I. Opredelitev in pregled črpalk
Črpalka, kot mehanska naprava, ki se pogosto uporablja na različnih področjih, je njena glavna funkcija transport tekočin (kot so voda, olje itd.) z enega kraja na drugega. S pogonom črpalke lahko tekočine učinkovito in stabilno opravljajo transportno nalogo, zadovoljujejo različne proizvodne in življenjske potrebe.
Črpalka je mehanska naprava, ki se uporablja za transport različnih tekočin. Področje njegove uporabe je široko in zajema vodo, olje, raztopine kislin in alkalij, emulzije, suspenzije, tekoče kovine itd. Poleg tega lahko zobniške oljne črpalke prevažajo tudi tekoče-plinske mešanice in tekočine, ki vsebujejo suspendirane trdne snovi.
Črpalke lahko glede na načelo delovanja razvrstimo v tri glavne kategorije: črpalke s prostornino, črpalke z rotorjem in druge vrste črpalk. Omeniti velja, da je klasifikacija potopnih črpalk bolj raznolika. Poleg tega, da so razvrščeni glede na načelo delovanja, jih je mogoče tudi kategorizirati in poimenovati glede na način vožnje, zgradbo, namen in naravo tekočine, ki se prevaža.
Obstajajo zapletene soodvisne spremembe med različnimi parametri delovanja črpalke in ta razmerja je mogoče intuitivno prikazati prek značilnih krivulj. Vsaka črpalka ima svojo lastno edinstveno karakteristično krivuljo, ki odraža njene specifične karakteristike delovanja. Kot mehanska naprava za transport tekočin ali povečanje tlaka tekočin, črpalka prenaša mehansko energijo pogonskega motorja ali drugo zunanjo energijo na tekočino, s čimer doseže povečanje energije tekočine.
II. Opredelitev in zgodovinski izvor črpalke
Črpalka, mehanska naprava za transport tekočin ali povečanje tlaka tekočin, ima zgodovino že v pradavnini. V splošnem se črpalka ne uporablja le za transport tekočin, ampak vključuje tudi določene mehanske naprave, posebej zasnovane za transport plinov. Črpalka s prenosom mehanske energije pogonskega motorja ali energije drugih virov na tekočino doseže povečanje energije tekočine.
Vse večje povpraševanje po dvigovanju vode s strani ljudi je povzročilo nastanek različnih naprav za dvigovanje vode. Na primer, verižna črpalka v Egiptu je bila izumljena okoli leta 1700 pred našim štetjem, medtem ko je Kitajska imela starodavna orodja za dvigovanje vode, kot so ročice, vitla in vodna kolesa. V stari Grčiji je Arhimed v 3. stoletju pr. n. št. izumil vijačno palico in s tem postavil temelje kasnejši tehnologiji črpalk.
Sčasoma je starogrški obrtnik Ktesibius okoli leta 200 pr. n. št. izumil primitivno batno črpalko - črpalko za gašenje požara -. Potem, leta 1588, je bil zapis o črpalki s 4 lopaticami z drsnimi lopaticami, ki je zaznamovala začetni razvoj rotacijske črpalke. Do leta 1689 je D. Papan iz Francije še dodatno prenovil in izumil spiralno centrifugalno črpalko s 4-krakimi tekači.
V 18. stoletju so se v ZDA zaporedoma pojavile centrifugalne črpalke z radialnimi ravnimi lopaticami, pol{1}}odprtimi dvojnimi-sesalnimi kolesi in spiralami ter batne črpalke, ki jih poganja neposredno para. Te inovacije so prispevale k nastanku in razvoju sodobne tehnologije črpalk.
Z nenehnim napredkom tehnologije je med letoma 1840 in 1850 HR Worsington iz Združenih držav izumil parno neposredno-delujočo batno črpalko s cilindrom črpalke in parnim valjem, nameščenim drug nasproti drugega, s čimer je postavil temelje za izboljšanje sodobnih batnih črpalk. Od leta 1851 do 1875 je rojstvo več-stopenjskih centrifugalnih črpalk omogočilo razvoj visoko{9}}centrifugalnih črpalk.
Od takrat se nenehno pojavljajo različni novi tipi črpalk, pri čemer se učinkovitost postopoma izboljšuje, vse bolj pa so postali tudi razpon zmogljivosti in področij uporabe.
