Вы, вероятно, никогда не задумываетесь о механизмах, перекачивающих жидкость, пока что-то не сломается. Тогда вы понимаете, что без насосов цивилизация встает. По своей сути это простые устройства: затрачивается энергия, перемещается жидкость. Но инженерные решения, необходимые для обеспечения эффективности этого процесса? Это сложная, суровая история добычи полезных ископаемых, физики и материаловедения.
Самые ранние версии были грубыми по своей природе. Подумайте о персидских и римских водяных колесах. Или об винте Архимеда. Вы вращаете его, и вода поднимается вверх. Просто. Но по мере того как в эпоху Средневековья горнодобывающие предприятия углублялись все дальше, простых колес стало недостаточно. Им потребовались насосы всасывающего типа.
Георгий Агрикола описал их в своей работе De re metallica еще в 1556 году. Принцип действия основан на атмосферном давлении. Поршень поднимается вверх. Создается частичный вакуум. Внешнее атмосферное давление толкает воду внутрь цилиндра. Это элегантный трюк. До тех пор, пока вы не упретесь в жесткий предел.
Атмосферное давление может поднять воду лишь примерно на 34 фута (10 метров). Попробуйте откачать воду из шахты, глубже этой отметки? Это не сработает. Вакуум не образуется. Поэтому инженеры изобрели напорные насосы. Теперь ход поршня вниз физически выталкивает воду через боковой клапан. Высота подъема зависит от прикладываемой силы, а не только от давления воздуха.
Классификация насосов
Как мы классифицируем этот хаос? Все сводится к передаче энергии. Существует три основных способа перемещения жидкости:
- Объемное вытеснение. Перемещение определенного объема жидкости из точки А в точку Б.
- Кинетическая энергия. Быстрое вращение жидкости или удар импульсом.
- Электромагнитная сила. Использование магнитных полей для толкания проводящих жидкостей. Для этого жидкость должна быть хорошим электрическим проводником.
Если вы перекачиваете газ, вы, вероятно, имеете в виду компрессоры, нагнетатели или вентиляторы. Если вы механически вытесняете жидкость, это насос положительного вытеснения. Если вы используете вращающееся рабочее колесо для придания скорости, это кинетический насос.
Здесь действует общее правило. Насосы положительного вытеснения обеспечивают малые объемы при высоком давлении. Кинетические насосы обеспечивают большие объемы при низком давлении. Это компромисс. Вы не можете получить оба преимущества без специализированной инженерии.
Есть один нюанс. Вам необходимо определенное давление на входе, чтобы просто заставить жидкость течь в насос. Если это давление слишком низкое, возникает кавитация. Это образование пустот там, где должна быть жидкость. В всасывающей линии образуются пузырьки пара. Они попадают в насос. Они попадают в зону более высокого давления. Они схлопываются.
Результат? Чрезмерный шум. Вибрация. Коррозия. Эрозия. Насос буквально поедает сам себя изнутри.
КПД насоса не является статичным. Он зависит от жидкости. Жидкости с низкой вязкостью, такие как вода, перекачиваются эффективно. Вязкие жидкости, такие как патока? Не очень. Вязкость уменьшается по мере повышения температуры. Именно поэтому на промышленных предприятиях часто нагревают густые жидкости перед их перекачкой. Это практический прием. Нагрейте ее. Она течет лучше.
Насосы положительного вытеснения
Эти насосы поднимают заданный объем жидкости за каждый цикл. Они являются надежными рабочими лошадками. Делятся на два основных класса: поршневые и ротационные.
К поршневым относятся поршневые, плунжерные и мембранные типы. К ротационным относятся шестеренчатые, роторные (с кулачками), винтовые, лопастные и эксцентриковые насосы.
Плунжерный насос является самым распространенным старым типом. Он состоит из цилиндра. Поршень или плунжер движется вперед-назад. В плунжерном насосе уплотнение неподвижно. Плунжер вдавливается в жидкость. В поршневом насосе уплотнение движется вместе с поршнем.
Когда поршень движется наружу, объем в цилиндре увеличивается. Жидкость поступает через односторонний впускной клапан. Когда он движется внутрь, объем уменьшается. Давление резко возрастает. Жидкость выталкивается через выпускной клапан.
Скорость перекачивания не является постоянной. Она падает до нуля, когда поршень меняет направление. Она достигает пика на полпути хода. Чтобы сгладить этот процесс, можно использовать обе стороны поршня. Двухсторонние насосы. Или можно добавить больше цилиндров.
