Centrifugalpump

Warman centrifugalpump i en kolberedningsanläggning

Ett par centrifugalpumpar för att cirkulera varmvatten i ett vattenbaserat värmesystem

Centrifugalpumpar används för att transportera vätskor genom omvandling av rotationskinetisk energi till vätskeflödets hydrodynamiska energi. Rotationsenergin kommer vanligtvis från en motor eller elmotor. De är en underklass av dynamiska axelsymmetriska arbetsabsorberande turbomaskiner . Vätskan kommer in i pumphjulet längs med eller nära den roterande axeln och accelereras av pumphjulet och strömmar radiellt utåt in i en diffusor eller spiralkammare (hölje), från vilken den kommer ut.

Vanliga användningsområden inkluderar vatten, avlopp, jordbruk, petroleum och petrokemisk pumpning. Centrifugalpumpar väljs ofta för deras höga flödeshastighetskapacitet, abrasiva lösningskompatibilitet, blandningspotential, såväl som deras relativt enkla konstruktion. En centrifugalfläkt används vanligtvis för att implementera ett luftbehandlingsaggregat eller en dammsugare . Centrifugalpumpens omvända funktion är en vattenturbin som omvandlar potentiell energi från vattentrycket till mekanisk rotationsenergi.

Historia

Enligt Reti var den första maskinen som kunde karakteriseras som en centrifugalpump en slamlyftningsmaskin som dök upp så tidigt som 1475 i en avhandling av den italienske renässansingenjören Francesco di Giorgio Martini . Sanna centrifugalpumpar utvecklades inte förrän i slutet av 1600-talet, när Denis Papin byggde en med raka skovlar. Den böjda vingen introducerades av den brittiske uppfinnaren John Appold 1851.

Hur det fungerar

Utskuren vy av centrifugalpumpen

Som de flesta pumpar omvandlar en centrifugalpump rotationsenergi, ofta från en motor, till energi i en rörlig vätska. En del av energin går till vätskans kinetiska energi. Vätska kommer in axiellt genom kåpans öga, fångas upp i pumphjulsbladen och virvlas tangentiellt och radiellt utåt tills den går ut genom alla periferiska delar av pumphjulet in i kåpans diffusordel. Vätskan får både hastighet och tryck medan den passerar genom pumphjulet. Den munkformade diffusorn, eller scroll-delen av höljet bromsar flödet och ökar trycket ytterligare.

Beskrivning av Euler

En konsekvens av Newtons andra mekaniklag är bevarandet av vinkelmomentet (eller "moment of momentum") som är av grundläggande betydelse för alla turbomaskiner. Följaktligen är förändringen av vinkelmomentet lika med summan av de yttre momenten. Vinkelmoment ρ×Q×r×cu vid inlopp och utlopp, ett externt vridmoment M och friktionsmoment på grund av skjuvspänningar Mτ verkar på ett pumphjul eller en diffusor.

Eftersom inga tryckkrafter skapas på cylindriska ytor i omkretsriktningen är det möjligt att skriva Ekv. (1.10) som:

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

Eulers pumpekvation

Baserat på ekv.(1.13) utvecklade Euler den ekvation för tryckhöjd som skapas av pumphjulet, se Fig.2.2

${1}u.u_{1}}$ (1)

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

I ekv. (2) summan av 4 främre elementnummer anropsstatiskt tryck, summan av 2 senaste elementnummer anropshastighetstryck titta noga på Fig 2.2 och detaljekvationen.

H _t teori huvudtryck ; g = mellan 9,78 och 9,82 m/s2 beroende på latitud, konventionellt standardvärde på exakt 9,80665 m/s2 barycentrisk gravitationsacceleration

u ₂ =r ₂ .ω den perifera omkretshastighetsvektorn

u ₁ =r ₁ .ω inloppets omkretshastighetsvektor

ω=2π.n vinkelhastighet

w ₁ relativ hastighetsvektor för inloppet

w ₂ utlopps relativ hastighetsvektor

c ₁ inloppsvektor för absolut hastighet

c ₂ utloppsvektor för absolut hastighet

Hastighetstriangel

Färgtriangeln som bildas av hastighetsvektorn u,c,w som kallas "hastighetstriangel". Denna regel var till hjälp för att detaljera ekv.(1) bli ekv.(2) och förklarade hur pumpen fungerar.

Fig. 2.3 (a) visar triangelhastigheten för framåtböjda skovelhjul; Fig. 2.3 (b) visar triangelhastigheten för pumphjulet med radiella raka skovlar. Det illustrerar ganska tydligt energi som adderas till flödet (visat i vektor c) omvänt förändring vid flödeshastighet Q (visas i vektor cm ₎ .

