Что такое объемный насос: все, что вам нужно знать

Среди многообразия насосного оборудования объемные насосы занимают особое место. Их уникальность заключается в принципе работы, позволяя справляться с широким списком задач: перекачивание высоковязких, агрессивных, чувствительных к сдвигу или содержащих твердые частицы сред.

Отличия объемных насосов от динамических

Понимание различий между объемными и динамическими насосами нужно для правильного выбора оборудования под конкретную задачу. Эти два класса отличаются по базовому принципу передачи энергии жидкости и, как следствие, по своим эксплуатационным характеристикам.

В целом, принцип действия объемных насосов основан на изменении объема замкнутой рабочей камеры. Рабочий элемент – поршень, плунжер, шестерня, винт, диафрагма и т.д. механически захватывает определенный объем жидкости из всасывающего трубопровода, герметично изолирует его и затем принудительно вытесняет в напорный трубопровод. Этот процесс приводит к созданию высокого избыточного давления, которое не зависит от скорости потока. Подача в объемных насосах практически не изменяется при колебаниях давления в напорной линии. Это как в шприце: втянули жидкость, затем вытолкнули ее. Количество, которое выдавливается, почти не зависит от того, насколько сильно давят на поршень.

В динамических насосах передача жидкостной энергии происходит за счет динамического воздействия рабочего колеса с лопастями; перекачиваемая жидкость движется к центру, захватывается лопастями и под действием центробежной силы (которая возникает в центробежных насосах) или осевого потока в осевых моделях приобретает высокую энергию кинетического типа.

Затем она преобразуется в энергию давления. Расход и напор в динамических насосах тесно взаимосвязаны: с увеличением напора подача уменьшается, и наоборот. Осевые и центробежные насосы оптимальны для перекачивания больших объемов маловязких жидкостей при относительно невысоких напорах.

Основной принцип работы объемных насосов

Несмотря на разнообразие конструкций, все объемные насосы функционируют по единому, двухфазному циклу, который непрерывно повторяется:

1. Фаза всасывания, когда рабочий элемент насоса движется, увеличивая объем рабочей камеры. В ней образуется разрежение, то есть падение давления, которое ниже, чем в подводящем трубопроводе. Под действием этой разницы жидкость принудительно заполняет расширяющуюся рабочую камеру через всасывающий клапан или входное отверстие. По мере заполнения происходит отделение этого объема от всасывающей линии.
2. Фаза нагнетания, когда после заполнения камеры рабочий элемент начинает движение в обратном направлении. От этого уменьшается объем камеры и резко повышается давление в ней. Когда давление в рабочей камере превышает давление в напорном трубопроводе, перекачиваемая жидкость вытесняется через нагнетательный клапан или выходное отверстие в напорную линию. При этом предотвращается обратный ток жидкости во всасывающую линию благодаря работе клапанов или герметичности зацепления рабочих органов.

Циклическое повторение этих двух фаз обеспечивает непрерывное перемещение жидкости из зоны низкого давления в зону высокого.

Рабочие параметры объемных насосов

Для полной характеристики и правильного выбора объемного насоса необходимо учитывать ряд эксплуатационных параметров:

• Подача, или производительность – определяет объем жидкости, который насос способен перекачать за единицу времени. Обычно измеряется в м³/ч, л/с или галлонах в минуту (GPM). Для объемных насосов подача в первую очередь зависит от рабочего объема камеры за один цикл и частоты выполнения этих циклов.
• Напор – это избыточное давление, которое насос способен создать для преодоления сопротивления в трубопроводе, а также для подъема жидкости на определенную высоту. Напор может измеряться в паскалях (Па), барах, килограммах на квадратный сантиметр (кгс/см²), фунтах на квадратный дюйм (psi) или в метрах водяного столба. Объемные насосы славятся способностью создавать очень высокие давления, что позволяет им работать в системах с большим гидравлическим сопротивлением или поднимать жидкости на значительную высоту.
• Мощность – определяет количество энергии, которое требуется для работы насоса. Гидравлическая – та энергия, которая фактически передается жидкости, потребляемая насосом из сети или от привода. Вторая всегда больше первой из-за потерь на трение в механизмах, утечки жидкости, гидравлические потери и т.д.