Вы можете изменять скорость, изменяя частоту возвратно-поступательных движений штока поршня. Или изменяя длину хода. Поршень может приводиться в действие непосредственно паром, сжатым воздухом или гидравлическим маслом. Или через механическую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное.
Эти насосы дороги. Но они долговечны. Поршневые насосы работали более 100 лет без ремонта или замены. Это не опечатка. Столетняя служба.
Мембранные насосы работают аналогично, но заменяют поршень пульсирующей гибкой мембраной. Нет уплотнений, контактирующих с жидкостью. Это решает конкретную проблему. Утечки. Если вы перекачиваете токсичные, коррозионные или дорогие химикаты, утечка через уплотнение недопустима. Мембрана удерживает все внутри в герметичном состоянии.
Жидкость входит и выходит через обратные клапаны. Мембрана может приводиться в действие механически или с помощью жидкости, такой как сжатый воздух или масло.
Они обеспечивают пульсирующий выходной поток. Жидкости. Газы. Смеси. Они полезны для жидкостей, содержащих твердые частицы. И они могут работать всухую в течение длительных периодов времени. Вы также можете изменять скорость перекачивания во время работы машины.
Как внешние шестеренные насосы на самом деле перемещают жидкость
Большинство людей считают, что насосы — это волшебные коробки, которые засасывают что-то и выплевывают это. Это не так. Они представляют собой просто механические ловушки. Внешний шестеренный насос — рабочая лошадка промышленной обработки жидкостей — полагается на удивительно простой трюк.
Одна шестерня вращается. Она приводится в движение двигателем или мотором. Вторая шестерня просто остается на месте и позволяет себя толкать. Она вращается свободно.
Здесь начинается интересное с точки зрения физики. Когда зубья расходятся друг от друга, они создают пустоту. Частичный вакуум. Природа не любит вакуум, поэтому она стремительно заполняет этот пробел. Жидкость засасывается в пространство между зубьями и корпусом.
Но ловушка не остается открытой вечно.
Шестерни снова входят в зацепление. Зубья блокируются. Жидкости некуда деваться, кроме как выйти наружу. Давление резко возрастает. Оно вынуждает жидкость попасть в напорный трубопровод.
Подумайте о направленности. Вы можете изменить направление вращения. Если вы вращаете шестерни в другую сторону, впускной и выпускной отверстия меняются местами. Насос выдает жидкость в любом направлении, в зависимости исключительно от того, в какую сторону вращается двигатель.
Это эффективно. Это надежно. Но это также и примитивно.
Частичный вакуум, создаваемый расхождением вращающихся шестерен, затягивает жидкость в насос.
Именно этот механизм делает шестеренные насосы повсеместными. Они перекачивают густые масла. Они перекачивают топливо. Они перекачивают химикаты, которые разрушили бы более деликатный импеллер.
Корпус фиксирован. Он не двигается. Зубья двигаются внутри него. Жидкость перемещается с одной стороны на другую, запертая в карманах между зубьями и стенкой. Это непрерывный цикл.
Нет пульсаций. Нет вибрации. Только стабильное, ритмичное давление.
Почему это важно? Потому что когда вам нужно переместить то, что не хочет двигаться — тяжелый шлам, вязкую смазку, густой полимер — вам нужен объемный насос. Вам нужно физически толкать молекулу вперед.
Шестеренные насосы делают именно это. Они захватывают жидкость. Они удерживают ее. Они выбрасывают ее с другой стороны.
Просто. Грубо. Эффективно.
Конструкция практически не изменилась за столетие. Это не признак застоя. Это признак совершенства.
Или почти совершенства.
Как только жидкость покидает точку зацепления, она находится под давлением. Высоким давлением. Достаточным, чтобы протолкнуться через узкие трубы. Достаточным, чтобы преодолеть сопротивление.
Вы можете изменить поток. Вы можете изменить направление выгрузки. Просто измените направление вращения.
В этом и заключается красота. Один двигатель. Две шестерни. Замкнутый контур.
Это работает, пока не перестанет работать. Износ в конечном итоге увеличивает зазоры. Расстояние между зубьями и корпусом увеличивается. Эффективность падает. Насос все еще перекачивает жидкость, но меньше ее.
Но это проблема на завтра.
А пока шестерни вращаются. Вакуум формируется. Жидкость движется.
И нам даже не нужно об этом думать.
