Durante il processo di flusso dei fluidi, parte dell'energia meccanica viene persa a causa della resistenza al flusso. Pertanto, per trasportare il fluido da un luogo a un altro, sia che si tratti di trasferire il fluido da un luogo con energia specifica totale inferiore a un luogo con energia specifica totale più elevata, o semplicemente per superare la resistenza al flusso, è necessario fornire energia meccanica al fluido. Il macchinario utilizzato per il trasporto dei liquidi è chiamato pompa (Pump). Le pompe vengono classificate principalmente in tre categorie in base alle loro caratteristiche strutturali e ai principi di funzionamento:
I. Pompe di tipo a palette-: queste pompe funzionano facendo lavorare le palette rotanti sul fluido, aumentando così l'energia meccanica del liquido. Gli esempi includono varie pompe centrifughe, pompe a vortice e pompe a flusso assiale, ecc.
II Pompe volumetriche positive: queste pompe utilizzano il movimento alternativo dei pistoni o il movimento rotatorio dei rotori per modificare il volume della camera di lavoro, comprimendo il liquido e facendo lavoro sul liquido, aumentando così l'energia meccanica del liquido. Gli esempi includono pompe alternative, pompe a ingranaggi e pompe a vite, ecc.
III Pompa a getto: funziona utilizzando il getto ad alta- velocità generato dal fluido di lavoro per espellere il fluido e quindi, attraverso lo scambio di quantità di moto, l'energia del fluido espulso viene aumentata.
Grazie alla struttura semplice, alla facilità di produzione, al flusso stabile, alla forte adattabilità e al funzionamento conveniente, le pompe centrifughe sono ampiamente utilizzate nella produzione chimica. Pertanto, in questo articolo ci concentreremo sull’introduzione delle pompe centrifughe.
Il principio di funzionamento di una pompa centrifuga
Quando una pompa centrifuga è in funzione, fa affidamento sulla girante rotante ad alta-velocità per consentire al liquido di acquisire energia e aumentare il suo potenziale di pressione sotto l'effetto della forza centrifuga inerziale. Prima che la pompa centrifuga inizi a funzionare, il corpo della pompa e la tubazione di ingresso devono essere riempiti con mezzo liquido per evitare il verificarsi di cavitazione.
Quando la girante ruota rapidamente, le pale fanno ruotare rapidamente il mezzo. Il mezzo rotante viene espulso dalla girante sotto l'azione della forza centrifuga. Dopo che l'acqua all'interno della pompa viene espulsa, al centro della girante si forma un'area di vuoto. Allo stesso tempo, aspira continuamente il liquido e fornisce continuamente una certa energia al liquido aspirato-, quindi scarica il liquido. Pertanto, la pompa centrifuga funziona continuamente in questo modo.
La struttura di una pompa centrifuga
Esistono molti tipi di pompe centrifughe. Sebbene le strutture dei vari tipi di pompe siano diverse, i componenti principali sono sostanzialmente gli stessi.
I componenti principali di una pompa centrifuga includono: girante, albero della pompa, corpo della pompa, base della pompa, premistoppa (dispositivo di tenuta), anello di tenuta, alloggiamento del cuscinetto, ecc.
1. Girante
La girante è l'elemento di lavoro di una pompa centrifuga. Raggiunge il pompaggio di liquidi ruotando ad alta velocità e svolgendo lavoro sui liquidi. È una parte importante della pompa centrifuga.
La girante è generalmente composta dal mozzo, dalle pale e dalla piastra di copertura. La piastra di copertura della girante è divisa in piastra di copertura anteriore e piastra di copertura posteriore. La piastra di copertura sul lato di ingresso della girante è chiamata piastra di copertura anteriore, mentre la piastra di copertura sull'altro lato è chiamata piastra di copertura posteriore.
Quando la pompa centrifuga viene avviata, l'albero della pompa fa ruotare insieme la girante ad alta velocità. Ciò costringe il liquido che è stato pre-riempito tra le lame a ruotare. Sotto l'azione della forza centrifuga inerziale, il liquido si muove radialmente dal centro verso la periferia della girante.
