I. Definition og oversigt over pumper
En pumpe, som en meget brugt mekanisk enhed inden for forskellige områder, er dens kernefunktion at transportere væsker (såsom vand, olie osv.) fra et sted til et andet. Med pumpens drev kan væskerne effektivt og stabilt fuldføre transportopgaven og opfylde forskellige produktions- og levebehov.
En pumpe er en mekanisk enhed, der bruges til at transportere forskellige væsker. Dens anvendelsesområde er omfattende og dækker vand-, olie-, syre- og alkaliopløsninger, emulsioner, suspensioner, flydende metaller osv. Derudover kan gearoliepumper også transportere flydende-gasblandinger og væsker, der indeholder suspenderede faste stoffer.
Pumper kan klassificeres i tre hovedkategorier baseret på deres arbejdsprincipper: positive fortrængningspumper, pumpehjulspumper og andre typer pumper. Det er værd at bemærke, at klassificeringen af dykpumper er mere forskelligartet. Udover at være klassificeret efter arbejdsprincippet, kan de også kategoriseres og navngives baseret på køremetoden, strukturen, formålet og arten af den væske, der transporteres.
Der er komplekse indbyrdes afhængige ændringer mellem forskellige ydelsesparametre for pumpen, og disse forhold kan intuitivt vises gennem karakteristiske kurver. Hver pumpe har sin egen unikke karakteristikkurve, der afspejler dens specifikke ydelseskarakteristika. Som en mekanisk anordning til at transportere væsker eller øge trykket af væsker, overfører pumpen den mekaniske energi fra drivmotoren eller anden ekstern energi til væsken, hvorved der opnås en forøgelse af væskens energi.
II. Definition og historisk oprindelse af pumpen
En pumpe, en mekanisk anordning til at transportere væsker eller øge trykket af væsker, har en historie, der går tilbage til oldtiden. I store træk bruges en pumpe ikke kun til transport af væsker, men inkluderer også visse mekaniske enheder, der er specielt designet til transport af gasser. Ved at overføre drivkraftens mekaniske energi eller energien fra andre kilder til væsken, opnår pumpen en forøgelse af væskens energi.
Den stigende efterspørgsel efter vandløft fra mennesker førte til fremkomsten af forskellige vandløftningsanordninger. For eksempel blev kædepumpen i Egypten opfundet omkring 1700 f.Kr., mens Kina havde ældgamle vandløfteværktøjer såsom håndtag, ankerspil og vandhjul. I det antikke Grækenland opfandt Arkimedes skruestangen i det 3. århundrede f.Kr., hvilket lagde grundlaget for senere pumpeteknologi.
Med tiden opfandt den antikke græske håndværker Ktesibius den primitive stempelpumpe - ildslukningspumpen - omkring 200 f.Kr. Så, i 1588, var der en registrering af den 4-bladede glidende vingepumpe, der markerede den første udvikling af rotationspumpen. I 1689 fornyede D. Papan fra Frankrig yderligere og opfandt volut-centrifugalpumpen med 4-blads skovlhjul.
I det 18. århundrede opstod successivt centrifugalpumper med radiale lige blade, semi-åbne dobbelte-sughjul og volutter samt stempelpumper drevet direkte af damp i USA. Disse innovationer bidrog til dannelsen og udviklingen af moderne pumpeteknologi.
Med den kontinuerlige teknologiske fremskridt, mellem 1840 og 1850, opfandt HR Worsington fra USA en damp direkte-virkende stempelpumpe med pumpecylinderen og dampcylinderen placeret over for hinanden, hvilket lagde grundlaget for forbedringen af moderne stempelpumper. Og fra 1851 til 1875 gjorde fødslen af fler-centrifugalpumper udviklingen af høj-højde centrifugalpumper mulig.
Siden da er der løbende dukket forskellige nye pumpetyper op, hvor effektiviteten gradvist forbedres, og rækken af ydeevne og anvendelsesområder er også blevet stadig mere omfattende.
