Сравнение рабочих циклов поршневых насосов с двумя обратными клапанами и поршневых заливных насосов.
Насосы в широком смысле подразделяются на объемные и центробежные. Объемные насосы имеют множество различных конструкций. Существует три категории объемных насосов: роторные, поршневые и линейные. В этой статье основное внимание уделяется поршневым насосам, которые работают с использованием поршней/плунжеров.
Поршневые насосы имеют широкое применение во многих областях, таких как перекачка арахисового масла в пищевой промышленности, перекачка консистентной смазки для смазывания машин, дозирование и перекачивание клея, дозирование масла в автосервисах. Такие поршневые насосы также можно называть рычажными, поскольку насосная секция напоминает длинный рычаг, предназначенный для использования со стандартными промышленными контейнерами.
Рисунок 1 (слева). Ход вверх поршневого насоса с двумя обратными клапанами. Рисунок 3 (справа): Ход вниз поршневого насоса с двумя обратными клапанами. Поршневой насос.
Концепция и теория
Поршневые насосы имеют два распространенных варианта исполнения: с двумя обратными клапанами и лопаточные (с поршнем заливки). Поршневой насос с двумя обратными клапанами (рисунок 1) представляет собой поршневой насос, в котором два обратных клапана (поршневой обратный клапан и впускной обратный клапан) регулируют поток жидкости через жидкостную секцию. В этой конструкции можно использовать разные типы обратных клапанов, но наиболее распространены шаровые клапаны.
Шток для вытеснения жидкости, или поршневой шток, соединяет внутренние компоненты насоса с двигателем насоса. Он перемещается вверх и вниз под действием двигателя, передавая мощность двигателя и движение поршню в сборе, вытесняя жидкость из насоса как при движении вверх, так и при движении вниз.
Fluid Displacement Rod Шток для вытеснения жидкости
Throat Packings Уплотнение
Piston Check Valve Поршневой обратный клапан
Piston Assembly Поршень в сборе
Intake Check Valve Впускной обратный клапан
Intake Housing Корпус впускной части
Fluid Outlet Выпуск жидкости
Outlet Housing Корпус выпускной части
Piston Packings Уплотнения поршня
Pump Cylinder Цилиндр насоса
Pump Inlet Входное отверстие насоса
Рисунок 2. Компоненты поршневого насоса с двумя обратными клапанами
Поршневой обратный клапан состоит из шарика и седла поршня. Он работает совместно со штоком для вытеснения жидкости внутри цилиндра насоса, открывая и закрывая его для регулирования потока жидкости через насос.
Впускной обратный клапан (или приемный) также открывается и закрывается под действием штока для вытеснения жидкости. Большинство впускных обратных клапанов относятся к шаровым, но иногда вместо них используют пластинчатые заслонки. Два ключевых компонента впускного обратного клапана шарового типа — впускной шарик и впускное седло. Впускной обратный клапан располагается в корпусе впускной части. Жидкость поступает в насос через входное отверстие.
Иногда для выпуска воздуха, попавшего в жидкостную секцию, используется выпускной клапан, поскольку при отсутствии воздуха в насосе его проще заливать.
Piston Check Valve Поршневой обратный клапан
Intake Check Valve Впускной обратный клапан
Intake area A1 = (π/4)* D12 Площадь входного сечения A1 = (π/4)* D12
Piston area A2 = (π/4)* D22 Площадь поршня A2 = (π/4)* D22
Piston Rod area A3 = (π/4)* D32 Площадь штока поршня A3 = (π/4)* D32
Dispense area A4 = A2 — A3 Площадь выходного сечения A4 = A2 — A3
Рисунок 4. Компоненты насоса с двумя обратными клапанами
Рабочий цикл
Рабочий цикл поршневого насоса с двумя обратными клапанами состоит из хода вверх и хода вниз.
Ход вверх
- Двигатель вытягивает вверх шток вытеснения жидкости.
- Поршневой обратный клапан закрывается.
- Впускной обратный клапан открывается.
- Когда шток вытеснения жидкости перемещается вверх, жидкость, находящаяся над поршневым обратным клапаном в цилиндре насоса, выталкивается через выпускное отверстие.
- Внутри цилиндра насоса под поршнем создается зона низкого давления.
- Атмосферное давление выталкивает жидкость из емкости подачи через открытый впускной обратный клапан в цилиндр насоса. Затем жидкость заполняет объем цилиндра насоса.
Ход вниз
- Двигатель толкает вниз шток вытеснения жидкости.
- Поршневой обратный клапан открывается.
- Впускной обратный клапан закрывается.
- Захваченная жидкость внутри цилиндра насоса, которая была подана во время хода поршня вверх, проходит через поршневой обратный клапан.