Внутренние шестеренные насосы: принципы работы и ограничения
Посмотрите на внутренний шестеренный насос, изображенный на рисунке 2. Это хитроумное устройство. Ведомая шестерня представляет собой ротор с зубьями, вырезанными на его внутренней окружности. Эти зубья зацепляются с ведомой шестерней (idler gear), имеющей внешние зубья. Ведомая шестерня смещена относительно центра. Это смещение создает насосный эффект. Фиксированная часть корпуса, называемая полумесяцем (crescent), разделяет поток. Она отделяет ведомую шестерню от ротора.
Эта конструкция хорошо справляется с жидкостями, содержащими захваченные пары или газы. Но есть один нюанс. Насос полагается на саму перекачиваемую жидкость для смазки движущихся частей внутри. Если перекачивать чистый газ? Шестерни трутся друг о друга без защитной масляной пленки. Они быстро изнашиваются. Поэтому газы не подходят.
Для жидкостей выходной поток стабилен. Пульсации пренебрежимо малы. Если поддерживать постоянную скорость вращения ротора, вы получите постоянный расход. Но износ меняет правила игры. Эрозия и коррозия увеличивают зазоры между шестернями. Жидкость проскакивает обратно через эти зазоры вместо того, чтобы двигаться вперед. Эффективность падает.
Внутренние шестеренные насосы требуют, чтобы жидкость обеспечивала смазку, что делает их непригодными для перекачки газов.
Забивание — еще один враг. Твердые частицы заклинивают в узких зазорах. Нельзя запускать эти насосы со шламами или жидкостями, содержащими много мусора. Однако им не нужны обратные клапаны. Эта простота позволяет им справляться с очень вязкими жидкостями. Густые масла? Никаких проблем.
Лопастные насосы и компрессоры
Лопастные насосы похожи на родственников внешних шестеренных насосов. Они имеют ту же базовую форму. Но роторы отличаются. Вместо шестерен у них есть лопасти. Две, три или четыре лопасти. Ключевое отличие заключается в том, как они движутся. Оба ротора приводятся в движение. Они не зацепляются друг с другом, как шестерни.
Такая конструкция означает большую пульсацию на выходе. Внешние шестеренные насосы работают более плавно. Лопастные насосы создают более грубый поток. Но они меньше изнашиваются. Роторы не соприкасаются. Нет контакта металл-по-металлу. Это делает их долговечными для абразивных материалов, хотя они менее эффективны в обеспечении стабильности потока.
Компрессоры лопастного типа используют тот же принцип. Они перекачивают газ. Каждый ротор имеет две лопасти. Они перемещают воздух или газ туда, где шестеренные насосы потерпели бы неудачу из-за отсутствия смазки.
Принцип работы винтового насоса
Винтовые насосы работают иначе. Винтовой ротор с винтовой нарезкой вращается внутри фиксированного корпуса. Корпус имеет форму, образующую полости. Когда винт вращается, эти полости перемещаются от всасывания к нагнетанию.
Когда полость образуется на входе, создается частичный вакуум. Этот вакуум всасывает жидкость в насос. Жидкость перемещается внутри этой прогрессирующей полости. Она не разбрызгивается. Она движется по прямой линии.
На выходе корпус сужается. Полость закрывается. Это закрытие увеличивает давление. Давление выталкивает жидкость в напорный трубопровод. Это метод объемного вытеснения.
Винтовые насосы создают стабильный поток, захватывая жидкость в прогрессирующих полостях, которые перемещаются осево через насос.
Эти насосы универсальны. Они справляются с жидкостями, содержащими пары. Они также справляются с твердыми частицами. Винтовая конструкция позволяет мусору проходить без заклинивания. Выходной поток стабилен. Пульсации пренебрежимо малы при заданной скорости вращения ротора.
Им не нужны входные или выходные обратные клапаны. Это делает их идеальными для вязких жидкостей. Густые вещества проходят легко. Нет дополнительных клапанов, которые могли бы забиться.
Компромисс между стоимостью и долговечностью
Винтовые насосы недешевы. Они
Насос с плавающими роторными пластинами, показанный на рисунке 3, опирается на простое, но продуманное механическое устройство. Ротор расположен эксцентрично внутри корпуса. Прямоугольные пластины вставлены в пазы по краю ротора. Когда двигатель вращает ротор, центробежная сила отбрасывает пластины наружу. Они плотно прижимаются к изогнутой внутренней стенке неподвижного корпуса. Это создает герметичное уплотнение.
При вращении ротора на стороне всасывания создается частичный вакуум. Жидкость устремляется внутрь, заполняя образовавшееся пространство. Вращающиеся пластины захватывают порции жидкости между ротором и корпусом. Они переносят эту жидкость к стороне нагнетания. Там объем пространства уменьшается. Давление растет. Жидкость выталкивается в напорный трубопровод.
