08.01.2022

Герметичные насосы с магнитной муфтой: конструкция, принцип работы и опыт использования

---

Введение

Значительный риск для работы насосной системы связан с процессом подбора. Вопросы экономического характера, такие как стоимость приобретения насоса, его надежность, эксплуатационные затраты на электроэнергию, ремонт обязательно должны учитываться. Очень часто наиболее важным считают вопрос КПД насоса. Однако в химической промышленности важнее учитывать свойства перекачиваемой жидкости (токсичность, агрессивность, загазованность) и эти вопросы часто бывают сложны даже для экспертов в подборе насосов. Болезненные практические уроки дают нам знания о причинах неработоспособности насосных систем. До 90% поломок — результат неверного подбора или эксплуатации. Весьма часто поломки являются причиной кавитации и разрушения уплотнения и подшипников в результате работы в сухую. Простой технологической линии, как результат поломки насоса, влечет за собой огромные экономические потери. И на самой верхушке этого айсберга вопросов — ремонтопригодность насоса и стоимость обслуживания, которые так же влияют на общую стоимость владения насосом.

Чтобы подобрать действительно надежный насос или верно модернизировать старый, нужно знать не только данные о жидкости, но и полную информацию о системе — точные параметры давления, температуры, так же очень важно место и способ монтажа.

Варианты уплотнений насосов

Центробежные насосы достаточно надежны, в химической промышленности они составляют 90% от всего количества применяемых насосов. В отличие от объемных насосов, они могут перекачивать жидкость с твердыми включениями, что весьма часто необходимо для химического насоса. Также для химических насосов важным преимуществом является возможность работы в открытом контуре и без задвижек. Важной задачей при разработке центробежного насоса является создание надежного уплотнения перекачиваемой жидкости от окружающей среды. Подбор уплотнения и его комбинация с подшипниковым узлом, подбор материала исполнения насоса — ключевые вопросы для подбора химического насоса. Важным фактором здесь является потенциальная опасность, которую перекачиваемая жидкость представляет для окружающей среды.

Для неопасных жидкостей возможны следующие варианты уплотнений: сальниковая набивка из различных материалов, смачиваемая перекачиваемой жидкостью, а так же с пропиткой графитом или консистентной смазкой; динамическое уплотнение, воздающее противоток или лабиринтное уплотнение.

При использовании колец уплотнения и простейших уплотнений смачиваемых продуктом, серьезные проблемы могут возникнуть при контакте со сложными жидкостями. Двойные торцовые уплотнения можно использовать лишь в случае если они смачиваются перекачиваемой жидкостью не опасной для окружающей среды и если жидкость в системе торцового уплотнения совместима с перекачиваемой средой. Также используются насосы с мокрым ротором и с  магнитной муфтой, в которых подшипник вала выполнен как подшипник скольжения, работающий в среде, и где нет контакта окружающей среды и перекачиваемой жидкости — она герметично изолирована.

Для опасных жидкостей подходят следующие варианты: насос с двойным торцовым уплотнением, насос с магнитной муфтой и герметичный насос. В случае использования торцового уплотнения, его материал исполнения подбирается в зависимости от состава перекачиваемой жидкости, возможно использовать жидкостные и газовые уплотнения. Не смотря на все недостатки, жидкостные уплотнения используются весьма часто. Одним из недостатков жидкостного уплотнения является необходимость использования плана обвязки, что удорожает химический насос и несет за собой дополнительные затраты на обслуживание. В более сложных задачах перекачивания жидкостей используются газовые уплотнения, которые особенно часто встречаются на вертикальных насосах. Подвод газа достаточно прост, кроме того газовые системы просты в обслуживании и недороги в эксплуатации. С точки зрения безопасности, если существует риск попадания продукта в атмосферу, лучше использовать герметичные насосы с мокрым ротором или с магнитной муфтой.

Герметичные насосы

Насосы с мокрым ротором и магнитной муфтой имеют надежную герметизацию. Вращающееся магнитное поле используется для передачи вращающего момента через тонкую стальную стенку на вал насоса. Этот элемент также называется герметичной гильзой. У насоса с мокрым ротором проточная часть и мотор представляют собой единый узел. Электродвигатель и рабочее колесо смонтированы на общем валу. По сравнению с насосом с двойным торцовым уплотнением, которое уплотняется с помощью уплотнительной жидкости, герметичный насос не работает без перекачиваемой жидкости. Еще одним недостатком герметичного насоса является то, что при перекачивании жидкости загазованной или с магнитными свойствами или твердыми включениями, необходимо использовать внешнюю промывку, устанавливать фильтры или принимать иные меры.