Durante il processo di flusso attraverso la girante, il liquido acquista energia, con l'aumento della pressione statica e l'aumento della velocità del flusso. Quando il liquido lascia la girante ed entra nel corpo della pompa, rallenta a causa dei canali di flusso che si espandono gradualmente all'interno del corpo. Parte dell'energia cinetica viene convertita in energia di pressione statica e infine fluisce tangenzialmente nella tubazione di scarico.
In base alla loro forma strutturale, le giranti possono essere classificate nelle seguenti tre tipologie.
(1) La girante chiusa è dotata di piastre di copertura su entrambi i lati. Ci sono da 4 a 6 lame tra le piastre di copertura. La girante chiusa ha un elevato rendimento ed è la tipologia più utilizzata. È adatto al convogliamento di liquidi puliti senza particelle solide o fibre.
(2) La girante di tipo aperto-non ha piastre di copertura su entrambi i lati delle pale. È adatto al trasporto di liquidi contenenti una grande quantità di solidi in sospensione. Tuttavia, la sua efficienza è relativamente bassa e la pressione del liquido trasportato non è elevata.
(3) La girante di tipo semi-aperto ha solo una piastra di copertura posteriore. È adatto al convogliamento di liquidi soggetti a sedimentazione o contenenti corpi solidi in sospensione. La sua efficienza è intermedia tra quella delle giranti di tipo aperto e quelle di tipo chiuso.
2. Albero della pompa
La funzione principale dell'albero della pompa centrifuga è trasmettere potenza e supportare la girante per mantenerla in posizione di lavoro e funzionare normalmente. Un'estremità dell'albero è collegata all'albero motore tramite un giunto e l'altra estremità supporta la girante per il movimento rotatorio. L'albero è dotato di componenti quali cuscinetti e tenute assiali.
I materiali comuni per gli alberi delle pompe sono acciaio al carbonio e acciaio inossidabile.
La girante e l'albero sono collegati da una chiavetta. Poiché questo metodo di collegamento può solo trasmettere la coppia ma non può fissare la posizione assiale della girante, nella pompa vengono utilizzati un manicotto assiale e un dado di bloccaggio per fissare la posizione assiale della girante.
Dopo aver posizionato assialmente la girante con il dado di bloccaggio e la bussola dell'albero, per evitare che il dado di bloccaggio si allenti, è necessario impedire l'inversione della pompa. Soprattutto per le pompe appena installate o per le pompe che sono state sottoposte a smontaggio e riparazione, è necessario effettuare un controllo della direzione di rotazione secondo le normative per garantire la coerenza con la direzione specificata.
3. Manica
La funzione della boccola dell'albero è quella di proteggere l'albero della pompa, convertendo l'attrito tra la baderna e l'albero della pompa nell'attrito tra la baderna e la boccola dell'albero. Pertanto, la manica dell'albero è un componente-soggetto a usura della pompa centrifuga.
La superficie della camicia dell'albero può inoltre subire trattamenti quali cementazione, nitrurazione, cromatura e spruzzatura. Il requisito di rugosità superficiale è generalmente richiesto per raggiungere Ra3,2μm - Ra0,8μm. Ciò può ridurre il coefficiente di attrito e aumentare la durata.
4. Cuscinetti
I cuscinetti svolgono il ruolo di supportare il peso e il carico del rotore. Nelle pompe centrifughe vengono utilizzati principalmente cuscinetti volventi. L'anello esterno del cuscinetto si trova in un sistema ad albero base con il foro dell'alloggiamento del cuscinetto, mentre l'anello interno si trova in un sistema a foro base con l'albero rotante. Gli standard nazionali della categoria corrispondente hanno valori raccomandati e possono essere selezionati in base a circostanze specifiche. I cuscinetti sono generalmente lubrificati con grasso e olio lubrificante.
5. Scatola di riempimento
Quando l'albero della pompa sporge dal corpo della pompa, c'è uno spazio tra l'albero e il corpo. Nelle pompe centrifughe a singola-aspirazione, se in questa parte non viene utilizzato alcun dispositivo di tenuta dell'albero, l'acqua ad alta-pressione all'interno del corpo della pompa fuoriuscirà in grandi quantità. La scatola di imballaggio è uno dei dispositivi di tenuta dell'albero comunemente usati. La scatola di tenuta è composta da cinque componenti: il manicotto di tenuta dell'albero, la baderna, il tubo di tenuta dell'acqua, l'anello di tenuta dell'acqua e il coperchio della baderna.