III. Razvrstitev črpalk
Črpalke, ki se pogosto uporabljajo na različnih področjih, so na voljo v najrazličnejših vrstah in so razvrščene na številne načine. Glede na načelo delovanja lahko črpalke v glavnem razdelimo v tri kategorije:
Najprej je tu črpalka s prostornino, znana tudi kot črpalka z rotorjem ali črpalka z lopaticami. Ta vrsta črpalke uporablja rotirajoče rotorje, da deluje s silo na tekočino, nenehno prenaša energijo na tekočino in povečuje njeno kinetično energijo in tlak. Nato se kinetična energija pretvori v tlačno energijo skozi izpustno komoro. Črpalke s prostornino med drugim vključujejo centrifugalne črpalke, črpalke z aksialnim tokom, črpalke z delnim tokom in vrtinčne črpalke.
Naslednja vrsta je volumetrična črpalka. Ta vrsta črpalke prenaša energijo s periodičnim spreminjanjem prostornine zaprtega delovnega prostora, s čimer poveča pritisk tekočine in jo prisili k izpustu. Volumetrične črpalke lahko nadalje razvrstimo v batne črpalke in rotacijske črpalke glede na obliko gibanja delovnih elementov.
Poleg tega obstajajo tudi druge vrste črpalk, ki prenašajo energijo na edinstvene načine. Reaktivne črpalke se na primer zanašajo na-hitrostni curek delovne tekočine, da vleče in meša tekočino, ki jo je treba prevažati, s čimer dosežejo prenos energije z izmenjavo zagona; membranske črpalke in črpalke z vodnim udarom izkoriščajo učinek vodnega udarca med zaviranjem za prenos energije; medtem ko elektromagnetne črpalke dosegajo transport tekočine skozi tok tekoče kovine pod vplivom električnega toka in elektromagnetne sile.
Poleg tega lahko črpalke dodatno razvrstimo glede na lastnosti tekočine, ki se prevaža, način pogona, strukturo in namen.
IV. Uporaba črpalk na različnih področjih
Razpon delovanja črpalk je obsežen in sega od velikanskih črpalk s pretokom več sto tisoč kubičnih metrov na uro do miniaturnih črpalk s pretokom manj kot nekaj decilitrov na uro; njihov razpon tlaka se lahko spreminja tudi od običajnega tlaka do 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) ali več. Poleg tega se razlikujeta tudi temperatura in vrsta tekočine, ki se prevaža, na primer voda (čista voda, odplake itd.), olje, kisline in baze, suspenzije in tekoče kovine itd.
V proizvodnji kemičnega in naftnega sektorja imajo črpalke ključno vlogo. Ker so surovine, poli-izdelki in končni izdelki večinoma tekočine, v teh zapletenih procesih črpalke ne samo prenašajo tekočine, ampak zagotavljajo tudi tlak in pretok, ki sta potrebna za kemične reakcije. Hkrati se uporabljajo tudi v številnih napravah za uravnavanje temperatur.
V kmetijski proizvodnji so črpalke glavni namakalni in osuševalni stroji. Podeželje v naši državi je ogromno in vsako leto je potrebnih veliko število črpalk za podporo kmetijske proizvodnje. Na splošno kmetijske črpalke predstavljajo polovico celotne proizvodnje črpalk.
Rudarska in metalurška industrija sta prav tako pomembna področja uporabe črpalk. V teh panogah procesi, kot so drenaža rudnikov, predelava mineralov, taljenje in valjanje, zahtevajo podporo črpalk.
V energetskem sektorju, ne glede na to, ali gre za jedrsko elektrarno ali termoelektrarno, imajo črpalke ključno vlogo. Jedrske elektrarne potrebujejo glavne črpalke, sekundarne črpalke in terciarne črpalke, da zagotovijo stabilno delovanje jedrskih reakcij; termoelektrarne pa se za vzdrževanje normalnega delovanja elektrarne zanašajo na veliko število napajalnih črpalk kotlov, črpalk kondenzata, obtočnih črpalk ter črpalk žlindre in pepela.
Tudi obrambna gradnja ne more brez uporabe črpalk. Prilagoditev zakrilc letal, krmil in podvozja, vrtenje kupol vojaških ladij in tankov, kot tudi potopitev in dvig podmornic, vse to zahteva črpalke za zagotavljanje potrebne moči in funkcij prilagajanja. Poleg tega so za nekatere-visokotlačne in radioaktivne tekočine med transportom in rokovanjem zahteve za delovanje črpalke-brez puščanja izjemno visoke.