III. Klassificering af pumper
Pumper, som er meget udbredt inden for forskellige områder, kommer i en lang række forskellige typer og er klassificeret på mange måder. I henhold til deres arbejdsprincipper kan pumper hovedsageligt opdeles i tre kategorier:
For det første er der den positive fortrængningspumpe, også kendt som pumpehjulspumpen eller vingepumpen. Denne type pumpe bruger et roterende pumpehjul til at påføre væsken kraft, der kontinuerligt overfører energi til væsken og øger dens kinetiske energi og tryk. Efterfølgende omdannes den kinetiske energi til trykenergi gennem udledningskammeret. Positive fortrængningspumper omfatter blandt andet centrifugalpumper, aksialstrømspumper, delstrømspumper og hvirvelpumper.
Den næste type er den volumetriske pumpe. Denne type pumpe overfører energi ved periodisk at ændre volumenet af det forseglede arbejdsrum, hvorved væsketrykket øges og tvinges til at blive udtømt. Volumetriske pumper kan yderligere klassificeres i stempelpumper og rotationspumper baseret på bevægelsesformen af arbejdselementerne.
Derudover er der andre typer pumper, der overfører energi på unikke måder. For eksempel er jetpumper afhængige af den høje-stråle fra arbejdsvæsken til at trække ind og blande væsken, der skal transporteres, for at opnå energioverførsel gennem momentumudveksling; membranpumper og vandhammerpumper udnytter vandhammereffekten under bremsning til at overføre energi; mens elektromagnetiske pumper opnår væsketransport gennem strømmen af flydende metal under påvirkning af en elektrisk strøm og elektromagnetisk kraft.
Endvidere kan pumper yderligere klassificeres ud fra egenskaberne af den væske, der transporteres, drivmetoden, strukturen og formålet.
IV. Anvendelse af pumper på forskellige områder
Pumpernes ydelsesområde er omfattende, lige fra kæmpepumper med en flowhastighed på flere hundrede tusinde kubikmeter i timen til miniaturepumper med en flowhastighed på mindre end flere deciliter i timen; deres trykområde kan også variere fra normalt tryk til så højt som 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) eller derover. Desuden er temperaturen og typen af den væske, der transporteres, også forskellig, såsom vand (klart vand, spildevand osv.), olie, syrer og baser, suspensioner og flydende metaller osv.
I produktionen af kemi- og oliesektoren spiller pumper en afgørende rolle. Da råmaterialerne,-halvfabrikaterne og de færdige produkter for det meste er væsker, transporterer pumper i disse komplekse processer ikke kun væskerne, men giver også det tryk og det flow, der kræves til kemiske reaktioner. Samtidig bruges de også i mange enheder til at regulere temperaturer.
I landbrugsproduktionen er pumper det vigtigste kunstvandings- og dræningsmaskineri. Landdistrikterne i vores land er store, og der er brug for et stort antal pumper hvert år for at støtte landbrugsproduktionen. Generelt tegner landbrugspumper sig for halvdelen af den samlede produktion af pumper.
Minedrift og metallurgiske industrier er også vigtige anvendelsesområder for pumper. I disse industrier kræver processer som minedræning, mineralbearbejdning, smeltning og valsning alle støtte fra pumper.
I elsektoren, uanset om det er et atomkraftværk eller et termisk kraftværk, spiller pumper en afgørende rolle. Atomkraftværker har brug for hovedpumper, sekundære pumper og tertiære pumper for at sikre stabil drift af nukleare reaktioner; mens termiske kraftværker er afhængige af et stort antal kedelfødepumper, kondensatpumper, cirkulationspumper og slagge- og askepumper for at opretholde kraftværkets normale drift.
Forsvarskonstruktion kan heller ikke undvære anvendelsen af pumper. Justering af flyflapper, ror og landingsstel, rotation af krigsskibe og tanktårne samt nedsænkning og opstigning af ubåde kræver alle pumper for at levere den nødvendige kraft og justeringsfunktioner. For visse højtryks- og radioaktive væsker under transport og håndtering er kravet til pumpelækagefri drift desuden ekstremt højt.
I skibsbygningsindustrien bruges hundredvis af forskellige typer pumper på hvert -søgående fartøj. Fra propelpumperne, der driver skibet til forskellige pumper, der vedligeholder miljøet i skibets kahytter, de er alle uundværlige. Desuden er vandforsynings- og afløbssystemerne i byer, vandet, der bruges af damplokomotiver, smøring og afkøling i værktøjsmaskiner, transport af farvestoffer i tekstilindustrien og transport af mælk og sukkerprodukter i fødevareindustrien, alle afhængige af støtte fra pumper.
