Центробежный насос против объемного насоса: различия и руководство по выбору

Недавно к нам обратились с завода по очистке сточных вод в восточном Китае со знакомой проблемой. Оператору необходимо было перекачивать ил с содержанием сухих веществ 8 процентов в фильтр-пресс под давлением 12 бар, а существующий центробежный насос продолжал терять производительность и изнашивать рабочие колеса. Через два предприятия пищевой комбинат перемещал чувствительную к сдвигу фруктовую мякоть, беспокоясь о разрушении эмульсии. Оба директора завода задали один и тот же вопрос: центробежный насос или объемный насос, какая конструкция заслуживает заказа на поставку? Честный ответ: ни один из насосов не является универсальным. У каждой семьи есть четкая зона деятельности, где это технически и экономически правильный выбор. Окончательное решение зависит от вязкости жидкости, содержания твердых частиц, требуемого давления, стабильности потока, условий всасывания и стоимости жизненного цикла. В этой статье два типа насосов сравниваются с точки зрения производителя и поставщика промышленных насосов, чтобы вы могли сделать уверенный выбор с первого раза.

Понимание двух семейств насосов

Прежде чем сравнивать пригодность применения, вам необходимо понять физический механизм внутри каждого насоса. Принцип работы определяет каждую характеристику производительности, от стабильности потока до срока службы. Он также определяет, какие запасные части вам понадобятся, как часто они вам понадобятся и смогут ли ваши операторы быстро диагностировать проблемы.

Центробежные насосы используют кинетическую энергию

Центробежный насос преобразует энергию вращения рабочего колеса в энергию скорости жидкости, а затем преобразует эту скорость в давление в улитке или диффузоре. Крыльчатка вращается с высокой скоростью, обычно 1450 или 2900 об/мин, и выбрасывает жидкость наружу из отверстия крыльчатки. Эта конструкция прекрасно работает с маловязкими, чистыми жидкостями, такими как вода, легкие масла, охлаждающие жидкости и большинство технологических жидкостей с давлением ниже примерно 100 сП.

Поскольку центробежный насос создает давление в зависимости от скорости жидкости, его скорость потока изменяется по мере изменения давления в системе. Если вы закроете выпускной клапан, насос перейдет в режим отключения и создаст максимальное давление при нулевом расходе. Если трубопровод оказывает небольшое сопротивление, насос выходит далеко за пределы своей кривой и обеспечивает высокий расход при низком давлении. Такая гибкость полезна для многих операций по перекачке, но становится проблемой, когда процесс требует постоянного потока независимо от давления. Рабочая точка всегда перемещается вдоль кривой насоса, поэтому проектировщики системы должны тщательно рассчитывать кривую системы.

Насосы объемного действия используют захваченный объем

Насос объемного действия улавливает фиксированный объем жидкости и механически выталкивает ее в нагнетательную линию. К этому семейству относятся шестеренные, кулачковые, поршневые, диафрагменные и винтовые насосы. В одновинтовом насосе металлический ротор вращается внутри резинового статора, образуя герметичные полости, которые перемещаются от всасывания к нагнетанию. Каждый оборот перемещает определенный объем, поэтому поток пропорционален скорости и почти не зависит от давления.

Поскольку объемные насосы вытесняют жидкость механически, они могут создавать очень высокое давление и легко переносить вязкие жидкости. Пульсация потока зависит от конструкции; одновинтовые насосы известны низкой пульсацией, тогда как поршневые насосы производят резкие импульсы, требующие демпферов. Обычно для защиты насоса при блокировке нагнетательной линии требуется предохранительный клапан или байпас давления, поскольку насос будет продолжать работать до тех пор, пока что-нибудь не сломается. Это не слабость; это подтверждение способности насоса создавать давление.

Для предприятия, перекачивающего ил, вязкие химикаты или пищевые продукты с твердыми частицами, одновинтовой насос является одной из самых универсальных конструкций объемного типа на рынке. Он сочетает в себе отличную обработку твердых частиц, компактность и простоту обслуживания. Одновинтовые насосы также допускают кратковременную работу всухую при установке с соответствующей защитой гибкого вала или карданного шарнира.