С точки зрения КПД и стоимости жизненного цикла, так же можно выделить ряд недостатков герметичных насосов. С точки зрения энергоэффективности насос с мокрым ротором является устаревшей моделью, КПД такого  агрегата слишком низок. Около 30% энергии электродвигателя  уходит в тепло или подогрев перекачиваемой жидкости. Причина таких потерь у насоса с мокрым ротором — большой зазор между ротором и старом. 

Потери от вихревых токов в герметичной гильзе и потери на трение ротора о перекачиваемую жидкость являются дополнительными факторами снижающими КПД насосов с мокрым ротором. Помимо высоких потерь энергии от вихревых токов в гильзе насоса, важным фактором являются высокие затраты на техобслуживание и эксплуатацию таких насосов. Таким образом стоимость владения насосом, составляет до 70% от совокупной стоимости насосов

В отличие от насосов с мокрым ротором, двигатель насоса с магнитной муфтой не находится в перекачиваемой среде. Если рассмотреть конструкцию насосного блока, вал электродвигателя приводит в движение ротор внешнего  магнита, который передает магнитную энергию через герметичную гильзу на внутренний магнит ротора насосной части. Постоянные магниты расположены на валах насоса и электродвигателя. В насосе с магнитной муфтой  перекачиваемая среда обтекает вокруг герметичной гильзы и подшипника скольжения (см. рисунок ниже).

И герметичный насос с мокрым ротором и с магнитной муфтой работают без протечек перекачиваемой жидкости в окружающую среду благодаря герметичной гильзе.

Работа насосов с магнитной муфтой

Характерной особенностью насоса с магнитной муфтой является передача  крутящего момента от вала мотора к валу насоса не посредством вала, а за счет магнитной энергии. До 15% энергии электродвигателя уходит в потери на вихревые токи в герметичной оболочке или потери на трение внутреннего магнита вращающегося в перекачиваемой жидкости. Следует подчеркнуть, что у насоса с магнитной муфтой теплопотери ниже по сравнению с насосами с мокрым ротором. В частности, для жидкостей, которые имеют критические точки начала кипения, относительно высокая передача тепла от двигателя к перекачиваемой среде, характерная для насосов с мокрым ротором, может привести к осложнениям. Если сравнить КПД насоса с магнитной муфтой с металлической защитной гильзой и КПД герметичного насоса с мокрым ротором, КПД у насоса с магнитной муфтой будет на 5% выше, чем у насоса с мокрым ротором.

Жидкости с критической точкой кипения и твердыми включениями в жидкости — еще один вопрос требующий дополнительного рассмотрения. Наличие твердых включений негативно сказывается на работе подшипника скольжения и герметичной гильзы, возможно даже отсоединение гильзы герметичного насоса. Наибольшей потенциальной опасностью для насосов с магнитной муфтой является повреждение герметичной гильзы и попадание жидкости под давлением перекачивания насоса в окружающую среду. О том как задачу перекачивания жидкостей твердыми включениями решает компания Flowserve в можете прочитать в статье по ссылке. 

Когда перекачиваемая жидкость направляется через подшипниковый узел насоса с магнитной муфтой, поток промывочной жидкости направляется либо между внешним диаметром рабочего колеса и корпусом либо от напорного парубка к  подшипниковому узлу. Обязательным условие работоспособности насоса — разница давлений промывки (PD) и давления на всасывании (PS) должна быть достаточно большим, чтобы промывочный поток мог эффективно отводить тепло от подшипника. Давление промывочной жидкости у подшипников должно быть выше давления насыщенных паров жидкости и выше давления на всасывании у подшипникового узла.

Тепловой баланс также должен учитываться . Потери на вихревые токи и гидравлические потери увеличивают температуру перекачиваемой жидкости. Это тепло должно отводиться с потоком жидкости; величина минимального расхода герметичного насоса и насоса с магнитной муфтой рассчитывается исходя из этого.

Для защиты от риска повреждения герметичной гильзы используют двухстенные гильзы с датчиками протечек или дополнительные системы уплотнения после защитной оболочки, чтобы предотвратить попадание токсичных перекачиваемых жидкостей в атмосферу. В случае трещины гильзы герметичные насосы с мокрым ротором более безопасны, так как жидкость оказывается внутри насоса и не сразу попадает в атмосферу.

