Кулачковые насосы |
||
|
Кулачковый насос с серпообразными роторами
Кулачковые (коловратные или роторные) насосы предназначены для бережной перекачки вызких продуктов, содержащих частицы.
Различная форма роторов, устанавливаемая в этих насосах, позволяет перекачивать жидкости с большими включениями (например, шоколад с цельными орехами и т.п.)
Частота вращения роторов, обычно, не превышает 200...400 оборотов, что позволяет производить перекачивание продуктов не разрушая их структуру.
Применяются в пищевой и химической промышленности.
Перистальтический насос — насос для перекачки жидкостей, текущих по гибким трубкам. Принцип действия основан на том, что ролики передавливают трубку с жидкостью, и двигаясь вдоль трубки, проталкивают жидкость вперёд. Обычно состоит из гибкой трубки, нескольких роликов, и поверхности (трека), к которой ролики прижимают трубку. Встречаются конструкции и без опорной поверхности, в них трубка пережимается на роликах благодаря её натяжению.
Двухроликовая головка перистальтического насоса с установленной трубкой
преимущества
Перистальтические насосы относятся к насосам объемного типа. Уникальный принцип действия не имеет ряда недостатков, свойственных насосам других конструкций.
- Отсутствие контакта металл по металлу
- Среда не оказывает разрушающего влияния на насос; насос не воздействует на среду
- Минимальное время простоя и сервисного обслуживания
- Легкая установка, обслуживание, чистка
- Единственная деталь, подверженная износу — трубка
- Замена трубки — менее одной минуты
- Работа всухую
- Точность и неизменность дозирования ± 0,5 %
- Высокое качество измерения: расход пропорционален скорости насоса
- Не наносит ущерба средам, чувствительным к сдвигу
- Низкий уровень шума
Недостатки
Наряду с преимуществами, перистальтические насосы имеют и недостатки к которым можно отнести:
- Ограничение по температуре (обычно до 90С)
- Ограничение по давлению (для трубочного перистальтического насоса максимальное давление 7 атм., для шлангового перистальтического насоса — 16 атм)
- Имеются ограничения по средам применения. Трубки для высоко агрессивных сред имеют высокую стоимость.
- Значительное падение производительности при работе с вязкими средами
Применение
Благодаря своим преимуществам, перистальтические насосы нашли своё применение в самых различных сферах: медицина, фармацевтика, биотехнологии, дозирование и транспортировка химикатов, водоподготовка и водоочистка, окраска и пигментирование, целлюлозно-бумажное производство, горное дело и обогатительные фабрики, строительство, пивоварение, печатное дело и упаковка, изготовление пищевых продуктов и напитков, молочные заводы, хлебопекарни, работа с приправами и добавками (работа с системами CIP- чистка на месте), текстильная промышленность, производство чистых химикатов, OEM системы: использование индивидуальных решений для установки в существующие системы заказчика. Перистальтические насосы успешно используются при работе с «суровыми» средами, демонстрируя неприхотливость в промышленных условиях. Еще один пример применения перистальтических насосов — в медицине, где они используются для перекачки крови, поскольку позволяет равномерно прокачивать кровь с малой скоростью, не разрушает клеток крови, позволяет легко обеспечить стерильность.
Конструктивные особенности
По исполнению корпуса перистальтические насосы могут быть моноблочными (Cased pump) и модульными (Close-coupled pump). В моноблочном насосе привод, редуктор и элементы управления находятся внутри одного монолитного корпуса-кожуха, в то время как у модульного насоса модули также соединены между собой, но кожух отсутствует. Производительность насоса зависит от скорости вращения вала и количества роликов. Количество роликов определяет также равномерность потока жидкости. Их количество варьируется от 2 до 8 и выше. Головки перистальтических насосов различают прямого и поворотного типа. В головках прямого типа трубка огибает ротор сверху дугой, в ней ролики прижимают трубку к жёсткому треку сверху. Разновидностью головки прямого типа является головка FlipTop, позволяющая осуществлять замену трубки в течение 1 минуты. В головках поворотного типа трубка огибает ротор по С-образной форме (показано на рисунке). Соответственно ролики прижимают трубку к треку по всей С-образной поверхности прилегания трубки.
