Zařízení, princip činnosti, provozní řád a charakteristika pohonu vírového čerpadla
Vortexová čerpadla jsou třecí stroje. Oběžné kolo vírového čerpadla je podobné kolu odstředivého čerpadla, nasává kapalinu z vnitřku kanálu a čerpá ji ven, čímž vzniká podélný vír. Při průchodu kapaliny oběžným kolem ve vířivém čerpadle, jako u odstředivého čerpadla, se zvyšuje kinetická energie kapaliny (zvyšuje se její rychlost) a potenciální energie tlaku.
Pracovním tělesem čerpadla je oběžné kolo s radiálními nebo šikmými lopatkami. Kolo se otáčí ve válcovém pouzdře s malými koncovými mezerami.
Kapalina vstupuje do kanálu sacím otvorem, pohybuje se podél něj s oběžným kolem a je vypuzována výstupním otvorem.
Vírové čerpadlo má ve srovnání s odstředivým čerpadlem následující výhody: tlak, který vytváří, je 3-7krát větší při stejné velikosti a rychlosti oběžného kola; design je jednodušší a levnější; má samonasávací schopnost; může pracovat na směsi kapaliny a plynu; napájení je méně závislé na protitlaku sítě. Nevýhodou čerpadla je nízká účinnost, která v provozním režimu nepřesahuje 45 %, a nevhodnost pro dodávání kapaliny obsahující abrazivní částice (protože to vede k rychlému opotřebení stěn koncových a radiálních mezer a v důsledku toho k poklesu v tlaku a účinnosti).
Vortexová čerpadla se obvykle používají, když je potřeba vytvořit velký tlak při nízkém průtoku. Proto jsou široce používány v chemickém průmyslu pro dodávky kyselin, zásad a dalších chemicky agresivních činidel, kde jsou při nízkých průtokech (nízká rychlost chemických reakcí) vyžadovány vysoké tlaky (hydraulický odpor reaktorů a tlak, při kterém reakce probíhají jsou vysoké). Stroje Vortex se používají jako vývěvy a nízkotlaké kompresory. V posledních letech našly uplatnění v systémech čerpání zkapalněného plynu.
Obr. 3. Schéma vírového čerpadla. 1 – oběžné kolo; 2 – lopatka; 3 – tělo; 4 – sací otvor; 5 – vývod.
Pracovním tělesem vírového čerpadla je oběžné kolo 1 s radiálními nebo šikmými lopatkami (obr. 4), uložené ve válcovém pouzdře s malými koncovými mezerami. V bočních a obvodových stěnách tělesa je soustředný kanál 2, začínající u sacího otvoru a končící u výtlačného. Kanál je přerušen propojkou 4, která slouží jako těsnění mezi tlakovou a sací dutinou. Kapalina vstupuje do kanálu sacím potrubím 5, je jím poháněna oběžným kolem a jde do tlakového potrubí 3.
Obr. 4. Schéma vírového čerpadla uzavřeného typu.
Dopravní výška vírového čerpadla je 3–7krát větší než u odstředivého čerpadla se stejnými rozměry a rychlostí. Většina vírových čerpadel je samonasávacích, tj. mají schopnost nasávat kapalinu při spuštění bez předplnění sacího potrubí. Mnoho periferních čerpadel může pracovat se směsí kapaliny a plynu. Nevýhodou vírového čerpadla je nízká účinnost, nepřesahující 45 %. Nejběžnější provedení mají účinnost 35-38%. Nízká účinnost brání použití vírového čerpadla při vysokých výkonech. Vortexová čerpadla jsou vyráběna pro dodávku do 12 l/s. Dopravní výška vírových čerpadel dosahuje 240 m, výkon 25 kW, rychlostní faktor ns=6?40. Počet otáček vírového čerpadla, stejně jako lopatkového čerpadla, je omezen pouze kavitačními jevy. Proto lze čerpadlo přímo připojit k elektromotoru. Vortexová čerpadla se používají:
1. v chemickém průmyslu pro dodávky kyselin, zásad a jiných chemicky agresivních činidel. Zde jsou obvykle vyžadována čerpadla s nízkými průtoky a vysokými tlaky (maximální rychlost chemických reakcí, vysoké hydraulické odpory reaktorů a tlaky, při kterých k reakcím dochází). Vzhledem k jednoduché konstrukci pracovních těles vírových čerpadel je možné používat chemicky odolné plasty, ale i kovy obtížně obrobitelné a odlévané;
