I. Определение и преглед на помпите
Помпата, като широко използвано механично устройство в различни области, нейната основна функция е да транспортира течности (като вода, масло и т.н.) от едно място на друго. Със задвижването на помпата течностите могат ефективно и стабилно да изпълняват транспортната задача, отговаряйки на различни производствени и битови нужди.
Помпата е механично устройство, използвано за транспортиране на различни течности. Обхватът на неговото приложение е обширен, като обхваща вода, масло, киселинни и алкални разтвори, емулсии, суспензии, течни метали и т.н. В допълнение, зъбните маслени помпи могат също да транспортират течни-газови смеси и течности, съдържащи суспендирани твърди вещества.
Помпите могат да бъдат класифицирани в три основни категории въз основа на техните принципи на работа: обемни помпи, помпи с работно колело и други видове помпи. Струва си да се отбележи, че класификацията на потопяемите помпи е по-разнообразна. Освен че се класифицират според принципа на работа, те могат също да бъдат категоризирани и наименувани въз основа на метода на задвижване, структурата, целта и естеството на транспортираната течност.
Съществуват сложни взаимозависими промени между различните работни параметри на помпата и тези връзки могат да бъдат интуитивно показани чрез характерни криви. Всяка помпа има своя собствена уникална характеристична крива, отразяваща нейните специфични работни характеристики. Като механично устройство за транспортиране на течности или увеличаване на налягането на течности, помпата прехвърля механичната енергия на главния двигател или друга външна енергия към течността, като по този начин постига увеличаване на енергията на течността.
II. Определение и исторически произход на помпата
Помпата, механично устройство за транспортиране на течности или увеличаване на налягането на течности, има история, датираща от древни времена. Най-общо казано, помпата не се използва само за транспортиране на течности, но включва и определени механични устройства, специално проектирани за транспортиране на газове. Чрез прехвърляне на механичната енергия на главния двигател или енергията на други източници към течността, помпата постига увеличаване на енергията на течността.
Нарастващото търсене на повдигане на вода от хората доведе до появата на различни устройства за повдигане на вода. Например верижната помпа в Египет е изобретена около 1700 г. пр. н. е., докато Китай разполага с древни инструменти за повдигане на вода като лостове, брашпили и водни колела. В древна Гърция Архимед изобретява винтовия прът през 3-ти век пр. н. е., поставяйки основата за по-късна помпена технология.
С течение на времето древногръцкият майстор Ктесибий изобретил примитивната бутална помпа - пожарогасителната помпа - около 200 г. пр.н.е. След това, през 1588 г., има запис на помпата с плъзгащи се лопатки с 4 остриета, отбелязвайки първоначалното развитие на ротационната помпа. През 1689 г. Д. Папан от Франция прави нововъведения и изобретява спиралната центробежна помпа с 4-лопаткови работни колела.
През 18 век в Съединените щати последователно се появяват центробежни помпи с радиални прави лопатки, полу{1}}отворени двойно-смукателни колела и спирали, както и бутални помпи, задвижвани директно от пара. Тези иновации допринесоха за формирането и развитието на съвременната помпена технология.
С непрекъснатия напредък на технологиите между 1840 и 1850 г. Х. Р. Уорсингтън от Съединените щати изобретява парна бутална помпа с директно-действие, като цилиндърът на помпата и парният цилиндър са разположени един срещу друг, полагайки основата за подобряване на съвременните бутални помпи. А от 1851 до 1875 г. раждането на много-стъпалните центробежни помпи направи възможно разработването на високо-напорни центробежни помпи.
Оттогава непрекъснато се появяват различни нови видове помпи, като ефективността постепенно се подобрява, а обхватът на производителност и области на приложение също стават все по-обширни.
