Čerpadlo

Čerpadlo je hydraulický stroj , který přeměňuje mechanickou energii hnacího motoru nebo svalovou energii (u ručních čerpadel) na energii proudění tekutiny , která slouží k pohybu a vytváření tlaku pro kapaliny všeho druhu, mechanickou směs kapalin s pevné a koloidní látky nebo zkapalněné plyny [1] . Rozdíl tlaku kapaliny na výstupu z čerpadla a připojeného potrubí způsobuje její pohyb.

Historie

Vynález čerpadla patří do starověku. První známé pístové čerpadlo pro hašení požáru, které vynalezl starořecký mechanik Ctesibius , je zmiňováno již v 1. století před naším letopočtem. E. ve spisech jak hrdiny Alexandrie , tak Vitruvia . Ve středověku byla čerpadla používána v různých hydraulických strojích. Jedno z prvních odstředivých čerpadel se spirálním tělesem a čtyřlistým oběžným kolem navrhl francouzský vědec D. Papin . Až do 18. století byla čerpadla používána mnohem méně často než stroje na zdvihání vody (zařízení pro beztlaký pohyb kapaliny), ale s nástupem parních strojů začala čerpadla nahrazovat stroje na zdvihání vody. V 19. století se s rozvojem tepelných a elektrických motorů rozšířila čerpadla. V roce 1838 ruský inženýr A. A. Sablukov sestrojil odstředivé čerpadlo na základě ventilátoru , který předtím vytvořil a pracoval na jeho použití k vytvoření lodního motoru.

Klasifikace

Neúplná klasifikace čerpadel podle principu činnosti a konstrukce je následující:

odstředivá čerpadla
oběžná (lamelová) čerpadla
lopatková (lopatková) čerpadla
- kapalinové kroužkové čerpadlo
zubová čerpadla
axiální plunžrová čerpadla
radiální plunžrová čerpadla
odstředivá šroubová (kotoučová, axiální diagonální) čerpadla
šroub (šroub)
píst
vír
rotační
proud
sinusový
peristaltické
membrána
vstřebávání
hydraulické pístové čerpadlo
magnetický výboj

Charakteristika čerpadla

Charakteristikou čerpadla jsou křivky vyjadřující závislosti H = f1(Q); N = f2(Q); Účinnost = f3(Q) při konstantní rychlosti

Parametry charakterizující provoz čerpadla

Odbočka (bod v hydraulickém systému, ve kterém je čerpadlo instalováno), ze které čerpadlo čerpá kapalinu, se nazývá sání , odbočka, do které čerpá, je tlaková . Trysky mohou být v různých výškách, přičemž část energie čerpadlo vynakládá na překonání rozdílu hydrostatických tlaků mezi výškou hlavy z 1 a výškou sání z 0 (může to být i záporná hodnota).

Hlava čerpadla je přírůstek mechanické energie na jednotku hmotnosti tekutiny mezi jeho výstupem a vstupem. Obvykle je mírou energie výška sloupce čerpané kapaliny (která má měrnou hmotnost při zrychlení volného pádu , zde ve vzorci jde o měrnou hmotnost, nikoli hustotu kapaliny): pro -tý prvek kapaliny s tlakem a rychlostí tekutiny : $H$ $\gamma$ $G$ $i$ $p$ $v_{i}$

E_{i}={\frac {p_{i}}{\gamma }}+z_{i}+{\frac {v_{i}^{2}}{2g}}{\mbox{, }}

respektive hlava čerpadla:

H=E_{1}-E_{0}={\frac {p_{1}-p_{0}}{\gamma }}+(z_{1}-z_{0})+{\frac {v_{1}^{2}-v_{0}^{2}}{2g}}{\mbox{.}}

Posuv - množství kapaliny dodávané čerpadlem za jednotku času. Lze zvážit hromadné nebo objemové krmivo : $G$ $Q$

G=\gamma Q

Výkon - spotřeba energie čerpadlem za jednotku času. Čistý výkon je přírůstek energie celého průtoku kapaliny v čerpadle: . Vnitřní výkon čerpadla je jeho celkový výkon, s vyloučením ztrát třením mechanických částí čerpadla, to znamená výkon udělovaný kapalině ve formě tepelné a mechanické energie. $N$ ${\displaystyle N_{h))$ $\textstyle N_{h}=GH=\gamma QH$ $N_{i}$

Poměr užitečného a dodávaného výkonu je účinnost čerpadla:

\eta ={\frac {N_{h}}{N}}

V tomto případě je třeba vzít v úvahu rozměry množství: pokud je například dopravní výška vyjádřena v metrech a průtok v kilogramech za sekundu , pak se výkon v kilowattech vypočítá podle vzorce:

N [kW] =G [kg] H [m]102η[bezrozměrné].