Som konklusion er pumper allestedsnærværende på forskellige områder, herunder rumfart, militærudstyr, industriel produktion og dagligdag, og spiller en uundværlig rolle. Derfor er pumper klassificeret som almindelige maskiner og bliver et uundværligt og vigtigt produkt i den mekaniske industri.
V. Grundlæggende parametre for pumper
Pumper, som en vigtig komponent i almindeligt maskineri, påvirker deres ydeevne direkte driftseffektiviteten i forskellige anvendelsesscenarier. For fuldt ud at forstå pumpernes ydeevne skal vi først fokusere på flere grundlæggende grundlæggende parametre. Disse parametre afspejler ikke kun pumpernes iboende egenskaber, men giver også afgørende vejledning for deres valg og anvendelse.
1. Flowhastighed Q
Flowhastighed er en vigtig indikator til at måle, hvor meget væske en pumpe kan transportere inden for en tidsenhed, normalt udtrykt i volumen eller masse. Volumenstrømningshastigheden er betegnet med Q, og dens enheder omfatter m3/s, m3/h og l/s osv. Mens massestrømningshastigheden er repræsenteret ved Qm, og dens enheder er t/h, kg/s osv. Forholdet mellem disse to kan etableres gennem formlen Qm=ρQ, hvor ρ repræsenterer væskens massefylde. For vand ved normal temperatur er dens densitet ρ ca. 1000 kg/m3.
2. Hoved H
Højde refererer til energistigningen i en enhedsvægt af væske, efter at den er pumpet af pumpen, fra pumpens indløb (dvs. pumpens indløbsflange) til udløbet (dvs. pumpens udløbsflange). Dette svarer til den effektive energi, der opnås af en Newton væske, når den passerer gennem pumpen. Dens enhed er N·m/N, som også er almindeligt kendt som meter. Det repræsenterer højden af væskesøjlen, som pumpen pumper, og kaldes derfor også blot meter.
3. Omdrejningshastighed n
Hastighed refererer til antallet af omdrejninger af pumpeakslen inden for en tidsenhed, normalt angivet med symbolet n, og dens enhed er omdrejninger pr. minut (r/min).
4. Sugehovedmargen
Sugehovedmargin, også kendt som netto positivt sugehoved, er en nøgleparameter til måling af kavitationsydelse. I Kina var denne parameter tidligere repræsenteret ved Δh.
5. Kraft og effektivitet
Effekten af en pumpe omtales normalt som inputeffekten, som er den effekt, der overføres fra drivmotoren til pumpeakslen og er også kendt som akseleffekt, betegnet med P. Pumpens effektive effekt, eller udgangseffekten, er repræsenteret af Pe, og den måler den effektive energi, der opnås af væsken, der udtømmes fra pumpen inden for en tidsenhed.
Det er værd at bemærke, at hovedet netop repræsenterer denne effektive energi. Specifikt refererer hovedet til den effektive energi, som en enhed tung væske modtager, når den pumpes ud af pumpen. Derfor kan vi ved at multiplicere løftehøjden, massestrømningshastigheden og tyngdeaccelerationen beregne den effektive energi, som en enhed af væskeoutput fra pumpen opnår i en given tid, hvilket er pumpens effektive effekt:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Blandt dem repræsenterer ρ massefylden af væsken, der pumpes af pumpen (kg/m³), er den specifikke vægt af væsken, der pumpes af pumpen (N/m³), Q er pumpens strømningshastighed (m³/s), H er pumpens løftehøjde (m), og g er accelerationen på grund af tyngdekraften (m/s²).
Forskellen mellem akseleffekten P og den effektive effekt Pe repræsenterer effekttabet i pumpen. For at kvantificere dette tab introducerer vi begrebet pumpeeffektivitet, som udtrykkes som forholdet mellem den effektive effekt og akseleffekten og er betegnet med η.