2. pro čerpání těkavých kapalin (benzín, alkohol, éter atd.). Odpařování lehkých frakcí těchto kapalin vede k tomu, že do čerpadla je nasávána směs kapaliny a páry. Vírové čerpadlo, na rozdíl od odstředivého čerpadla, může pracovat s takovou směsí. Vírová čerpadla se používají zejména na letištích a čerpacích stanicích pro automobily, jakož i v tankerech leteckého paliva. V těchto případech je vyžadována rychlá připravenost čerpadla ke spuštění s častými zastávkami a spolehlivý provoz za přítomnosti vzduchu nebo páry v potrubí. Vírové čerpadlo, které je samonasávací a může pracovat se směsí kapaliny a plynu, tyto požadavky splňuje. Provoz čerpadla v uvažované oblasti je krátkodobý, takže hodnota účinnosti je nevýznamná;
3. pro dodávání kapalin nasycených plyny, jako jsou kapaliny obsahující velké množství rozpuštěného plynu, který se uvolňuje při průchodu oblastí se sníženým tlakem; pro čerpání kapalin s vysokým tlakem par (např. propan, butan) při kladné sací výšce z nádrže, ve které je tlak roven tlaku nasycených par. V druhém případě se kapalina při stoupání sacím potrubím částečně odpařuje, její teplota klesá a následně klesá tlak nasycených par. Tím se zpomalí proces odpařování, ale do čerpadla se dostane směs kapaliny a páry;
4. v malých automatických čerpacích stanicích, například pro venkovské zásobování vodou. Odstředivá čerpadla jsou zde málo použitelná, protože obvykle je vyžadován nízký průtok a vysoká dopravní výška; pístová čerpadla jsou drahá, objemná a také nejsou vhodná kvůli tomu, že provozní podmínky brání automatizaci;
5. ve veřejných čerpacích aplikacích, jako jsou pomocná čerpadla pro zásobování vodou a čerpadla pro mytí aut. Vyžaduje nízké posuvy a vysoké tlaky;
6. namísto vodních prstencových kompresorů jako vývěvy a nízkotlakých kompresorů;
7. jako napájecí čerpadla pro malé pomocné kotelny.
Podle typu oběžného kola se vířivá čerpadla dělí na uzavřené a otevřené typy. Čerpadla uzavřeného typu (viz obr. 4) mají krátké lopatky oběžného kola. Jejich vnitřní poloměr se rovná vnitřnímu poloměru kanálu. Kapalina je přiváděna ze sacího potrubí přímo do kanálu. U čerpadel otevřeného typu (obr. 3) je vnitřní poloměr lopatek menší než vnitřní poloměr kanálu. Kapalina je přiváděna ze sacího potrubí 1, vstupuje do přívodu 2, ze kterého je přiváděna přes sací okénko 3 na lopatky oběžného kola 4 a dále vstupuje do kanálu 5. Její kavitační vlastnosti závisí na typu kola, jako např. stejně jako jeho samonasávací schopnost a schopnost pracovat na směsi plyn-kapalina. Dále je kapalina hnána kanálem oběžným kolem a tlakovým otvorem 8 jde do výstupu 6 a tlakového potrubí 7.
Obr. 5. Schéma vírového čerpadla otevřeného typu.
Pro určení hydraulického výkonu vírového pracovního procesu NB, zvažte rovnováhu kapaliny v kanálu. Na (viz obr. 6) je znázorněn vývoj průřezu kanálu válcem koaxiálním s čerpadlem. Na tekutinu v kanálu působí tlakové síly ve vstupní části kanálu FB a ve výstupní části kanálu FH, obvodová složka třecích sil tekutiny o stěnu kanálu FU a síla FK, kterou oběžné kolo působí na tekutinu v kanál. Vezmeme-li v úvahu, že momenty rychlostí tekutiny ve vstupní a výstupní části kanálu jsou téměř stejné, získáme moment sil, kterými oběžné kolo působí na tekutinu v kanálu:
MK u1d (FH – FB + FИ) Rc.t, (rovnice XNUMX)
kde Rc.t je poloměr těžiště sekce kanálu.
Vynásobením rovnice (1) úhlovou rychlostí oběžného kola W0 získáme
NB = СH – СB + (FИ / S)) SИ( (Rovnice 2)
kde cH – cB + FU / S = rHT (HT je teoretická výška vírového pracovního procesu; cB a cH jsou tlak na vstupu a výstupu kanálu); u = WORc.t; S je plocha průřezu kanálu.
