Pompa wirowa - Centrifugal pump

Pompy odśrodkowe służą do transportu płynów poprzez zamianę obrotowej energii kinetycznej na energię hydrodynamiczną przepływu płynu. Energia obrotowa zwykle pochodzi z silnika lub silnika elektrycznego. Stanowią podklasę dynamicznych, osiowo-symetrycznych maszyn wirnikowych pochłaniających pracę . Płyn wpływa do wirnika pompy wzdłuż lub w pobliżu osi obrotu i jest przyspieszany przez wirnik, przepływając promieniowo na zewnątrz do dyfuzora lub komory spiralnej (obudowy), z której wypływa.

Typowe zastosowania obejmują pompowanie wody, ścieków, rolnictwo, ropa naftowa i petrochemiczne. Pompy odśrodkowe są często wybierane ze względu na ich duże możliwości przepływu, kompatybilność z roztworami ściernymi, potencjał mieszania, a także stosunkowo prostą konstrukcję. Wentylator odśrodkowy jest powszechnie stosowany do wdrożenia centralę lub odkurzacz . Odwrotną funkcją pompy odśrodkowej jest turbina wodna przekształcająca energię potencjalną ciśnienia wody w mechaniczną energię obrotową.

Historia

Według Retiego pierwszą maszyną, którą można scharakteryzować jako pompę odśrodkową, była maszyna do podnoszenia błota, która pojawiła się już w 1475 r. w traktacie włoskiego inżyniera renesansu Francesco di Giorgio Martini . Prawdziwe pompy odśrodkowe zostały opracowane dopiero pod koniec XVII wieku, kiedy Denis Papin zbudował je z prostymi łopatkami. Zakrzywiona łopatka została wprowadzona przez brytyjskiego wynalazcę Johna Appolda w 1851 roku.

Jak to działa

Podobnie jak większość pomp, pompa odśrodkowa przekształca energię obrotową, często z silnika, na energię w płynie poruszającym się. Część energii zamienia się w energię kinetyczną płynu. Płyn wpływa osiowo przez oczko obudowy, jest wychwytywany przez łopatki wirnika i jest wirowany stycznie i promieniowo na zewnątrz, aż opuści wszystkie części obwodowe wirnika do części dyfuzorowej obudowy. Płyn nabiera zarówno prędkości, jak i ciśnienia podczas przechodzenia przez wirnik. Dyfuzor w kształcie pączka lub spiralna część obudowy spowalnia przepływ i dodatkowo zwiększa ciśnienie.

Opis autorstwa Eulera

Konsekwencją drugiej zasady mechaniki Newtona jest zachowanie momentu pędu (lub „momentu pędu”), co ma fundamentalne znaczenie dla wszystkich maszyn wirnikowych. W związku z tym zmiana momentu pędu jest równa sumie momentów zewnętrznych. Na wirnik lub dyfuzor działają momenty krętowe ρ×Q×r×cu na wlocie i wylocie, moment zewnętrzny M oraz momenty tarcia wywołane naprężeniami ścinającymi Mτ.

Ponieważ na powierzchniach cylindrycznych nie powstają siły nacisku w kierunku obwodowym, można zapisać równanie. (1.10) jako:

${\ Displaystyle \ rho Q (c_ {2}u.r_{2}-c_{1}u.r_{1}) = M + M_ {\ tau}}$ (1.13)

Równanie pompy Eulera

Na podstawie równania (1.13) Euler opracował równanie ciśnienia głowicy utworzone przez wirnik, patrz Rys.2.2

${\ Displaystyle Yth.g=H_{t}=c_{2}u.u_{2}-c_{1}u.u_{1}}$ (1)

${\ Displaystyle Yth = 1/2 (u_ {2} ^ {2} - u_ {1} ^ {2} + w_ {1} {2} - w_ {2} ^ {2} + c_ {2} ^ {2}-c_{1}^{2})}$ (2)

W równaniu (2) suma ciśnienia statycznego wywołania numeru z 4 elementów przednich, suma ciśnienia prędkości wywołania numeru z ostatnich 2 elementów przyjrzyj się uważnie rys. 2.2 i szczegółowemu równaniu.