Благодаря использованию соответствующих уплотняющих или промывочных жидкостей, подаваемых в зону подшипника, и полному контролю рабочих параметров каждый герметичный насос может быть приспособлен для перекачивания трудноперекачиваемых сред, например сред, содержащих твердые частицы.

Недостатки герметичного насоса 

Насосы герметичные с мокрым ротором, кроме описанных выше, имеют и другие недостатки. Во-первых твердые включения в жидкости забивают каналы охлаждения герметичной гильзы и способствуют износу подшипника скольжения. Это так же увеличивает износ герметичной гильзы. Пузырьки газа, возникающие вследствие плохой вентиляции или кавитации, кипение жидкости, а так же жидкости малой вязкости могут вызвать ухудшение смазки подшипников и привести к останову насоса. Кроме того, передача тепла жидкости от электродвигателя может привести к опасному увеличению температуры, вплоть до закипания.

Для реализации безопасной работы герметичного насоса при сухом ходе, необходимо проводить дополнительные комплексные дорогостоящие мероприятия. Например, фильтр, связанный с системой контроля перепада давления, установленной после насоса или на байпасе. Датчик пробоя на герметичной гильзе, датчик температуры подшипников и жидкости, газоанализатор или сигнал аварийной защиты для контроля сухого хода. Кроме того, для обеспечения минимального расхода используется дополнительная система контроля.

Безопасность при работе «в сухую»

Для решения ряда проблем описанных выше, механики могут задать вопрос, как эффективность передачи вращающего момента магнита может быть увеличена без снижения безопасности герметичного насоса или изменения расположения подшипников? Или как энергию магнитного поля передавать вне зависимости от наличия перекачиваемой жидкости?

Давайте для начала разберемся, что означает безопасная работа «в сухую». Безопасность работы в сухую — это возможность герметичного насоса выдерживать эти сложные условия без повреждения или создания аварийной ситуации.

Подобная ситуация возникает, когда внутри герметичного насоса очень мало жидкости или нет вообще, а так же в случае появления газовой составляющей.

Решение: «сухой ход» для герметичного насоса с магнитной муфтой возможен лишь в случае, если гильза между внешним и внутренним магнитом обеспечивает передачу магнитной энергии без вихревых токов. Этого можно достичь при использовании электрического изолятора, например такого как полиэфирэфиркетон (PEEK) или многослойную конструкцию гильзы из углепластика или политетрафторэтилена (PTFE). Также можно использовать и керамику. Из-за вихревых токов металлическая гильза герметичного насоса быстро нагревается до высоких температур. Непоправимые последствия нагрева гильзы герметичного насоса происходят в следующем порядке: сначала происходит размагничивание, затем в течение нескольких минут разрушение муфты и подшипника.

Логичным решением было бы использование подшипников, пригодных для работы без жидкости. Решением могло бы быть использование керамических  подшипников. Такие подшипники могут работать без смачивания непродолжительное время, однако продолжительную работу в сухую с высокими механическими нагрузками они не выдержат. Теоретически и подшипники скольжения кратковременно могут работать в сухую, но продолжительная работа без смачивания приведет к их перегреву, при появлении же охлаждающей жидкости после работы в сухую, появление трещины на подшипнике герметичного насоса неизбежно. Таким образом, если вы случайно пустили герметичный насос без жидкости, стоит его остановить и дать подшипникам охладиться. Подача жидкости  в герметичный насос сразу после работы в сухую недопустима.

Исследования вышеописанной проблемы привели к использованию  подшипников с консистентной смазкой, которые работают в закрытой воздушной оболочке. В этой чрезвычайно чистой среде они обеспечивают длительный срок службы. В следующих разделах описаны некоторые характеристики безопасности при работе всухую для различных типов насосов с магнитной муфтой.

Условно-сухие насосы с магнитной муфтой. В этих насосах используются специальные подшипники скольжения, способные выдерживать длительную работу всухую. Примеры включают подшипники с алмазным покрытием или керамические подшипники. (см так же статью о насосах для маловязкий жидкостей)

Насосы с магнитной муфтой, безопасные при нулевом расходе. В случае нулевого расхода или заклинивания магнитная муфта питается от статического давления промывки со стороны, находящейся под давлением. Насосы, которые используют резервуар для жидкости и статическое давление в напорной линии для смазки подшипников скольжения в случае нулевого расхода по отношению к открытой напорной линии, могут включать саморегулирующиеся центробежные насосы. необходимо учесть следующее:

• Перепад давления вежду всасывание и нагнетанием должен быть не менее 1 бар, имеется достаточный отвод тепла , а давление промывки подшипника выше, чем давление всасывания PS
• Внутреннее дросселирование обеспечивает более высокое давление промывки подшипников, чем давление насыщенных паров.
  

