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離心泵與容積泵, 該如何選?

作者/出處: 網絡 發布時間: 2019-07-29

泵是僅次于電機的第二大最常用的工業設備。目前,全球已有數以百萬計的泵正在工作著,輸送著成千上萬種液體。在可供選擇的眾多泵型中,選擇出適合的泵是一件非常復雜的事情。泵的選型過程在很大程度上是將某一特定泵的能力與系統要求以及所要泵送液體的特性相匹配的過程。在本文中,將從泵送液體的性質著手,從用戶需求的角度開始,進而進入到具體泵選型的討論。

?基本要求

在任何應用中,首先要了解用戶對泵的基本要求。比如:入口條件、所要求的流量、壓差、溫度以及流體特性,例如粘度、磨蝕性、剪切敏感性以及腐蝕性,這些條件必須全部確定下來,然后才能選擇泵。

泵要在正確的抽吸條件下才能運行良好。事實上,泵所遇到難題中的最大的問題可以追溯到不良的抽吸條件。由于泵推動液體的能力遠強于吸取液體的能力,所以應將入口條件保持在泵機的能力范圍內。

壓差也是具有關鍵性意義的一部分,特別是從節能和泵使用壽命的角度來看時,使用較小的管徑和較長的管道敷設長度可以減少系統初期成本,但也可能會導致泵存在較高的壓差。這種較高的壓差將會轉化成能耗,并有可能縮短泵的使用壽命,這也就意味著較高的運行成本和較低的效率。

所要求的液體特性通常是已知的,而重要之處在于掌握給定泵是如何影響這些特性的。絕大多數用戶都愿意讓泵排出的液體與其進入泵時保持相同的狀況。對于如何正確選擇泵來說,材質的相容性、粘度、剪切的靈敏性和特定物質或固體的存在情況,均具有極其重要的意義。

?離心泵與容積泵

一旦基本要求得到了滿足,而且液體特性也已知曉,那么泵的選型就可以開始了。泵通常分為兩個基本的類別:動能泵(其中最龐大的類型是離心泵)和正排量(PD)泵。據美國商務部的數據顯示,在全部泵的銷售額中約有70%為動能泵,其余30%為容積泵。在選擇泵時,第一步就是確定,在離心泵和容積泵中選擇哪一種才更適合您的需要。

由于占主流的工業泵均為離心泵,所以許多人會首先考慮離心泵。離心泵的成本通常低于容積泵,而且也是在許多情況下應使用的正確泵型。每種泵均以各自不同的方式來攪拌流體,而且每種泵均擁有各自不同的運行特性和曲線。但重要的是,離心泵會影響液體的流速,從而導致排放口處存在一定的壓力。而與之相反的是,容積泵攪拌液體時,會先獲取特定數量的液體并將這些液體從吸入口處送至排放口。對于離心泵來說,是先形成壓力,后導致流動的產生。對于容積泵來說,則是先形成流動,后導致壓力的出現。

?性能

為了能夠從各類泵中挑選出最適合的類型,重要之處在于理解這兩種泵的工作特性差異。在查看其工作性能表(圖1a)時,您可看到其工作原理有著多么大的不同。離心泵存在著取決于壓力(或壓頭)的可變流量現象,而容積泵則存在著與壓力無關的或多或少較為恒定的流量現象。

?粘度

粘度在泵的機械效率方面發揮著重要的作用。由于離心泵運行在電動機轉速下,所以其效率會隨著泵機內摩擦損失的加大所導致的粘度增加而下降。請注意,隨著粘度增加,離心泵的效率下降速率會很快(圖1b)。

另一項主要差別在于粘度對泵容量的影響。在流量表(圖1c)中您會注意到,離心泵會在粘度上升時出現流量下降的現象,而容積泵實際上會隨之而產生流量的增加。這是由于較高粘度的液體填充了容積泵內的空隙,從而導致較高的容積效率。圖1c只表示了粘度對泵流量的影響。請牢記,系統內還會出現管道損失量加大的現象。這意味著離心泵內的流量將隨著泵差壓的增加而進一步下降。

?效率

在考慮差壓對泵機械效率的影響問題時,動能泵和容積泵也表現出各自不同的特性。圖1d所示為,泵機效率是如何受到隨之增加的壓力的影響的。對于容積泵來說,隨著壓力的增加,效率實際上會有所提升,而離心泵則存在著一個最佳效率點(BEP)。在此點的兩側,綜合泵效率會大幅度下降。