III. Класификация на помпите
Помпите, които се използват широко в различни области, се предлагат в голямо разнообразие от видове и се класифицират по много начини. Според техния принцип на работа помпите могат да бъдат разделени основно на три категории:
Първо, има обемна помпа, известна също като помпа с работно колело или лопаткова помпа. Този тип помпа използва въртящо се работно колело, за да приложи сила към течността, като непрекъснато пренася енергия към течността и увеличава нейната кинетична енергия и налягане. Впоследствие кинетичната енергия се преобразува в енергия на налягането през изпускателната камера. Обемните помпи включват центробежни помпи, помпи с аксиален поток, помпи с частичен поток и вихрови помпи, наред с други.
Следващият тип е обемната помпа. Този тип помпа предава енергия чрез периодична промяна на обема на затвореното работно пространство, като по този начин повишава налягането на течността и я принуждава да бъде изпразнена. Обемните помпи могат допълнително да бъдат класифицирани на бутални помпи и ротационни помпи въз основа на формата на движение на работните елементи.
Освен това има и други видове помпи, които пренасят енергия по уникален начин. Например струйните помпи разчитат на високо{1}}скоростната струя на работния флуид, за да изтеглят и смесват флуида, който трябва да се транспортира, постигайки пренос на енергия чрез обмен на импулс; диафрагмените помпи и помпите с воден удар използват ефекта на водния удар по време на спиране за пренос на енергия; докато електромагнитните помпи постигат транспортиране на флуид чрез поток от течен метал под въздействието на електрически ток и електромагнитна сила.
Освен това помпите могат да бъдат допълнително класифицирани въз основа на свойствата на транспортираната течност, метода на задвижване, структурата и целта.
IV. Приложения на помпи в различни области
Обхватът на производителността на помпите е обширен, вариращ от гигантски помпи с дебит от няколкостотин хиляди кубически метра на час до миниатюрни помпи с дебит по-малък от няколко децилитра на час; техният обхват на налягане също може да варира от нормално налягане до 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) или повече. Освен това температурата и видът на транспортираната течност също се различават, като вода (чиста вода, канализация и др.), масло, киселини и основи, суспензии и течни метали и др.
В производството на химическия и петролния сектор помпите играят решаваща роля. Тъй като суровините, полу{1}}завършените продукти и крайните продукти са предимно течности, в тези сложни процеси помпите не само транспортират течностите, но и осигуряват налягането и потока, необходими за химичните реакции. В същото време те се използват и в много устройства за регулиране на температурата.
В селскостопанското производство помпите са основните машини за напояване и отводняване. Селските райони в нашата страна са огромни и всяка година са необходими голям брой помпи за подпомагане на селскостопанското производство. Най-общо казано, селскостопанските помпи представляват половината от общата продукция на помпите.
Минната и металургичната промишленост също са важни области на приложение на помпите. В тези индустрии процеси като отводняване на мини, обработка на минерали, топене и валцуване изискват поддръжка от помпи.
В енергийния сектор, независимо дали става въпрос за атомна електроцентрала или топлоелектрическа централа, помпите играят решаваща роля. Атомните електроцентрали се нуждаят от главни помпи, вторични помпи и третични помпи, за да осигурят стабилна работа на ядрените реакции; докато топлоелектрическите централи разчитат на голям брой захранващи помпи за котли, кондензни помпи, циркулационни помпи и помпи за шлака и пепел, за да поддържат нормалната работа на електроцентралата.
Отбранителното строителство също не може без прилагането на помпи. Регулирането на задкрилките на самолетите, кормилата и колесниците, въртенето на кули на военни кораби и танкове, както и потапянето и издигането на подводници, всичко това изисква помпи за осигуряване на необходимата мощност и функции за настройка. Освен това, за някои високо{2}}налягане и радиоактивни течности по време на транспортиране и обработка, изискването за работа на помпата-без течове е изключително високо.
В корабостроителната индустрия стотици различни типове помпи се използват на всеки океански плавателен-съд. От витловите помпи, които задвижват кораба, до различни помпи, които поддържат околната среда в кабините на кораба, всички те са незаменими. Освен това системите за водоснабдяване и отводняване в градовете, водата, използвана от парни локомотиви, смазването и охлаждането в машинните инструменти, транспортирането на багрила в текстилната промишленост и транспортирането на мляко и захарни продукти в хранително-вкусовата промишленост, всички разчитат на поддръжката на помпи.