Teoria H _t ciśnienie w głowicy ; g = między 9,78 a 9,82 m/s2 w zależności od szerokości geograficznej, konwencjonalna wartość standardowa dokładnie 9,80665 m/s2 barycentrycznego przyspieszenia grawitacyjnego

u ₂ =r ₂ .ω wektor obwodowej prędkości obwodowej

u ₁ =r ₁ .ω wektor prędkości obwodowej na wlocie

ω=2π.n prędkość kątowa

w ₁ wektor prędkości względnej na wlocie

w ₂ wektor prędkości względnej na wylocie

c ₁ wektor prędkości bezwzględnej na wlocie

c ₂ wektor prędkości bezwzględnej na wylocie

Trójkąt prędkości

Kolorowy trójkąt utworzony przez wektor prędkości u,c,w zwany „trójkątem prędkości”. Ta zasada była pomocna w uszczegółowieniu równania (1), które stało się równaniem (2) i szeroko wyjaśniło, jak działa pompa.

Fig 2.3 (a) przedstawia prędkość trójkąta wirnika łopatkowego zakrzywionego do przodu; Na rys. 2.3 (b) pokazano prędkość trójkąta promieniowego wirnika o prostych łopatkach. Ilustruje to dość wyraźnie energię dodaną do przepływu (przedstawioną na wektorze c) odwrotnie zmieniającą się w zależności od natężenia przepływu Q (przedstawionego na wektorze _cm ).

Współczynnik wydajności

${\ Displaystyle \ eta = {\ Frac {\ rho .gQH} {P_ {m}}}}$,

gdzie:

${\ Displaystyle P_ {m}}$ jest wymagana moc wejściowa mechaniki (W)

${\ Displaystyle \ rho}$to gęstość płynu (kg/m ³ )

${\displaystyle g}$to standardowe przyspieszenie ziemskie (9,80665 m/s ² )

${\ Displaystyle H}$ to energia Head dodana do przepływu (m)

${\displaystyle Q}$to natężenie przepływu (m ³ /s)

${\displaystyle \eta}$ to sprawność pompowni w ułamku dziesiętnym

Wysokość podnoszenia dodawana przez pompę ( ) jest sumą podnoszenia statycznego, straty ciśnienia spowodowanej tarciem oraz wszelkich strat spowodowanych zaworami lub zagięciami rur, wyrażoną w metrach płynu. Moc jest częściej wyrażana w kilowatach (10 ³ W, kW) lub w koniach mechanicznych . Wartość sprawności pompy, , można podać dla samej pompy lub jako łączną sprawność pompy i układu silnikowego. ${\ Displaystyle H}$${\displaystyle \eta_{pompa}}$

Pionowe pompy odśrodkowe

Pionowe pompy odśrodkowe są również określane jako pompy wspornikowe. Wykorzystują unikalną konfigurację wspornika wału i łożyska, która umożliwia zwisanie spirali w misce, podczas gdy łożyska znajdują się na zewnątrz miski. Ten typ pompy nie wykorzystuje dławnicy do uszczelnienia wału, ale zamiast tego wykorzystuje „tuleję przepustnicy”. Częstym zastosowaniem tego typu pomp jest myjka części .

Pompy piany

W przemyśle mineralnym lub przy wydobyciu olejów i ropy wytwarzana jest piana w celu oddzielenia bogatych minerałów lub bitumu od piasku i gliny. Piana zawiera powietrze, które ma tendencję do blokowania konwencjonalnych pomp i powodowania utraty zalewania. Na przestrzeni dziejów przemysł wypracował różne sposoby radzenia sobie z tym problemem. W przemyśle celulozowo-papierniczym wiercone są otwory w wirniku. Powietrze ucieka do tylnej części wirnika, a specjalny ekspeler odprowadza powietrze z powrotem do zbiornika ssącego. Wirnik może być również wyposażony w specjalne małe łopatki pomiędzy łopatkami głównymi, zwane łopatkami dzielonymi lub łopatkami wtórnymi. Niektóre pompy mogą być wyposażone w duże oczko, induktor lub recyrkulację piany pod ciśnieniem z wylotu pompy z powrotem do ssania w celu rozbicia pęcherzyków.

Wielostopniowe pompy odśrodkowe

Pompa odśrodkowa zawierająca dwa lub więcej wirników nazywana jest wielostopniową pompą odśrodkową. Wirniki mogą być montowane na tym samym wale lub na różnych wałach. Na każdym etapie płyn kierowany jest do środka, zanim trafi do zrzutu na zewnętrznej średnicy.

W przypadku wyższych ciśnień na wylocie wirniki można łączyć szeregowo. Aby uzyskać większą wydajność przepływu, wirniki można połączyć równolegle.

Powszechnym zastosowaniem wielostopniowej pompy odśrodkowej jest pompa wody zasilającej kocioł . Na przykład blok o mocy 350 MW wymagałby dwóch pomp zasilających równolegle. Każda pompa zasilająca jest wielostopniową pompą odśrodkową wytwarzającą 150 l/s przy 21 MPa.