V ladjedelništvu se na vsakem oceanskem-ladju uporablja na stotine različnih vrst črpalk. Od propelerskih črpalk, ki poganjajo ladjo, do različnih črpalk, ki vzdržujejo okolje ladijskih kabin, vse so nepogrešljive. Poleg tega so sistemi za oskrbo z vodo in odvodnjavanje v mestih, voda, ki jo uporabljajo parne lokomotive, mazanje in hlajenje v obdelovalnih strojih, prevoz barvil v tekstilni industriji ter prevoz mleka in sladkornih izdelkov v živilski industriji, vse odvisno od podpore črpalk.
Skratka, črpalke so vseprisotne na različnih področjih, vključno z letalstvom, vojaško opremo, industrijsko proizvodnjo in vsakdanjim življenjem, in igrajo nepogrešljivo vlogo. Zato se črpalke uvrščajo med splošne stroje in postanejo nepogrešljiv in pomemben izdelek v strojni industriji.
V. Osnovni parametri črpalk
Črpalke, kot pomemben sestavni del splošnih strojev, njihova zmogljivost neposredno vpliva na učinkovitost delovanja v različnih scenarijih uporabe. Da bi v celoti razumeli delovanje črpalk, se moramo najprej osredotočiti na več ključnih osnovnih parametrov. Ti parametri ne odražajo le inherentnih značilnosti črpalk, ampak zagotavljajo tudi ključno vodilo za njihovo izbiro in uporabo.
1. Hitrost pretoka Q
Hitrost pretoka je pomemben indikator za merjenje količine tekočine, ki jo lahko črpalka prenese v časovni enoti, običajno izražena kot prostornina ali masa. Volumski pretok je označen z Q, njegove enote pa vključujejo m3/s, m3/h in l/s itd. Medtem ko je masni pretok predstavljen z Qm, njegove enote pa so t/h, kg/s itd. Razmerje med tema dvema je mogoče vzpostaviti s formulo Qm=ρQ, kjer ρ predstavlja gostoto tekočine. Za vodo pri normalni temperaturi je njena gostota ρ približno 1000 kg/m3.
2. Glava H
Višina se nanaša na povečanje energije enote teže tekočine, potem ko jo črpalka črpa, od vstopa črpalke (tj. vstopne prirobnice črpalke) do izhoda (tj. izstopne prirobnice črpalke). To je enako efektivni energiji, ki jo pridobi en Newton tekočine, ko gre skozi črpalko. Njegova enota je N·m/N, ki je znana tudi kot metri. Predstavlja višino stolpca tekočine, ki jo črpa črpalka, zato se preprosto imenuje tudi meter.
3. Hitrost vrtenja n
Hitrost se nanaša na število vrtljajev gredi črpalke v časovni enoti, običajno označeno s simbolom n, njena enota pa je vrtljaji na minuto (r/min).
4. Meja sesalne višine
Meja sesalne višine, znana tudi kot neto pozitivna sesalna višina, je ključni parameter za merjenje učinkovitosti kavitacije. Na Kitajskem je bil ta parameter prej predstavljen z Δh.
5. Moč in učinkovitost
Moč črpalke se običajno imenuje vhodna moč, ki je moč, prenesena iz glavnega motorja na gred črpalke in je znana tudi kot moč gredi, označena s P. Efektivna moč črpalke ali izhodna moč je predstavljena s Pe in meri efektivno energijo, ki jo pridobi tekočina, ki se izpušča iz črpalke v časovni enoti.
Omeniti velja, da glava ravno predstavlja to učinkovito energijo. Natančneje, višina se nanaša na efektivno energijo, ki jo prejme enota težke tekočine, ko jo črpamo iz črpalke. Zato lahko z množenjem višine, masnega pretoka in gravitacijskega pospeška izračunamo efektivno energijo, ki jo pridobi enota izhodne tekočine iz črpalke v danem času, kar je efektivna moč črpalke:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Med njimi ρ predstavlja gostoto tekočine, ki jo črpa črpalka (kg/m³), je specifična teža tekočine, ki jo črpa črpalka (N/m³), Q je pretok črpalke (m³/s), H je višina črpalke (m) in g je pospešek zaradi težnosti (m/s²).
Razlika med močjo gredi P in efektivno močjo Pe predstavlja izgubo moči znotraj črpalke. Za kvantificiranje te izgube uvedemo koncept učinkovitosti črpalke, ki je izražen kot razmerje med efektivno močjo in močjo gredi in je označen z η.