Принцип действия перистальтического шлангового насоса основан на способности шланга, изготовленного из гибкого материала (эластомерического типа) к деформации и последующему восстановлению своей исходной формы. Привод вызывает вращение ротора, взаимодействующего с роликом. Шланг сжимается роликом и наглухо закрывается. При восстановлении исходной формы шланга на позиции, позади ролика создается вакуум, оказывающий всасывающее воздействие на перекачиваемый продукт. Объем продукта между двумя роликами переносится внутри шланга из всасывающей части насоса в выпускную часть. Под давлением второго ролика продукт выпускается в трубопровод. Получаемая производительность изменяется в зависимости от диаметра шланга и от скорости вращения ротора. Единственный изнашиваемый элемент насоса - шланг. Техническое обслуживание заключается лишь в периодической смазке и при необходимости замена шланга производится без разборки насоса
Перистальтический насос
Насосы этого типа предназначены для перекачивания вязких продуктов с твердыми частицами. Рабочим органом является шланг.
Преимущество: простота конструкции, высокая надежность, самовсасывание.
Принцип работы:
При вращении ротора в глицерине башмак полностью пережимает шланг (рабочий орган насоса), расположенный по окружности внутри корпуса, и выдавливает перекачиваемую жидкость в магистраль. За башмаком шланг восстанавливает свою форму и всасывает жидкость. Абразивные частицы вдавливаются в эластичный внутренний слой шланга, затем выталкиваются в поток, не повреждая шланга.
Мембранный насос, диафрагменный насос, диафрагмовый насос — объёмный насос, рабочий орган которого — гибкая пластина (диафрагма, мембрана), закреплённая по краям; пластина изгибается под действием рычажного механизма (механический привод) или в результате изменения давления воздуха (пневматический привод) или жидкости (гидравлический привод), выполняя функцию, эквивалентную функции поршня в поршневом насосе.
Применение
- химическая промышленность
- нефтехимическая промышленность (перекачивание кислот, щелочей, нефтепродуктов)
- лакокрасочная промышленность (краски, лаки, растворители и др.)
- пищевая промышленность.
Принцип работы
Принцип работы
Сжатый воздух, проникающий за одну из мембран, заставляет её сжиматься и продвигать жидкость в отверстие выхода. В это время вторая мембрана напротив создаёт вакуум, всасывая жидкость.
После прохождения импульса пневматический коаксиальный обменник меняет направление сжатого воздуха за вторую мембрану и процесс повторяется с другой стороны.
Спроектирован как дозатор с плунжерно-мембранным принципом дозирования. Вращающий момент вала электрического двигателя передается через механизм эксцентрика (передаточный механизм, шестерня) соединенный со штоком, непосредственно на мембрану. Механическая регулировка дозировки осуществляется путем изменения положения головки штока в эксцентрике, что влияет на ход штока, и соответственно, на количество жидкости, дозируемой за каждый такт.
Преимущества мембранных насосов
- Надёжная простая конструкция — отсутствие двигателя и редуктора, нет вращающихся деталей
- В качестве привода — энергия сжатого воздуха, отсутствие искрообразования, абсолютная безопасность при работе с горючими жидкостями
- Компактные размеры и малый вес
- Универсальность применения насосов — перекачка воды, вязких жидкостей, жидкостей с твердыми включениями до 12-15 мм в диаметре
- В насосах нет уплотнений и подшипников — гарантия отсутствия утечек и износа основных деталей
- Простота регулирования производительности от нуля до максимума посредством изменения количества подаваемого воздуха
- Для работы насоса не требуется смазка механизмов и обслуживание
Недостатки мембранных насосов
- Мембрана при работе значительно изгибается, что приводит к её быстрому разрушению.
- Конструкция мембранного насоса предполагает использование клапанов, которые могут выйти из строя при их загрязнении.
