離心泵和容積泵該如何選型
作者：離心泵 來源：容積泵 發(fā)布時間：2023-10-07
泵是僅次于電機的第二大常用的工業(yè)設備。目前，全球已有數(shù)以百萬計的泵正在工作著，輸送著成千上萬種液體。在可供選擇的眾多泵型中，選擇出適合的泵是一件非常復雜的事情。泵的選型過程在很大程度上是將某一特定泵的能力與系統(tǒng)要求以及所要泵送液體的特性相匹配的過程。在本文中，我們將從泵送液體的性質著手，從用戶需求的角度開始，進而進入到具體泵選型的討論。
一、 在任何應用中，先要了解用戶對泵的基本要求。比如：入口條件、所要求的流量、壓差、溫度以及流體特性，例如粘度、磨蝕性、剪切敏感性以及腐蝕性，這些條件必須全部確定下來，然后才能選擇泵。
泵要在正確的抽吸條件下才能運行良好。事實上，泵所遇到難題中的大的問題可以追溯到不良的抽吸條件。由于泵推動液體的能力遠強于吸取液體的能力，所以應將入口條件保持在泵機的能力范圍內(nèi)。
壓差也是具有關鍵性意義的一部分，特別是從節(jié)能和泵使用壽命的角度來看時，使用較小的管徑和較長的管道敷設長度可以減少系統(tǒng)初期成本，但也可能會導致泵存在較高的壓差。這種較高的壓差將會轉化成能耗，并有可能縮短泵的使用壽命，這也就意味著較高的運行成本和較低的效率。
所要求的液體特性通常是已知的，而重要之處在于掌握給定泵是如何影響這些特性的。絕大多數(shù)用戶都愿意讓泵排出的液體與其進入泵時保持相同的狀況。對于如何正確選擇泵來說，材質的相容性、粘度、剪切的靈敏性和特定物質或固體的存在情況，均具有極其重要的意義。
二. 離心泵與容積泵
一旦基本要求得到了滿足，而且液體特性也已知曉，那么泵的選型就可以開始了。泵通常分為兩個基本的類別：動能泵（其中龐大的類型是離心泵）和正排量（PD）泵。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在全部泵的銷售額中約有70%為動能泵，其余30%為容積泵。在選擇泵時，一步就是確定，在離心泵和容積泵中選擇哪一種才更適合您的需要。
由于占主流的工業(yè)泵均為離心泵，所以許多人會先考慮離心泵。離心泵的成本通常低于容積泵，而且也是在許多情況下應使用的正確泵型。每種泵均以各自不同的方式來攪拌流體，而且每種泵均擁有各自不同的運行特性和曲線。但重要的是，離心泵會影響液體的流速，從而導致排放口處存在一定的壓力。而與之相反的是，容積泵攪拌液體時，會先獲取特定數(shù)量的液體并將這些液體從吸入口處送至排放口。對于離心泵來說，是先形成壓力，后導致流動的產(chǎn)生。對于容積泵來說，則是先形成流動，后導致壓力的出現(xiàn)。
1）性能
為了能夠從各類泵中挑選出適合的類型，重要之處在于理解這兩種泵的工作特性差異。在查看其工作性能表時，您可看到其工作原理有著多么大的不同。離心泵存在著取決于壓力（或壓頭）的可變流量現(xiàn)象，而容積泵則存在著與壓力無關的或多或少較為恒定的流量現(xiàn)象。
2）粘度
粘度在泵的機械效率方面發(fā)揮著重要的作用。由于離心泵運行在電動機轉速下，所以其效率會隨著泵機內(nèi)摩擦損失的加大所導致的粘度增加而下降。請注意，隨著粘度增加，離心泵的效率下降速率會很快。
另一項主要差別在于粘度對泵容量的影響。在流量表中您會注意到，離心泵會在粘度上升時出現(xiàn)流量下降的現(xiàn)象，而容積泵實際上會隨之而產(chǎn)生流量的增加。這是由于較高粘度的液體填充了容積泵內(nèi)的空隙，從而導致較高的容積效率。只表示了粘度對泵流量的影響。請牢記，系統(tǒng)內(nèi)還會出現(xiàn)管道損失量加大的現(xiàn)象。這意味著離心泵內(nèi)的流量將隨著泵差壓的增加而進一步下降。