VI. Definition og konvertering af trafik
Flowhastighed, som er volumen af væske, der udledes af pumpen pr. tidsenhed, er betegnet med Q. Dens enheder omfatter kubikmeter i timen (m3/h), liter per sekund (l/s) osv. Det er værd at bemærke, at 1 liter per sekund svarer til 3,6 kubikmeter per time, hvilket også er lig med 0,06 kubikmeter per minut eller 60 kubikmeter per minut. Derudover kan vi beregne vægten pumpet i timen ved hjælp af flowhastigheden og væskens massefylde, angivet med G, hvor ρ repræsenterer væskens vægtfylde. For eksempel, hvis en bestemt pumpe har en flowhastighed på 50 kubikmeter i timen, når vi pumper vand, vil vi gerne vide, hvor meget vægt der kan pumpes i timen? Hvis vi antager, at vandets vægtfylde ρ er 1000 kg pr. kubikmeter, kan vi beregne ved hjælp af formlen G=Qρ, hvilket resulterer i et resultat på 50.000 kg pr. time eller 50 tons pr. time.
VII. Definition og konvertering af hoved
Højde, som er den energi, der opnås af en enhedsvægt af væske, der passerer gennem en pumpe, er betegnet med H og måles i meter (m). Det inkluderer sugehovedet og er omtrent lig med trykforskellen mellem pumpens udløb og indløb. I mellemtiden er pumpens tryk repræsenteret ved P og måles i Mpa (megapascal). Det er værd at bemærke, at der er et vist konverteringsforhold mellem hoved og tryk. Den specifikke formel er H=P/ρ, hvor ρ er væskens vægtfylde. For eksempel, når P er 1 kg/cm², kan vi bruge formlen til at beregne, at H er cirka 10 meter.
1 Mpa er lig med 10 kg/cm². Højden H kan beregnes ved hjælp af formlen H=(P2 - P1) / ρ, hvor P2 repræsenterer udløbstrykket, P1 repræsenterer indløbstrykket, og ρ er væskens vægtfylde.
Dernæst vil vi diskutere begreberne kavitationsmargin og sugeløft samt deres måleenheder. Kavitation refererer til det fænomen, hvor væske ved pumpens indløb under driften af en pumpe genererer damp på grund af vakuumtrykket. Disse fordampede bobler forårsager ved anslag med væskepartiklerne erosion af metaloverfladerne, såsom pumpehjulet, og beskadiger derved disse metalkomponenter. Dette vakuumtryk er kendt som fordampningstryk. Kavitationsmarginen på den anden side refererer til den energi, som en enhedsvægt væske ved pumpens sugeindløb besidder over fordampningstrykket. Det måles i meter og betegnes typisk med NPSHr.
Sugehoved, også kendt som den nødvendige kavitationsmargin Δh, er den vakuumgrad, hvormed pumpen kan suge væske ind. Det er den tilladte installationshøjde for pumpen, og dens enhed er også meter. Formlen til beregning af sugehøjden er: Sugehoved=Standard atmosfærisk tryk - Kavitationsmargin - Sikkerhedsmargin. Blandt dem er vakuumhøjden af rørledningen genereret af standardatmosfærisk tryk 10,33 meter, og sikkerhedsmarginen tages normalt som 0,5 meter.
For en bestemt pumpe er dens nødvendige sugeløft f.eks. 4,0 meter. Vi kan bruge ovenstående formel til at beregne dens sugehøjde Δh. Beregningsresultatet er: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 meter.
VIII. Pumpekavitationsfænomen og dets årsager
1. Definition af kavitation
Når en væske når en bestemt temperatur, falder dens tryk til det fordampningstryk, der svarer til denne temperatur. På dette tidspunkt vil der dannes bobler i væsken. Dette fænomen er kendt som kavitation.
2. Kavitationskollaps
Under kavitationsprocessen vil de genererede bobler, når væsken strømmer til højtryksområdet-, krympe hurtigt på grund af den pludselige trykstigning og til sidst briste i væsken. Dette fænomen kaldes kavitationskollaps.
3. Årsager og farer ved kavitation
Under driften af pumpen, hvis visse områder af flowpassagen (såsom positionen lidt bag indløbet af pumpehjulsbladene) oplever en specifik årsag, der forårsager, at det absolutte tryk af væsken, der pumpes, falder under fordampningstrykket ved den temperatur, begynder væsken at fordampe på dette tidspunkt og danner et stort antal bobler. Når væsken, der indeholder disse bobler, trænger ind i højtryksområdet på pumpehjulet, trækker boblerne sig hurtigt sammen under påvirkning af højtryksvæsken og brister til sidst. Denne proces er især tydelig i dykpumper. Kondensationen og sprængningen af boblerne er ledsaget af hurtig fyldning af hulrum af væskepartikler ved ekstremt høje hastigheder, hvilket resulterer i en stærk vandpåvirkning. Denne vandpåvirkning rammer metaloverfladen med høj stødfrekvens, hvor stødspændingen når hundreder til tusinder af atmosfærer, og stødfrekvensen kan endda nå titusindvis af gange i sekundet. Vægoverflader, der er udsat for sådanne påvirkninger i lang tid, kan blive alvorligt eroderet, og endda perforering kan forekomme.
