Чем большее значение приобретает аспект ограничения выбросов, тем больше внимания привлекает к себе основная причина этой проблемы в стандартных насосах — механическое уплотнение. Выбросы представляют угрозу для безопасности и окружающей среды, а также существенно влияют на затраты на техническое обслуживание и потери производственного времени.
High pressure pump discharge — Нагнетательный патрубок насоса высокого давления, Atmospheric pressure — Атмосферное давление, Leak path Путь утечки, Mechanically Sealed Pump Насос с механическим уплотнением, No leak path to atmosphere Путь утечки в атмосферу отсутствует, Pressure boundary Граница давления, CMP Герметичный насос
В бессальниковых насосах не используется механическое уплотнение, которое может привести к утечке в атмосферу, что исключает возможность утечки жидкостей, опасных или иных, в окружающую среду. В этой категории насосов обеспечивается дополнительная простота благодаря отсутствию необходимости в центровке муфт, обслуживании стойки подшипников и вспомогательных системах, связанных со смазкой и охлаждением подшипников.
Две основные категории бессальниковых насосов: с герметичными двигателями (герметичные насосы) и с магнитными приводами. Герметичные насосы обеспечивают повышенную безопасность благодаря двойной защитной оболочке, уменьшению количества подшипников (и связанных с этим затрат на техническое обслуживание) и повышению надежности при правильном применении.
Почему отсутствует уплотнение?
В силу законов физики жидкости с более высоким давлением стремятся перемещаться в области с более низким давлением. Поскольку традиционные насосы должны быть подключены к приводу (двигателю или турбине), вал должен выходить за границу давления в насосе (корпус насоса). Это означает, что жидкость под высоким давлением, создаваемая вращающимся насосом, может просочиться в атмосферу через отверстие для вала. В традиционных насосах это предотвращается с помощью сальниковой набивки или механического уплотнения.
В герметичных насосах применяют другой подход, используя общий вал для насоса и двигателя и ограничивая все это в пределах границ давления. Это устраняет перепад давления во вращающемся уплотнении и силу, вызывающую утечку жидкости. Использование общего вала насоса и двигателя имеет и другие преимущества, такие как отсутствие центровки муфты (как в горячем, так и в холодном состоянии), что позволяет избежать потенциальных неисправностей насоса.
Требования к материалам
Герметичные насосы изготавливают из материалов, совместимых с большинством технологических жидкостей, но при этом не слишком дорогих. Обычно для изготовления смачиваемых компонентов насосов используют нержавеющую сталь 304, а корпусов статора и ротор — сплав хастеллой C276. Хотя сплав на основе никеля хастеллой C является более экзотичным и дорогим по сравнению с нержавеющей сталью серии 300, более высокое электрическое сопротивление значительно снижает потери на вихревые токи в статоре и, в меньшей степени, в роторе. В целом, использование сплава хастеллой приводит к повышению эффективности двигателя.
Кроме того, поскольку корпуса статора и ротора изготовлены из тонкого материала (0,010-0,015 дюйма), чтобы свести к минимуму электрические потери и реакционную способность, важно использовать прочные и коррозионностойкие материалы. Корпуса удерживаются пластинами из электротехнической стали по всей длине сердечника и более прочными опорными втулками в местах изгиба концов витков проволоки. Они обеспечивают работу устройства при высоких внутренних давлениях (до 6000 фунтов/дюйм2 /42 МПа) внутри двигателя.
Для герметизации стыков обычно используются торцевые прокладки и кольцевые уплотнения с обработанной канавкой. Для обоих типов соединений, используемых для герметизации поверхностей сопряжения насоса с двигателем и двигателя с торцевой крышкой, важно проверить совместимость материала с технологической средой. В стандартной конструкции используются прокладки из политетрафторэтилена (ПТФЭ) благодаря широкой совместимости с различными технологическими жидкостями. Для применения при более высоких температурах и давлении (выше 390 °F и 580 фунтов/дюйм2) обычно используется спирально-навитая нержавеющая сталь. Марка нержавеющей стали будет соответствовать корпусу насоса. При работе со специальными химическими реагентами можно использовать другие прокладки, при этом необходимо оценить индивидуальную совместимость этих жидкостей с прокладками. При использовании кольцевых уплотнений в конструкции обычно используют витоновое кольцо с тефлоновой оболочкой, которое обладает коррозионной стойкостью тефлона и упругими свойствами витона.
Для подшипников герметичных насосов обычно используют два материала: углеграфит и карбид кремния. При работе с герметичными насосами следует учитывать, что в них используются гидродинамические подшипники.