3）效率
在考慮差壓對泵機械效率的影響問題時，動能泵和容積泵也表現(xiàn)出各自不同的特性。泵機效率是如何受到隨之增加的壓力的影響的。對于容積泵來說，隨著壓力的增加，效率實際上會有所提升，而離心泵則存在著一個效率點（BEP）。在此點的兩側，綜合泵效率會大幅度下降。
4）入口條件
這兩種類型的泵對于入口條件的要求也有相當大的不同點。離心泵需要泵內(nèi)預先有一定量的液體，以便形成壓差。無液體的干燥的泵是不能自行起動的。而一旦起動操作后，離心泵就需要符合制造廠商所建議的明確的入口壓力要求。
由于容積泵是通過液體容積的膨脹和收縮作用來攪拌液體的，入口處將會形成負壓情況，所以容積泵能夠自行起動灌注。在某些情況下，這點是是否選擇容積泵或離心泵的唯一決定要素。
5）總結
總的來說，在粘度超過150 cP時，必須能夠在較廣范圍內(nèi)預測流量，或者在希望泵機能夠自行起動灌注時，可以考慮選用容積泵。在離心泵與容積泵之間進行選擇時，還要考慮到能耗問題，因為這兩種泵在能耗方面可能會存在著相當大的差別。這一點對于流量低于100加侖/分的情況是特別重要的，在這種情況下，離心泵工作效率的下降幅度會更大?！?br />三、 容積泵
即使已經(jīng)決定采用容積泵，也還有許多可供考慮的方案。在詳細敘述每種泵送操作的詳細情況前，我們先來回顧一下一些容積泵的共同運行特性。正如上文所述，旋轉式容積泵能夠在軸的每次旋轉時排出相同容積的液體。這意味著所排出的液體的流量與轉速成正比。換句話說，只需簡單地改變泵機的轉速即可控制流量。對于粘度較高的液體來說，只需計測軸的轉數(shù)即可對泵進行計量。
容積泵的結構要求采用配合嚴密的內(nèi)部部件以及一定的運行間隙。由于這種間隙的存在，某些液體會從排放端回流至吸入端。這種現(xiàn)象被稱為“滑漏（slip）”。滑漏部分液體量的大小取決于液體的粘度、壓力差和泵的內(nèi)部間隙。較低粘度通常會導致更多的滑漏量，而較為粘稠的液體，滑漏量會小一些。
由于容積泵總會盡力排放出同等數(shù)量的液體，所以在系統(tǒng)內(nèi)配備一些必要的過壓保護裝置是很重要的。在容積泵發(fā)生排放堵塞的現(xiàn)象時，往往會導致壓力上升，這種壓力上升的現(xiàn)象只有在以下情況時才會停止下來：負荷超過了電動機的限值；系統(tǒng)內(nèi)某些部件破裂而釋放了此壓力；或泵發(fā)生了故障。以上這些情況均屬于不安全的情況。容積泵需要一種能夠釋放壓力的途徑。
要達到壓力釋放的效果，有若干種途徑可以選擇。采用壓力釋放閥是為常見的一種，但也可以采用在排放管路內(nèi)配備爆破盤的方式。由于驅動轉矩與容積泵內(nèi)部的差壓直接相關，所以也可以使用轉矩限制型的聯(lián)軸器。但要點在于，需要牢記容積泵內(nèi)有可能會發(fā)生相當高的壓力積聚的現(xiàn)象，在排放堵塞或部分堵塞情況時，必須對這種現(xiàn)象做出限制。
容積泵可以分成許多種類型。其中，將旋轉式容積泵分成了如下類別：葉輪式、活塞式、凸輪式、齒輪式、圓環(huán)活塞式以及螺桿式。此外，還在每一種泵類別設有子類別，這意味著存在著許多類型的容積泵。而這些容積泵都具備相同的功能，即輸送液體，那么，我們?nèi)绾蝸磉x擇適合的容積泵呢？絕大多數(shù)的容積泵均可以通過改造以適應大范圍的應用，但針對給定的環(huán)境來說，某些類型的泵使用起來比其它類型更好。
1、葉輪泵