В заключение, помпите са повсеместни в различни области, включително космическото пространство, военното оборудване, индустриалното производство и ежедневието, и играят незаменима роля. Следователно помпите се класифицират като общи машини и се превръщат в незаменим и важен продукт в машинната индустрия.
V. Основни параметри на помпите
Помпите, като важен компонент от общите машини, тяхната производителност пряко влияе върху оперативната ефективност в различни сценарии на приложение. За да разберем напълно работата на помпите, първо трябва да се съсредоточим върху няколко ключови основни параметъра. Тези параметри не само отразяват присъщите характеристики на помпите, но и предоставят решаващи насоки за техния избор и приложение.
1. Дебит Q
Дебитът е важен показател за измерване на количеството течност, която една помпа може да пренесе за единица време, обикновено изразена като обем или маса. Обемният дебит се обозначава с Q и неговите единици включват m3/s, m3/h и l/s и т.н. Докато масовият дебит е представен с Qm, а неговите единици са t/h, kg/s и т.н. Връзката между тези две може да се установи чрез формулата Qm=ρQ, където ρ представлява плътността на течността. За вода при нормална температура нейната плътност ρ е приблизително 1000 kg/m3.
2. Глава H
Напорът се отнася до увеличаването на енергията в единица тегло течност след изпомпването й от помпата от входа на помпата (т.е. входящия фланец на помпата) до изхода (т.е. изходния фланец на помпата). Това е еквивалентно на ефективната енергия, получена от един нютон течност при преминаване през помпата. Мерната му единица е N·m/N, която също е известна като метри. Той представлява височината на течния стълб, който помпата изпомпва, и затова се нарича просто метри.
3. Скорост на въртене n
Скоростта се отнася до броя на завъртанията на вала на помпата в рамките на единица време, обикновено се обозначава със символа n, а нейната единица е обороти в минута (r/min).
4. Марж на смукателната глава
Маржът на смукателната височина, известен също като нетна положителна смукателна височина, е ключов параметър за измерване на ефективността на кавитацията. В Китай този параметър преди това беше представен от Δh.
5. Мощност и ефективност
Мощността на помпата обикновено се нарича входяща мощност, която е мощността, прехвърлена от главния двигател към вала на помпата и е известна също като мощност на вала, обозначена с P. Ефективната мощност на помпата или изходната мощност е представена с Pe и измерва ефективната енергия, получена от течността, изпускана от помпата в рамките на единица време.
Заслужава да се отбележи, че главата точно представлява тази ефективна енергия. По-конкретно, главата се отнася до ефективната енергия, която единица тежка течност получава, когато се изпомпва от помпата. Следователно, чрез умножаване на напора, масовия дебит и гравитационното ускорение, можем да изчислим ефективната енергия, която единица течен изход от помпата придобива за дадено време, което е ефективната мощност на помпата:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Сред тях ρ представлява плътността на течността, изпомпвана от помпата (kg/m³), е специфичното тегло на течността, изпомпвана от помпата (N/m³), Q е дебитът на помпата (m³/s), H е напорът на помпата (m) и g е гравитационното ускорение (m/s²).
Разликата между мощността на вала P и ефективната мощност Pe представлява загубата на мощност в помпата. За да определим количествено тази загуба, въвеждаме концепцията за ефективност на помпата, която се изразява като съотношението на ефективната мощност към мощността на вала и се обозначава с η.
