Возможности и ограничения повышения эффективности самовсасывающих насосов
Использование модифицированных центробежных насосов вместо циркуляционных позволяет сэкономить около 35% энергии, затрачиваемой на перекачку.
Поэтому в промышленных установках, где требуется возможность самовсасывания жидкости, циркуляционные насосы заменяют центробежными насосами с циркуляционными элементами.
К таким установкам относятся, в частности, хранилища жидкого топлива, в том числе сжиженного газа.
Правильная работа центробежных насосов требует полного заполнения насоса и всасывающей системы. Этого легко достичь с помощью приточных насосов, поскольку жидкость поступает в насос под действием силы тяжести.
В случае работы насосов с всасыванием, у которых уровень свободной жидкости во всасывающем баке расположен ниже насоса, существует вероятность попадания паров жидкости или воздуха во всасывающий трубопровод и сам насос, например, из негерметичной установки.
В таких случаях необходимо использовать обратный клапан, который удерживает жидкость в установке при остановке насоса. Следует помнить, что этот клапан создает определенное сопротивление потоку и снижает антикавитационный избыток, имеющийся в системе.
Кроме того, в процессе эксплуатации система или сам клапан могут дать течь, а это значит, что придется перезаполнять всю систему.
Альтернативой приемному клапану является использование вакуумной системы, которая будет контролировать уровень заполнения установки перед каждым пуском насоса. Однако это сложная система, требующая высоких эксплуатационных затрат.
Отдельные конструкции центробежных насосов, входящих в группу специальных насосов, сконструированы таким образом, чтобы обеспечить самовсасывание жидкостей. Их можно разделить на две группы: циркуляционные насосы и роторные насосы (особенно центробежные) с дополнительной самовсасывающей системой.
Классические самовсасывающие насосы
Циркуляционные насосы – боковые, периферийные и жидкостно-кольцевые – при правильной конструкции обладают естественной самовсасывающей способностью.
Жидкостно-кольцевые насосы характеризуются настолько хорошими всасывающими свойствами, что их широко используют в качестве вакуумных насосов, например, в системах для заливки трубопроводов или отсасывания паров технологических процессов.
Наиболее распространенными, особенно в системах индивидуального водоснабжения и для перекачивания легко испаряющихся жидкостей, являются самовсасывающие циркуляционные насосы с боковыми каналами.
Ступень циркуляционного насоса состоит из многолопастного рабочего колеса и бокового канала переменного сечения. Энергия постепенно передается жидкости через вихри, циркулирующие между лопатками рабочего колеса и боковым каналом.
Этот способ передачи энергии заставляет частицы жидкости несколько раз втекать в ротор данной ступени и каждый раз в импульсе получать определенную дозу энергии.
Этот процесс можно сравнить с многоступенчатыми насосами, в которых жидкость течет через последовательно расположенные рабочие колеса. В циркуляционных насосах аналогичный эффект достигается в пределах одного рабочего колеса и бокового канала, поэтому высота подъема с одной ступени циркуляционного насоса с данным диаметром рабочего колеса в несколько раз выше, чем у центробежного насоса.
Процесс самовсасывания в циркуляционных насосах происходит на последней ступени насоса, которая снабжена каналом специальной формы для интенсификации процесса перекачки. Условием правильной работы является заполнение насоса рабочей средой.
Жидкостно-газовая смесь засасывается в самовсасывающую ступень, где под действием центробежной силы у внешних стенок ступени образуется жидкостное кольцо. За счет бокового канала переменного сечения образующийся «жидкий поршень» выталкивает скапливающийся возле ступицы рабочего колеса газ через дополнительный канал в напорный корпус насоса.
Многоступенчатые центробежные насосы с возможностью самовсасывания жидкости
В небольших многоступенчатых насосах для чистой воды встречаются конструкции, в которых перед входом в рабочее колесо первой ступени используется дополнительный струйный насос. Он забирает воду из напорного корпуса насоса и за счет высокой скорости жидкости всасывает воздух из всасывающего трубопровода и нагнетает смесь в рабочее колесо.
Благодаря большому количеству циркулирующей жидкости эффективность таких решений сравнима с эффективностью циркуляционных насосов, а значит, их применение практически ограничивается только отдельными системами водоснабжения.
Самовсасывающая способность промышленных многоступенчатых центробежных насосов обычно достигается за счет добавления дополнительной ступени циркуляции, вызывающей отсасывание газа из входного трубопровода.
Более старые насосы имеют конструкции, в которых циркуляционный элемент всасывает газожидкостную смесь сразу за входной кромкой лопатки ротора первой ступени, что, однако, приводит к необходимости громоздкой конструкции насоса.
Более новые решения компактны и характеризуются тем, что ступень циркуляции расположена за рабочим колесом последней центробежной ступени насоса. Самовсасывающая ступень состоит из многолопастного рабочего колеса, всасывающего и нагнетательного элемента, в котором расположены два боковых канала.
Всасывающий и нагнетательный органы вместе с рабочим колесом составляют замкнутый блок (ступень циркуляции), а вокруг них проходит циркуляционный канал, позволяющий перекачивать жидкости в обход циркуляционного колеса.
За счет центробежной силы ротор удерживает жидкость в канале. Такое состояние равновесия сохраняется до полного отсасывания газа и заполнения роторов жидкостью, а это означает, что все ступени начинают равномерно передавать энергию среде, при этом подавляющее большинство перекачиваемой жидкости транспортируется по циркуляционному каналу, минуя стадию циркуляции.
Эффективность самовсасывающих многоступенчатых насосов
В случае центробежных (многоступенчатых) насосов пределы эффективности немного другие, чем у циркуляционных насосов. Их эффективность зависит, в частности, от размера внутренних каналов и коэффициента быстродействия.
На практике это означает, что эффективность многоступенчатых центробежных насосов снижается по мере уменьшения площади поперечного сечения гидроканалов и уменьшения скоростного коэффициента, т.е. чем больше увеличение высоты подъема со ступени, тем ниже КПД.
Это означает, что в диапазоне низких КПД (до нескольких м3/ч) КПД центробежных насосов ниже, чем у циркуляционных, либо требуется конструкция насосов в несколько раз большим количеством ступеней, что приводит к удорожанию агрегата.
В диапазоне КПД свыше десятка м3/ч и мощности двигателя свыше десяти кВт становится выгодным применение многоступенчатого насоса, несмотря на его более сложную конструкцию, чем циркуляционные насосы.
КПД таких насосов составляет от 50 до 84%. КПД самовсасывающих многоступенчатых насосов несколько ниже стандартных насосов из-за потерь в ступени циркуляции и циркуляционном канале.