Мембранные насосы
Мембранные насосы относятся к объемным насосам. Существуют одно- и двухмембранные насосы. Двухмембраные, обычно выпускаются с приводом от сжатого воздуха. На нашем рисунке показан именно такой насос.
Насосы отличатся простотой конструкции, обладают самовсасыванием (до 9 метров), могут перекачивать химически агрессивные жидкости и жидкости с большим содержанием частиц.
Принцип работы:
Две мембраны, соединенные валом, перемещаются вперед и назад под воздействием попеременного нагнетания воздуха в камеры позади мембран с использованием автоматического воздушного клапана.
Всасывание: Первая мембрана создает разрежение, когда она движется от стенки корпуса.
Нагнетание: Вторая мембрана одновременно передает давление воздуха на жидкость, находящуюся в корпусе, проталкивая ее по направлению к выпускному отверстию. Во время каждого цикла давление воздуха на заднюю стенку выпускающей мембраны равно давлению, напору со стороны жидкости. Поэтому мембранные насосы могут работать и при закрытом выпускном клапане без ущерба для срока службы мембраны.
|
ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС Плунжерный насос предназначен для работы с синусоидальным механизмом хода и плунжерной головкой насоса. Данное технологическое решение было выбрано с целью использования насоса для дозирования жидкостей. Электрический двигатель приводит в действие эксцентрик, оборудованный редукционной передачей и червяком, и подсоединённый к шатуну, который сопряжён с ползуном и плунжером. Простое вращение эксцентрика обеспечивает перемещения плунжера, и тем самым, производительность насоса. Изменение производительности и, следовательно, регулировки потока обеспечиваются с помощью механического устройства. Это устройство включает в себя перемещающийся качающийся рычаг, расположенный сверху; длина хода может регулироваться за счёт изменения перемещения ползуна. При этом эксцентрик свободно вращается вместе с шатуном. |
Винтовой или шнековый насос — насос, в котором создание напора нагнетаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми металлическими роторами, вращающимся внутри статора соответствующей формы.
Винтовые насосы являются разновидностью роторно-зубчатых насосов и легко получаются из шестерённых путём уменьшения числа зубьев шестерён и увеличения угла наклона зубьев [1].
Конструкция винтов в двухвинтовом насосе. Жидкость перемещается вдоль оси насоса
Принцип работы
Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад.
Область применения
Предназначен для перекачивания жидкостей различной степени вязкости, газа или пара, в том числе и их смесей.
Эти насосы могут работать при давлениях до 30 МПа.
Конструктивные особенности
Для улучшения качества уплотнений и снижения утечек иногда применяется цилиндрический или конический эластичный корпус. В последнем случае конический винт прижимается пружиной, а иногда ещё и давлением перекачиваемой жидкости. Однако насосы с эластичным корпусом способны выдерживать меньшие давления чем насосы с металлическим корпусом. В насосах с коническими винтами можно обойтись жёстким корпусом.
Наиболее распространёнными являются трёхвинтовые насосы.
Преимущества
- равномерная подача жидкости, в отличие от насосов поршневых и плунжерных;
- способность перекачивать смеси из жидкой и твёрдой фаз без повреждения твёрдых включений в жидкости;
- как и другие объёмные насосы, винтовые обладают способностью к самовсасыванию жидкости;
- возможность получить высокое давление на выходе без множества каскадов нагнетания;
- хорошая сбалансированность механизма и, как следствие, - низкий уровень шума при работе.
Недостатки
- сложность и высокая стоимость изготовления насоса;
- нерегулируемость рабочего объёма;
- так же, как и другие виды объёмных насосов, винтовые нельзя пускать вхолостую без перекачиваемой жидкости, так как в этом случае повышается коэффициент трения деталей насоса и ухудшаются условия охлаждения; в результате насос может перегреться и выйти из строя.
Оседиагональные насосы (шнековые)
Шнековые насосы часто путают с винтовыми. Но это совершенно разные насосы, как можно увидеть в нашем описании. Рабочим органом является шнек.