Как регулировать расход
Скорость перекачки можно контролировать, изменяя эксцентриситет. Это означает изменение степени смещения ротора от центра. Перемещая его, вы изменяете объем, охватываемый пластинами. Конструкция саморегулируется при износе. Пластины выдвигаются и задвигаются по мере износа. Они сохраняют контакт с корпусом. Производительность насоса не снижается, пока пластины не износятся сильно.
Эти насосы надежны. Они обеспечивают постоянный расход с пренебрежимо малыми пульсациями при любой скорости. Вам не нужны обратные клапаны на всасывании или нагнетании. Это упрощает систему. Они хорошо справляются с жидкостями, смешанными с парами или газами. Но они не работают с твердыми частицами. Если в вашей жидкости есть твердые включения, не используйте пластинчатый насос. Пластины мгновенно заклинят или выйдут из строя.
Существуют также компрессоры пластинчатого типа, но они перекачивают газы, а не жидкости.
Переход к кинетическим насосам
Кинетические насосы работают по другому принципу. Они сначала сообщают жидкости скорость, а затем преобразуют эту кинетическую энергию в напор. Большая часть скорости превращается в статическое давление. Этот класс включает центробежные и регенеративные насосы.
Центробежные насосы существуют примерно с 1680 года. На протяжении веков они использовались мало. Почему? Технология еще не была достаточно развита. Кинетические насосы стали распространенными только в 20 веке. Материалы и точность производства, необходимые для эффективной работы на высоких скоростях, наконец появились. Сегодня они доминируют в крупномасштабном перемещении жидкостей.
Разница фундаментальна. Насосы с пластинами захватывают дискретные объемы жидкости. Кинетические насосы ускоряют непрерывный поток. Один относится к объемным насосам, другой — к динамическим. У каждого есть свое применение. Но если вы перекачиваете воду через город, вы, вероятно, используете кинетический насос. Если вы дозируете масло в небольшой машине, вы можете использовать пластинчатый насос.
История насосов — это история эффективности. Мы перешли от захвата жидкости к ее бросанию. От механических уплотнений к аэродинамическим лопаткам. Насос с плавающими пластинами остается полезным. Его простота — его сила. Но масштабируемость кинетического насоса изменила промышленность. Мы перестали строить меньшие и более прочные машины. Мы начали строить более быстрые и крупные.
Есть причина, по которой мы все еще используем пластины в некоторых приложениях. Надежность имеет значение. Но будущее принадлежит тем, кто может перемещать больше жидкости с меньшими затратами энергии. Кинетический насос делает именно это. Речь идет не только о давлении. Речь идет о импульсе. И импульс трудно превзойти, когда вы перемещаете миллионы галлонов.
Стандартная центробежная насосная установка
Вы, вероятно, не замечаете их, но радиальные насосы выполняют основную работу — от системы водоснабжения вашего дома до промышленных систем охлаждения. В частности, в этом классе доминируют насосы с улиткой. Это «рабочая лошадка», о которой вам стоит знать.
Жидкость поступает в рабочее колесо вблизи его центра. Колесо вращается с высокой скоростью. Это отбрасывает жидкость наружу, к корпусу насоса. В результате образуется частичный вакуум. Этот вакуум затягивает новую порцию жидкости. Цикл продолжается.
Почему насосы с улиткой выигрывают
Эти устройства отличаются надежностью. Они также относительно недороги в производстве. Если вам требуется тихая работа и безотказность, это отличный выбор. Производительность остается стабильной даже при воздействии коррозии и эрозии.
Конструкция проста. Компактность имеет значение в стесненных условиях. Вам не нужны обратные клапаны на всасывающем или напорном патрубках. Это упрощает трубопроводную обвязку. Снижается количество потенциальных точек отказа.
Центробежные насосы с улиткой отличаются надежностью, тихой работой и безотказностью, а их производительность практически не страдает от коррозии и эрозии.
Когда они испытывают трудности
Они не идеальны. Они могут перекачивать жидкости с твердыми частицами. Но если добавить слишком много пара в смесь, произойдет отрыв потока. За ним следует кавитация. Это плохо сказывается на долговечности.
Вязкость — еще один враг. Эти насосы лучше всего работают с маловязкими жидкостями. Если перекачивать густую жидкость, вы заметите значительное снижение производительности.
Альтернатива с диффузором
Не все радиальные насосы используют корпус в форме улитки. Существует насос с диффузором. Он использует другой подход после того, как жидкость покидает рабочее колесо.
