I. Definícia a prehľad čerpadiel
Čerpadlo, ako široko používané mechanické zariadenie v rôznych oblastiach, jeho hlavnou funkciou je prepravovať tekutiny (ako je voda, olej atď.) z jedného miesta na druhé. S pohonom čerpadla môžu kvapaliny efektívne a stabilne vykonávať prepravnú úlohu, čím spĺňajú rôzne výrobné a životné potreby.
Čerpadlo je mechanické zariadenie používané na prepravu rôznych kvapalín. Jeho rozsah použitia je široký a zahŕňa vodu, olej, roztoky kyselín a zásad, emulzie, suspenzie, tekuté kovy atď. Okrem toho môžu čerpadlá na zubové oleje prepravovať aj kvapalné-zmesi plynov a kvapaliny obsahujúce suspendované pevné látky.
Čerpadlá možno rozdeliť do troch hlavných kategórií na základe ich princípov činnosti: objemové čerpadlá, čerpadlá s obežným kolesom a iné typy čerpadiel. Stojí za zmienku, že klasifikácia ponorných čerpadiel je rôznorodejšia. Okrem toho, že sú klasifikované podľa pracovného princípu, môžu byť tiež kategorizované a pomenované na základe spôsobu pohonu, štruktúry, účelu a povahy prepravovanej kvapaliny.
Medzi rôznymi výkonnostnými parametrami čerpadla sú komplexné vzájomne závislé zmeny a tieto vzťahy možno intuitívne zobraziť prostredníctvom charakteristických kriviek. Každé čerpadlo má svoju jedinečnú charakteristickú krivku, ktorá odráža jeho špecifické výkonové charakteristiky. Ako mechanické zariadenie na dopravu kvapalín alebo zvyšovanie tlaku kvapalín, čerpadlo prenáša mechanickú energiu hnacieho motora alebo inú vonkajšiu energiu na kvapalinu, čím sa dosiahne zvýšenie energie kvapaliny.
II. Definícia a historický pôvod pumpy
Čerpadlo, mechanické zariadenie na prepravu kvapalín alebo zvyšovanie tlaku kvapalín, má históriu siahajúcu až do staroveku. Všeobecne povedané, čerpadlo sa nepoužíva len na prepravu tekutín, ale zahŕňa aj určité mechanické zariadenia špeciálne navrhnuté na prepravu plynov. Prenosom mechanickej energie hnacieho motora alebo energie iných zdrojov na kvapalinu čerpadlo dosahuje zvýšenie energie kvapaliny.
Zvyšujúci sa dopyt ľudí po zdvíhaní vody viedol k vzniku rôznych zariadení na zdvíhanie vody. Napríklad reťazové čerpadlo v Egypte bolo vynájdené okolo roku 1700 pred Kristom, zatiaľ čo Čína mala staré nástroje na zdvíhanie vody, ako sú páky, navijaky a vodné kolesá. V starovekom Grécku vynašiel Archimedes skrutkovú tyč v 3. storočí pred naším letopočtom, čím položil základy neskoršej čerpacej techniky.
V priebehu času vynašiel staroveký grécky remeselník Ktesibius primitívne piestové čerpadlo - hasiace čerpadlo - okolo roku 200 pred Kristom. Potom, v roku 1588, bol zaznamenaný záznam o 4-listovom posuvnom lopatkovom čerpadle, ktorý znamenal počiatočný vývoj rotačného čerpadla. Do roku 1689 D. Papan z Francúzska ďalej inovoval a vynašiel špirálové odstredivé čerpadlo so 4-lopatkovými obežnými kolesami.
V 18. storočí sa v Spojených štátoch postupne objavili odstredivé čerpadlá s radiálnymi rovnými lopatkami, polo-otvorenými dvojitými-nasávacími kolesami a špirálami, ako aj piestové čerpadlá poháňané priamo parou. Tieto inovácie prispeli k vytvoreniu a rozvoju modernej čerpacej techniky.