Cała energia przekazywana do płynu pochodzi z energii mechanicznej napędzającej wirnik. Można to zmierzyć przy ściskaniu izentropowym , co powoduje niewielki wzrost temperatury (oprócz wzrostu ciśnienia).

Zużycie energii

Zużycie energii w instalacji pompowej zależy od wymaganego przepływu, podniesionej wysokości oraz długości i charakterystyki tarcia rurociągu. Moc potrzebna do napędzania pompy ( ) jest definiowana w prosty sposób za pomocą jednostek SI przez: ${\displaystyle P_{i}}$

${\ Displaystyle P_ {i} = {\ cfrac {\ rho \ g \ H \ Q} {\ eta}}}$

gdzie:

${\displaystyle P_{i}}$ jest wymagana moc wejściowa (W)

${\ Displaystyle \ rho}$to gęstość płynu (kg/m ³ )

${\displaystyle g}$to standardowe przyspieszenie ziemskie (9,80665 m/s ² )

${\ Displaystyle H}$ to energia Head dodana do przepływu (m)

${\displaystyle Q}$to natężenie przepływu (m ³ /s)

${\displaystyle \eta}$ to sprawność pompowni w ułamku dziesiętnym

Wysokość podnoszenia dodawana przez pompę ( ) jest sumą statycznego podnoszenia, straty ciśnienia spowodowanej tarciem oraz wszelkich strat spowodowanych zaworami lub zagięciami rur, wyrażoną w metrach płynu. Moc jest częściej wyrażana jako kilowat (10 ³ W, kW) lub moc ( KM = kW/0,746 ). Wartość sprawności pompy, , można podać dla samej pompy lub jako łączną sprawność pompy i układu silnikowego. ${\ Displaystyle H}$${\displaystyle \eta_{pompa}}$

Zużycie energii ustala się przez pomnożenie pobór mocy przez dłuższy czas pompa pracuje.

Problemy pomp odśrodkowych

Oto niektóre trudności napotykane w pompach odśrodkowych:

• Kawitacja — dodatnia wysokość ssania netto ( NPSH ) systemu jest zbyt niska dla wybranej pompy
• Zużycie wirnika — może być pogorszone przez zawieszone ciała stałe lub kawitację
• Korozja wewnątrz pompy spowodowana właściwościami płynu
• Przegrzanie z powodu niskiego przepływu
• Wyciek wzdłuż obracającego się wału.
• Brak zalewania — pompy odśrodkowe muszą być napełnione (płynem, który ma być pompowany), aby mogły działać
• Wzrost
• Lepkie ciecze mogą zmniejszać wydajność
• Inne typy pomp mogą być bardziej odpowiednie do zastosowań wysokociśnieniowych
• Duże ciała stałe lub zanieczyszczenia mogą zatkać pompę

Pompy odśrodkowe do kontroli ciał stałych

System kontroli ciał stałych na polach naftowych wymaga wielu pomp odśrodkowych, które można umieścić na lub w zbiornikach błotnych. Stosowane typy pomp odśrodkowych to pompy piaskowe, pompy zatapialne do szlamu, pompy ścinające i pompy ładujące. Zostały zdefiniowane dla różnych funkcji, ale ich zasada działania jest taka sama.

Pompy sprzężone magnetycznie

Pompy sprzężone magnetycznie lub pompy z napędem magnetycznym różnią się od tradycyjnego stylu pompowania, ponieważ silnik jest sprzężony z pompą za pomocą środków magnetycznych, a nie za pomocą bezpośredniego wału mechanicznego. Pompa działa poprzez magnes napędowy, „napędzając” wirnik pompy, który jest sprzężony magnetycznie z wałem głównym napędzanym przez silnik. Stosowane są często tam, gdzie wyciek pompowanego płynu stanowi duże zagrożenie (np. agresywny płyn w przemyśle chemicznym, nuklearnym, porażenie prądem – fontanny ogrodowe). Nie mają bezpośredniego połączenia między wałem silnika a wirnikiem, więc nie jest potrzebna dławnica ani dławnica . Nie ma ryzyka wycieku, chyba że obudowa jest uszkodzona. Ponieważ wał pompy nie jest podparty łożyskami na zewnątrz obudowy pompy , podparcie wewnątrz pompy zapewniają tuleje. Wielkość pompy w przypadku pomp z napędem magnetycznym może wynosić od kilku watów mocy do gigantycznego 1 MW.