Жидкость проходит через кольцо неподвижных направляющих лопаток. Эти лопатки диффундируют жидкость. Они обеспечивают управляемый поток. Что еще важнее, они более эффективно преобразуют скоростной напор в геометрический (статический) напор.
Речь идет об эффективности. Улитка проста по конструкции. Диффузор оптимизирован. Выбирайте в зависимости от требований вашего технологического процесса.
Механика осевого и смешанного потоков
Рабочее колесо центробежного насоса осевого потока по сути представляет собой пропеллер. Жидкость движется параллельно оси, как показано на рисунке 5. В выходном патрубке установлены диффузорные лопатки. Они гасят вращательную скорость, которую сообщила жидкости крыльчатка. Осевые компрессоры также перемещают газы, используя тот же принцип.
Насосы смешанного потока используют иной путь. Жидкость выходит как радиально, так и осево. Она поступает в корпус спирального типа (улитку). Геометрия одновременно изменяет направление и давление.
Динамика регенеративных насосов
Регенеративный насос также известен как турбинный насос или периферийный насос. Рабочее колесо имеет лопатки по обеим сторонам своего обода. Оно вращается внутри кольцевого канала в корпусе.
Жидкость не вылетает свободно из периферии рабочего колеса. Вместо этого она рециркулирует обратно к более низкой точке диаметра колеса. Этот процесс называется регенерацией. Он повышает напор, создаваемый насосом.
Зазоры в этих насосах очень малы. Их нельзя использовать для жидкостей с твердыми частицами. Твердые частицы могут заклинить механизм. Они перекачивают жидкости с парами и газами. Они могут даже перекачивать газы, если достаточно жидкости для уплотнения малых зазоров. Они предназначены строго для текучих жидкостей.
Принципы электромагнитных насосов
Электромагнитные насосы имеют одно главное ограничение. Они работают только с жидкостями, хорошо проводящими электричество. Трубопровод, по которому течет жидкость, находится в магнитном поле. Через жидкость пропускается ток поперек направления потока. Это создает электромагнитную силу. Сила толкает жидкость в направлении потока.
Ток и магнитное поле могут генерироваться различными способами. Принцип действия соответствует принципу работы электродвигателя. Эти насосы критически важны для охлаждения ядерных реакторов. Они эффективно перемещают жидкие металлы без наличия движущихся механических частей в потоке жидкости.
Газлифтные системы работают без единой движущейся части. Сжатый газ воздействует на жидкость у основания скважины. Смесь становится легче. Вступает в силу сила плавучести. Она поднимается и выталкивается наружу. Такая конструкция легко справляется с твердыми частицами. Когда-то широко применявшиеся для воды и нефти, эжекторные насосы (air lifts) сейчас встречаются редко.
Принцип струйного эжектора
Жидкость проходит через сопло Вентури. Скорость резко возрастает. Давление падает. Это создает эффект всасывания. Второй поток жидкости захватывается и увлекается за собой.
Аспираторы используют для этого воду. Паровые эжекторы перемещают пары. Они способны обрабатывать большие объемы при низких давлениях. Пар с высокой скоростью поступает в насос. Он передает импульс газу. Смесь попадает в диффузор. Кинетическая энергия преобразуется в давление. Газ перемещается из зоны низкого давления в зону высокого давления. Эти насосы появились еще в 1850 году.
Гидравлические подъемники и водяные удары
Нисходящий поток воды поднимает часть этой жидкости на большую высоту. На впускной трубе закрывается обратный клапан. Кинетическая энергия внезапно останавливается. Подобно эффекту водяного удара. Давление резко возрастает. Открывается второй клапан. Вода поступает в воздушную камеру. Она выталкивает воду вверх по напорной трубе.
Давление на входе падает. Первый клапан снова открывается. Сжатый воздух герметизирует камеру. Цикл повторяется. Около 15 процентов воды на входе поднимается на высоту, в пять раз превышающую высоту ее падения. Разработанные в конце XVIII века, такие устройства до сих пор питают некоторые бытовые системы.
Создание вакуума
Вакуумные насосы являются компрессорами. Они забирают газ при давлении ниже атмосферного. Сжимают его. Выбрасывают при атмосферном давлении. Газ при низком давлении занимает большой объем. Эти насосы громоздки.
В промышленности доминируют пароструйные эжекторы. Также работают поршневые насосы возвратно-поступательного движения. Широко распространены роторно-лопастные насосы. Все они служат для удаления воздуха.