Ztráty v čerpadle mohou být hydraulické (náklady na překonání hydraulického odporu uvnitř čerpadla), objemové (snížení průtoku čerpadla oproti zásobování pracovního tělesa) a mechanické (tření částí čerpadla o kapalinu - vnitřní mechanické ztráty , jejich vzájemné tření v ložiskách atd. d - vnější). Zohledňuje je hydraulická účinnost η g , objemová η asi a mechanická, rozdělená na vnitřní a vnější, η m \u003d η m i η m e . η=η g η asi η m ; Ni = Nrm e . _ _ _

Minimální přebytek sací výšky nad tlakem odpařování kapaliny je množství mechanické energie kapaliny na vstupu do čerpadla, nezbytné k zabránění kavitace v čerpadle . Nadměrná sací výška je definována jako: $H_{0u~min}$ $p_{s}$

H_{{0u}}={\frac {p_{{0a}}-p_{s}}{\gamma }}+{\frac {v_{0}^{2}}{2g}}{\mbox{ ,}}

kde je tlak na vstupu čerpadla vztažený k úrovni osy čerpadla. V praxi se hodnota požadovaného NPSH čerpadla bere s určitým bezpečnostním faktorem = 1,2…1,4. Přípustná sací výška je určena s ohledem na tlak na povrchu kapaliny v nádrži, odkud je odebírána, a na odpor (v lineárních jednotkách) sacích potrubí jako: ${\displaystyle p_{0a))$ $\phi$ $p_{b}$ $h_{c}$

[H_{0u}]={\frac {p_{b}-p_{s}}{\gamma }}-\varphi H_{0u\mathrm {min} }-h_{c}''p_{ b}

Pro otevřené nádoby - to je atmosférický tlak , pro uzavřené nádoby s vroucí kapalinou . $p_{b}$ $\textstyle p_{b}=p_{s}{\mbox{,))$

Klasifikace čerpadel podle principu činnosti

Podle povahy sil panujících v čerpadle: objemové, u kterých převládají tlakové síly, a dynamické, u kterých převládají setrvačné síly.

Podle charakteru spojení pracovní komory se vstupem a výstupem čerpadla: periodické zapojení (výtlaková čerpadla) a trvalé spojení vstupu a výstupu (dynamická čerpadla).

Objemová čerpadla se používají k čerpání viskózních kapalin. U těchto čerpadel dochází k jedné přeměně energie - energie motoru se přímo přeměňuje na energii kapaliny (mechanická => kinetická + potenciál). Jedná se o vysokotlaká čerpadla, jsou citlivá na znečištění čerpané kapaliny. Pracovní proces u objemových čerpadel je nevyvážený (vysoké vibrace), proto je nutné pro ně vytvořit masivní základy. Tato čerpadla se také vyznačují nerovnoměrným přívodem. Za velké plus takových čerpadel lze považovat schopnost suchého sání (samonasávání).

Dynamická čerpadla se vyznačují dvojitou přeměnou energie (1. stupeň: mechanický → kinetický + potenciál; 2. stupeň: kinetický → potenciál). Znečištěné kapaliny lze čerpat v dynamických čerpadlech, mají rovnoměrný přívod a vyvážený pracovní proces. Na rozdíl od objemových čerpadel nejsou samonasávací.

Objemová čerpadla

Proces objemových čerpadel je založen na střídavém plnění pracovní komory kapalinou a jejím vytlačováním z pracovní komory. Některé typy objemových čerpadel:

Oběžná čerpadla - zajišťují laminární proudění čerpaného produktu na výstupu z čerpadla a lze je použít jako dávkovače. Lze vyrobit ve verzích odolných vůči potravinám, olejům a benzínu a kyselinám a zásadám
Lamelová čerpadla - zajišťují rovnoměrné a tiché sání čerpaného produktu na výstupu z čerpadla, lze použít k dávkování. Mohou být buď nastavitelné, nebo neregulované. U variabilních lamelových čerpadel se změna průtoku provádí změnou objemu pracovní komory v důsledku změny excentricity rotoru a statoru . Jako ovládací zařízení se používají hydraulické a mechanické regulátory.
Šneková čerpadla - zajišťují plynulý průtok čerpaného produktu na výstupu z čerpadla, lze použít pro dávkování
Pístová čerpadla mohou vytvářet velmi vysoký tlak, nepracují dobře s abrazivními kapalinami, lze je použít k dávkování
Peristaltická čerpadla vytvářejí nízký tlak, jsou chemicky inertní, lze je použít k dávkování
Membránová čerpadla - vytvářejí nízký tlak, lze použít k dávkování

