Герметичные насосы с магнитной муфтой: конструкция, принцип работы и опыт использования
Понимание принципов работы насосов, особенностей типов уплотнения и соединения с мотором весьма важны для выбора оптимального насоса под задачу.
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 производственного цикла, как результат поломки насоса, влечет за собой 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 нужно дать 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 насосов. В отличие от объемных насосов, они могут перекачивать жидкость с твердыми включениями, что весьма часто необходимо для химического насоса. Так же для химических насосов важным преимуществом является возможность работы в открытом контуре, 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.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. Герметичные насосы и с магнитной муфтой схожи в использовании, подшипник вала смачивается перекачиваемой жидкостью.
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 не дороги в эксплуатации. С точки зрения безопасности, если существует риск попадания продукта в атмосферу, лучше использовать герметичные насосы 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 герметичного насоса 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, 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 энерго-эффективности герметичный насос является устаревшей моделью, так как КПД агрегата обычно не удовлетворяет сегодняшним высоким требованиям. Около 30% энергии электродвигателя уходит в тепло или подогрев перекачиваемой жидкости. Причина таких потерь у герметичного насоса - 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, потери на трение влияют на увеличение потерь на электроэнергию, увеличивая тем самым стоимости владения насосом, составляющей до 70% от совокупной стоимости насосов
В отличие от герметичных 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 без 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 более низкая передача тепла перекачиваемой жидкости 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, преимущество по КПД у насоса с магнитной муфтой будет на 5% выше.
Жидкости с критической точкой кипения и концентрация твердых включений 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 через напорное отверстие подшипникового узла. 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 того чтобы предотвратить повреждение герметичной гильзы используют двухстенные гильзы с датчиками протечек или дополнительные системы уплотнения, 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.
Таким образом правильно подобранные герметичные насосы и насосы с магнитной муфтой с корректным расходом, укомплектованные системой контроля рабочих параметров и дополнительной системой герметизации можно использовать для перекачивания сложных жидкостей, таких как жидкости с твердыми включениями.
Недостатки герметичного насоса с мокрым ротором
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). Так же 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 ,а 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 роликовых 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 роликовых подшипников с консистентной смазкой, которые работают в закрытой воздушной оболочке. Так как рабочая среда такого подшипника абсолютно чистая, то и срок службы его велик.
By Frank Bungartz, Paul Bungartz GmbH & Co. KG
Символьный код: sravnenie-razlichnykh-tipov-germetichnykh-nasosov