⒍蜗壳
La voluta è un canale di flusso a forma di spirale- che aumenta gradualmente l'area della sezione trasversale- dall'uscita della girante all'ingresso della girante dello stadio successivo o al tubo di uscita della pompa. Il canale di flusso si espande gradualmente e l'uscita ha la forma di un tubo diffusore. Dopo che il liquido esce dalla girante, la velocità del suo flusso può essere ridotta gradualmente, convertendo gran parte della sua energia cinetica in energia di pressione statica.
I vantaggi della voluta sono che è facile da produrre, ha un'ampia zona di efficienza e l'efficienza della pompa cambia poco dopo la lavorazione della girante.
Lo svantaggio è che la forma della voluta è asimmetrica. Quando si utilizza una voluta singola, la pressione che agisce radialmente sul rotore non è uniforme, il che potrebbe causare la flessione dell'albero. Pertanto, nelle pompe multi-stadio, solo la prima e l'ultima sezione utilizzano volute, mentre la sezione centrale adotta un dispositivo a ruota guida.
Il materiale della voluta è solitamente la ghisa. La voluta della pompa anti-corrosione è realizzata in acciaio inossidabile o altri materiali anti-corrosione, come plastica, fibra di vetro, ecc. Per le pompe multi-stadio, a causa dell'alta pressione, i requisiti di resistenza del materiale sono più elevati e le loro volute sono generalmente realizzate in acciaio fuso.
⒎ Ruota motrice
La ruota di guida è un disco fisso con alette di guida in avanti avvolte attorno al bordo esterno sul lato anteriore. Queste palette guida formano una serie di canali di flusso a forma di diffusore-. Sul lato posteriore sono presenti alette con guida inversa che dirigono il liquido verso l'ingresso della girante dello stadio successivo. Dopo che il liquido è stato espulso dalla girante, scorre dolcemente nella ruota di guida e continua a fluire verso l'esterno lungo le alette di guida anteriori, con la sua velocità che diminuisce gradualmente e la maggior parte della sua energia cinetica viene convertita in energia di pressione statica.
Il gioco radiale unilaterale tra la girante e le pale di guida è di circa 1 mm. Se lo spazio è troppo grande, l'efficienza diminuirà; se è troppo piccolo, causerà vibrazioni e rumore. Rispetto alla voluta, il corpo della pompa centrifuga multistadio segmentata-con ruote guida è più facile da produrre e ha una maggiore efficienza di conversione dell'energia. Tuttavia, la sua installazione e manutenzione sono più difficili di quella della voluta.
16. Anello di tenuta
Per ridurre le perdite interne e proteggere il corpo della pompa, sul guscio corrispondente all'ingresso della girante è installato un anello di tenuta sostituibile. Il gioco radiale tra il foro interno dell'anello di tenuta e il cerchio esterno della girante è generalmente compreso tra 0,1 e 0,2 mm. Dopo l'usura dell'anello di tenuta, il gioco radiale aumenta, con conseguente diminuzione del volume di scarico del liquido della pompa e una riduzione dell'efficienza. Quando lo spazio di tenuta supera il valore specificato, è necessario sostituirlo in tempo.
Le forme strutturali dell'anello di tenuta sono di tre tipologie:
Tipo-ad anello piatto, con struttura semplice e fabbricazione facile, ma scarso effetto di tenuta;
L'anello di tenuta del tipo-ad angolo retto consente alle perdite di liquido di passare attraverso un canale a 90 gradi, con conseguente migliore effetto di tenuta rispetto al tipo ad anello-piatto. È ampiamente utilizzato.
L'anello di tenuta a labirinto ha un buon effetto di tenuta, ma la sua struttura è complessa e la sua fabbricazione è difficile. Pertanto, viene utilizzato raramente nelle pompe centrifughe.
Il processo di funzionamento di una pompa centrifuga
Prima di avviare la pompa, riempire innanzitutto la pompa con il liquido da trasportare.
2. Dopo l'avvio della pompa, l'albero della pompa fa ruotare la girante ad alta velocità, generando forza centrifuga. Sotto questa forza, il liquido viene lanciato dal centro della girante alla periferia della girante, la sua pressione aumenta e scorre nel corpo della pompa ad una velocità molto elevata (15-25 m/s).