Это означает, что во время работы вращающаяся поверхность вала (или втулки вала) не соприкасается с неподвижным подшипником. Вместо этого при вращении вала образуется пленка жидкости, которая проталкивается между валом и подшипником. В типичной конструкции ротора используется упрочненная полированная металлическая поверхность и более мягкий коррозионностойкий материал подшипника. Материал подшипника разработан таким образом, чтобы его можно было легко заменить во время технического обслуживания. Углеграфитовые материалы, как правило, позволяют получить более мягкий и податливый подшипник, который более устойчив при работе с твердыми частицами и в условиях сбоя режима, но не прослужит так долго, как подшипник из карбида кремния.
И наоборот, карбид кремния, будучи более твердым материалом, при правильном применении прослужит дольше, но менее устойчив к износу из-за воздействия твердых частиц. Один материал не обязательно лучше другого, и выбор материала должен основываться на условиях применения и требованиях/предпочтениях пользователя. Также можно использовать другие материалы, такие как полиэфирэфиркетон и другие композиты, но они менее распространены.
Свойства СОЖ
При рассмотрении смазывающих и охлаждающих жидкостей необходимо понимать требования и характеристики герметичных двигателей, связанные со свойствами жидкости. Как правило, перекачиваемая жидкость смазывает подшипники и охлаждает двигатель. В некоторых случаях, когда перекачиваемая жидкость несовместима с двигателем (слишком большое содержание твердых частиц, проблемы с вязкостью и т.д.), в двигателе можно использовать затворную жидкость.
СОЖ должна обладать соответствующей вязкостью, чтобы обеспечить надлежащую смазку гидродинамических подшипников, но при этом иметь достаточный расход через двигатель для охлаждения, при этом потери на гидравлическое трение должны быть сведены к минимуму. Как правило, нежелательно использовать жидкости с абсолютной вязкостью более 200 сП или менее 0,07 сП. Когда перекачиваемая жидкость не может быть использована внутри двигателя, альтернативным решением будет затворная жидкость. Для изоляции насоса используется лабиринтное уплотнение, а двигатель заполняется совместимой жидкостью, отличной от перекачиваемой. В некоторых случаях используется внутреннее механическое уплотнение. Благодаря этому уплотнению не происходит утечки в атмосферу, но небольшое количество жидкости попадает в патрубок насоса. При любом варианте уплотнения важно обеспечить совместимость затворной жидкости с перекачиваемой средой.
Как упоминалось ранее, жидкость внутри двигателя используется для охлаждения двигателя, а также для смазки подшипников. Таким образом, температура жидкости, циркулирующей по двигателю, будет повышаться. С повышением температуры жидкости повышается и давление паров жидкости, и, как правило, снижается вязкость. По этим причинам важно оценить термодинамические свойства жидкости для двигателя и убедиться, что она не будет испаряться в двигателе. Это может привести к образованию газовых пробок и/или недостаточной смазке подшипников.
Повышение температуры рабочей жидкости двигателя зависит не только от количества отходящего тепла, выделяемого в результате неэффективной работы двигателя, но и от относительной плотности, удельной теплоемкости и расхода жидкости, проходящей через двигатель. Кроме того, теплопроводность жидкости влияет на скорость теплоотдачи от двигателя и, в конечном счете, на повышение температуры обмотки двигателя. Обмоточный провод имеет класс изоляции, определяющий максимальную температуру, которой он может подвергаться. Как правило, для герметичных насосов используется класс H (180°C) или класс N (200°C), хотя возможны и другие варианты. Обозначения классов выше класса H указаны в стандарте Международной электротехнической комиссии (IEC) 60085.
Journal Bearing — Опорный подшипник, Shaft Вал Load — Нагрузка, Fluid wedge provides — Жидкий клин, Bearing — Подшипник
Рисунок 2. Гидродинамический подшипник
При выборе жидкости для двигателя для конкретного применения необходимо учитывать шесть основных характеристик. А именно:
- относительная плотность;
- удельная теплоемкость;
- вязкость;
- давление насыщенного пара;
- температура замерзания;
- теплопроводность.
Поскольку вязкость и давление насыщенного пара некоторых жидкостей могут существенно изменяться в зависимости от температуры, рекомендуется изучить эти свойства при различных температурах. Как правило, необходимо знать характеристики при нормальной рабочей температуре, минимальной рабочей температуре и максимальной рабочей температуре. Стоит отметить, что большинство производителей обладают обширными знаниями о типичных перекачиваемых жидкостях и могут дать свои рекомендации, если жидкости неизвестны на этапе спецификации.
Поскольку вязкость и давление насыщенного пара не зависят от температуры линейно, указанные три точки можно использовать для построения приблизительной кривой, позволяющей рассчитать эти значения для других температур.
Стивен Джонс имеет степень магистра в области машиностроения и является дипломированным инженером Института инженеров-механиков. Он проработал инженером-механиком более 15 лет. В настоящее время является старшим специалистом по техническому маркетингу в компании Hayward Tyler.