VI. Дефиниране и преобразуване на трафик
Дебитът, който е обемът на течността, изхвърлена от помпата за единица време, се обозначава с Q. Неговите единици включват кубични метри на час (m3/h), литри в секунда (l/s) и т.н. Струва си да се отбележи, че 1 литър в секунда е еквивалентен на 3,6 кубични метра в час, което също е равно на 0,06 кубични метра в минута или 60 литра в минута. Освен това можем да изчислим изпомпваното тегло на час, като използваме скоростта на потока и специфичното тегло на течността, означено с G, където ρ представлява специфичното тегло на течността. Например, ако дадена помпа има дебит от 50 кубически метра на час, когато изпомпваме вода, искаме да знаем колко тегло може да се изпомпва на час? Ако приемем, че специфичното тегло на водата ρ е 1000 килограма на кубичен метър, можем да изчислим с помощта на формулата G=Qρ, което води до резултат от 50 000 килограма на час, или 50 тона на час.
VII. Определение и преобразуване на главата
Напорът, който е енергията, получена от единица тегло течност, преминаваща през помпа, се обозначава с H и се измерва в метри (m). Тя включва смукателната височина и е приблизително равна на разликата в налягането между изхода на помпата и входа. Междувременно налягането на помпата се представя с P и се измерва в Mpa (мегапаскали). Струва си да се отбележи, че има определена връзка на преобразуване между напор и налягане. Специфичната формула е H=P/ρ, където ρ е специфичното тегло на течността. Например, когато P е 1 kg/cm², можем да използваме формулата, за да изчислим, че H е приблизително 10 метра.
1 Mpa е равен на 10 kg/cm². Напорът H може да се изчисли с помощта на формулата H=(P2 - P1) / ρ, където P2 представлява изходното налягане, P1 представлява входното налягане, а ρ е специфичното тегло на течността.
След това ще обсъдим понятията граница на кавитация и повдигане на засмукване, както и техните мерни единици. Кавитацията се отнася до явлението, при което по време на работа на помпа течността на входа на работното колело генерира пара поради вакуумното налягане. Тези изпарени мехурчета, при удар с течните частици, причиняват ерозия на металните повърхности като работното колело, като по този начин увреждат тези метални компоненти. Това вакуумно налягане е известно като налягане на изпаряване. Маржът на кавитация, от друга страна, се отнася до енергията, която единица тегло течност на входа на помпата притежава над налягането на изпарение. Измерва се в метри и обикновено се обозначава с NPSHr.
Всмукателната височина, известна още като необходимата граница на кавитация Δh, е степента на вакуум, при която помпата може да засмуква течност. Това е разрешената монтажна височина на помпата и нейната мерна единица също е метри. Формулата за изчисляване на смукателната височина е: Смукателна височина=Стандартно атмосферно налягане - Граница на кавитация - Марж на безопасност. Сред тях височината на вакуума на тръбопровода, генерирана от стандартното атмосферно налягане, е 10,33 метра, а границата на безопасност обикновено се приема като 0,5 метра.
Например, за определена помпа, нейната необходима височина на засмукване е 4,0 метра. Можем да използваме горната формула, за да изчислим неговата височина на засмукване Δh. Резултатът от изчислението е: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 метра.
VIII. Феноменът кавитация на помпата и неговите причини
1. Определение за кавитация
Когато една течност достигне определена температура, нейното налягане пада до налягането на изпаряване, съответстващо на тази температура. В този момент в течността ще се образуват мехурчета. Това явление е известно като кавитация.
2. Кавитационен колапс
По време на процеса на кавитация генерираните мехурчета, докато течността тече към зоната с високо-налягане, ще се свият бързо поради внезапното повишаване на налягането и в крайна сметка ще се спукат в течността. Това явление се нарича кавитационен колапс.
3. Причини и опасности от кавитация
По време на работа на помпата, ако определени зони от канала на потока (като позицията малко зад входа на лопатките на работното колело) изпитват специфична причина, която кара абсолютното налягане на изпомпваната течност да падне под налягането на изпаряване при тази температура, течността започва да се изпарява в тази точка, образувайки голям брой мехурчета. Когато течността, съдържаща тези мехурчета, навлезе в зоната с високо-налягане на работното колело, мехурчетата бързо се свиват под действието на течността под високо-налягане и в крайна сметка се пукат. Този процес е особено очевиден при потопяемите помпи. Кондензацията и спукването на мехурчетата се придружава от бързо запълване на кухини от течни частици при изключително високи скорости, което води до силен воден удар. Този воден удар удря металната повърхност с висока честота на удара, като ударното напрежение достига стотици до хиляди атмосфери, а честотата на удара може дори да достигне десетки хиляди пъти в секунда. Повърхностите на стените, които са подложени на такива въздействия за дълго време, могат да бъдат силно ерозирани и дори да се получи перфорация.