3. Nel corpo della pompa, man mano che il canale di flusso si espande continuamente, la velocità del flusso del liquido rallenta, causando la conversione della maggior parte dell'energia cinetica in energia di pressione. Infine, il liquido esce dalla porta di scarico con una pressione statica relativamente elevata ed entra nella tubazione di scarico.
4. Dopo che il liquido all'interno della pompa viene espulso, al centro della girante si forma il vuoto. Sotto la differenza di pressione tra la pressione superficiale del liquido (pressione atmosferica) e la pressione all'interno della pompa (pressione negativa), il liquido entra nella pompa attraverso la tubazione di aspirazione e riempie la posizione in cui il liquido è stato espulso.
Classificazione delle pompe centrifughe
I prodotti delle pompe centrifughe sono generalmente classificati in base alle loro caratteristiche strutturali. Esistono vari metodi di classificazione, di cui sei tipi: classificati in base alla pressione di esercizio, al numero di giranti funzionanti, al modo in cui la girante aspira l'acqua, ecc.
⒈ In base alla pressione di lavoro:
Pompa a bassa-pressione: la pressione è inferiore a 100 metri di colonna d'acqua.
Pompa a media-pressione: la pressione varia da 100 a 650 metri di colonna d'acqua.
Pompa ad alta-pressione: la pressione è superiore a 650 metri di colonna d'acqua.
2. In base al numero di giranti funzionanti:
Pompa- monostadio: si riferisce a una pompa in cui è presente una sola girante sull'albero della pompa.
Pompa multi-stadio: questo tipo di pompa ha due o più giranti sull'albero. In questo caso la prevalenza totale della pompa è la somma delle prevalenze generate da ciascuna delle n giranti.
3. In base al metodo di aspirazione dell'acqua della girante:
Pompa di aspirazione dell'acqua-da un lato-singola: nota anche come pompa di aspirazione dell'acqua-singola, significa che sulla girante è presente una sola porta di aspirazione dell'acqua.
Pompa di aspirazione bidirezionale: nota anche come pompa di aspirazione doppia-, è dotata di una porta di ingresso su entrambi i lati della girante. La sua portata è doppia rispetto a quella di una singola-pompa aspirante. Può essere approssimativamente considerata come due giranti singole-della pompa di aspirazione posizionate una dietro l'altra-contro-indietro.
4. In base alla posizione dell'albero della pompa:
Pompa orizzontale: l'albero della pompa è in posizione orizzontale.
Pompa verticale: l'albero della pompa è in posizione verticale.
5. A seconda della forma del giunto del corpo pompa:
Pompa divisa orizzontale: è quella in cui la giuntura del giunto viene aperta sul piano orizzontale che passa attraverso l'asse.
Pompa a superficie articolare verticale: si riferisce a una pompa in cui la superficie articolare è perpendicolare alla linea dell'asse.
6. Il metodo per dirigere l'acqua in uscita dalla girante verso la camera di scarico:
Corpo della pompa: dopo che l'acqua esce dalla girante, entra direttamente nel corpo della pompa che ha una forma a spirale.
Pompa a palette guida: dopo che l'acqua esce dalla girante, entra nelle palette guida poste all'esterno della girante, quindi procede alla fase successiva o scorre nel tubo di uscita.
⒎ A seconda dei diversi fluidi trasportati, le pompe centrifughe possono essere classificate come: pompe dell'acqua, pompe dell'olio, pompe resistenti alla corrosione-, ecc.
Cavitazione e blocco del vapore
Fenomeno dell'erosione
Dal principio di funzionamento della pompa centrifuga, si può sapere che dopo che il liquido tra le pale viene espulso dalla girante rotante ad alta-velocità, si forma un'area di bassa-pressione vicino all'ingresso della girante. Quando la pressione all'ingresso della girante è uguale o inferiore alla pressione di vapore saturo pV del liquido trasportato alla temperatura di esercizio, il liquido in quest'area vaporizza e forma bolle. Quando le bolle viaggiano con il liquido verso l'area ad alta-pressione, si condensano rapidamente a causa della pressione.