?入口條件

這兩種類型的泵對于入口條件的要求也有相當大的不同點。離心泵需要泵內預先有一定量的液體,以便形成壓差。無液體的干燥的泵是不能自行起動的。而一旦起動操作后,離心泵就需要符合制造廠商所建議的明確的入口壓力要求。

由于容積泵是通過液體容積的膨脹和收縮作用來攪拌液體的,入口處將會形成負壓情況,所以容積泵能夠自行起動灌注。在某些情況下,這點是是否選擇容積泵或離心泵的唯一決定要素。

【總結】

總的來說,在粘度超過150 cP時,必須能夠在較廣范圍內預測流量,或者在希望泵機能夠自行起動灌注時,可以考慮選用容積泵。在離心泵與容積泵之間進行選擇時,還要考慮到能耗問題,因為這兩種泵在能耗方面可能會存在著相當大的差別。這一點對于流量低于100加侖/分的情況是特別重要的,在這種情況下,離心泵工作效率的下降幅度會更大。

?容積泵

即使已經決定采用容積泵,也還有許多可供考慮的方案。在詳細敘述每種泵送操作的詳細情況前,我們先來回顧一下一些容積泵的共同運行特性。正如上文所述,旋轉式容積泵能夠在軸的每次旋轉時排出相同容積的液體。這意味著所排出的液體的流量與轉速成正比。換句話說,只需簡單地改變泵機的轉速即可控制流量。對于粘度較高的液體來說,只需計測軸的轉數即可對泵進行計量。

容積泵的結構要求采用配合嚴密的內部部件以及一定的運行間隙。由于這種間隙的存在,某些液體會從排放端回流至吸入端。這種現象被稱為“滑漏(slip)”。滑漏部分液體量的大小取決于液體的粘度、壓力差和泵的內部間隙。較低粘度通常會導致更多的滑漏量,而較為粘稠的液體,滑漏量會小一些。

由于容積泵總會盡力排放出同等數量的液體,所以在系統內配備一些必要的過壓保護裝置是很重要的。在容積泵發生排放堵塞的現象時,往往會導致壓力上升,這種壓力上升的現象只有在以下情況時才會停止下來:負荷超過了電動機的限值;系統內某些部件破裂而釋放了此壓力;或泵發生了故障。以上這些情況均屬于不安全的情況。容積泵需要一種能夠釋放壓力的途徑。

要達到壓力釋放的效果,有若干種途徑可以選擇。采用壓力釋放閥是最為常見的一種,但也可以采用在排放管路內配備爆破盤的方式。由于驅動轉矩與容積泵內部的差壓直接相關,所以也可以使用轉矩限制型的聯軸器。但要點在于,需要牢記容積泵內有可能會發生相當高的壓力積聚的現象,在排放堵塞或部分堵塞情況時,必須對這種現象做出限制。

容積泵可以分成許多種類型。美國水力學會是一家由泵制造廠商組建的組織,水力學會出版了一些涉及泵機類型和泵機標準的出版物,其中,將旋轉式容積泵分成了如下類別:葉輪式、活塞式、凸輪式、齒輪式、圓環活塞式以及螺桿式。此外,還在每一種泵類別設有子類別,這意味著存在著許多類型的容積泵。而這些容積泵都具備相同的功能,即輸送液體,那么,我們如何來選擇適合的容積泵呢?絕大多數的容積泵均可以通過改造以適應大范圍的應用,但針對給定的環境來說,某些類型的泵使用起來比其它類型更好。幸運的是,對于基本液體的輸送來說,有少數泵已經取得了超出其它類型。在以下章節內,我們將敘述內齒輪泵和外齒輪泵,以及葉輪泵的性能特點。

?內齒輪泵

內齒輪泵包含一個被稱為轉子的外齒輪部件,轉子用于驅動惰輪的內齒輪(圖2)。惰輪比轉子小一些,運行時繞著一個固定不動的銷子旋轉,并在轉子內部運轉。當這些部件從嚙合狀態分離時,會產生一定的空隙空間,而液體就會流入泵內。當這些部件進入嚙合狀態時,空間的容積會逐漸減少,從而強制液體從排放口流出。液體可通過轉子的齒輪及泵頭的下凹處流入正在擴張中的空腔內。此類泵設計的最后一個關鍵部件是月牙形擋體,這個月牙形擋體與泵頭是一體化的。月牙形擋體通過將處于惰輪與輪子齒間的一定體積的液體圍堵起來,起到了吸入口與排放口之間的密封作用。