Одновинтовой насос для жидкостей с содержанием твердых частиц и вязких жидкостей Этот шнековый насос самовсасывается на глубину до 8,5 метров, перекачивает до 40% твердых частиц по объему и плавно перекачивает вязкие неньютоновские жидкости, что делает его универсальным выбором для сложных задач по переработке ила и пищевой промышленности. Посмотреть продукт →

Центробежный насос против объемного насоса: параллельное сравнение

В таблице ниже суммированы практические различия между двумя семействами. Используйте его в качестве первоначального инструмента проверки, прежде чем перейти к подробному выбору гидравлики и обсуждению поставщиков.

Эта таблица намеренно носит общий характер. Каждая конкретная модель насоса имеет свою кривую и ограничения. Например, большой центробежный насос с вертикальной турбиной может создавать значительное давление в многоступенчатых системах, а небольшой шестеренный насос может бороться с абразивными твердыми частицами. Однако общая закономерность сохраняется для подавляющего большинства промышленных пошлин.

Скорость потока и поведение давления: решающая разница

Поведение потока — наиболее заметное различие между двумя семействами насосов. Центробежный насос работает по кривой производительности, в которой расход падает по мере роста давления нагнетания. Насос прямого вытеснения обеспечивает почти постоянный поток независимо от изменений давления. Это единственное различие определяет большинство решений по выбору в промышленности. В таблице ниже обе конструкции оцениваются по шести практическим критериям выбора.

Диаграмма показывает взаимодополняющие сильные стороны двух семей. Центробежный насос обеспечивает выдающуюся производительность при перекачке больших объемов воды, где важны плавный непрерывный поток и низкая стоимость кубического метра. Его слабость проявляется, как только повышается давление или вязкость, поскольку рабочее колесо имеет меньше кинетической энергии для преодоления сопротивления. Насос прямого вытеснения показывает зеркальное изображение. Он поддерживает расход практически постоянным от низкого давления до механического предела, поэтому на него полагаются системы дозирования и измерения. Разница в поведении давления имеет прямое влияние на проектирование системы. При использовании центробежного насоса оператор может дросселировать выпускной клапан для регулировки расхода. В случае объемного насоса дросселирование приводит к прижатию насоса к закрытой системе, и давление может резко возрасти. На практике инженеры-технологи также обращают внимание на взаимосвязь между скоростью двигателя и производительностью. Изменение скорости центробежного насоса изменяет как расход, так и напор по ряду кривых. Изменение скорости объемного насоса изменяет расход почти линейно, в то время как давление остается регулируемым системой. Эта линейная зависимость делает поршневые насосы идеальным дополнением к частотно-регулируемым приводам в автоматических системах дозирования и транспортировки. Когда предприятию необходимо подавать воду в несколько точек с разным давлением, зачастую проще использовать центробежный насос с регулирующим клапаном. Когда предприятию требуется одинаковый поток, подаваемый при изменяющемся противодавлении, объемный насос устраняет необходимость в сложных средствах управления. В таблице также поясняются распространенные неисправности насоса. Центробежные насосы часто неправильно используются при работе с высоковязкими жидкостями, где они теряют эффективность и перегреваются. Насосы объемного типа часто неправильно применяются при перекачке воды с очень высоким расходом и низким давлением, где они становятся неоправданно дорогими и громоздкими. Согласование естественного поведения насоса с характеристикой системы является самым важным шагом при выборе любого насоса.

Как вязкость влияет на производительность насоса

Вязкость является вторым решающим фактором при сравнении центробежного насоса с объемным насосом. Поскольку центробежный насос зависит от скорости жидкости, густые жидкости создают потери на трение внутри насоса и уменьшают напор, создаваемый рабочим колесом. По мере увеличения вязкости кривая насоса падает, и эффективность резко падает. Большинство центробежных насосов экономичны только до давления от 100 до 200 сП. Выше этого диапазона пользователь должен увеличить мощность двигателя и принять низкую эффективность насоса и возможный перегрев.