Непрерывно работающие всухую насосы с магнитной муфтой. Насосы, оснащенные непрерывно работающей всухую магнитной муфтой и подшипниковым узлом предназначенного для  сухого хода, включают в себя специальные центробежные насосы, подобные насосу, показанному на рисунке ниже.

В ситуациях с нулевым расходом необходимо убедиться, что насос c магнитной муфтой и его подшипник должным образом справляются с возникающими условиями.

Насосы с магнитной муфтой работающие «в сухую»

Сухие герметичные центробежные насосы зарекомендовали себя как надежные, поскольку используемые уплотнения и подшипники работают независимо от наличия перекачиваемой среды. Они намного превосходят обычные насосы с магнитной муфтой с точки зрения универсальности, позволяющей допускать твердые и газообразные компоненты в перекачиваемой среде. Есть также преимущества при работе с токсичными средами с помощью этих типов насосов благодаря работе на сухом ходу без разгерметизации магнитной муфты.

Простота технического обслуживания является основным преимуществом центробежных насосов с магнитной муфтой, работающих всухую; не требуется сложных модификационных работ при замене или вводе в эксплуатацию насоса

Подшипниковый узел состоит из вала с подшипниками качения, смазываемыми консистентной смазкой, что может повысить эффективность по сравнению с обычными магнитными насосами с подшипниками скольжения.

Расположение уплотнения вала также способствует более безопасной работе. Гидравлическая разгрузка на рабочем колесе и балансировочных отверстиях снижает давление в зазоре вала до уровня давления подачи. Специальное лабиринтное уплотнение, заполненное уплотняющим газом между рабочим колесом и подшипниковым узлом вала, отделяет твердые частицы, чтобы они не могли попасть в зону подшипника. Манжетное уплотнение перед подшипниковым узлом используется в случае прекращения подачи азота. Таким образом, керамическая гильза, представляющая собой герметичное уплотнение, подвергается только низкому давлению и не контактирует с продуктом. Передача магнитного поля без вихревых токов  обеспечивает значительную экономию энергии.

Низкое энергопотребление становится все более важным, поскольку экологические соображения, снижение углеродного следа и растущие цены на энергоносители побуждают компании экономить энергию. Использование подшипников качения и керамического защитного стакана в значительной степени обеспечивает экономию энергии герметичных насосов. По сравнению с обычными насосами с магнитной муфтой  с подшипниками скольжения и металлическим защитным стаканом при  времени работы в 8 000 часов и потребляемой мощности 10 кВт·ч экономия составит около 80 000 кВт·ч в год.

Объем уплотняющего газа, необходимый для лабиринтного уплотнения, примерно эквивалентен объему необходимому для двойного торцового газового уплотнения. Благодаря гидравлической разгрузке требуемое давление уплотняющего газа, как правило, не превышает 3 бар.

В результате минимальной нагрузки на герметичную гильзу, работающую под низким давлением в газовой среде и без контакта с продуктом, достигается высокий стандарт безопасности. Возможный сбой в подаче затворного газа, приводящий к срабатыванию аварийного сигнала, не представляет непосредственной опасности для подшипника, поскольку аварийное сухое уплотнение между лабиринтом и подшипниковым узлом может работать без газа  в течение нескольких часов.

Конструкция подшипника качения насоса также облегчает работу насоса в сухую, благодаря снижению гидравлических нагрузок. В отличие от стандартных насосов с магнитной муфтой, эти насосы можно использовать практически для всех перекачиваемых жидкостей без каких-либо дополнительных мер. Единственными требованиями является обеспечение потока уплотняющего газа. Защита от ошибок заложена в системе. Благодаря передаче магнитного поля без вихревых токов и роликовым подшипникам с консистентной смазкой этот тип насоса является одним из наиболее эффективных стандартных насосов с одинарными подшипниками скольжения.

By Frank Bungartz, Paul Bungartz GmbH & Co. KG

Символьный код: sravnenie-razlichnykh-tipov-germetichnykh-nasosov