VI. Opredelitev in pretvorba prometa
Pretok, ki je prostornina tekočine, ki jo črpalka izpusti na časovno enoto, je označena s Q. Njegove enote vključujejo kubične metre na uro (m3/h), litre na sekundo (l/s) itd. Omeniti velja, da je 1 liter na sekundo enakovreden 3,6 kubičnih metrov na uro, kar je enako tudi 0,06 kubičnih metrov na minuto ali 60 litrov na minuto. Poleg tega lahko izračunamo prečrpano težo na uro z uporabo pretoka in specifične teže tekočine, označene z G, kjer ρ predstavlja specifično težo tekočine. Na primer, če ima neka črpalka pretok 50 kubičnih metrov na uro, nas pri črpanju vode zanima, koliko teže lahko načrpamo na uro? Ob predpostavki, da je specifična teža vode ρ 1000 kilogramov na kubični meter, lahko izračunamo s formulo G=Qρ, rezultat pa je 50.000 kilogramov na uro ali 50 ton na uro.
VII. Opredelitev in pretvorba glave
Tlak, ki je energija, pridobljena z enoto teže tekočine, ki teče skozi črpalko, je označena s H in se meri v metrih (m). Vključuje sesalno višino in je približno enaka razliki tlaka med izstopom in vstopom črpalke. Medtem je tlak črpalke predstavljen s P in se meri v Mpa (megapaskalih). Omeniti velja, da obstaja določeno razmerje pretvorbe med višino in tlakom. Posebna formula je H=P/ρ, kjer je ρ specifična teža tekočine. Na primer, ko je P 1 kg/cm², lahko uporabimo formulo za izračun, da je H približno 10 metrov.
1 Mpa je enak 10 kg/cm². Tlačno višino H je mogoče izračunati s formulo H=(P2 - P1) / ρ, kjer P2 predstavlja izstopni tlak, P1 predstavlja vstopni tlak, ρ pa je specifična teža tekočine.
Nato bomo razpravljali o konceptih kavitacijskega roba in sesalne višine ter njunih merskih enotah. Kavitacija se nanaša na pojav, ko med delovanjem črpalke tekočina na vstopu v rotor zaradi vakuumskega tlaka ustvarja paro. Ti izhlapeni mehurčki ob udarcu s tekočimi delci povzročijo erozijo kovinskih površin, kot je impeler, in s tem poškodujejo te kovinske komponente. Ta vakuumski tlak je znan kot uparjevalni tlak. Po drugi strani pa se kavitacijska meja nanaša na energijo, ki jo ima enota teže tekočine na sesalnem vstopu črpalke nad tlakom uparjanja. Meri se v metrih in se običajno označuje z NPSHr.
Sesalna višina, znana tudi kot potrebna kavitacijska meja Δh, je stopnja vakuuma, pri kateri lahko črpalka vsesa tekočino. To je dovoljena višina vgradnje črpalke, njena enota pa je tudi meter. Formula za izračun sesalne višine je: Sesalna višina=Standardni atmosferski tlak - Kavitacijska meja - Varnostna meja. Med njimi je vakuumska višina cevovoda, ki jo ustvari standardni atmosferski tlak, 10,33 metra, varnostna meja pa se običajno vzame kot 0,5 metra.
Na primer, za določeno črpalko je potrebna sesalna višina 4,0 metra. Za izračun sesalne višine Δh lahko uporabimo zgornjo formulo. Rezultat izračuna je: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 metrov.
VIII. Fenomen kavitacije črpalke in njegovi vzroki
1. Opredelitev kavitacije
Ko tekočina doseže določeno temperaturo, njen tlak pade na tlak uparjanja, ki ustreza tej temperaturi. Na tej točki se bodo v tekočini oblikovali mehurčki. Ta pojav je znan kot kavitacija.
2. Kavitacijski kolaps
Med procesom kavitacije se ustvarjeni mehurčki, ko tekočina teče v območje visokega{0}}tlaka, hitro skrčijo zaradi nenadnega povečanja tlaka in sčasoma počijo v tekočini. Ta pojav imenujemo kavitacijski kolaps.
3. Vzroki in nevarnosti kavitacije
Če med delovanjem črpalke pride do določenih območij pretočnega prehoda (kot je položaj nekoliko za vstopom v lopatice propelerja) zaradi posebnega razloga, ki povzroči, da absolutni tlak črpane tekočine pade pod tlak uparjanja pri tej temperaturi, začne tekočina na tej točki uparjati in tvori veliko število mehurčkov. Ko tekočina, ki vsebuje te mehurčke, vstopi v-območje visokega tlaka propelerja, se mehurčki hitro skrčijo pod delovanjem tekočine pod visokim{2}}tlakom in na koncu počijo. Ta proces je še posebej očiten pri potopnih črpalkah. Kondenzacijo in pokanje mehurčkov spremlja hitro polnjenje praznin s tekočimi delci pri izjemno visokih hitrostih, kar ima za posledico močan udar vode. Ta udarec vode udari ob kovinsko površino z visoko frekvenco udarca, pri čemer udarna napetost doseže več sto do tisoč atmosfer, frekvenca udarca pa lahko doseže celo desettisočkrat na sekundo. Stenske površine, ki so dlje časa izpostavljene takšnim udarcem, so lahko močno erodirane, lahko pride tudi do luknjanja.