Al momento della condensazione delle bolle, si forma un vuoto locale. Il liquido circostante si precipita verso lo spazio precedentemente occupato dalla bolla ad alta velocità, provocando impatti e vibrazioni, risultando in una forza d'impatto significativa. Soprattutto quando il punto di condensazione della bolla è vicino alla superficie della lama, numerose particelle liquide colpiscono la lama con elevata frequenza e pressione; allo stesso tempo la bolla può contenere anche una piccola quantità di ossigeno e altre sostanze che hanno un effetto chimico corrosivo sui materiali metallici. Sotto l'azione combinata di urti continui e corrosione chimica, la superficie della lama viene danneggiata, formando macchie e crepe, che porteranno al danneggiamento prematuro della lama. Questo fenomeno è chiamato cavitazione nelle pompe centrifughe.
Il fenomeno del legame del gas
Quando viene avviata una pompa centrifuga, se è presente aria nella pompa, a causa della bassa densità dell'aria, la forza centrifuga generata dopo la rotazione è ridotta. Di conseguenza, la depressione che si forma nella zona centrale della girante non è sufficiente per aspirare il liquido. Anche se la pompa centrifuga viene avviata, non può completare l'attività di trasporto. Questo fenomeno è chiamato "blocco d'aria".
Ciò indica che la pompa centrifuga non ha capacità di autoadescamento-. Pertanto, prima di avviare la pompa centrifuga, è necessario riempirla con il liquido da convogliare. Naturalmente, se la bocca di aspirazione della pompa centrifuga è posta al di sotto del livello del liquido convogliato, il liquido fluirà automaticamente nella pompa. Questo è un caso speciale. La tubazione di aspirazione della pompa centrifuga è dotata di una valvola di fondo per evitare che il liquido riempito prima dell'avviamento fuoriesca dalla pompa. Lo schermo filtrante può impedire che le sostanze solide presenti nel liquido vengano aspirate e blocchino le tubazioni e il tubo di scarico del corpo della pompa. La valvola di regolazione installata nel tubo di scarico viene utilizzata per avviare la pompa, arrestarla e regolare il flusso.
Dal punto di vista delle diverse cause di cavitazione e vapor lock:
Il legame d'aria si riferisce alla presenza di aria all'interno del corpo della pompa. Di solito si verifica all'avvio della pompa. La manifestazione principale è che l'aria all'interno del corpo pompa non è stata completamente rimossa. Mentre la cavitazione è causata dal liquido che raggiunge la pressione di vaporizzazione ad una certa temperatura. Si può vedere che è strettamente correlato al mezzo trasportato e alle condizioni di lavoro.
È possibile utilizzare i seguenti metodi per prevenire il verificarsi del fenomeno del blocco dell'aria:
1. Prima di iniziare, riempire il guscio con del liquido. Garantire una tenuta ermetica sul guscio. La valvola di riempimento dell'acqua e il soffione della doccia non devono perdere. Le prestazioni di tenuta dovrebbero essere buone.
2. La tubazione di aspirazione della pompa centrifuga è dotata di una valvola di fondo per impedire che il liquido pompato prima dell'avvio rifluisca nella pompa. Lo schermo filtrante può impedire l'aspirazione di particelle solide nel liquido. La tubazione di scarico è dotata di una valvola di regolazione che viene utilizzata per avviare e arrestare la pompa e regolare la portata.
3. Posizionare l'ingresso di aspirazione della pompa centrifuga al di sotto del livello del liquido dove il liquido deve essere trasportato. Il liquido scorrerà automaticamente nella pompa.
Le cause e le soluzioni dell'insorgenza della cavitazione
Le principali cause della cavitazione sono:
1. La resistenza della tubazione di ingresso è troppo elevata oppure la tubazione è troppo sottile.
2. La temperatura del mezzo convogliato è troppo elevata;
3. Flusso eccessivo, ovvero la valvola di scarico è aperta troppo;
4. L'altezza di installazione è troppo elevata e ciò influisce sulla capacità di aspirazione del liquido della pompa.
5. Problemi di selezione, inclusa la selezione delle pompe e la selezione dei materiali delle pompe, ecc.
Soluzione:
1. Rimuovere i corpi estranei dalla tubazione di ingresso per garantire un flusso regolare o aumentare il diametro della tubazione.
2. Ridurre la temperatura del mezzo trasportato;
3. Ridurre l'altezza di installazione;
4. Sostituire la pompa o apportare migliorie ad alcuni componenti della pompa, ad esempio utilizzando materiali resistenti alla cavitazione.