Насос объемного действия не зависит от скорости перемещения жидкости; он физически вытесняет жидкость с помощью вращающихся или возвратно-поступательных элементов. Вязкость фактически улучшает внутреннее уплотнение во многих конструкциях объемного типа, поскольку более густая жидкость заполняет зазоры и уменьшает скольжение. Одновинтовые насосы регулярно перекачивают жидкости от нескольких сантипуаз до миллиона сантипуаз, от водоразбавляемых растворителей до патоки, печатной краски и расплавов полимеров. Вот почему химическая, пищевая и нефтяная промышленность держат под рукой объемные насосы.

Как видно из таблицы, точка перелома вязкости находится намного ниже, чем ожидают многие покупатели. Жидкость, которая легко течет при комнатной температуре, например, растительное масло при температуре 80 сП, уже находится за пределами типичного центробежного насоса. Для перекачки этого масла с помощью центробежного насоса требуется крыльчатка большего размера и двигатель большего размера, а расход все равно меньше, чем указано на паспортной табличке. То же масло в объемном насосе обеспечивает уверенный, повторяемый поток при умеренном энергопотреблении.

Температура – ​​еще один скрытый фактор. Многие вязкие жидкости при нагревании становятся жидкими, что расширяет диапазон использования центробежного насоса. Некоторые заводы предварительно нагревают мазут или шоколад перед перекачкой его центробежным насосом, но это увеличивает затраты на электроэнергию и усложняет процесс. Насос объемного действия с подходящим материалом статора часто может напрямую перекачивать холодный, густой продукт, экономя тепловую энергию и упрощая технологическую линию. Конструкции винтовых насосов, такие как конфигурация с постоянной толщиной стенки покажите, как можно настроить геометрию статора, чтобы еще больше повысить вязкость и улучшить обработку твердых частиц. Когда среда содержит волокна или абразивные частицы, выбор становится еще более очевидным; Толстые продукты часто содержат твердые частицы, и об этом мы поговорим позже.

Обращение с твердыми частицами и чувствительность к сдвигу

Третье важное отличие заключается в том, как каждый насос обрабатывает жидкости, содержащие твердые частицы. Центробежный насос ускоряет жидкость до высокой скорости, и любые твердые частицы в этом потоке ударяются на скорости о рабочее колесо и корпус. Песок, окалина и мусор со временем разрушают лопасти рабочего колеса, снижая производительность и создавая вибрацию. Даже небольшое количество абразивных твердых частиц может сократить срок службы уплотнения и вызвать преждевременный выход из строя подшипника. Если твердые частицы волокнистые, например ветошь или волокна, они обволакивают крыльчатку и забивают улитку.

Насосы объемного типа по-разному подходят к твердым веществам. В одновинтовом насосе ротор и статор образуют непрерывную серию полостей, и жидкость проходит через насос плавным вращательным движением. Волокна проходят без разрезания, абразивные частицы движутся с низкой скоростью и вызывают гораздо меньший износ, а густые суспензии не имеют тенденции к расслоению или оседанию. Вот почему одновинтовые насосы являются стандартным выбором при очистке сточных вод от осадка и накипи, в бумажной промышленности для смесей целлюлозы и покрытий, а также в пищевой промышленности для продуктов с кусочками фруктов или овощей.

Чувствительность к сдвигу — это обратная сторона одной медали. Центробежные насосы, особенно при высоких скоростях вращения крыльчатки, могут эмульгировать, вспенивать или разрушать чувствительные к сдвигу жидкости. Если вы перекачиваете латекс, растворы полимеров, косметические кремы или пищевые эмульсии, центробежный насос может испортить продукт. Роторные насосы объемного действия, напротив, перемещают жидкость с небольшим относительным движением между жидкостью и насосными элементами. Одновинтовой насос — один из самых щадящих типов насосов, что делает его популярным для сливочного сыра, йогурта, цельных овощей в рассоле и ферментативных бульонов в фармацевтическом производстве. Такое же низкое качество сдвига также сохраняет размер частиц суспензий, что важно в горнодобывающей промышленности и переработке полезных ископаемых.

Сценарии применения и точки выбора

Понять, где хорошо работает каждый тип насоса, легче на примерах реальных процессов. Ниже представлен макет в две колонки, где типичные обязанности группируются по типам насосов. Будучи производителем и поставщиком шнековых насосов уже более десяти лет, мы являемся свидетелями успеха и неудач обоих семейств во многих отраслях.

