В погоне за герметичным насосом
Потребность в герметичном насосе стала актуальной в наше время, когда промышленные насосы начали перекачивать опасные жидкости. В случае токсичной или легковоспламеняющейся жидкости важно защитить как людей, так и окружающую среду от любых утечек. Кроме того, каждая утечка означает потерю продукта, что становится значительным при перекачивании дорогостоящих сред, таких как фармацевтические материалы.
Изображение 1. Насос с сальником (изображения предоставлены ЗДЕСЬ Гулдс Насосы)
Почему насосы текут?
Подумайте, почему так сложно предотвратить протечки насосов. Возьмем в качестве примера обычный центробежный насос. В этом насосе вал и рабочее колесо вращаются двигателем, но двигатель расположен вне насоса. Именно там, где вал выходит из насоса, особенно в точках контакта между вращающимися и неподвижными частями, могут и возникают утечки.
Сальник
В некоторых насосах для решения проблемы утечки используется устройство, называемое сальниковой коробкой.
Сальник представляет собой камеру, расположенную снаружи корпуса насоса, где выходит вал. Внутри,
вокруг вала накладывается уплотнительный материал — мягкое набивочное вещество.
Затем с помощью специального приспособления (в простейшем случае - гайки) набивка сжимается, заставляя ее прижиматься к стенкам камеры и вала, препятствуя вытеканию жидкости из насоса.
Однако вал должен находиться в тесном контакте с уплотняющим материалом, чтобы уплотнение было герметичным. Это может вызвать трение и привести к сокращению срока службы.
Изображение 2. Механическое уплотнение
Механические уплотнения
Основными элементами торцовых уплотнений являются два кольца: подвижное, вращающееся вместе с валом, и неподвижное, крепящееся к корпусу насоса с помощью штифта.
Герметичность от протечек создается за счет контакта поверхностей колец, образующих так называемую пару трения. Для обеспечения контакта подвижное кольцо прижимается к неподвижному кольцу пружиной, пружинным блоком или сильфоном — упругой однослойной или многослойной гофрированной оболочкой из металлических, неметаллических и композиционных материалов. Для дополнительной герметизации используются вторичные уплотнения, представляющие собой уплотнительные кольца из эластомера.
При правильной работе между поверхностями трения присутствует тонкая пленка жидкости, обеспечивающая смазку и отвод тепла. Зазор между их поверхностями равен высоте их шероховатости и, как правило, не превышает одной миллионной доли метра. Важно отметить, что неподвижное кольцо никогда не касается вала, что снижает износ.
Выбор подходящих материалов для уплотнительных колец — нетривиальная задача. Кольца должны обладать достаточной прочностью и износостойкостью, чтобы выдерживать воздействие работы насоса и быть химически стойкими к перекачиваемой среде. Кроме того, они должны выдерживать высокие температуры, возникающие из-за трения. По этим причинам пары трения представляют собой удивительно сложные технологии, требующие теоретических и расчетных дисциплин механики, термодинамики, гидравлики и трибологии. Из-за малого зазора между кольцами изготовление современных торцовых уплотнений фактически относится к разряду нанотехнологий.
Двойные механические уплотнения
Торцевые уплотнения с одинарной парой трения могут только минимизировать утечки, но не устранять их. Для дальнейшей попытки устранения утечек были созданы двойные торцевые стыковые уплотнения. Вспомогательная система, называемая планом промывки или планом трубопроводов, подает специальную жидкость, называемую барьером, в область уплотнения между двумя кольцами фрикционной пары. Его давление поддерживается несколько выше, чем у перекачиваемой среды в зоне уплотнения, и таким образом достигается герметичность. Затворная жидкость также выполняет необходимые задачи по отводу тепла и смазке в случае, если перекачиваемая среда не обладает для этого свойствами. Вода, например, теряет свои смазывающие свойства при температуре около 176 F (80 C).
Механические двойные стыковые уплотнения позволяют исключить утечки перекачиваемой жидкости в атмосферу. Однако они могут быть относительно дорогими и сложными в обслуживании. Кроме того, даже самая тщательно сконструированная пара трения со временем выйдет из строя из-за износа, поэтому они требуют постоянного контроля и замены.
Магнитные муфты
Изображение 3. Чертеж насоса с магнитным приводом в разрезе. Вал с ведущими магнитами вращает кассету, в состав которой входят ведомые магниты.
Благодаря такой дистанционной передаче мощности валу не нужно проходить через кожух, поэтому отсутствуют отверстия и не может быть утечек. Однако эти насосы, как правило, более дорогие из-за стоимости современных магнитов, которые им требуются. Обычно они изготавливаются из экзотических сплавов неодима, кобальта и самария, но в настоящее время более эффективным считается сплав неодим-железо-бор (NdFeB). Срок службы этих магнитов может составлять десятки и даже сотни лет — часто больше, чем срок службы самого насоса.
Герметичные моторные насосы
Другим достижением, явившимся результатом развития электромеханики и электромагнитной теории, стал герметичный насос. Это устройство сочетает в себе функцию электродвигателя с функцией классического центробежного насоса. Он похож на насос с магнитным связь, а роль магнитов выполняют обмотки статора (неподвижной части электродвигателя) и ротора. Он называется «консервным», потому что двигатель защищен от коротких замыканий специальным цилиндром (оболочкой) и находится внутри корпуса насоса в перекачиваемой жидкости, которая одновременно смазывает и охлаждает подшипники.
Изображение 4. Герметичный мотопомпа
Крутящий момент от «сухих» обмоток статора передается через герметичный корпус, поэтому вероятность утечек отсутствует.
Поскольку в герметичных мотопомпах используется меньше деталей, они компактны. Однако из-за того, что катушки статора и ротора разделены несколькими перегородками, их эффективность может быть относительно низкой. Таким образом, эти устройства чрезвычайно полезны, но потребляют больше энергии.
Настойчивые усилия в течение многих лет привели к созданию множества вариантов, позволяющих добиться отсутствия утечек в насосе. Каждый из них имеет свое сочетание преимуществ и недостатков. Чтобы определить, что лучше всего подходит для вашей эксплуатации, специалисты подберут конструкцию в зависимости от свойств перекачиваемых жидкостей, условий эксплуатации и экономических ограничений.