S neustálym pokrokom v technológii medzi rokmi 1840 a 1850 vynašiel HR Worsington zo Spojených štátov amerických piestové čerpadlo s priamym{4}}postupom s valcom čerpadla a parným valcom umiestneným oproti sebe, čím položil základ pre zdokonalenie moderných piestových čerpadiel. A od roku 1851 do roku 1875 zrod viacstupňových odstredivých čerpadiel umožnil vývoj odstredivých čerpadiel s vysokou výškou-hlavy.
Odvtedy sa neustále objavovali rôzne nové typy čerpadiel, ktorých účinnosť sa postupne zlepšovala a rozsah výkonov a oblastí použitia sa tiež zväčšoval.
III. Klasifikácia čerpadiel
Čerpadlá, ktoré sú široko používané v rôznych oblastiach, prichádzajú v širokej škále typov a sú klasifikované mnohými spôsobmi. Podľa princípu fungovania možno čerpadlá rozdeliť do troch kategórií:
Po prvé, je tu objemové čerpadlo, tiež známe ako čerpadlo s obežným kolesom alebo lopatkové čerpadlo. Tento typ čerpadla využíva rotačné obežné koleso na aplikovanie sily na kvapalinu, pričom plynule prenáša energiu do kvapaliny a zvyšuje jej kinetickú energiu a tlak. Následne sa kinetická energia premení na tlakovú energiu cez výbojovú komoru. Objemové čerpadlá zahŕňajú okrem iného odstredivé čerpadlá, čerpadlá s axiálnym prietokom, čerpadlá s čiastočným prietokom a vortexové čerpadlá.
Ďalším typom je objemové čerpadlo. Tento typ čerpadla prenáša energiu periodickou zmenou objemu utesneného pracovného priestoru, čím zvyšuje tlak kvapaliny a núti ju k vypusteniu. Objemové čerpadlá možno ďalej rozdeliť na piestové čerpadlá a rotačné čerpadlá na základe formy pohybu pracovných prvkov.
Okrem toho existujú aj iné typy čerpadiel, ktoré prenášajú energiu jedinečným spôsobom. Tryskové čerpadlá sa napríklad spoliehajú na vysokorýchlostný-prúd pracovnej tekutiny, ktorý nasáva a premiešava prepravovanú tekutinu, čím sa dosahuje prenos energie prostredníctvom výmeny hybnosti; membránové čerpadlá a čerpadlá vodného rázu využívajú účinok vodného rázu počas brzdenia na prenos energie; zatiaľ čo elektromagnetické čerpadlá dosahujú transport tekutiny prúdom tekutého kovu pod vplyvom elektrického prúdu a elektromagnetickej sily.
Okrem toho možno čerpadlá ďalej klasifikovať na základe vlastností prepravovanej kvapaliny, spôsobu pohonu, konštrukcie a účelu.
IV. Aplikácia čerpadiel v rôznych oblastiach
Výkonnostná škála čerpadiel je široká, od obrovských čerpadiel s prietokom niekoľko stotisíc metrov kubických za hodinu až po miniatúrne čerpadlá s prietokom menším ako niekoľko decilitrov za hodinu; ich tlakový rozsah sa tiež môže meniť od normálneho tlaku až po 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) alebo viac. Okrem toho sa líši aj teplota a typ prepravovanej kvapaliny, ako je voda (čistá voda, splašky, atď.), olej, kyseliny a zásady, suspenzie a tekuté kovy atď.
Vo výrobe v chemickom a ropnom sektore zohrávajú čerpadlá kľúčovú úlohu. Keďže suroviny, polotovary{1}}a hotové produkty sú väčšinou kvapaliny, v týchto zložitých procesoch čerpadlá nielen prepravujú kvapaliny, ale tiež zabezpečujú tlak a prietok potrebný na chemické reakcie. Zároveň sa používajú aj v mnohých zariadeniach na reguláciu teplôt.
V poľnohospodárskej výrobe sú čerpadlá hlavnými strojmi na zavlažovanie a odvodňovanie. Vidiecke oblasti v našej krajine sú rozsiahle a na podporu poľnohospodárskej výroby je každoročne potrebné veľké množstvo čerpadiel. Všeobecne povedané, poľnohospodárske čerpadlá tvoria polovicu celkového výkonu čerpadiel.