Эти два списка редко пересекаются. Когда приложение находится вблизи границы, вам следует смотреть на конкретную рабочую точку, а не гадать. Например, жидкий химикат с расходом 50 кубических метров в час при давлении 3 бар – это простая центробежная работа. Тот же химикат под давлением 10 бар с расходом 5 кубических метров в час и вязкостью 800 сП относится к объемному насосу. Между этими крайностями могут работать обе конструкции, и решение смещается в сторону капитальных затрат, затрат на электроэнергию, площади и ресурсов для обслуживания.

Мы также видим гибридные случаи. На заводе может использоваться центробежный насос для основной линии подачи и небольшой одношнековый дозирующий насос для потока добавки. Это практичное и экономичное сочетание. Главное — не поддаваться искушению заставить один насос делать все. Насос, который технически универсален, часто становится неэффективным и ненадежным, если выйти за рамки предполагаемого диапазона.

Эффективность и совокупная стоимость владения

КПД редко является постоянным показателем для любого типа насоса; оно меняется в зависимости от рабочей точки и свойств жидкости. Центробежный насос достигает точки наилучшего КПД в середине своей кривой, обычно вблизи номинальной нагрузки. При работе вдали от этой точки эффективность быстро падает, а рециркуляция внутри корпуса приводит к выделению тепла. Для насоса, работающего 8000 часов в год, даже 5-процентный штраф за эффективность может привести к дополнительным затратам на электроэнергию в тысячи долларов.

Насос объемного действия сохраняет свою эффективность в гораздо более широком диапазоне давлений. Объемный КПД одновинтового насоса медленно снижается по мере роста давления, поскольку больше жидкости просачивается через зазор между ротором и статором, но это падение незначительно по сравнению с коллапсом кривой, наблюдаемым в центробежных насосах при высокой вязкости. В вязкостных условиях поршневой насос может быть на 30–50 процентов более энергоэффективным, чем центробежный насос той же номинальной мощности. За пятилетний срок эксплуатации одна только экономия энергии может превысить первоначальную закупочную цену насоса.

Общая стоимость владения также включает запасные части и время простоя. Центробежные насосы изнашиваются на рабочем колесе, щелевых кольцах корпуса, механическом уплотнении и подшипниках. Нагнетательные насосы изнашиваются на статоре, роторе, карданном шарнире и уплотнениях. В шнековом насосе статор представляет собой расходный резиновый компонент, а ротор представляет собой закаленную металлическую деталь, которую часто можно использовать повторно после замены статора. Надежные поставки оригинальных запасных частей статора и ротора от одного и того же производителя насоса позволяют снизить затраты на ремонт и сделать их предсказуемыми. Заводы, на которых эксплуатируется множество винтовых насосов, часто покупают комплекты статоров и роторов в оптовых количествах, чтобы стабилизировать бюджет на техническое обслуживание и сократить время ремонта.

При расчете стоимости жизненного цикла учитывайте стоимость простоя. Засоренный центробежный насос может нуждаться в чистке каждые несколько недель при работе с твердыми частицами, в то время как правильно выбранный одновинтовой насос работает месяцами между проверками. И наоборот, объемный насос имеет больше движущихся частей и требует более частого планового обслуживания, чем простой центробежный насос с торцевым всасыванием. Правильное сравнение заключается не в том, какой насос дешевле за единицу, а в том, какой насос дешевле для конкретного режима работы.

Как правильно выбрать насос: практическое руководство по выбору

Выбор между центробежным насосом и насосом объемного действия является систематическим. Прежде чем поговорить с поставщиком, проработайте приведенный ниже контрольный список и определите четкие требования к каждому пункту. Эта дисциплина предотвращает наиболее распространенные ошибки и дает вам надежную основу для принятия решения о покупке.