Obr. 6. Vývoj úseku kanálu vírového čerpadla.
Tlak udělovaný kapalině v důsledku vírového pracovního procesu se rovná: H uXNUMXd (cH – cB ) / g. Pokud QK je průtok tekutiny procházející kanálem vírového čerpadla, pak síla pracovního procesu víru se rovná:
Vezmeme-li v úvahu přítomnost objemových ztrát v těsněních kanálu zO.K, ztráty v důsledku netěsností přes těsnění přepážky zO, hydraulické ztráty kanálu zG.K, jakož i ztráty vírového pracovního procesu zR. P, získáme:
zG.K zO zO.K zR.P = Q / us.
Optimální režim vírového pracovního procesu se získá při Q ? 0,5 us. Navíc, pokud zO zO.K zR.P = 0,5, pak maximální celková účinnost vírového čerpadla s max.
Charakteristiku vírového čerpadla, znázorněnou na (obr. 7), lze přepočítat pro jinou rychlost a jiné velikosti podle vzorců pro přepočet teorie hydrodynamické podobnosti.
Obr. 7. Charakteristika vírového čerpadla.
Většina periferních čerpadel je samonasávací. Pro samonasávání musí být čerpadlo před spuštěním naplněno malým množstvím kapaliny. Stačí i množství kapaliny, které v čerpadle zůstane po předchozím spuštění.
Podmínky pro vstup tekutiny k lopatkám oběžného kola otevřeného vírového čerpadla a lopatkového čerpadla se liší jen málo. Proto je teorie kavitace lamelových čerpadel použitelná i pro vírová čerpadla otevřeného typu.
U čerpadel uzavřeného typu je kapalina dodávána přímo do kanálu. V důsledku toho vstupuje do oběžného kola s větším poloměrem, při vysokých obvodových a relativních rychlostech. Proto jsou kavitační vlastnosti uzavřených vírových čerpadel velmi nízké. Pohyb ve vstupní části kanálu čerpadla uzavřeného typu je složitý, protože podélný vír je superponován na pohyb tekutiny ze sacího potrubí do kanálu. Analytický výpočet kavitačních vlastností čerpadla uzavřeného typu je proto v současné době nemožný. Pro zlepšení kavitačních vlastností čerpadla uzavřeného typu je před vírové oběžné kolo připojen odstředivý stupeň. Takové čerpadlo se nazývá odstředivé vírové čerpadlo.
Provozní režim vírového čerpadla je určen bodem A (obr. průsečík charakteristiky čerpadla (křivka 2) a charakteristiky sítě (křivka 1). Nejběžnějším způsobem změny provozního režimu vírového čerpadla je regulace škrcení, při které se změna režimu provádí změnou otevření regulačního ventilu instalovaného na tlakovém potrubí, v důsledku čehož se mění charakteristika sítě. Pro snížení průtoku z QA na QB je nutné uzavřít regulační ventil tak, aby charakteristika sítě procházela bodem B. Při snížení průtoku čerpadla škrcením se zvýší příkon (viz charakteristika čerpadla), takže regulace vírové čerpadlo není ekonomicky životaschopné.
Obr. 8. Stanovení pracovního bodu při škrcení vírového čerpadla.
Výhodnějším způsobem řízení dodávky vírového čerpadla je bypassové řízení (obr. 9b). K tomu jsou tlakové a sací potrubí čerpadla propojeny volným potrubím s nainstalovaným regulačním ventilem. Chcete-li snížit průtok v instalaci, otevřete ventil, díky čemuž se část kapaliny dodávané čerpadlem vrací výstupním potrubím zpět do sacího potrubí a průtok kapaliny ve vnější síti se sníží.
Obr. 9. Schémata pro regulaci dodávky vírového čerpadla.
a – škrcení; b – bypass.
Jednou z výhod řízení bypassu oproti řízení škrcení je možnost použít k pohonu čerpadla menší motor. Při regulaci obtokem se volí výkon motoru podle výkonu odebíraného čerpadlem se zcela uzavřeným obtokem, při škrcení – podle výkonu odpovídajícího nulovému průtoku.
Vortexová čerpadla
Vírové čerpadlo je dynamické třecí čerpadlo, ve kterém se pracovní tekutina pohybuje po obvodu oběžného kola v tangenciálním směru.