Ťažobný a hutnícky priemysel sú tiež dôležitými oblasťami použitia čerpadiel. V týchto odvetviach si procesy ako odvodňovanie baní, spracovanie nerastov, tavenie a valcovanie vyžadujú podporu čerpadiel.
V energetike, či už ide o jadrovú elektráreň alebo tepelnú elektráreň, zohrávajú čerpadlá kľúčovú úlohu. Jadrové elektrárne potrebujú hlavné čerpadlá, sekundárne čerpadlá a terciárne čerpadlá na zabezpečenie stabilnej prevádzky jadrových reakcií; zatiaľ čo tepelné elektrárne sa spoliehajú na veľký počet napájacích čerpadiel kotlov, čerpadiel kondenzátu, obehových čerpadiel a čerpadiel na trosku a popol, aby sa udržala normálna prevádzka elektrárne.
Obranná výstavba sa tiež nezaobíde bez aplikácie čerpadiel. Nastavenie vztlakových klapiek lietadiel, kormidiel a podvozkov, otáčanie veží vojnových lodí a tankov, ako aj ponorenie a výstup ponoriek, to všetko si vyžaduje čerpadlá na zabezpečenie potrebného výkonu a funkcií nastavenia. Okrem toho pri určitých vysokotlakových-a rádioaktívnych kvapalinách počas prepravy a manipulácie je požiadavka na bezútekovú-prevádzku čerpadla extrémne vysoká.
V lodiarskom priemysle sa na každom zaoceánskom-plavidle používajú stovky rôznych typov čerpadiel. Od vrtuľových čerpadiel, ktoré poháňajú loď, až po rôzne čerpadlá, ktoré udržiavajú prostredie lodných kajút, všetky sú nepostrádateľné. Okrem toho systémy zásobovania vodou a kanalizácie v mestách, voda používaná parnými lokomotívami, mazanie a chladenie v obrábacích strojoch, preprava farbív v textilnom priemysle a preprava mliečnych a cukrových výrobkov v potravinárskom priemysle, to všetko závisí od podpory čerpadiel.
Na záver možno povedať, že čerpadlá sú všadeprítomné v rôznych oblastiach, vrátane letectva, vojenského vybavenia, priemyselnej výroby a každodenného života, a zohrávajú nezastupiteľnú úlohu. Preto sú čerpadlá klasifikované ako všeobecné stroje a stávajú sa nepostrádateľným a dôležitým produktom v strojárskom priemysle.
V. Základné parametre čerpadiel
Čerpadlá, ako dôležitý komponent všeobecného strojového zariadenia, ich výkon priamo ovplyvňuje prevádzkovú efektivitu v rôznych aplikačných scenároch. Aby sme plne porozumeli výkonu čerpadiel, musíme sa najprv zamerať na niekoľko kľúčových základných parametrov. Tieto parametre odrážajú nielen vlastné charakteristiky čerpadiel, ale poskytujú aj rozhodujúci návod pre ich výber a použitie.
1. Prietok Q
Prietok je dôležitým ukazovateľom na meranie množstva kvapaliny, ktorú môže čerpadlo dopraviť za jednotku času, zvyčajne vyjadrenú ako objem alebo hmotnosť. Objemový prietok je označený Q a jeho jednotky zahŕňajú m3/s, m3/h, l/s atď. Zatiaľ čo hmotnostný prietok je reprezentovaný Qm a jeho jednotkami sú t/h, kg/s, atď. Vzťah medzi týmito dvoma môže byť stanovený pomocou vzorca Qm=ρQ, kde ρ predstavuje hustotu kvapaliny. Pre vodu pri normálnej teplote je jej hustota ρ približne 1000 kg/m3.
2. Hlava H
Dopravná výška sa vzťahuje na zvýšenie energie v jednotkovej hmotnosti kvapaliny po jej prečerpaní čerpadlom zo vstupu čerpadla (tj vstupnej príruby čerpadla) k výstupu (tj výstupnej príruby čerpadla). To je ekvivalentné efektívnej energii získanej jedným Newtonom kvapaliny pri prechode čerpadlom. Jeho jednotka je N·m/N, ktorá je tiež bežne známa ako metre. Predstavuje výšku stĺpca kvapaliny, ktorú čerpadlo čerpá, a preto sa tiež jednoducho nazýva metre.