4. Postopek in učinki kavitacije
V črpalki je kavitacija kompleksen proces, ki vključuje nastanek, razvoj in sesedanje mehurčkov. Ko se na določenih območjih pretočnega dela črpalke pojavijo posebni pogoji, ki povzročijo, da absolutni tlak tekočine pade pod tlak uparjanja, tekočina začne uparjati in tvori veliko število mehurčkov. Ko tekočina vstopi v območje visokega{2}}tlaka propelerja, se ti mehurčki hitro skrčijo pod vplivom visokega{3}}tlaka in na koncu počijo. Ta niz procesov ne povzroči samo resne škode na komponentah pretoka, temveč ustvarja tudi neprijeten hrup in vibracije, s čimer se bistveno zmanjša učinkovitost črpalke. V hujših primerih lahko kavitacija povzroči celo prekinitev dovoda tekočine v črpalko, kar vpliva na normalno delovanje črpalke.
IX. Kakšna je karakteristična krivulja črpalke?
Karakteristična krivulja črpalke, znana tudi kot krivulja delovanja, v bistvu prikazuje razmerje med glavnimi parametri delovanja centrifugalne črpalke. Te krivulje so pridobljene z dejanskimi meritvami in vizualno predstavljajo vzorec gibanja tekočine v črpalki. Karakteristične krivulje vključujejo krivulje hitrosti pretoka in višine (Q-H), hitrosti pretoka in učinkovitosti (Q-η), hitrosti pretoka in moči (Q-N) ter stopnje pretoka in rezerve višine uparjanja (Q-NPSHr). Te krivulje so ključnega pomena za razumevanje delovnega stanja črpalke, ker je za vsako dano točko pretoka na krivulji mogoče najti nabor ustreznih vrednosti za višino, moč, učinkovitost in rezervo višine uparjanja, ta niz parametrov pa se imenuje delovno stanje ali delovna točka. Delovna točka pri največji učinkovitosti centrifugalne črpalke se imenuje optimalna delovna točka in je običajno tudi projektna delovna točka. Razumevanje teh parametrov delovanja je ključnega pomena za zagotavljanje normalnega delovanja in učinkovitost-varčevanja energije črpalke.
11. How is the efficiency of a pump defined? What is its formula?
Učinkovitost črpalke je opredeljena kot razmerje med efektivno močjo in močjo gredi, ki jo predstavlja simbol η, njena formula za izračun pa je η=Pe/P. Tukaj Pe predstavlja efektivno moč črpalke, P pa se nanaša na moč gredi črpalke, to je moč, ki se prenaša od glavnega motorja do gredi črpalke. Efektivna moč je produkt višine črpalke, masnega pretoka in gravitacijskega pospeška, njena formula pa je Pe=ρg QH (v vatih) ali Pe=QH/1000 (v kilovatih). Poleg tega ρ predstavlja gostoto tekočine, ki jo prenaša črpalka, je specifična teža tekočine (= ρg), g pa je gravitacijski pospešek. Istočasno lahko masni pretok Qm dobimo tako, da gostoto ρ pomnožimo s pretokom Q, z enotami ton na uro ali kilogramov na sekundo.
12. Kaj je preskusna naprava za polno delovanje črpalke?
Naprava za preskušanje polne zmogljivosti za črpalke je napredna oprema, ki lahko natančno testira različne parametre delovanja črpalk. Skladen je z nacionalnimi standardi in ima stopnjo natančnosti B-, kar zagotavlja točnost rezultatov testa. Ta preskusna naprava je opremljena z natančnimi instrumenti, vključno z merilnikom pretoka polžastega gonila za merjenje pretoka, natančnim manometrom za merjenje višine, merilnikom vakuuma za merjenje sesalne višine in aksialnim strojem za merjenje moči. Poleg tega se za natančno določanje hitrosti črpalke uporablja tudi merilnik hitrosti. S skupnim delovanjem teh natančnih instrumentov lahko pridobimo celoten niz parametrov delovanja črpalke in tako celovito ocenimo njeno delovanje.