Effektivitetsfaktor

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

var:

$P_{m}$ är den mekaniska ineffekt som krävs (W)

$\rho$ är vätskedensiteten (kg/m ³ )

$g$ är standardgravitationsaccelerationen (9,80665) m/s ² )

$H$ är energin Head som läggs till flödet (m)

$Q$ är flödeshastigheten (m ³ /s)

$\eta$ är effektiviteten för pumpanläggning som en decimal

Tryckhöjden som adderas av pumpen ( $H$ ) är summan av det statiska lyftet, tryckhöjdsförlusten på grund av friktion och eventuella förluster på grund av ventiler eller rörböjar, allt uttryckt i meter vätska. Effekt uttrycks oftare som kilowatt (10 ³ W, kW) eller hästkrafter . Värdet för pumpens verkningsgrad, ${\displaystyle \eta _{pump}} ,$ kan anges för själva pumpen eller som en kombinerad verkningsgrad för pumpen och motorsystemet.

Vertikala centrifugalpumpar

Vertikala centrifugalpumpar kallas även fribärande pumpar. De använder en unik konfiguration för axel- och lagerstöd som gör att voluten kan hänga i sumpen medan lagren är utanför sumpen. Denna typ av pump använder ingen packbox för att täta axeln utan använder istället en "trottelbussning". En vanlig applikation för denna typ av pump är i en reservdelstvätt .

Skumpumpar

I mineralindustrin, eller vid utvinning av oljesand, genereras skum för att separera de rika mineralerna eller bitumenet från sanden och lerorna. Skummet innehåller luft som tenderar att blockera konventionella pumpar och orsaka förlust av fyllning. Genom historien har industrin utvecklat olika sätt att hantera detta problem. Inom massa- och pappersindustrin borras hål i pumphjulet. Luft strömmar ut till impellerns baksida och en speciell expeller släpper ut luften tillbaka till sugtanken. Fläkthjulet kan också ha speciella små skovlar mellan de primära skovlarna som kallas delade skovlar eller sekundära skovlar. Vissa pumpar kan ha ett stort öga, en inducerare eller recirkulation av trycksatt skum från pumpens utlopp tillbaka till suget för att bryta bubblorna.

Flerstegs centrifugalpumpar

Flerstegs centrifugalpump

En centrifugalpump som innehåller två eller flera pumphjul kallas en flerstegs centrifugalpump. Fläkthjulen kan monteras på samma axel eller på olika axlar. Vid varje steg riktas vätskan till centrum innan den tar sig till utloppet på den yttre diametern.

För högre tryck vid utloppet kan pumphjul seriekopplas. För högre flödeseffekt kan pumphjul parallellkopplas.

En vanlig tillämpning av flerstegs centrifugalpumpen är pannans matarvattenpump . Till exempel skulle en 350 MW enhet kräva två matningspumpar parallellt. Varje matarpump är en flerstegs centrifugalpump som producerar 150 L/s vid 21 MPa.

All energi som överförs till vätskan härrör från den mekaniska energin som driver pumphjulet. Detta kan mätas vid isentropisk kompression, vilket resulterar i en lätt temperaturökning (utöver tryckökningen).

Energianvändning

Energianvändningen i en pumpanläggning bestäms av det flöde som krävs, den lyfthöjd och rörledningens längd och friktionsegenskaper . Effekten som krävs för att driva en pump ( $P_{i}$ ), definieras helt enkelt med hjälp av SI-enheter av:

Enstegs centrifugalpump med radiellt flöde

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

var:

$P_{i}$ är den ineffekt som krävs (W)

$\rho$ är vätskedensiteten (kg/m ³ )

$g$ är standardgravitationsaccelerationen (9,80665 m) /s ² )

$H$ är energin Head som adderas till flödet (m)

$Q$ är flödeshastigheten (m ³ /s)

$\eta$ är pumpens effektivitet växt som en decimal

Tryckhöjden som adderas av pumpen ( $H$ ) är summan av det statiska lyftet, tryckhöjdsförlusten på grund av friktion och eventuella förluster på grund av ventiler eller rörböjar, allt uttryckt i meter vätska. Effekt uttrycks oftare som kilowatt (10 ³ W, kW) eller hästkrafter ( hk = kW/0,746 ). Värdet för pumpens verkningsgrad, ${\displaystyle \eta _{pump}} ,$ kan anges för själva pumpen eller som en kombinerad verkningsgrad för pumpen och motorsystemet.

Energianvändningen bestäms genom att multiplicera effektbehovet med hur länge pumpen är i drift .

Problem med centrifugalpumpar

Dessa är några svårigheter som centrifugalpumpar möter:

• Kavitation – systemets positiva nettosughuvud ( NPSH ) är för lågt för den valda pumpen
• Förslitning av pumphjulet – kan förvärras av suspenderade partiklar eller kavitation
• Korrosion inuti pumpen orsakad av vätskeegenskaperna
• Överhettning på grund av lågt flöde
• Läckage längs roterande axel.
• Brist på fyllning – centrifugalpumpar måste fyllas (med vätskan som ska pumpas) för att fungera
• Svalla
• Viskösa vätskor kan minska effektiviteten
• Andra pumptyper kan vara mer lämpade för högtrycksapplikationer
• Stora fasta partiklar eller skräp kan täppa till pumpen

Cirkeldiagram som visar vad som orsakar skador på pumpar.