Podkładowy

Proces napełniania pompy cieczą nazywa się zalewaniem. Wszystkie pompy odśrodkowe wymagają zalewania cieczy w obudowie cieczy. Jeśli obudowa pompy zostanie wypełniona oparami lub gazami, wirnik pompy staje się związany z gazem i nie jest w stanie pompować. Aby zapewnić, że pompa odśrodkowa pozostaje zalana i nie wiąże się z gazem, większość pomp odśrodkowych znajduje się poniżej poziomu źródła, z którego pompa ma pobierać ssanie. Ten sam efekt można uzyskać dostarczając ciecz na ssanie pompy pod ciśnieniem dostarczanym przez inną pompę umieszczoną w przewodzie ssawnym.

Samozasysająca pompa odśrodkowa

W normalnych warunkach zwykłe pompy odśrodkowe nie są w stanie usunąć powietrza z linii wlotowej prowadzącej do poziomu cieczy, którego wysokość geodezyjna jest niższa niż wysokość pompy. Pompy samozasysające muszą być zdolne do odprowadzania powietrza (patrz Odpowietrzanie) z przewodu ssawnego pompy bez żadnych zewnętrznych urządzeń pomocniczych.

Pompy odśrodkowe z wewnętrznym stopniem ssania, takie jak pompy strumieniowe lub pompy bocznokanałowe, są również klasyfikowane jako pompy samozasysające. Samozasysające pompy odśrodkowe zostały wynalezione w 1935 roku. Jedną z pierwszych firm, które wprowadziły na rynek samozasysającą pompę odśrodkową, była firma American Marsh w 1938 roku.

Pompy odśrodkowe, które nie są zaprojektowane z wewnętrznym lub zewnętrznym stopniem samozasysania, mogą rozpocząć pompowanie płynu dopiero po wstępnym zalaniu pompy płynem. Mocniejsze, ale wolniejsze, ich wirniki są zaprojektowane do przemieszczania cieczy, która jest znacznie gęstsza niż powietrze, co uniemożliwia im pracę w obecności powietrza. Ponadto należy zamontować zawór zwrotny zwrotny po stronie ssawnej lub zawór odpowietrzający, aby zapobiec działaniu syfonu i zapewnić, że ciecz pozostanie w obudowie po zatrzymaniu pompy. W samozasysających pompach odśrodkowych z komorą separacyjną pompowana ciecz i porywane pęcherzyki powietrza są pompowane do komory separacji poprzez działanie wirnika.

Powietrze ucieka przez dyszę tłoczną pompy, podczas gdy płyn opada z powrotem i jest ponownie wciągany przez wirnik. Linia ssąca jest w ten sposób stale opróżniana. Konstrukcja wymagana do takiego samozasysania ma niekorzystny wpływ na wydajność pompy. Również wymiary komory oddzielającej są stosunkowo duże. Z tych powodów rozwiązanie to jest przystosowane tylko do małych pomp, np. pomp ogrodowych. Częściej stosowane typy pomp samozasysających to pompy bocznokanałowe i z pierścieniem wodnym.

Innym typem pompy samozasysającej jest pompa odśrodkowa z dwiema komorami obudowy i otwartym wirnikiem. Konstrukcja ta jest wykorzystywana nie tylko ze względu na zdolność samozasysania, ale także ze względu na efekt odgazowania podczas pompowania mieszanin dwufazowych (powietrza/gazu i cieczy) przez krótki czas w inżynierii procesowej lub podczas obsługi zanieczyszczonych płynów, na przykład podczas odprowadzania wody z konstrukcji doły. Ten typ pompy działa bez zaworu stopowego i bez urządzenia opróżniającego po stronie ssącej. Przed uruchomieniem pompę należy zalać płynem, który ma być obsługiwany. Mieszanka dwufazowa jest pompowana do momentu opróżnienia przewodu ssawnego i wepchnięcia poziomu płynu do przedniej komory ssawnej pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Podczas normalnej pracy pompowania pompa ta działa jak zwykła pompa odśrodkowa.

Zobacz też

• Sprężarka odśrodkowa
• Pompa przepływowa osiowa
• Dodatnia wysokość ssania netto (NPSH)
• Pompa
• Uszczelka (mechaniczna)
• Określona prędkość ( N _s lub N _ss )
• Testowanie pomp termodynamicznych
• Turbina
• Turbopompa

Bibliografia

Źródła

• Komitet ds. Standardów ASME B73, Standardowe Pompy Chemiczne

Zewnętrzne linki