3. Rýchlosť otáčania n
Rýchlosť sa vzťahuje na počet otáčok hriadeľa čerpadla za jednotku času, zvyčajne označenú symbolom n, a jej jednotkou sú otáčky za minútu (r/min).
4. Okraj sacej hlavy
Okraj sacej hlavy, tiež známy ako čistá pozitívna sacia výška, je kľúčovým parametrom na meranie kavitačného výkonu. V Číne bol tento parameter predtým reprezentovaný Δh.
5. Výkon a účinnosť
Výkon čerpadla sa zvyčajne označuje ako vstupný výkon, čo je výkon prenášaný z hnacieho motora na hriadeľ čerpadla a je tiež známy ako výkon hriadeľa, označuje sa P. Efektívny výkon čerpadla alebo výstupný výkon predstavuje Pe a meria efektívnu energiu získanú kvapalinou vypúšťanou z čerpadla za jednotku času.
Stojí za zmienku, že hlava presne predstavuje túto účinnú energiu. Hlava sa konkrétne vzťahuje na efektívnu energiu, ktorú dostane jednotka ťažkej kvapaliny, keď je čerpaná z čerpadla. Preto vynásobením dopravnej výšky, hmotnostného prietoku a gravitačného zrýchlenia môžeme vypočítať efektívnu energiu, ktorú jednotka výstupu kvapaliny z čerpadla získa za daný čas, čo je efektívny výkon čerpadla:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Spomedzi nich ρ predstavuje hustotu kvapaliny čerpanej čerpadlom (kg/m³), je špecifická hmotnosť kvapaliny čerpanej čerpadlom (N/m³), Q je prietok čerpadla (m³/s), H je dopravná výška čerpadla (m) a g je gravitačné zrýchlenie (m/s²).
Rozdiel medzi výkonom P na hriadeli a efektívnym výkonom Pe predstavuje stratu výkonu v čerpadle. Na kvantifikáciu tejto straty zavedieme pojem účinnosti čerpadla, ktorý sa vyjadruje ako pomer efektívneho výkonu k výkonu hriadeľa a označuje sa η.
VI. Definícia a konverzia prevádzky
Prietok, čo je objem kvapaliny vypustenej čerpadlom za jednotku času, sa označuje Q. Jeho jednotky zahŕňajú metre kubické za hodinu (m3/h), litre za sekundu (l/s) atď. Stojí za zmienku, že 1 liter za sekundu zodpovedá 3,6 metrov kubickým za hodinu, čo sa tiež rovná 0,06 metrov kubickým za minútu alebo 60 litrom za minútu. Okrem toho môžeme vypočítať hmotnosť čerpanú za hodinu pomocou prietoku a špecifickej hmotnosti kvapaliny, označenej G, kde ρ predstavuje špecifickú hmotnosť kvapaliny. Napríklad, ak má určité čerpadlo prietok 50 metrov kubických za hodinu, pri čerpaní vody chceme vedieť, koľko hmotnosti je možné prečerpať za hodinu? Za predpokladu, že merná hmotnosť vody ρ je 1 000 kilogramov na meter kubický, môžeme vypočítať pomocou vzorca G=Qρ, výsledkom čoho je 50 000 kilogramov za hodinu alebo 50 ton za hodinu.
VII. Definícia a konverzia hlavy
Dopravná výška, čo je energia získaná jednotkovou hmotnosťou kvapaliny prechádzajúcou čerpadlom, sa označuje H a meria sa v metroch (m). Zahŕňa saciu výšku a približne sa rovná rozdielu tlaku medzi výstupom čerpadla a vstupom. Medzitým je tlak čerpadla reprezentovaný P a meria sa v Mpa (megapascaloch). Stojí za zmienku, že medzi hlavou a tlakom existuje určitý konverzný vzťah. Špecifický vzorec je H=P/ρ, kde ρ je špecifická hmotnosť kvapaliny. Napríklad, keď P je 1 kg/cm², môžeme použiť vzorec na výpočet, že H je približne 10 metrov.