Throat Seal Уплотнение горловины
Fluid Outlet Выпуск жидкости
Packing Nut Уплотнительная гайка
Pump Housing Корпус насоса
Fluid Displacement Rod Шток для вытеснения жидкости
Pump Cylinder Цилиндр насоса
Pump Piston Поршень насоса
Piston Check Ball Шарик поршневого обратного клапана
Intake Cylinder/ Housing Впускной цилиндр/корпус
Priming Piston Rod Шток поршня заливки
Intake Check Впускной обратный клапан
Pump Inlet Входное отверстие насоса
Priming Piston Поршень заливки
Рисунок 5. Компоненты поршневого заливного насоса
Сбалансированное перекачивание при движении вверх и вниз
Для того, чтобы насос обеспечивал подачу в обоих направлениях, площадь входного сечения A1 должна быть в два раза больше площади выходного сечения A4. Площадь выходного сечения, равная A4, рассчитывается путем нахождения площади поршня A2 и площади штока вытеснения жидкости A3, а затем вычитания площади A3 из A2. Также важно, чтобы объем впускного потока был больше, чем объем за цикл (как при движении вверх, так и при движении вниз). Как правило, диаметр шарика впускного обратного клапана должен быть больше диаметра шарика поршневого обратного клапана. Если площадь A1 в два раза больше площади A4, насос сбалансирован как при движении вверх, так и при движении вниз.
Downstroke Ход вниз
Intake Check Valve (closed status) Впускной обратный клапан (закрыт)
Priming Piston Rod Шток поршня заливки
Seat Седло
Pump inlet Входное отверстие насоса
Intake Check Valve (open status) Впускной обратный клапан (открыт)
Upstroke Ход вверх
Рисунок 6. Функционирование впускного обратного клапана
Требуемая мощность привода насоса
Когда насос пытается увеличить давление, усилие, требуемое от привода насоса (обычно электродвигателя или пневмоцилиндра), равно давлению насоса, умноженному на площадь выходного сечения, плюс трение уплотнения. Движущиеся компоненты создают трение, а жидкость — трение, обусловленное вязкостью.
Заливные поршневые насосы: компоненты
Заливные поршневые насосы — это поршневые насосы с двумя обратными клапанами, которые имеют в нижней части поршень для заливки, также известный как лопатка. Они предназначены для перекачивания вязких жидкостей, волокнистых и комковатых материалов более эффективно, чем стандартные поршневые насосы с двумя обратными клапанами.
На рисунке 5 показаны компоненты заливного поршневого насоса. Эти насосы содержат те же основные компоненты, что и стандартные поршневые насосы с двумя обратными клапанами, и работают, по сути, таким же образом.
Компоненты функционируют следующим образом:
- При ходе вверх поршень заливки подает жидкость через впускной цилиндр, минуя впускной обратный клапан, в цилиндр насоса. В зависимости от типа перекачиваемой жидкости используются различные конструкции поршней заливки.
- Шток поршня заливки соединяет поршень заливки с нижней частью штока вытеснения жидкости и с поршнем насоса.
- Впускной цилиндр содержит поршень заливки в сборе, поршень заливки и шток поршня заливки.
- Конструкция впускного обратного клапана (рисунок 6) включает клапан, установленный на штоке поршня заливки, и неподвижное седло, которое является частью корпуса впускного цилиндра. Компоненты обратного клапана сконструированы таким образом, что поверхности седла всегда правильно выровнены.
Для загрузки заливных поршневых насосов требуется положительное давление жидкости. Поскольку эти насосы используются для работы с высоковязкими материалами, требуется более сложный способ подачи, чем в насосах других типов. Избыточное давление жидкости, необходимое для подачи в насос, создается с помощью индукторов, плунжеров или прижимных следящих пластин (рисунок 7).
Follower plate Прижимная пластина
Рисунок 7. Прижимная пластина
Прижимные следящие пластины плавают на поверхности перекачиваемой жидкости. Вес прижимной пластины оказывает положительное давление на жидкость, выталкивая материал в лопатку, что приводит в действие насос.
Рабочий цикл
Рабочий цикл заливного поршневого насоса аналогичен циклу работы стандартного поршневого насоса с двумя обратными клапанами. Он состоит из хода вверх и хода вниз. Во время хода вверх компоненты насоса работают так, как показано на рисунке 8.
Ход вверх
- Двигатель вытягивает вверх шток вытеснения жидкости.
- Шарик поршневого обратного клапана закрывает канал.
- Впускной обратный клапан открывается.
- Поршень заливки втягивается во впускной цилиндр.
- Когда шток вытеснения жидкости перемещается вверх, жидкость над поршнем насоса (5) в цилиндре задерживается, вытесняя за цикл половину жидкости из насоса через выпускное отверстие.
- Поршень заливки и избыточное давление выталкивают жидкость из емкости подачи через открытый впускной обратный клапан в цилиндр насоса. Жидкость заполняет 100% объема цилиндра насоса, за вычетом объема штока поршня заливки.