4. Processen og virkningerne af kavitation
I en pumpe er kavitation en kompleks proces, der involverer dannelse, udvikling og kollaps af bobler. Når visse områder af pumpens flowsektion oplever specifikke forhold, der får væskens absolutte tryk til at falde under fordampningstrykket, begynder væsken at fordampe og danne et stort antal bobler. Disse bobler trækker sig hurtigt sammen under højtrykseffekten, når væsken trænger ind i højtryksområdet på pumpehjulet, og brister til sidst. Denne serie af processer forårsager ikke kun alvorlige skader på flowkomponenterne, men genererer også ubehagelig støj og vibrationer, hvilket reducerer pumpens ydeevne betydeligt. I alvorlige tilfælde kan kavitation endda forårsage afbrydelse af væsketilførslen i pumpen, hvilket påvirker pumpens normale drift.
IX. Hvad er den karakteristiske kurve for en pumpe?
Den karakteristiske kurve for en pumpe, også kendt som ydeevnekurven, viser i det væsentlige forholdet mellem de vigtigste ydeevneparametre for en centrifugalpumpe. Disse kurver opnås gennem faktiske målinger og repræsenterer visuelt væskens bevægelsesmønster i pumpen. De karakteristiske kurver inkluderer kurverne for flowhastighed og løftehøjde (Q-H), flowhastighed og effektivitet (Q-η), flowhastighed og effekt (Q-N), og flowhastighed og fordampningshøjdemargin (Q-NPSHr). Disse kurver er afgørende for at forstå pumpens arbejdstilstand, fordi der for et givet flowhastighedspunkt kan findes et sæt tilsvarende værdier for løftehøjde, effekt, effektivitet og fordampningshøjdemargin på kurven, og dette sæt parametre kaldes arbejdstilstanden eller driftspunktet. Især kaldes driftspunktet ved centrifugalpumpens højeste virkningsgrad det optimale driftspunkt, og det er normalt også designdriftspunktet. Forståelse af disse præstationsparametre er afgørende for at sikre pumpens normale drift og energibesparende-effektivitet.
11. Hvordan defineres effektiviteten af en pumpe? Hvad er dens formel?
Effektiviteten af en pumpe er defineret som forholdet mellem den effektive effekt og akseleffekten, repræsenteret ved symbolet η, og dens beregningsformel er η=Pe/P. Her repræsenterer Pe pumpens effektive effekt, og P refererer til pumpens akseleffekt, det vil sige kraften, der overføres fra drivmotoren til pumpeakslen. Effektiv effekt er produktet af pumpens løftehøjde, massestrømshastighed og gravitationsacceleration, og dens formel er Pe=ρg QH (i watt) eller Pe=QH/1000 (i kilowatt). Derudover repræsenterer ρ tætheden af væsken, der transporteres af pumpen, er væskens vægtfylde (= ρg), og g er gravitationsaccelerationen. Samtidig kan massestrømningshastigheden Qm opnås ved at gange tætheden ρ med strømningshastigheden Q, med enheder på tons pr. time eller kilogram pr. sekund.
12. Hvad er en testbænk med fuld ydeevne til en pumpe?
Den fulde ydeevne testbænk til pumper er et avanceret udstyr, der er i stand til præcist at teste forskellige ydelsesparametre for pumper. Den overholder nationale standarder og har B-nøjagtighed, hvilket sikrer nøjagtigheden af testresultaterne. Denne testbænk er udstyret med præcise instrumenter, herunder et snekkegearflowmåler til flowmåling, en præcisionstrykmåler til trykmåling, en vakuummåler til sugehovedmåling og en aksialkraftmaskine til effektmåling. Derudover bruges et speedometer til nøjagtigt at bestemme pumpens hastighed. Gennem samarbejdet mellem disse præcise instrumenter kan vi opnå det komplette sæt af ydelsesparametre for pumpen, og derved udførligt evaluere dens ydeevne.