• Коэффициент полезного действия (КПД) – показывает эффективность преобразования подводимой энергии в полезную работу по перемещению объема жидкости.
• Частота вращения или число двойных ходов – для роторных объемных насосов это количество оборотов рабочего органа в минуту (об/мин). Для поршневых и плунжерных это число двойных ходов поршня или плунжера за единицу времени.
• Достоинства и недостатки объемных насосов– расстояние от уровня жидкости во всасывающем резервуаре до оси насоса, на которую способен поднять перекачиваемую жидкость за счет создаваемого им разрежения.

Достоинства и недостатки объемных насосов

Как и любое техническое устройство, объемные насосы имеют свои сильные и слабые стороны, которые определяют их область применения.

Достоинства:

• Высокий напор и независимость подачи от давления – это главное преимущество. Объемные насосы могут создавать сотни и даже тысячи бар, и поддерживать практически постоянную подачу, даже если сопротивление в напорной линии значительно изменяется.
• В отличие от динамических насосов, КПД которых резко падает при увеличении вязкости жидкости, объемные прекрасно справляются с высоковязкими средами. Вязкость даже может улучшать их характеристики, уменьшая внутренние утечки.

• Большинство объемных насосов способны создавать глубокое разрежение на всасывании, чтобы поднять жидкость из нижнего уровня без предварительного наполнения камеры и входного трубопровода.
• За счет практически постоянной подачи часто используются как дозирующие модели для точной подачи заданного объема реагентов в химических процессах, фармацевтике и других областях.

Недостатки:

• Для большинства типов объемных насосов, особенно одноцилиндровых поршневых, характерна пульсация давления и расхода на выходе. Это может вызывать вибрации в трубопроводе, неравномерность потока.
• Прецизионные или высоконапорные имеют сложную конструкцию с большим количеством движущихся и прецизионных деталей, что делает их производство более дорогим, а ремонт и обслуживание трудоемкими.
• Для обеспечения надежности и предотвращения износа, а также из-за инерционных нагрузок, многие объемные насосы работают на относительно низких скоростях вращения по сравнению с динамическими. Поэтому у них большие габариты.
• Из-за возвратно-поступательного движения или прерывистого контакта рабочих органов, а также пульсаций давления, объемные насосы могут генерировать высокий уровень шума и вибрации.

Классификация объемных поршневых и плунжерных насосов по техническим и конструкционным параметрам

Поршневые и плунжерные насосы являются наиболее классическим и одним из старейших типов объемных устройств. Их конструкция основана на возвратно-поступательном движении рабочего элемента в цилиндре.

По числу цилиндров (рабочих камер) они бывают:

• Одноцилиндровые – это простейшая конструкция. Отличаются сильной пульсацией подачи и давления, так как нагнетание происходит только в течение части одного хода рабочего элемента.
• Двухцилиндровые – имеют два цилиндра, работающие обычно в противофазе. Это позволяет значительно сгладить пульсации подачи и давления по сравнению с одноцилиндровыми.
• Трехцилиндровые (и более) – наиболее распространенный вариант для обеспечения равномерной подачи и минимизации пульсаций. Чем больше цилиндров, тем плавнее поток.

По расположению корпуса:

• горизонтальные;
• вертикальные.

По принципу действия:

• Простого – когда рабочий ход происходит только при движении поршня или плунжера в одном направлении. Обратный ход используется только для всасывания.
• Двойного – когда нагнетание жидкости происходит при каждом ходе поршня или плунжера, как при движении вперед, так и при движении назад.

По типу привода:

• Приводные, когда движение поршня/плунжера осуществляется за счет преобразования вращательного движения приводного двигателя в возвратно-поступательное с помощью кривошипно-шатунного механизма.
• Прямого действия – в них поршень насоса напрямую соединен с поршнем силового цилиндра.