Centrifugalpumpar för styrning av fasta partiklar

Ett oljefältstyrsystem för fasta partiklar behöver många centrifugalpumpar för att sitta på eller i lertankar. De typer av centrifugalpumpar som används är sandpumpar, dränkbara slurrypumpar, skjuvpumpar och laddningspumpar. De är definierade för sina olika funktioner, men deras arbetsprincip är densamma.

Magnetiskt kopplade pumpar

Huvudartikel: magnetisk koppling

Magnetiskt kopplade pumpar, eller magnetiska drivpumpar, varierar från den traditionella pumpstilen, eftersom motorn är kopplad till pumpen med magnetiska medel snarare än med en direkt mekanisk axel. Pumpen arbetar via en drivmagnet som "driver" pumprotorn, som är magnetiskt kopplad till den primära axeln som drivs av motorn. De används ofta där läckage av den pumpade vätskan utgör en stor risk (t.ex. aggressiv vätska i den kemiska eller kärnkraftsindustrin, eller elektriska stötar - trädgårdsfontäner). De har ingen direkt koppling mellan motoraxeln och pumphjulet, så ingen packbox eller packbox behövs. Det finns ingen risk för läckage om inte höljet är trasigt. Eftersom pumpaxeln inte stöds av lager utanför pumphuset, tillhandahålls stöd inuti pumpen av bussningar. Pumpstorleken på en magnetisk drivpump kan gå från några få watt effekt till gigantiska 1 MW.

Grundning

Processen att fylla pumpen med vätska kallas priming. Alla centrifugalpumpar kräver vätska i vätskehuset för att fylla. Om pumphuset fylls med ångor eller gaser, blir pumphjulet gasbundet och kan inte pumpa. För att säkerställa att en centrifugalpump förblir fylld och inte blir gasbunden, är de flesta centrifugalpumpar placerade under nivån för den källa som pumpen ska suga från. Samma effekt kan uppnås genom att tillföra vätska till pumpsuget under tryck som tillförs av en annan pump placerad i sugledningen.

Självsugande centrifugalpump

Under normala förhållanden kan vanliga centrifugalpumpar inte evakuera luften från en inloppsledning som leder till en vätskenivå vars geodetiska höjd är lägre än pumpens. Självsugande pumpar måste kunna evakuera luft (se Avluftning) från pumpens sugledning utan några externa hjälpanordningar.

Centrifugalpumpar med ett internt sugsteg såsom vattenstrålepumpar eller sidokanalpumpar klassificeras också som självsugande pumpar. Självsugande centrifugalpumpar uppfanns 1935. Ett av de första företagen som marknadsförde en självsugande centrifugalpump var American Marsh 1938.

Centrifugalpumpar som inte är konstruerade med ett internt eller externt självsugande steg kan bara börja pumpa vätskan efter att pumpen initialt har fyllts med vätskan. Kraftigare men långsammare, deras pumphjul är utformade för att flytta vätska, som är mycket tätare än luft, vilket gör att de inte kan fungera när luft är närvarande. svängbackventil på sugsidan eller en avluftningsventil monteras för att förhindra sifonverkan och säkerställa att vätskan stannar kvar i huset när pumpen har stoppats. I självsugande centrifugalpumpar med en separationskammare pumpas den pumpade vätskan och de medbringade luftbubblorna in i separationskammaren genom pumphjulsverkan.

Luften kommer ut genom pumpens utloppsmunstycke medan vätskan faller ner och återigen dras med av pumphjulet. Sugledningen evakueras därmed kontinuerligt. Den konstruktion som krävs för en sådan självsugande funktion har en negativ effekt på pumpens effektivitet. Dimensionerna för separeringskammaren är också relativt stora. Av dessa skäl används denna lösning endast för små pumpar, t.ex. trädgårdspumpar. Mer frekvent använda typer av självsugande pumpar är sidokanal- och vattenringpumpar.

En annan typ av självsugande pump är en centrifugalpump med två huskammare och ett öppet pumphjul. Denna design används inte bara för sin självsugande förmåga utan också för sina avgasningseffekter vid pumpning av tvåfasblandningar (luft/gas och vätska) under en kort tid inom processteknik eller vid hantering av förorenade vätskor, till exempel vid dränering av vatten från konstruktioner gropar. Denna pumptyp fungerar utan fotventil och utan evakueringsanordning på sugsidan. Pumpen måste fyllas med den vätska som ska hanteras innan den tas i drift. Tvåfasblandning pumpas tills sugledningen har evakuerats och vätskenivån har tryckts in i den främre sugintagskammaren av atmosfärstryck. Under normal pumpdrift fungerar denna pump som en vanlig centrifugalpump.

Se även

• Centrifugalkompressor
• Axialflödespump
• Netto positivt sughuvud (NPSH)
• Pump
• Tätning (mekanisk)
• Specifik hastighet ( N _s eller N _ss )
• Termodynamisk pumptestning
• Turbin
• Turbopump

Källor

• ASME B73 Standards Committee, Chemical Standard Pumps