Obecné vlastnosti objemových čerpadel:

Cyklickost pracovního procesu as tím spojené porcování a pulzace dodávky a tlaku. Zásobování objemového čerpadla se neprovádí rovnoměrným průtokem, ale po částech.
Těsnost , tedy neustálé oddělení tlakového potrubí od sacího potrubí (lopatková čerpadla nemají těsnost, ale jsou průtočná).
Samonasávací , to znamená schopnost objemových čerpadel vytvořit v sacím potrubí podtlak dostatečný ke zvednutí kapaliny v sacím potrubí na úroveň čerpadla (lopatková čerpadla nejsou samonasávací).
Nezávislost tlaku vytvářeného v tlakovém hydraulickém potrubí na přívodu kapaliny čerpadlem

Dynamická čerpadla

Dynamická čerpadla se dělí na:

Lopatková čerpadla , u kterých je pracovním tělesem lopatkové kolo nebo jemný šroub. Obsahují:
- Odstředivé , ve kterém k přeměně mechanické energie pohonu na potenciální energii proudění dochází v důsledku odstředivých sil, které vznikají při interakci lopatek oběžného kola s kapalinou. Odstředivá čerpadla se dělí na:
  - Odstředivé vřetenové čerpadlo je typ odstředivého čerpadla s přívodem kapaliny do pracovního těla ve formě malého šneku (kotoučů) velkého průměru umístěného uprostřed, s tangenciálním výhozem směrem nahoru nebo do stran od těla. Taková čerpadla jsou schopna čerpat karamelizované a lepkavé hmoty, jako je lepidlo
  - Konzolové čerpadlo - typ odstředivého čerpadla s jednosměrným přívodem kapaliny k oběžnému kolu umístěnému na konci hřídele, vzdáleném od pohonu.
  - Radiální čerpadla, jejichž pracovními tělesy jsou radiální oběžná kola. Pomaloběžná jednostupňová a vícestupňová čerpadla s vysokou dopravní výškou při nízkém průtoku.
- Axiální (vrtulová) čerpadla , jejichž pracovním tělesem je oběžné kolo vrtulového typu. Kapalina v těchto čerpadlech se pohybuje podél osy otáčení oběžného kola. Vysokootáčková čerpadla s vysokým koeficientem otáček se vyznačují vysokými průtoky, ale nízkými hodnotami dopravní výšky.
  - Poloaxiální ( diagonální , turbínová ) čerpadla, jejichž pracovním tělesem je poloaxiální (diagonální, turbínové) oběžné kolo.
Vortexová čerpadla jsou samostatným typem lamelových čerpadel, u kterých dochází k přeměně mechanické energie na potenciální proudovou energii (tlak) v důsledku tvorby víru v pracovním kanálu čerpadla.
Proudové pumpy , ve kterých je pohyb kapaliny prováděn díky energii toku pomocné kapaliny, páry nebo plynu (žádné pohyblivé části, ale nízká účinnost).
Rampy (hydraulické berany) využívající fenomén vodního rázu k čerpání kapaliny (minimum pohyblivých částí, téměř žádné třecí plochy, jednoduchá konstrukce, schopnost vyvinout vysoký výstupní tlak, nízká účinnost a produktivita)

Rotační čerpadla

Vortexová čerpadla jsou dynamická čerpadla, ve kterých se kapalina pohybuje po obvodu oběžného kola v tangenciálním směru. K přeměně mechanické energie pohonu na potenciální energii proudění (tlaku) dochází v důsledku vícenásobných vírů buzených oběžným kolem v pracovním kanálu čerpadla. Účinnost skutečných čerpadel obvykle nepřesahuje 30% .

Použití vírového čerpadla je oprávněné, když je hodnota rychlostního koeficientu . Vortexová čerpadla ve vícestupňovém provedení výrazně rozšiřují rozsah provozních tlaků při nízkých průtocích a snižují rychlostní faktor na hodnoty typické pro objemová čerpadla. $n_{s}<40$

Periferní čerpadla kombinují výhody objemových čerpadel (vysoké tlaky při malých průtocích) a dynamických čerpadel (lineární závislost dopravní výšky čerpadla na průtoku, rovnoměrnost průtoku).