По скорости вращения для приводных насосов:

• Тихоходные – работают на низких скоростях, что обеспечивает высокую долговечность, но могут требовать больших габаритов для достижения требуемой производительности.
• Быстроходные – функционируют на высоких скоростях. Более компактны для той же производительности, но могут иметь больший износ и требовать более частой замены уплотнений.

По конструкции рабочего органа:

• Поршневые – они плотно прилегают к внутренней поверхности цилиндра и совершают возвратно-поступательное движение. Герметизация между поршнем и стенками цилиндра обеспечивается поршневыми кольцами или манжетами, которые движутся вместе с поршнем.
• Плунжерные, у которых рабочий орган – гладкий цилиндрический стержень. В отличие от поршня, плунжер не имеет уплотнений по всей длине. Герметизация осуществляется в неподвижном сальниковом узле, расположенном на выходе плунжера из корпуса насоса.

Классификация объемных насосов по типу вытесняющего элемента

Объемные насосы – это обширный класс, и их можно дополнительно категоризировать по тому, какой именно элемент непосредственно вытесняет жидкость. Помимо плунжерных и поршневых, существует множество других роторных и диафрагменных моделей.

Возвратно-поступательные насосы:

1. Плунжерные и поршневые.
2. Диафрагменные, где рабочим органом является гибкая диафрагма, которая совершает движение возвратно-поступательного типа, изменяя объем в рабочей камере.

В роторных моделях вытесняющий элемент совершает вращательное движение, создавая постоянно перемещающиеся замкнутые объемы.

Шестеренные насосы с внешним зацеплением состоят из двух зубчатых рабочих колес (шестерен), расположенных в корпусе и находящихся в зацеплении. Одна шестерня приводится в движение, передавая вращение ведомой. Жидкость захватывается между зубьями венца и стенками корпуса, и переносится из полости всасывания в полость нагнетания.

Шестеренчатые насосы с внутренним зацеплением состоят из внешней шестерни с внутренними зубьями и меньшей внутренней – с внешними зубьями, расположенной эксцентрично внутри внешней. Жидкость захватывается между элементами обеих шестерен и перемещается из всасывания в нагнетание.

Винтовые типы насосов, у которых рабочий орган – вращающийся металлический винт (ротор) со спиральной поверхностью, совершающий эксцентрическое движение внутри неподвижной резиновой обоймы (статора) с двойной винтовой поверхностью. Когда ротор вращается, между ним и статором формируются последовательно перемещающиеся замкнутые полости, проталкивающие жидкость. Так работает винтовой насос с одним ротором.

Двухвинтовые и трехвинтовые – имеют соответствующее количество винтов, которые вращаются в корпусе, образуя герметичные полости и перемещая жидкость вдоль оси роторов. Они не соприкасаются друг с другом или корпусом, и это уменьшает износ.

Шиберные модели, у которых тоже используется ротор, расположенный в корпусе эксцентрично, с радиально расположенными пластинами. Они могут находиться под действием пружины или выдвигаться благодаря центробежной силе, прижимаясь к внутренней стенке корпуса. При вращении объем между пластинами и корпусом изменяется: увеличивается на фазе всасывания и уменьшается на фазе нагнетания.

Кулачковые – состоят из двух синхронно вращающихся в противоположных направлениях кулачков специальной формы. Они, не касаясь друг друга, образуют замкнутые полости между собой и стенками корпуса, перемещая жидкость из всасывания в нагнетание.

Перистальтические, у которых рабочий принцип основан на «выжимании» жидкости из гибкого шланга, расположенного внутри кольцевого или прямого корпуса. Вращающиеся ролики или башмаки обжимают шланг, создавая движущуюся «волну» сжатия, которая проталкивает перекачиваемую жидкость вперед. Она не контактирует с механическими частями насоса, а только со внутренней поверхностью шланга.

Коротко о главном

Каждый тип насоса имеет свою нишу применения, определяемую специфическими требованиями к перекачиваемой среде, необходимому давлению, точности дозирования, условиям эксплуатации и экономической целесообразности. Поэтому при выборе нужно учитывать и согласовывать параметры и технические характеристики насосного оборудования.