轉子齒輪固定在一根齒輪軸上,齒輪由軸頸或減磨軸承來支持(圖3)。惰輪齒輪組件中也包含了一個位于泵送液體內的,并圍繞著一根固定銷轉動的軸頸軸承。根據軸封的布置方式,轉子軸支撐軸承可以運行在泵送的液體之內。在輸送腐蝕性液體時,要對這方面進行重點考慮,因為腐蝕性液體會腐蝕支撐軸承。

此類泵的實際壓力限值取決于轉子軸支撐軸承的運轉情況。絕大多數的內齒輪泵的差壓額定值均為200 psi,盡管它們可以在正確的應用情況下用于更高的壓力。

內齒輪泵的轉速比起離心泵來說相對較慢。一般來說最高為1150 rpm,但有些小型設計方案可達到3450 rpm。由于內齒輪泵可以在低轉速下運行,所以能夠很好地適用于高粘度流體的輸送,盡管也能非常成功地應用于稀薄液體。內齒輪泵已經可以成功地泵送粘度超過1000000 cSt的液體以及粘度非常低的液體,諸如液態丙烷和氨水。

此類泵機的流量范圍從0.5加侖/分到1500加侖/分。材質包括鑄鐵和一系列不同的耐腐蝕合金,包括哈合金。

內齒輪泵在制造過程中采用了緊公差設計,氏會在泵送較大的固體時發生損壞。此類泵機可以在腐蝕性應用環境下輸送體積較小的懸浮顆粒,但會發生磨損且導致性能逐漸下降。在腐蝕性應用環境下,通過選擇耐腐蝕性材質,可以大幅度地延長泵的使用壽命。在這種情況下,碳化鎢、硬化鋼或多種涂層均能起到很好的效果。

內齒輪泵的應用范圍非常寬廣,甚至可以很好地應用于對剪切敏感的液體。應用領域包括:廢水、聚合物、對剪切敏感的油漆、瀝青乳液以及某些食品,例如蛋黃醬。使用此類泵時,任何時刻都只有非常少量的液體會受到剪切力作用。而且在必要時,可以對間隙和轉速進行調整,以便更大程度地減小剪切力的影響。

?外齒輪泵

外齒輪泵在泵送動作上與內齒輪泵有著相似之處,也是通過兩個齒輪的進入和脫離嚙合來帶動液體流動的(圖4)。但是,外齒輪泵采用了兩個相互嚙合轉動的完全一致的齒輪。每個齒輪均由一根齒輪軸支撐,每個齒輪兩側均有軸承。在典型情況下,這四個軸承均工作于所泵送的液體內。

由于齒輪的兩側都得到了支撐,所以外齒輪泵可適用于高壓應用領域,例如液壓裝置內。設計用于液壓供應的泵可以承受每平方英寸數千磅的壓力。工業輸送泵可以承受更高的壓力,但液體的特性有可能對壓力范圍產生限制。較稀薄的液體可以達到數百psi,而較粘稠的液體可以接近液壓泵的壓力。通常情況下,小型的外齒輪泵應運行在1750~3450 rpm的范圍內,較大型的外齒輪泵運行在最高640rpm的轉速下。

外齒輪泵的流量范圍從極低(每分鐘若干滴)至相當高的1500加侖/分。外齒輪泵可以采用多種原材料來進行制造,包括高端合金。

外齒輪泵的設計可以采用比內齒輪泵更緊的緊公差。但外齒輪泵對于所泵送液體內的顆粒物體的容忍能力不夠好。由于齒輪兩端均有間隙,從而無法針對磨損現象做出端部的間隙調整。在外齒輪泵出現磨損后,必須重新組裝或更換。

只要轉速設置正確,特別是對于粘稠度較高的液體,外齒輪泵可以處理粘性和水性的液體。由于粘性液體需要一定的時間才能填滿齒輪齒間的空間,所以在泵送粘性液體時,泵的轉速必須大幅降低。其粘度限值實際上與內齒輪泵相同,均為1000000 cSt。