Konstrukce vírového čerpadla
Existují dva hlavní typy periferních čerpadel: otevřený a uzavřený typ. Zvažte konstrukční schémata těchto čerpadel.
Uzavřené vířivé čerpadlo
Konstrukční schéma čerpadla je na obrázku.
Oběžné kolo 1 s malými mezerami je instalováno v plášti 2 vířivého čerpadla. Těleso má také speciální soustředný kanál 3, umístěný po obvodu kružnice popsané lopatkami od přívodního potrubí 4 k výtlačnému potrubí 5. Soustředný kanál je rozdělen propojkou 6, která neumožňuje proudění kapaliny tlakové potrubí k sacímu potrubí. Lopatky oběžného kola přenášejí energii kapaliny, která se vlivem setrvačných a třecích sil přesouvá ze sacího potrubí do výtlačného potrubí.
Otevřete zařízení vířivého čerpadla
Schéma čerpadla s otevřeným vírem je znázorněno na obrázku.
Pracovní kapalina vstupuje na lopatky oběžného kola 1 přes vstup 2 a okénko 3. Prostřednictvím oběžného kola vstupuje kapalina do prstencového kanálu 4, vytvořeného ve skříni 5. Pod vlivem lopatek oběžného kola se kapalina pohybuje podél prstencového kanálu a otvorem 6 vstupuje do tlakového potrubí 7.
Princip činnosti vírového čerpadla
Vírové čerpadlo je dynamické, což znamená, že pohyb tekutiny v něm se uskutečňuje v důsledku sil setrvačnosti a tření. Z oběžného kola se přenáší energie na částice kapaliny, která proudí profilovanými kanály ze sacího potrubí do výtlačného potrubí.
Pracovní kolo
Lopatky oběžného kola vírového čerpadla jsou profilovány tak, že při pohybu je kapalina směrována z vnitřní části kanálu do vnější, přičemž získává obvodovou složku rychlosti.
Dochází k aktivnímu promíchávání kapaliny vycházející z oběžného kola a proudící kanálem vlivem setrvačných sil. V důsledku interakce částic s různou rychlostí a směry pohybu vznikají intenzivní víry, které vedou ke značným energetickým ztrátám.
Pro eliminaci podélné síly vyplývající z rozdílu tlaků v axiálních vůlích je použito symetrické oběžné kolo.
Vlastnosti
- Hlava – až 25 m
- Dodávka – do 12 l/s
- Výkon – až 25 kW
- Účinnost – 35 %
Pohled na hlavní charakteristiky vírového čerpadla je na obrázku.
Ztráta energie ve vířivém čerpadle
Hydraulické ztráty ve vířivém čerpadle jsou velké a představují až 30 % energie na hřídeli čerpadla. Tyto ztráty vznikají v důsledku tvorby četných vírů během pohybu tekutiny v čerpadle.
Ztráta objemu jsou také velké a mohou dosáhnout 20 %, jsou způsobeny průtokem kapaliny mezerami separátoru.
Mechanické ztráty ve vířivém čerpadle vznikají v důsledku tření v ložiskách a těsnicích zařízeních.
Kvůli vysokým hydraulickým a objemovým ztrátám celková účinnost vířivého čerpadla nízké a činí 35 – 40 %.
Aplikace vírových čerpadel
Vzhledem ke svým výkonnostním charakteristikám se periferní čerpadla typicky používají v systémech, kde je nutné vytvořit vysokou dopravní výšku s relativně malým průtokem. Například v malých automatických čerpacích stanicích pro zásobování vodou. Schopnost čerpat směs kapalina-plyn umožňuje použití vírových čerpadel pro čerpání těkavých kapalin (benzín, petrolej), což vede k použití takových čerpadel v palivových systémech.
Hodnota
Se stejnými rozměry jako odstředivý, vírové čerpadlo je schopno vytvořit větší tlak (3-9krát více). Vortexová čerpadla otevřeného typu mají schopnost samonasávání, jsou také schopna pracovat se směsí plyn-kapalina.
Omezení
Vortexová čerpadla mají poměrně nízkou účinnost (35% – 45%), což činí použití vysokovýkonných čerpadel nepraktické. Periferní čerpadla nejsou schopna čerpat vysoce viskózní kapaliny. Tyto stroje jsou také citlivé na přítomnost abrazivních částic v kapalině. Přítomnost abraziva vede k rychlému opotřebení vírových čerpadel v důsledku malých mezer.
