离心泵的基本理论和工作原理(上)

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发布日期:2022-12-29 14:28
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前言

本文将从一个没有经验的人的角度来探讨泵的基本理论和工作原理。基于从事泵行业50年的经验,我认为这可能是一个很好的方式来解释泵可靠性道路上的坑洼。如果你读过我的专栏,你会对其中的许多评论感到熟悉。

图1:不同比重介质扬程和压力之间的关系

图2:不同比重介质扬程与压力之间的关系

先有系统再有泵

我的建议是首先设计系统以满足工艺(流程)要求,然后选择最适合系统的泵。是系统告诉泵该做什么,而不是相反。你不能购买某个流量X和扬程/压力Y的泵,然后期望该泵能够按照这些参数运行。本文不会指导你如何设计系统。我个人认为,几乎所有的泵问题都发生在泵的吸入侧(我估计大约占80 %)。这主要是由于一个常见的误解,即泵会将液体“吸入”到泵中,实际的情况是普通离心泵根本做不到这一点。系统的吸入部分必须提供将液体输送至泵所需的能量,这通常是通过重力或大气压力来实现的。

如果正在对仍然存在问题的现有泵进行故障诊断与排除,则该泵可能使用不当。责怪泵制造商更容易,但这并不能解决问题。审查系统设计规范并查看泵的性能。“不良”泵的尺寸可能不适合于应用工况。

第一件事

在了解泵送的实际液体之前,让我们讨论一下为什么大多数泵的额定压力单位是扬程(英尺或米),而不是压力(psi、bar – 表压)。我能解释这一点的最简单方法是,无论流体、密度和相关温度如何(假设为牛顿非粘性液体),离心泵的性能 - 额定扬程是可预测、可测量和一致的。如果你是在65 °F(18℃)的温度下泵送清洁水,那么这不会是一个问题。但当水温变化时,密度和性能(压力)也会随之变化。

例如:泵在50 psi的压力下输送常温水,因此相应的扬程为115英尺。如果液体是类似碳氢化合物的柴油燃料【比重(SG) = 0.70】,相应的压力将为35 psi。如果液体是苛性钠溶液,如SG为1.2的氢氧化钠,则压力为60 psi。无论三种不同的流体和同一台泵产生的(不同)压力如何,扬程始终保持在115英尺处不变。

如果以适当的单位表示,扬程和压力可以互换使用。这种关系如公式1以及图1和图2所示。

(psi) (2.31) = (SG) (feet) 公式1

要泵送的液体

流动特性

许多泵的问题都是因为在选择过程中有人认为所有的液体都是一样的。在解决问题的过程中,我总是问用户液体是什么及其物理性质。如果你所要做的就是在环境温度下泵送干净的水,那么生活就是美好的。否则,请注意,在65 - 70 °F(18至21 ℃)的温度下泵送清水以外的任何液体可能需要改进泵、使用不同的泵甚至不同类型的系统。例如:

固体

如果液体中存在固体,带闭式叶轮的标准泵可能无法工作。必须选择能够通过固体而不堵塞叶片的叶轮(和相关泵),叶轮的几何设计和结构材料应能减轻夹带固体带来的指数级磨损。如果存在固体,请考虑更坚固或开式叶轮设计、嵌入式叶轮泵或渣浆泵。我将此文章保留在离心泵领域,但作为一个例外,你可能还需要考虑螺杆泵或其它类型的容积泵。

如果泵将处理悬浮固体,则应谨慎选择材料。渣浆应用的流变性可能非常大,我建议你研究更硬的材料,例如高铬铁或像CD4MCu一样加工硬化的材料。根据渣浆中固体的类型和大小,也可以考虑使用橡胶衬里的泵。

pH值

如果液体是pH值较低的酸性溶液,则标准泵材料可能无法承受。腐蚀始终是你的敌人,但酸性溶液,尤其是同时伴随着温度较高时,会加剧和加速破坏性过程。咨询制造商或知识渊博的材料人员,使材料与液体特性相匹配。

酸溶液通常需要更高的贵金属,并且应用越保守,贵金属使用量和成本就越高。300系统奥氏体不锈钢是一个良好的开端,但要检查兼容性,因为应用可能需要20号合金、哈氏合金、蒙乃尔合金或钛。

此外,泵送介质可能需要非金属泵。解决方案可以是氟塑料,如全氟烷氧基/聚四氟乙烯(PFA/PTFE)衬里的非金属和/或磁力驱动泵。有时,非金属或磁力驱动泵可能比具有相关机械密封和支持系统的高合金金属泵便宜。

密度和比重

单位体积液体的质量称为液体的密度。比重(SG)是液体密度与(在标准大气压下、4℃时)纯水密度的比值。SG本身可能不是泵的问题,但相关的驱动电机会注意到(液体的SG将对所需功率产生直接影响)。

例如,计算一台额定工况下扬程为160 ft、流量为500 gpm、效率为75 %的泵所需的BHP。首先,用SG1.0的液体计算BHP,然后将SG更改为1.3。SG的差异将使BHP从27变为35。如果你有一台30 hp的电机来驱动泵,即使在工作系数下运行,也会导致过载跳闸。

泵的氪石:粘度

粘度是离心泵的氪石。在1到100厘泊(cP)的较低粘度范围内,对泵的性能有一些明显的负面影响,但在较高粘度下,泵性能将显著恶化。泵的性能曲线以水为基础,如果要泵送的流体比水更粘稠,则必须对性能进行修正。请咨询制造商以获取此信息。粘度增加的主要负面影响是泵效率,但流量和扬程同样会受到负面影响。在30到40 cP或更高时,需要进行粘度修正,否则可能会产生不利的性能影响。在5到10 cP的范围内,你至少必须意识到这些影响,无论多么轻微。

泵效率的降低和为达到所需扬程和流量的水基工况点所需的粘度修正都需要更大的马力。因此,需要更大功率的驱动机(电机)。然而,泵动力支架可能无法承受因粘度引起的额外的功率和扭矩要求。所有泵都有轴和轴承架BHP限制,在处理粘度流体时必须对相关零件(强度等)进行校核。

如果泵送介质的粘度接近2000 cP,并且你仍在考虑使用离心泵,请重新考虑并使用容积泵。

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