1 MPa sa rovná 10 kg/cm². Dopravnú výšku H možno vypočítať pomocou vzorca H=(P2 - P1) / ρ, kde P2 predstavuje výstupný tlak, P1 predstavuje vstupný tlak a ρ je špecifická hmotnosť kvapaliny.
Ďalej budeme diskutovať o konceptoch kavitačnej rezervy a sacieho zdvihu, ako aj o ich meracích jednotkách. Kavitácia sa týka javu, keď počas prevádzky čerpadla kvapalina na vstupe obežného kolesa vytvára paru v dôsledku tlaku vákua. Tieto vyparené bubliny pri dopade na častice kvapaliny spôsobujú eróziu kovových povrchov, ako je obežné koleso, a tým poškodzujú tieto kovové komponenty. Tento tlak vákua je známy ako tlak odparovania. Na druhej strane, kavitačná rezerva sa vzťahuje na energiu, ktorú má jednotková hmotnosť kvapaliny na sacom vstupe čerpadla nad tlak odparovania. Meria sa v metroch a zvyčajne sa označuje NPSHr.
Sacia výška, tiež známa ako potrebná kavitačná rezerva Δh, je stupeň vákua, pri ktorom môže čerpadlo nasávať kvapalinu. Je to povolená inštalačná výška čerpadla a jej jednotkou sú tiež metre. Vzorec na výpočet sacej výšky je: Sacia výška=Štandardný atmosférický tlak - Medzera kavitácie - Bezpečná rezerva. Medzi nimi výška vákua potrubia generovaného štandardným atmosférickým tlakom je 10,33 metra a bezpečnostná rezerva sa zvyčajne berie ako 0,5 metra.
Napríklad pre určité čerpadlo je jeho potrebný sací zdvih 4,0 metra. Na výpočet jeho sacej výšky Δh môžeme použiť uvedený vzorec. Výsledok výpočtu je: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 metrov.
VIII. Fenomén kavitácie čerpadla a jeho príčiny
1. Definícia kavitácie
Keď kvapalina dosiahne určitú teplotu, jej tlak klesne na tlak vyparovania zodpovedajúci tejto teplote. V tomto bode sa v kvapaline vytvoria bubliny. Tento jav je známy ako kavitácia.
2. Kolaps kavitácie
Počas procesu kavitácie sa vytvorené bubliny, keď kvapalina prúdi do oblasti vysokého{0}}tlaku, rýchlo zmršťujú v dôsledku náhleho zvýšenia tlaku a nakoniec v kvapaline prasknú. Tento jav sa nazýva kavitačný kolaps.
3. Príčiny a riziká kavitácie
Ak sa počas prevádzky čerpadla v určitých oblastiach prietokového kanála (ako je poloha mierne za vstupom lopatiek obežného kolesa) vyskytne špecifický dôvod, ktorý spôsobí, že absolútny tlak čerpanej kvapaliny klesne pod tlak vyparovania pri danej teplote, kvapalina sa v tomto bode začne vyparovať a vytvorí veľké množstvo bublín. Keď kvapalina obsahujúca tieto bubliny vstúpi do vysokotlakovej oblasti obežného kolesa, bubliny sa pôsobením vysokotlakovej kvapaliny rýchlo stiahnu a nakoniec prasknú. Tento proces je zrejmý najmä pri ponorných čerpadlách. Kondenzácia a prasknutie bublín sú sprevádzané rýchlym vypĺňaním dutín časticami kvapaliny pri extrémne vysokých rýchlostiach, čo vedie k silnému nárazu vody. Tento náraz vody naráža na kovový povrch s vysokou frekvenciou nárazov, pričom nárazové napätie dosahuje stovky až tisíce atmosfér a frekvencia nárazov môže dosiahnuť dokonca desaťtisíckrát za sekundu. Povrchy stien, ktoré sú dlhodobo vystavené takýmto nárazom, môžu byť silne erodované a dokonca môže dôjsť k perforácii.