滑片泵的工作原理與其它容積泵的擴張收縮容積在理論上是相同的，但卻采用了不同的機制來實現(xiàn)這一理論。對于葉輪泵來說，令人感興趣的是，一方面它集兩臺泵機于一身。一個泵送動作是由葉輪、轉子與泵殼之間的容積擴張而產(chǎn)生的，而較不明顯的泵送動作產(chǎn)生于葉輪下的區(qū)域內(nèi)。
在此區(qū)域內(nèi)，無論葉輪進入、或是離開轉子槽都會形成泵送動作，這個泵送動作實際上占據(jù)了總泵排量的約15%。在典型情況下，這一區(qū)域是通過葉輪內(nèi)側或轉子內(nèi)部的開槽處進行通氣的。重要之處在于要掌握這一情況，特別是在處理較粘稠的液體時，因為粘稠液體流入和流出葉輪之間的區(qū)域會更加困難。所以，推薦適用于此類泵的大介質粘度約為25000 cSt。
葉輪是吸入口與排放口之間的主要密封部件，通常采用非金屬復合材料制造。由于不存在金屬間的接觸，所以葉輪泵頻繁應用于低粘度無潤滑作用的液體，諸如丙烷、氨水等。由于葉輪與泵殼之間會直接接觸，以及內(nèi)部間隙控制在小狀態(tài)下，所以可使稀薄液體的轉差特性。
絕大多數(shù)輸送葉輪泵均將壓力限制在125 psi，盡管有些額定值為200 psi。葉輪泵的壓力限值在很大程度上取決于葉輪的強度。
由于采用非金屬的葉輪以及非常小的運行間隙，葉輪泵可以非常良好地實現(xiàn)灌注操作的起動。在泵進行起動灌注操作時，泵必須要排放空氣，而且排出的是非常稀薄的流體。由于葉輪泵能夠很好地做到這點，所以，有時會將其當作真空泵來使用。
葉輪泵通常由軸套或減磨軸承在轉子的兩側進行支撐。如果使用了軸套軸承，則軸套軸承會在液體內(nèi)運轉。如果使用了減磨軸承，則要求使用泵內(nèi)密封件以便讓軸承運轉在潤滑油或潤滑脂內(nèi)。這種設計要求采用兩個機械密封件，在轉子每一側各一個。
葉輪泵通常運行在1000~1750 rpm的轉速范圍內(nèi)，流量可以達到高至2000加侖/分。而在處理高粘度液體時要求的轉速會大大減少，以便讓液體進入到葉輪下方。而在處理高粘度液體的應用中，要求采用強度更高的葉輪材料，以防止葉輪發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。常見的葉輪泵構造材質為鑄鐵或球墨鑄鐵。一些生產(chǎn)廠商會在必須處理稀薄、腐蝕性液體的泵中采用不銹鋼材料。
葉輪泵可以用來處理一些侵蝕性物質，但不能處理固體。對于侵蝕性物質泵送應用來說，在如何正確選擇葉輪和密封材料的問題上必須謹慎。葉輪泵在轉子和葉輪的兩端均存在著固定端間隙，這一點與外齒輪泵相似。一旦發(fā)生磨損，這種間隙就不能夠得到調整，不過，某些生產(chǎn)廠商已經(jīng)提供了可以更換或掉轉的端蓋。采用泵殼內(nèi)襯也是一種在發(fā)生磨損時恢復泵性能的方式。
2、外齒輪泵
外齒輪泵在泵送動作上與內(nèi)齒輪泵有著相似之處，也是通過兩個齒輪的進入和脫離嚙合來帶動液體流動的。但是，外齒輪泵采用了兩個相互嚙合轉動的完全一致的齒輪。每個齒輪均由一根齒輪軸支撐，每個齒輪兩側均有軸承。在典型情況下，這四個軸承均工作于所泵送的液體內(nèi)。
由于齒輪的兩側都得到了支撐，所以外齒輪泵可適用于高壓應用領域，例如液壓裝置內(nèi)。設計用于液壓供應的泵可以承受每平方英寸數(shù)千磅的壓力。工業(yè)輸送泵可以承受更高的壓力，但液體的特性有可能對壓力范圍產(chǎn)生限制。較稀薄的液體可以達到數(shù)百psi，而較粘稠的液體可以接近液壓泵的壓力。通常情況下，小型的外齒輪泵應運行在1750~3450 rpm的范圍內(nèi)，較大型的外齒輪泵運行在高640rpm的轉速下。