4. Процесът и ефектите от кавитацията
В една помпа кавитацията е сложен процес, включващ образуването, развитието и свиването на мехурчета. Когато определени зони от секцията на потока на помпата изпитват специфични условия, които причиняват падане на абсолютното налягане на течността под налягането на изпаряване, течността започва да се изпарява, образувайки голям брой мехурчета. Тези мехурчета, когато течността навлезе в зоната с високо-налягане на работното колело, бързо се свиват под ефекта на високо-налягане и в крайна сметка се разкъсват. Тази поредица от процеси не само причинява сериозни щети на компонентите на потока, но също така генерира неприятен шум и вибрации, като по този начин значително намалява производителността на помпата. В тежки случаи кавитацията може дори да причини прекъсване на подаването на течност в помпата, което да повлияе на нормалната работа на помпата.
IX. Каква е характеристичната крива на помпата?
Характеристичната крива на помпата, известна още като крива на производителността, по същество изобразява връзката между основните параметри на производителността на центробежната помпа. Тези криви се получават чрез действителни измервания и визуално представят модела на движение на течността в помпата. Характеристичните криви включват кривите на скоростта на потока и напора (Q-H), скоростта на потока и ефективността (Q-η), скоростта на потока и мощността (Q-N) и скоростта на потока и границата на височината на изпаряване (Q-NPSHr). Тези криви са от решаващо значение за разбирането на работното състояние на помпата, тъй като за всяка дадена точка на дебита набор от съответстващи стойности за напор, мощност, ефективност и граница на изпаряване на височина могат да бъдат намерени на кривата и този набор от параметри се нарича работно състояние или работна точка. По-специално, работната точка при най-висока ефективност на центробежната помпа се нарича оптимална работна точка и обикновено е и проектната работна точка. Разбирането на тези параметри на производителност е от решаващо значение за осигуряване на нормална работа и-енергоспестяваща ефективност на помпата.
11. Как се определя ефективността на една помпа? Каква е формулата му?
Ефективността на една помпа се определя като съотношението на ефективната мощност към мощността на вала, представено със символа η, а нейната формула за изчисление е η=Pe/P. Тук Pe представлява ефективната мощност на помпата, а P се отнася до мощността на вала на помпата, тоест мощността, предавана от главния двигател към вала на помпата. Ефективната мощност е произведение от напора на помпата, масовия дебит и гравитационното ускорение и нейната формула е Pe=ρg QH (във ватове) или Pe=QH/1000 (в киловати). Освен това ρ представлява плътността на течността, транспортирана от помпата, е специфичното тегло на течността (=ρg), а g е гравитационното ускорение. В същото време масовият дебит Qm може да се получи чрез умножаване на плътността ρ по дебита Q, с единици тонове на час или килограми в секунда.
12. Какво е тестов стенд за пълна производителност на помпа?
Стендът за изпитване на пълна производителност за помпи е усъвършенствано оборудване, способно да тества прецизно различни параметри на производителността на помпите. Той отговаря на националните стандарти и има B-ниво на точност, което гарантира точността на резултатите от теста. Този тестов стенд е оборудван с прецизни инструменти, включително разходомер с червячна предавка за измерване на потока, прецизен манометър за измерване на налягането, вакуумметър за измерване на смукателната височина и аксиална машина за мощност за измерване на мощността. Освен това се използва и скоростомер за точно определяне на скоростта на помпата. Чрез съвместното действие на тези прецизни инструменти можем да получим пълния набор от работни параметри на помпата, като по този начин цялостно оценим нейната работа.
