарешті з’явилися. Сьогодні вони домінують у великомасштабному переміщенні рідин.
Різниця фундаментальна. Насоси із пластинами захоплюють дискретні обсяги рідини. Кінетичні насоси прискорюють безперервний потік. Один відноситься до об’ємних насосів, інший – динамічних. Кожен має своє застосування. Але якщо ви перекачуєте воду через місто, ви, мабуть, використовуєте кінетичний насос. Якщо ви дозує масло в невеликій машині, ви можете використовувати пластинчастий насос.
Історія насосів – це історія ефективності. Ми перейшли від захоплення рідини до її кидання. Від механічних ущільнень до аеродинамічних лопаток. Насос із плаваючими пластинами залишається корисним. Його простота – його сила. Але масштабованість кінетичного насоса змінила промисловість. Ми перестали будувати менші та міцніші машини. Ми почали будувати більш швидкі та великі.
Є причина, через яку ми все ще використовуємо пластини в деяких додатках. Надійність має значення. Але майбутнє належить тим, хто може переміщати більше рідини із меншими витратами енергії. Кінетичний насос робить саме це. Йдеться не лише про тиск. Йдеться про імпульс. І імпульс важко перевершити, коли ви переміщаєте мільйони галонів.
Стандартна відцентрова насосна установка
Ви, напевно, не помічаєте їх, але радіальні насоси виконують основну роботу – від системи водопостачання вашого будинку до промислових систем охолодження. Зокрема, у цьому класі домінують насоси з равликом. Це “робоча конячка”, про яку вам варто знати.
Рідина надходить у робоче колесо поблизу його центру. Колесо обертається із високою швидкістю. Це відкидає рідину назовні до корпусу насоса. Внаслідок цього утворюється частковий вакуум. Цей вакуум затягує нову порцію рідини. Цикл продовжується.
Чому насоси з равликом виграють
Ці пристрої відрізняються надійністю. Вони також щодо недорогі у виробництві. Якщо вам потрібна тиха робота та безвідмовність, це чудовий вибір. Продуктивність залишається стабільною навіть при дії корозії та ерозії.
Конструкція проста. Компактність має значення у обмежених умовах. Вам не потрібні зворотні клапани на всмоктувальному або напірному патрубку. Це спрощує трубопровідну обв’язку. Знижується кількість потенційних точок відмови.
Відцентрові насоси з равликом відрізняються надійністю, тихою роботою та безвідмовністю, а їхня продуктивність практично не страждає від корозії та ерозії.
Коли вони відчувають труднощі
Вони не ідеальні. Вони можуть перекачувати рідини із твердими частинками. Але якщо додати надто багато пари в суміш, відбудеться відрив потоку. За ним слідує кавітація. Це погано позначається на довговічності.
В’язкість – ще один ворог. Ці насоси найкраще працюють із малов’язкими рідинами. Якщо перекачувати густу рідину, ви помітите значне зниження продуктивності.
Альтернатива з дифузором
Не всі радіальні насоси використовують корпус у формі равлика. Існує насос із дифузором. Він використовує інший підхід після того, як рідина залишає робоче колесо.
Рідина проходить через кільце нерухомих напрямних лопаток. Ці лопатки дифундують рідину. Вони забезпечують керований потік. Що ще важливіше, вони більш ефективно перетворять швидкісний натиск на геометричний (статичний) натиск.
Йдеться про ефективність. Равлик простий по конструкції. Дифузор оптимізовано. Вибирайте залежно від вимог технологічного процесу.
Механіка осьового та змішаного потоків
Робоче колесо відцентрового насоса осьового потоку по суті є пропелером. Рідина рухається паралельно до осі, як показано на малюнку 5. У вихідному патрубку встановлені дифузорні лопатки. Вони гасять обертальну швидкість, яку повідомила рідина крильчатка. Осьові компресори також переміщують гази, використовуючи той самий принцип.
Насоси змішаного потоку використовують інший шлях. Рідина виходить як радіально, і осево. Вона надходить у корпус спірального типу (равлика). Геометрія одночасно змінює напрямок і тиск.
Динаміка регенеративних насосів
Регенеративний насос відомий також як турбінний насос або периферійний насос. Робоче колесо має лопатки з обох боків свого обода. Воно обертається всередині кільцевого каналу у корпусі.
Рідина не вилітає з периферії робочого колеса. Натомість вона рециркулює назад до нижчої точки діаметра колеса. Цей процес називається регенерацією. Він підвищує тиск, створюваний насосом.
Зазори у цих насосах дуже малі. Їх не можна використовувати для рідин із твердими частинками. Тверді частки можуть заклинити механізм. Вони перекачують рідини з парами та газами. Вони можуть перекачувати гази, якщо достатньо рідини для ущільнення малих зазорів. Вони призначені строго для текучих рідин.
Принципи електромагнітних насосів
Електромагнітні насоси мають одне основне обмеження. Вони працюють тільки з рідинами, що добре проводять електрику. Трубопровід, яким тече рідина, перебуває у магнітному полі. Через рідину пропускається струм упоперек напряму потоку. Це створює електромагнітну силу. Сила штовхає рідину у напрямі потоку.
Струм і магнітне поле можуть генеруватися різними способами. Принцип дії відповідає принципу електродвигуна. Ці насоси є критично важливими для охолодження ядерних реакторів. Вони ефективно переміщують рідкі метали без наявності механічних частин, що рухаються, в потоці рідини.
Газліфтні системи працюють без єдиної частини, що рухається. Стиснутий газ впливає на рідину біля основи свердловини. Суміш стає легшою. Набирає чинності сила плавучості. Вона піднімається та виштовхується назовні. Така конструкція легко справляється із твердими частинками. Колись застосовувані для води і нафти, ежекторні насоси (air lifts) зараз зустрічаються рідко.
Принцип струминного ежектора
Рідина проходить через сопло Вентурі. Швидкість різко зростає. Тиск падає. Це створює ефект всмоктування. Другий потік рідини захоплюється та захоплюється за собою.
Аспіратори використовують для цього воду. Парові ежектори переміщують пари. Вони здатні обробляти великі обсяги за низьких тисків. Пара з високою швидкістю надходить у насос. Він передає імпульс газу. Суміш потрапляє у дифузор. Кінетична енергія перетворюється на тиск. Газ переміщається із зони низького тиску до зони високого тиску. Ці насоси з’явилися ще 1850 року.
Гідравлічні підйомники та водяні удари
Східний потік води піднімає частину цієї рідини на більшу висоту. На впускній трубі закривається зворотний клапан. Кінетична енергія раптово зупиняється. Подібно до ефекту водяного удару. Тиск різко зростає. Відкривається другий клапан. Вода надходить у повітряну камеру. Вона виштовхує воду вгору напірною трубою.
Тиск на вході падає. Перший клапан знову відкривається. Стиснене повітря герметизує камеру. Цикл повторюється. Близько 15 відсотків води на вході піднімається на висоту, яка в п’ять разів перевищує висоту її падіння. Розроблені наприкінці XVIII століття такі пристрої досі живлять деякі побутові системи.
Створення вакууму
Вакуумні насоси є компресорами. Вони забирають газ при тиску нижче за атмосферний. Стискають його. Викидають при атмосферному тиску. Газ за низького тиску займає великий обсяг. Ці насоси громіздкі.
У промисловості домінують пароструминні ежектори. Також працюють поршневі насоси зворотно-поступального руху. Широко поширені роторно-лопатеві насоси. Усі вони служать видалення повітря.