外齒輪泵在臨界抽吸條件下性能并不理想,特別是對于揮發性液體來說。揮發性液體往往會在齒間空間快速擴大時出現局部蒸發現象。

?葉輪泵

滑片泵的工作原理與其它容積泵的擴張收縮容積在理論上是相同的,但卻采用了不同的機制來實現這一理論(圖6)。對于葉輪泵來說,令人感興趣的是,一方面它集兩臺泵機于一身。第一個泵送動作是由葉輪、轉子與泵殼之間的容積擴張而產生的,而較不明顯的泵送動作產生于葉輪下的區域內。在此區域內,無論葉輪進入、或是離開轉子槽都會形成泵送動作,這個泵送動作實際上占據了總泵排量的約15%。在典型情況下,這一區域是通過葉輪內側或轉子內部的開槽處進行通氣的。重要之處在于要掌握這一情況,特別是在處理較粘稠的液體時,因為粘稠液體流入和流出葉輪之間的區域會更加困難。所以,推薦適用于此類泵的最大介質粘度約為25000 cSt。

葉輪是吸入口與排放口之間的主要密封部件,通常采用非金屬復合材料制造。由于不存在金屬間的接觸,所以葉輪泵頻繁應用于低粘度無潤滑作用的液體,諸如丙烷、氨水等。由于葉輪與泵殼之間會直接接觸,以及內部間隙控制在最小狀態下,所以可使稀薄液體的轉差特性達到最佳。

絕大多數輸送葉輪泵均將壓力限制在125 psi,盡管有些額定值為200 psi。葉輪泵的壓力限值在很大程度上取決于葉輪的強度。

由于采用非金屬的葉輪以及非常小的運行間隙,葉輪泵可以非常良好地實現灌注操作的起動。在泵進行起動灌注操作時,泵必須要排放空氣,而且排出的是非常稀薄的流體。由于葉輪泵能夠很好地做到這點,所以,有時會將其當作真空泵來使用。

葉輪泵通常由軸套或減磨軸承在轉子的兩側進行支撐。如果使用了軸套軸承,則軸套軸承會在液體內運轉。如果使用了減磨軸承,則要求使用泵內密封件以便讓軸承運轉在潤滑油或潤滑脂內。這種設計要求采用兩個機械密封件,在轉子每一側各一個。

葉輪泵通常運行在1000~1750 rpm的轉速范圍內,流量可以達到高至2000加侖/分。而在處理高粘度液體時要求的轉速會大大減少,以便讓液體進入到葉輪下方。而在處理高粘度液體的應用中,要求采用強度更高的葉輪材料,以防止葉輪發生斷裂的現象。最為常見的葉輪泵構造材質為鑄鐵或球墨鑄鐵。一些生產廠商會在必須處理稀薄、腐蝕性液體的泵中采用不銹鋼材料。

葉輪泵可以用來處理一些侵蝕性物質,但不能處理固體。對于侵蝕性物質泵送應用來說,在如何正確選擇葉輪和密封材料的問題上必須謹慎。葉輪泵在轉子和葉輪的兩端均存在著固定端間隙,這一點與外齒輪泵相似。一旦發生磨損,這種間隙就不能夠得到調整,不過,某些生產廠商已經提供了可以更換或掉轉的端蓋。采用泵殼內襯也是一種在發生磨損時恢復泵性能的方式。

【總結】

掌握各種泵機的工作原理是針對給定應用環境下正確選定機型的良好開端。雖然各種選擇方案之間的區別并不一定十分清晰分明,運行和容量上的基本區別便可以用于指導選型。

內齒輪泵可以應用的領域范圍較廣,但通常運轉速度較其它泵機要慢一些。最初,選用內齒輪泵可能會導致略高一些的成本,但與運行速度較慢的泵相比,其使用壽命往往會更長一些。

外齒輪泵擁有非常良好的壓力處理能力和精確的流量控制特性,但不能用于處理含固體或侵蝕性介質。外齒輪泵的制造成本較低,所以其是在要求不高的應用領域中的一種經濟合理的選擇方案。

葉輪泵在輸送稀薄液體時表現優越,但在處理粘稠液體時必須降速運行。葉輪泵同樣也無法處理固體物料。

不正確的泵機選型往往會導致較高的費用。具體來說,會在停機時間、損失生產量、維護費用以及能耗方面造成不良影響。而多花些時間在正確的系統內選用正確的泵可在最大程度上減少多余的費用開銷,獲得更高的長期效益。


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