1. Определите жидкость. Запишите его название, вязкость при температуре перекачки, плотность, давление пара и содержание твердых частиц. Если вязкость превышает 200 сП, положительное вытеснение сразу становится более привлекательным.
2. Определите скорость потока. Укажите нормальный расход, а также максимальный и минимальный расход. Насосы объемного типа хорошо удерживают поток при низких скоростях; центробежные насосы борются с расходом ниже 20 процентов от полного.
3. Дайте определение давлению. Рассчитайте статический напор, потери на трение и противодавление сосудов. Если давление нагнетания превышает примерно 15 бар, центробежному насосу может потребоваться многоступенчатая или высокоскоростная конструкция.
4. Проверьте условия всасывания. Если жидкость находится над насосом, в вакуумном сосуде или очень горячая, в центробежных насосах возникает кавитация. Самовсасывающий или объемный насос безопаснее.
5. Оцените твердые вещества. Для суспензий, содержащих более 2 процентов твердых частиц или каких-либо волокон, выберите насос объемного типа и сверьте размер твердых частиц с зазорами насоса.
6. Рассмотрим сдвиг и пульсацию. Для эмульсий, суспензий и биологических продуктов отдавайте предпочтение ротационным насосам с низким сдвиговым усилием. Для измерения постоянного расхода проверьте уровень пульсации объемной конструкции.
7. Рассчитайте НПШ. Насосы объемного типа, как правило, имеют лучшую высоту всасывания, чем центробежные насосы, но каждому насосу необходим соответствующий запас чистой положительной высоты всасывания.
8. Проверьте контроль скорости. Если расход должен изменяться автоматически, сравните стоимость преобразователя частоты на любом насосе. Насосы объемного действия очень предсказуемо преобразуют скорость в расход.
9. Оцените возможности обслуживания. Спросите, может ли ваша команда восстановить статор или ротор или проще ли заменить механическое уплотнение и рабочее колесо для вашего предприятия.
10. Проконсультируйтесь с производителем, предоставив данные испытаний. Авторитетный производитель одновинтовых насосов предоставит характеристики, варианты материалов и эталонные варианты установки, а не общую цену.

Некоторые из этих точек взаимодействуют. Разреженная и чистая жидкость с умеренным давлением почти всегда является территорией центробежных сил. Густая жидкость, насыщенная твердыми частицами или чувствительная к сдвигу, с высоким давлением почти всегда является территорией положительного вытеснения. Сложные случаи частично совпадают. Когда они это сделают, посетите существующую установку, изучите журнал обслуживания и сравните общую стоимость владения, прежде чем покупать.

Распространенные ошибки и как их избежать

После многих лет продажи насосов и запасных частей мы стали свидетелями повторения одних и тех же ошибок выбора на многих заводах. Эти ошибки стоят времени, денег, а иногда и всей производственной линии. Ниже приведены наиболее распространенные из них, с которыми мы сталкиваемся во время технических аудитов и послепродажных посещений.

• Эксплуатация центробежного насоса в точке, далекой от точки его наилучшего КПД, поскольку режим работы изменился после установки; Решение состоит в том, чтобы обрезать рабочее колесо или добавить преобразователь частоты.
• Дроссельное регулирование нагнетания объемного насоса, как если бы это был центробежный насос, вызывало избыточное давление и выход из строя уплотнений или статора.
• Использование центробежного насоса для жидкости с давлением 2000 сП, поскольку размер двигателя оказался достаточным; насос фактически подает часть расчетного расхода и нагревает продукт.
• Установка объемного насоса без предохранительного клапана или перепускного клапана; заблокированная напорная линия повреждает привод и корпус насоса.
• Выбор объемного насоса с зазорами, которые слишком велики для жидкости с очень низкой вязкостью, поэтому проскальзывание превышает расход, и насос никогда не достигает номинальной производительности.
• Игнорирование NPSH центробежного насоса и обвинение насоса в кавитационных повреждениях, тогда как настоящая проблема заключается в недостаточной высоте всасывания.
• Забываем учитывать содержание твердых частиц, а затем каждую неделю сталкиваемся с повторяющимся засорением крыльчатки.
• Покупка самого дешевого неоригинального запасного статора, а затем обнаружение преждевременного износа и потери постоянства потока.
• Выбор насоса только по цене за единицу без расчета энергозатрат, запчастей и простоев.
• Невозможно задать вопрос, есть ли у производителя насоса опыт работы с вашей конкретной жидкостью; для разных продуктов требуются разные резины статора, материалы ротора и типы уплотнений.