Periferní čerpadla se používají pro čerpání čistých a nízkoviskózních kapalin, zkapalněných plynů, jako drenážní čerpadla pro čerpání horkého kondenzátu.

Vortexová čerpadla mají nízkou kavitační kvalitu. Kavitační koeficient rychlosti[ neznámý termín ] vírová čerpadla . $C=100..110$

Podobnost s lopatkovými čerpadly

Metody teorie podobnosti a rozměrové analýzy umožňují zobecnit experimentální data o výkonu čerpadla na vědeckém základě. Pohyb kapaliny v čerpadle některých geometrických rozměrů je určen ve zjednodušeném modelu: průměr kola D , m; průtok Q , m³/s; rychlost n , s −1 ; hustota kapaliny ρ, kgf s 2 /m 4 ; viskozita μ, kgf s/m². Závislými parametry jsou moment na hřídeli čerpadla M , kgf m a dopravní výška H , m. Systém je redukován na závislost bezrozměrných komplexů : $\textstyle {\bar {M}}=f(Re,St)$

${\bar M}={M \over \rho n^{2}D^{5}}$ - bezrozměrný moment,
$Re={\rho Q \over \mu D}$ je analogem Reynoldsova čísla ,
$St={nD^{3} \over Q}$ je obdobou Strouhalova čísla .

Vnitřní výkon je úměrný točivému momentu na hřídeli vynásobenému počtem otáček:

N_{i}=\rho n^{3}D^{5}f'(Re,St)

;

tlak odkazujeme na dynamický tlak: (tlak v první aproximaci je úměrný obvodové rychlosti na obvodu kola), $\textstyle {H \over v^{2}/2g}\sim {H \over D^{2}n^{2}/g}$

H={D^{2}n^{2} \over g}f''(Re,St)

Pak pro dvě geometricky podobná čerpadla s poměrem měřítka D 1 / D 2 = λ, se správnou rovností (tj . ), platí rovnice podobnosti pro čerpadla: $St_{1}=St_{2}$ $\textstyle Q_{1}/Q_{2}=\lambda ^{3}n_{1}/n_{2}$

{\frac {N_{{i1}}}{N_{{i2}}}}=\lambda ^{5}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{3}{ \frac {\rho _{1}}{\rho _{2}}}

{\frac {H_{1}}{H_{2}}}=\lambda ^{2}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{2}

Tyto rovnice jsou správné až do měřítka způsobeného změnou kritéria Re a relativní drsností povrchu . Upřesněná forma zahrnuje změnu v odpovídající účinnosti se změnou Re a D :

{\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}=\lambda ^{3}{n_{1} \over n_{2}}{\eta _{{\mbox{o6 1}}} \ přes \eta _{{\mbox{o6 2))))

{\frac {N_{1}}{N_{2}}}=\lambda ^{5}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{3}{\frac {\ rho _{1}}{\rho _{2}}}{\eta _{{{\mathrm M}e1}} \over \eta _{{{\mathrm M}e2}}}

{\frac {H_{1}}{H_{2}}}=\lambda ^{2}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{2}{\eta _{ {\Gamma 1}} \over \eta _{{\Gamma 2}}}

Důsledkem rovnic podobnosti je poměr frekvence podobných čerpadel (pro stejnou účinnost)

{\frac {n_{1}}{n_{2}}}={\frac {{\sqrt ({\frac {Q_{2}}{Q_{1}}}}}}{\left({\ frac {H_{2}}{H_{1}}}\right)^{{3/4}}}}{\mbox{.}}

Rychlostní charakteristiky lamelových čerpadel

Konkrétní počet otáček n r , s −1 charakterizuje konstrukční typ oběžného kola čerpadla; je definován jako počet otáček referenčního čerpadla, jako je toto, s průtokem 1 m³/s při dopravní výšce 1 m:

r = n√ Q [m³/s]( H [m]) 3/4.

Bezrozměrný specifický počet otáček je univerzálnějším parametrem, který nezávisí na rozměru použitých hodnot:

{\bar n}_{r}^{=}{\frac {n{\sqrt Q}}{(gH)^{{3/4}}}}{\mbox{.}}

V metrickém systému ( n , s −1 ; Q , m³/s; H , m; g = 9,81 m/s²) n̄ r ≈ 0,180 n r [s −1 ].