外齒輪泵的流量范圍從極低（每分鐘若干滴）至相當高的1500加侖/分。外齒輪泵可以采用多種原材料來進行制造，包括高端合金。
外齒輪泵的設計可以采用比內(nèi)齒輪泵更緊的緊公差。但外齒輪泵對于所泵送液體內(nèi)的顆粒物體的容忍能力不夠好。由于齒輪兩端均有間隙，從而無法針對磨損現(xiàn)象做出端部的間隙調整。在外齒輪泵出現(xiàn)磨損后，必須重新組裝或更換。
只要轉速設置正確，特別是對于粘稠度較高的液體，外齒輪泵可以處理粘性和水性的液體。由于粘性液體需要一定的時間才能填滿齒輪齒間的空間，所以在泵送粘性液體時，泵的轉速必須大幅降低。其粘度限值實際上與內(nèi)齒輪泵相同，均為1000000 cSt。
外齒輪泵在臨界抽吸條件下性能并不理想，特別是對于揮發(fā)性液體來說。揮發(fā)性液體往往會在齒間空間快速擴大時出現(xiàn)局部蒸發(fā)現(xiàn)象。
3、內(nèi)齒輪泵
內(nèi)齒輪泵包含一個被稱為轉子的外齒輪部件，轉子用于驅動惰輪的內(nèi)齒輪。惰輪比轉子小一些，運行時繞著一個固定不動的銷子旋轉，并在轉子內(nèi)部運轉。當這些部件從嚙合狀態(tài)分離時，會產(chǎn)生一定的空隙空間，而液體就會流入泵內(nèi)。當這些部件進入嚙合狀態(tài)時，空間的容積會逐漸減少，從而強制液體從排放口流出。液體可通過轉子的齒輪及泵頭的下凹處流入正在擴張中的空腔內(nèi)。此類泵設計的后一個關鍵部件是月牙形擋體，這個月牙形擋體與泵頭是一體化的。月牙形擋體通過將處于惰輪與輪子齒間的一定體積的液體圍堵起來，起到了吸入口與排放口之間的密封作用。
轉子齒輪固定在一根齒輪軸上，齒輪由軸頸或減磨軸承來支持。惰輪齒輪組件中也包含了一個位于泵送液體內(nèi)的，并圍繞著一根固定銷轉動的軸頸軸承。根據(jù)軸封的布置方式，轉子軸支撐軸承可以運行在泵送的液體之內(nèi)。在輸送腐蝕性液體時，要對這方面進行重點考慮，因為腐蝕性液體會腐蝕支撐軸承。
此類泵的實際壓力限值取決于轉子軸支撐軸承的運轉情況。絕大多數(shù)的內(nèi)齒輪泵的差壓額定值均為200 psi，盡管它們可以在正確的應用情況下用于更高的壓力。
內(nèi)齒輪泵的轉速比起離心泵來說相對較慢。一般來說高為1150 rpm，但有些小型設計方案可達到3450 rpm。由于內(nèi)齒輪泵可以在低轉速下運行，所以能夠很好地適用于高粘度流體的輸送，盡管也能非常成功地應用于稀薄液體。內(nèi)齒輪泵已經(jīng)可以成功地泵送粘度超過1000000 cSt的液體以及粘度非常低的液體，諸如液態(tài)丙烷和氨水。
此類泵機的流量范圍從0.5加侖/分到1500加侖/分。材質包括鑄鐵和一系列不同的耐腐蝕合金，包括哈合金。
內(nèi)齒輪泵在制造過程中采用了緊公差設計，氏會在泵送較大的固體時發(fā)生損壞。此類泵機可以在腐蝕性應用環(huán)境下輸送體積較小的懸浮顆粒，但會發(fā)生磨損且導致性能逐漸下降。在腐蝕性應用環(huán)境下，通過選擇耐腐蝕性材質，可以大幅度地延長泵的使用壽命。在這種情況下，碳化鎢、硬化鋼或多種涂層均能起到很好的效果。
內(nèi)齒輪泵的應用范圍非常寬廣，甚至可以很好地應用于對剪切敏感的液體。應用領域包括：廢水、聚合物、對剪切敏感的油漆、瀝青乳液以及某些食品，例如蛋黃醬。使用此類泵時，任何時刻都只有非常少量的液體會受到剪切力作用。而且在必要時，可以對間隙和轉速進行調整，以便更大程度地減小剪切力的影響。