Pump Piston Поршень насоса
Рисунок 8. Ход поршня заливного насоса вверх
Во время движения вниз (рисунок 9), когда впускной обратный клапан опускается за счет трения о шток поршня заливки, он проходит сквозь перекачиваемый материал, а затем плотно прилегает к седлу. Давление жидкости над обратным клапаном способствует плотной посадке клапана. Половина жидкости, скопившейся над впускным обратным клапаном, вытесняется из насоса опускающимся штоком вытеснения жидкости.
Ход вниз
- Двигатель толкает вниз шток вытеснения жидкости.
- Поршень насоса перемещается вниз.
- Шарик поршневого обратного клапана открывает канал.
- Впускной обратный клапан закрывается.
- Жидкости, находящиеся выше впускного обратного клапана, перемещаются из впускного цилиндра через шарик поршневого обратного клапана к поршню насоса, при этом половина жидкости подается через выпускное отверстие. Другая половина жидкости, поступающей через поршневой обратный клапан, вытесняется из насоса при следующем ходе поршня вверх.
- Когда поршень движется вниз, он создает всасывание для подачи новой порции жидкости внутрь через входное отверстие насоса.
Рисунок 9. Ход поршня заливного насоса вниз
Сбалансированное перекачивание при движении вверх и вниз
Насос предназначен для подачи равного объема жидкости как при движении вверх, так и при движении вниз. Это достигается за счет того, что объем впускного потока в два раза превышает объем выпускного потока. На рисунке 4 с помощью уравнений расчета площади объемы вычисляются путем умножения площади каждого из этих компонентов на длину хода.
Избыточный объем в корпусе впускной части обычно в 1,5 раза превышает объем впускного потока для обеспечения непрерывной подачи в насос.
Требуемая мощность привода насоса
В заливных поршневых насосах, в отличие от насосов с двумя обратными клапанами, в дополнение к давлению на поршень насоса возникает давление во время хода вверх. При ходе вниз давление на поршень заливки отсутствует. Поэтому в насосах с электрическим приводом потребляемый ток при ходе вверх выше, чем при ходе вниз.
| Super Charge A1 = (π/4)* D12
Pump Cylinder Area A3 = (π/4)* D32 Priming Piston Rod Area A2 = (π/4)* D22 Fluid Displacement Rod Area А4 = (π/4)* D42 Oispense Volume/Stroke = Pump Cylinder Volume — Fluid Dispense Rod Volume Intake Volume = Pump Cylinder Volume — Priming Piston Rod Volume Intake Volume = 2x Dispense Volume/Stroke |
Площадь цилиндра насоса A3 = (π/4)* D32
Площадь штока поршня заливки A2 = (π/4)* D22 Площадь штока вытеснения жидкости А4 = (π/4)* D42 Объем выпускного потока/ход = объем цилиндра насоса — объем штока вытеснения жидкости Объем впускного потока = объем цилиндра насоса — объем штока поршня заливки Объем впускного потока = 2x объем выпускного потока/ход |
Рисунок 10. Площади компонентов заливного поршневого насоса
При определении требуемой мощности двигателя для приведения насоса в действие учитывайте давление на поршень насоса, а также давление на поршень заливки, трение уплотнения, трение движущихся компонентов и трение жидкости, обусловленное вязкостью.
Конструкция бессальникового насоса
Как показано на рисунке 11, для создания давления в насосе необходимо герметизировать несколько зон. В зависимости от совместимости жидкостей и давления можно использовать традиционные резиновые/пластиковые уплотнения. Другой вариант уплотнения между этими компонентами — закаленная, отшлифованная в точный размер, легированная сталь. При зазоре между металлическими поверхностями 0,0002 дюйма ее можно применять при работе с маслом, например, по стандарту ISO 32 под давлением до 3500 фунтов/дюйм2. Кроме того, седло шарика поршневого обратного клапана и седло шарика впускного обратного клапана могут быть подогнаны друг к другу для поддержания давления. Это позволяет отказаться от мягких уплотнений, заменив их уплотнением «металл к металлу».
Pump Cylinder and Pump Piston Цилиндр насоса и поршень насоса
Piston Ball Seat Седло шарика поршневого обратного клапана
Priming Piston Rod and Intake Check Шток поршня заливки и впускной обратный клапан
Intake Check Seat Седло шарика впускного обратного клапана
Рисунок 11. Бессальниковый насос
Износостойкие покрытия/материалы
Для увеличения срока службы уплотнения «металл к металлу» можно наносить различные твердые покрытия методом физического осаждения из газовой фазы. Это позволит получить тонкий слой твердого покрытия на поверхности и под поверхностью деталей. Если для перекачиваемой среды требуется более надежное уплотнение, компоненты могут быть изготовлены из карбидного твердого сплава для дополнительного повышения износостойкости и долговечности.
Суреша Сарагур Ниджагуна имеет степень бакалавра в области машиностроения в Индии и более чем 15-летний опыт работы в области разработки смазок и масляных насосов для централизованных систем смазки в Индии и США. Дополнительная информация представлена на сайте graco
