*- если лень читать, видео с наглядной анимацией и комментариями:
Центробежные насосы широко используются в технологических процессах различных отраслей промышленности, а также в инженерных системах здания: отопления и кондиционирования воздуха, холодоснабжения, водоснабжения и водоотведения.
Различают насосы с мокрым и сухим ротором. В первых ротор электродвигателя погружен в перекачиваемую жидкость, с помощью которой происходит охлаждения и смазка. В моделях с сухим ротором рабочая полость насоса изолирована с помощью скользящего торцевого уплотнения. Охлаждение в таких насосах происходит за счет обдува воздухом посредством крыльчатки, закрепленной на валу двигателя. В насосах с сухим ротором используются подшипники с заложенной консистентной смазкой.
Также можно выделить центробежные насосы с горизонтальным и вертикальным расположением ротора. Последние также принято называть инлайн-насосами, поскольку всасывающий и нагнетательный патрубок таких расположены на одной линии. В центробежных насосах с горизонтальным расположением ротора всасывающий и нагнетательный патрубок располагаются под углом 90° относительной друг друга.
Рассмотрим конструкцию и принцип действия на примере инлайн -насоса с сухим ротором.
В верхней части электродвигателя (1) на его валу предусмотрена крыльчатка для охлаждения.
Ротор насоса (3) устанавливается на подшипниках(2) в статоре насоса (4). Для герметизации рабочей полости насоса используется скользящее торцевое уплотнение (5). Рабочее колесо (6) с загнутыми назад лопастями крепится на роторе (3).
Корпус насоса имеет сложную геометрическую форму и состоит из: полукольцевого всасывающего тракта, кольцевого диффузора (так называемой улитки), в котором расположено рабочее колесо, и выходного диффузора.
Всасываемая в рабочую полость жидкость за счет вращения рабочего колеса значительно увеличивает свою скорость и кинетическую энергию. Иными словами колесо разгоняет жидкость.
На жидкость действует центробежная сила Fц, направленная от центра вращения, а также тангенциальная сила инерции Fт, вектор которой приложен по касательной к окружности вращения и направлен в сторону вращения. Результирующей силой тангенциальной и центробежной составляющих является сила Fр, которая и определяет направление движения жидкости.
За счет действия результирующей силы жидкость из колеса направляется в улитку, а затем в выходной диффузор. Улитка , или кольцевой диффузор, представляет собой канал с расширяющимся сечением. За счет увеличения площади сечения канала, скорость жидкости снижается и кинетическая энергия жидкости, полученная от колеса, переходит в потенциальную, то есть увеличивается давление жидкости. Таким образом, на нагнетании насоса создается напор, требуемый для прокачивания жидкости через гидравлический контур.
На диаграмме фазового равновесия воды выделены три области фазовых состояний воды: твердое, жидкое и газообразное.
Как видно из диаграммы, вода с одинаковой температурой в зависимости от давления может быть как в газообразном так и в жидком состоянии.
Так например, широко известен факт о том, что в горах температура кипения воды ниже, чем на уровне моря, где при нормальном атмосферном давлении температура кипения составляет 100 °С. При увеличении высоты на уровнем моря и соответствующем снижении атмосферного давления температура кипения понижается.
Рассмотрим пример. В трубопроводе на всасывании насоса вода находиться в состоянии 1 с определенным температурой и давлением. При прохождении воды через местное сопротивление (тракт насоса) ее статическое давление снижается до давления насыщенного пара или ниже, в результате чего в жидкости начинают образовываться паровые пузырьки (точка 2).
При последующем восстановлении или повышении давления (точка 3), статическое давление становиться выше давления насыщенных паров, в результате чего пузырьки схлопываются.
Данное явление называется кавитацией.
При схлопывании пузырей возникают микроструи, которые вызывают образование микротрещин на поверхности деталей насосов и их последующую эрозию.
Помимо разрушения поверхности кавитация отрицательно влияет на производительность, плавность хода и шумовые характеристики насоса. Кавитация снижает напор насоса, его КПД и приводит к неравномерной подаче жидкости. Первым признаком кавитации является ненормальный шум при работе насоса.
Очевидно, что для предотвращения кавитации и ее негативных последствий необходимо, чтобы статическое давление жидкости на всасывании в насос было больше на некоторое определенное значение, чем давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости, чтобы не возникло образование паровых пузырей при падении давления на местном сопротивлении.
Эта разность давлений обозначается английским сокращением NPSH (м), что означает: Net Positive Suction Head – то есть, условный гидравлический подпор или кавитационный запас. Различают : требуемый кавитационный запас NPSHr (данный параметр регламентируется изготовителем насоса) и имеющийся в системе подпор на всасывании насоса NPSHa (этот параметр рассчитывается исходя из конфигурации гидравлического контура).
Для предотвращения кавитации имеющийся подпор на всасывании насоса должен быть больше требуемого.
Расчет величины имеющегося подпора на всасывании насоса производится в зависимости от конфигурации гидравлического контура. Рассмотрим некоторые схемы.
Первая схема - незамкнутый контур, насос расположен выше источника перекачиваемой жидкости и работает в режиме всасывания.
В данном случае NPSHa на всасывании насоса будет определяться по данной зависимости.
NPSHa=P_a+P-(V_p+L_s+H_f)
P_a -атмосферное давление
P -избыточное давление в источнике
V_p-давление насыщенных паров жидкости при максимальной
рабочей температуре
L_s-максимальная высота всасывания
H_f-потери на трение во всасывающем трубопроводе
Следующая схема: также незамкнутый контур, но источник жидкости расположен выше насоса.
NPSHa=P_a+P+L_h-(V_p+H_f)
P_a-атмосферное давление
P-избыточное давление в источнике
V_p-давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре
L_h-максимальная высота подпора
H_f-потери на трение во всасывающем трубопроводе
В этом случае формула для расчета NPSHA отличается только тем, что давление столба жидкости в данном случае имеет положительный знак поскольку создает дополнительный подпор перед насосом.
Схема систем с замкнутым гидравлическим контуром, к которым в частности относятся контуры хладоносителя и теплоносителя в системах кондиционирования воздуха и холодоснабжения.
NPSHa=P_a+P+P_p-(V_p+∆P)
P_a-атмосферное давление
P-избыточное давление в системе
P_p-напор насоса
V_p-давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре
∆P-гидравлическое сопротивление контура
В данном случае баланс давлений выглядит следующим образом: положительный вклад в величину подпора на всасывании насоса вносят: атмосферное давление, избыточное гидростатическое давление в системе и напор, развиваемый насосом на рабочем режиме. Со знаком минус по-прежнему давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости и общее гидравлическое сопротивление контура, которое включает потери давления на трение по длине трубопровода, потери на местных сопротивлениях и потери на подъем жидкости на вертикальных участках, которые в таких системах как правило компенсируются давлением столба жидкости в обратном трубопроводе.
Однако, при проектировании таких систем обычно пренебрегают данным расчетом, поскольку : величина напора насоса должна быть не меньше сопротивления системы; разность атмосферного давления и давления насыщенных паров жидкости также имеет положительное значение, а величина избыточного гидростатического давления в системе определяется заправкой жидкости в систему и контролируется по манометру на всасывании насоса. Постоянство избыточного давления обеспечивается установкой мембранного расширительного бака .
Также расширительный бак предназначен для компенсации теплового расширения жидкости. Чтобы бак выполнял данные функции его подбор должен быть выполнен в соответствии с характеристиками системы.
Подробнее о методике подбора расширительного бака и других компонентов гидравлического контура систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения – в следующей публикации.