Rychlostní faktor n s , s −1 je počet otáček referenčního čerpadla, podobného tomuto, s užitečným výkonem 75 kgf m/s při dopravní výšce 1 m; předpokládá se, že takové čerpadlo pracuje s vodou (γ=1000 kgf/m³) a má stejnou účinnost.

ns = 3,65 n√ Q [m³/s]( H [m]) 3/4.

Tyto hodnoty umožňují porovnávat různá čerpadla, pokud se zanedbá rozdíl v hydraulické a objemové účinnosti. Protože zvýšení počtu otáček zpravidla umožňuje snížit velikost a hmotnost čerpadla a jeho motoru, a proto je výhodné. Kolečka s nízkou rychlostí umožňují vytvořit vysoký tlak při nízkém průtoku, kola s vysokou rychlostí se používají pro vysoký posuv a nízký tlak.

Typy oběžných kol v závislosti na součiniteli otáček

n s , s −1	D2 / D0 _ _	Typ čerpadla
40÷80	~2.5	Odstředivá nízká rychlost
80÷140	~2	Odstředivá normální
140÷300	1,4÷1,8	Odstředivá vysokorychlostní
300÷600	1,1÷1,2	Diagonální nebo šroubové
600÷1800	0,6÷0,8	Axiální

Kavitační měrný počet otáček , s −1 , je charakteristikou návrhu průtokové cesty čerpadla z hlediska sacího výkonu; je počet otáček čerpadla jako je toto s průtokem 1 m³/sa H 0 u min = 10 m: $\textstyle n_{r}^{{\mbox{*}}}$

\textstyle n_{r}^{{\mbox{*}}}

=n√ Q [m³/s]( H 0 u min [m]/10) 3/4.

Klasifikace čerpadel podle provedení

Mechanické
- Píst
- Rotační
- Membrána
- lamelový
- šroub
- Kořeny
- Cívka
- Spirála
- Turbomolekulární
Magnetický výboj
Inkoustové
- Vodní kroužek
- Paro-olejová difúze
- Parní olejový posilovač
Sorpce
kryogenní

Klasifikace čerpadel podle typu čerpaného média

Chemická čerpadla

Chemická čerpadla jsou určena pro čerpání různých agresivních kapalin, proto je jejich hlavní oblastí použití chemický a petrochemický průmysl (čerpání kyselin, louhů, ropných produktů), průmysl barev a laků (barvy, laky, rozpouštědla atd.) a potravinářský průmysl. průmysl.

Chemická čerpadla jsou určena pro čerpání agresivních kapalin (kyseliny, louhy), organických kapalin, zkapalněných plynů apod., které mohou být výbušné, s různou teplotou, toxicitou, sklonem k polymeraci a lepení, obsahem rozpuštěných plynů. Charakter čerpaných kapalin určuje, že části chemických čerpadel, které přicházejí do styku s čerpanými kapalinami, jsou vyrobeny z chemicky odolných polymerů nebo korozivzdorných slitin nebo mají korozivzdorné povlaky.

Fekální pumpy

Fekální čerpadla se používají k čerpání kontaminovaných kapalin a splašků . Jsou určeny pro vyšší viskozitu čerpaného média a obsah suspendovaných částic v něm, včetně malých a středních abrazivních částic (písek, štěrk ). Fekální čerpadla mohou být ponorná nebo poloponorná a jejich konstrukce může být vybavena i řezným mechanismem pro mletí velkých pevných kusů unášených proudem kapaliny. Moderní modely takových čerpadel mají někdy plovák pro automatické zapnutí / vypnutí čerpadla.

Hlavní aplikační prostředí je na kanalizačních stanicích.

Poznámky

↑ Stroje na čerpání a vytváření tlakových plynů - ventilátory a kompresory . Některé stroje a zařízení pro čerpání plynů se také nazývají pumpy, například vakuová pumpa , pumpa na vodní paprsek , ruční pumpa pro huštění pneumatik kolových vozidel.

Literatura

Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
Lermantov V.V. Pumps // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
Lomakin A. A. Odstředivá a axiální čerpadla. - 2. - M. - L .: Mashinostroenie, 1966.

Slovníky a encyklopedie

Velká dánština
Skvělý norský
Velký Rus
Brockhaus a Efron
Brockhaus a Efron
okolo světa
Malý Brockhaus a Efron
Nový
Britannica (online)

V bibliografických katalozích
BNF : 11948685g GND : 4047843-9 J9U : 987007548548705171 LCCN : sh85109065 NDL : 00569125 NKC : ph116851