4. Proces a účinky kavitácie
V pumpe je kavitácia zložitý proces zahŕňajúci tvorbu, vývoj a kolaps bublín. Keď určité oblasti prietokovej časti čerpadla zažijú špecifické podmienky, ktoré spôsobia, že absolútny tlak kvapaliny klesne pod tlak odparovania, kvapalina sa začne vyparovať a vytvorí sa veľké množstvo bublín. Keď kvapalina vstúpi do vysokotlakovej oblasti obežného kolesa, tieto bubliny sa rýchlo stiahnu pod vplyvom vysokého-tlaku a nakoniec prasknú. Táto séria procesov nielenže spôsobuje vážne poškodenie komponentov prietoku, ale vytvára aj nepríjemný hluk a vibrácie, čím sa výrazne znižuje výkon čerpadla. V závažných prípadoch môže kavitácia dokonca spôsobiť prerušenie dodávky kvapaliny do čerpadla, čo ovplyvní normálnu prevádzku čerpadla.
IX. Aká je charakteristická krivka čerpadla?
Charakteristická krivka čerpadla, tiež známa ako výkonová krivka, v podstate zobrazuje vzťah medzi hlavnými výkonovými parametrami odstredivého čerpadla. Tieto krivky sa získavajú skutočnými meraniami a vizuálne predstavujú pohyb kvapaliny v čerpadle. Charakteristické krivky zahŕňajú krivky prietoku a spádu (Q-H), prietoku a účinnosti (Q-η), prietoku a výkonu (Q-N) a prietoku a rozpätia odparovacej hlavy (Q-NPSHr). Tieto krivky sú rozhodujúce pre pochopenie pracovného stavu čerpadla, pretože pre každý daný bod prietoku možno na krivke nájsť súbor zodpovedajúcich hodnôt pre dopravnú výšku, výkon, účinnosť a rezervu výparnej hlavy a tento súbor parametrov sa nazýva pracovný stav alebo prevádzkový bod. Najmä pracovný bod pri najvyššej účinnosti odstredivého čerpadla sa nazýva optimálny pracovný bod a zvyčajne je to aj návrhový pracovný bod. Pochopenie týchto výkonnostných parametrov je kľúčové pre zabezpečenie normálnej prevádzky a účinnosti-úspory energie čerpadla.
11. Ako je definovaná účinnosť čerpadla? Aký je jeho vzorec?
Účinnosť čerpadla je definovaná ako pomer efektívneho výkonu k výkonu na hriadeli, vyjadrený symbolom η, a jeho výpočtový vzorec je η=Pe/P. Tu Pe predstavuje efektívny výkon čerpadla a P označuje výkon hriadeľa čerpadla, to znamená výkon prenášaný z hlavného pohonu na hriadeľ čerpadla. Efektívny výkon je súčinom výšky čerpadla, hmotnostného prietoku a gravitačného zrýchlenia a jeho vzorec je Pe=ρg QH (vo wattoch) alebo Pe=QH/1000 (v kilowattoch). Okrem toho ρ predstavuje hustotu kvapaliny prepravovanej čerpadlom, je špecifická hmotnosť kvapaliny (=ρg) a g je gravitačné zrýchlenie. Súčasne možno získať hmotnostný prietok Qm vynásobením hustoty ρ prietokom Q s jednotkami ton za hodinu alebo kilogramov za sekundu.
12. Čo je to testovacia stolica s plným výkonom pre čerpadlo?
Plnohodnotná testovacia stolica pre čerpadlá je pokročilé zariadenie schopné presne testovať rôzne výkonové parametre čerpadiel. Je v súlade s národnými normami a má presnosť B-úrovne, ktorá zaisťuje presnosť výsledkov testu. Táto skúšobná stolica je vybavená presnými prístrojmi vrátane prietokomeru so závitovkovým prevodom na meranie prietoku, presného tlakomeru na meranie hlavy, vákuomeru na meranie sacej výšky a axiálneho stroja na meranie výkonu. Okrem toho sa na presné určenie rýchlosti čerpadla používa aj rýchlomer. Spoluprácou týchto presných prístrojov môžeme získať kompletný súbor výkonových parametrov čerpadla, čím komplexne vyhodnotíme jeho výkon.