Любую из этих ошибок можно избежать. Общей нитью является несоответствие между физическим принципом работы насоса и обязанностями, налагаемыми процессом. Если условия процесса неопределенны, выберите насос с более широким допуском на изменения; Насос прямого вытеснения справляется с перепадами давления и вязкости гораздо лучше, чем центробежный насос.

Рекомендации по техническому обслуживанию для обеспечения длительного срока службы

Оба семейства насосов требуют дисциплины, но суть технического обслуживания различна. Центробежный насос зависит от состояния его механического уплотнения, подшипников и рабочих зазоров между рабочим колесом и щелевыми кольцами. Анализ вибрации и мониторинг уплотнений могут предсказать отказ. Ремонт обычно прост: замените сальник, правите вал, замените подшипники и проверьте крыльчатку. При работе с чистой водой центробежный насос может работать годами при минимальном уходе.

Насос объемного действия, такой как одновинтовой насос, зависит от посадки между ротором и статором. Резиновый статор является изнашиваемым компонентом; абразивы и химикаты постепенно увеличивают внутреннюю полость, и скольжение увеличивается. Когда поток падает на 15–20 процентов, пришло время заменить статор. Металлический ротор обычно выдерживает две или три замены статора, поэтому разумная стратегия технического обслуживания позволяет держать под рукой запасные части и заменять статор при первых признаках серьезного проскальзывания.

Изготовленный на заказ резиновый статор для винтовых насосов Этот статор, являющийся изнашиваемым компонентом, который напрямую влияет на эффективность насоса, создан на основе собственной резиновой смеси и индивидуальной настройки формулы, что помогает вам подобрать характеристики эластомера к вашей конкретной жидкости и продлить срок службы. Посмотреть продукт →

Прочный ротор для одновинтовых насосов Являясь металлическим аналогом статора, этот ротор предназначен для многократного обслуживания при многократной замене статора, а варианты покрытия повышают стойкость к истиранию и сокращают частоту технического обслуживания при тяжелых условиях перекачивания. Посмотреть продукт →

Выбор эластомера имеет решающее значение для винтового насоса. Различные резиновые смеси устойчивы к различным химикатам и температурам. Производитель насосов, использующий собственную технологию резиновых смесей, может настроить статор в соответствии с вашей жидкостью, что значительно продлит срок службы. Аналогичным образом, покрытия ротора, такие как твердый хром или керамика, улучшают стойкость к истиранию. Завод, который планирует запасы запасных частей с учетом фактической скорости износа этих компонентов, избегает аварийных ремонтов и остановок производства.

Насосы объемного типа также имеют универсальные шарниры или шатуны, которые требуют периодической смазки, и многие конструкции включают фланец или переходник, защищающий область уплотнения. С самого начала составьте график проверок: ежемесячные проверки вибрации и температуры, ежеквартальные проверки уплотнений и ежегодные испытания производительности на соответствие кривой потока. Для любого типа насоса важна сеть поддержки производителя. Поставщик, который имеет запасы деталей для распространенных моделей и предлагает быструю техническую помощь, значительно снижает общую стоимость владения.

Часто задаваемые вопросы

Именно эти вопросы наши инженеры чаще всего слышат от покупателей, сравнивающих два семейства насосов. Ответы отражают практический опыт, а также теорию гидравлики.

Выбор между центробежным насосом и насосом объемного типа не зависит от того, какая конструкция новее или более совершенна; оба служат промышленности уже более века. Речь идет о согласовании физического принципа насоса с требованиями технологического процесса. Центробежные насосы обеспечивают высокий расход при умеренном давлении с чистыми жидкостями с низкой вязкостью. Насосы объемного типа обеспечивают постоянный поток под высоким давлением вязких, содержащих твердые частицы или чувствительных к сдвигу жидкостей. Широкая золотая середина – это то, где вам нужны кривые, данные и честная техническая поддержка от производителя насосов. Одновинтовой насос, как одна из наиболее универсальных конструкций объемного типа, подходит для многих сложных применений в сточных водах, химической, пищевой, бумажной и энергетической промышленности. Когда вы определите жидкость, расход, давление и ограничения по установке, вы сразу увидите подходящее семейство насосов. И как только вы сделаете выбор, преданный своему делу поставщик с быстрой доставкой деталей и инженерным опытом станет решающим фактором между успешным проектом и дорогостоящим уроком.