Насосы этого типа могут перекачивать жидкости средней вязкости (до 800 сСт), обладают хорошей всасывающей способностью (до 9 метров), могут перекачивать жидкости с крупными частицами (размер определяется шагом шнека).
Применяются для перекачивания нефтешламов, мазутов, солярки и т.п.
Насосы НЕСАМОВСАСЫВАЮЩИЕ. Для работы в режиме всасывания требуется заливка корпуса насоса и всего всасывающего шланга)
91. В импеллерном насосе перекачивание происходит при вращении гибкого резинового или пластикового ротора с лопастями, расположенного в овальном корпусе насоса.
Преимущества:
- Самовсасывание до 5 метров.
- Способность перекачивания вязких сред и сред с включениями.
- Отсутствие полостей в рабочей камере.
- Смена направления перекачивания.
- Подходят для сред с твёрдыми включениями.
Недостатки:
- Длительная работа "на сухую" губительна для рабочего колеса.
- Ограничение по температуре перекачиваемой среды.
- Ограничение по перекачиваемым средам.
- Наличие изнашиваемых деталей.
- Сложное и дорогое обслуживание.
Импеллерный насос
Импеллерный насос (ламельный, насос с мягким ротором) является разновидностью пластинчато-роторного насоса.
Рабочим органом насоса является мягкий импеллер, посаженый с эксцентриситетом относительно центра корпуса насоса. За счет этого при вращении рабочего колеса изменяется объем между лопастями и создается разряжение на всасывании.
Что происходит дальше видно на кратинке.
Насосы являются самовсасывающими (до 5 метров).
Преимущество - простота конструкции.
Первый поршневой насос для тушения пожаров, изобратенный древнегреческим механиком Ктесибием, был описан еще в 1 веке до н. э. Эти насосы, по праву, можно считать самыми первыми насосами. До начала 18 века насосы этого типа использовались довольно редко, т.к. изготовленные из дерева они часто ломались. Развитие эти насосы получили после того, как их начали изготавливать из металла.
С началом промышленной революции и появлением паровых машин, поршневые насосы стали использовать для откачки воды из шахт и рудников.
В настоящее время, поршневые насосы используются в быту для подъема воды из скважин и колодцев, в промышленности - в дозировочных насосах и насосах высокого давления.
Существуют и поршневые насосы, объединенные в группы: двухплунжерные, трехплунжерные, пятиплунжерные и т.п.
Принципиально отличаются количеством насосов и их взаимным расположением относительно привода.
На картинке вы можете увидеть трехплунжерный насос.
Крыльчатый насос — один из видов объёмных ручных насосов, вытеснителем в котором служит крыльчатка.
Конструктивная схема крыльчатого насоса
По классификации их относят к поршневым насосам двойного действия. Они известны также под названием "насосы Альвейера".
Принцип действия
С помощью рукоятки, имеющей жёсткую кинематическую связь с крыльчаткой, последней сообщают неполные возвратно-вращательные движения. При движении по часовой стрелке (см. рисунок) открываются те два клапана, которые показаны на рисунке открытыми. При движении в обратном направлении эти клапаны закрываются, а два других клапана открыты. Нагнетание жидкости происходит снизу вверх.
Область применения
Данный вид насосов применяют до давления 0,25 МПа.
Крыльчатый насосы, как и другие виды ручных насосов, используют в тех случаях, когда нецелесообразно монтировать насос с электрическим приводом или приводом от ДВС.
Эти насосы используют, например, для откачки воды из небольших котлованов, для бытовых нужд и др.
Крыльчатый насос
Крыльчатые насосы являются разновидностью поршневых насосов. Насосы этого типа были изобретены в середине 19 века.
Насосы являются двухходовыми, то есть подают воду без холостого хода.
Применяются, в основном, в качестве ручных насосов для подачи топлива, масел и воды из скважин и колодцев.
Конструкция:
Внутри чугунного корпуса размещены рабочие органы насоса: крыльчатка, совершающая возвратно-поступательные движения и две пары клапанов (впускные и выпускные). При движении крыльчатки происходит перемещение перекачиваемой жидкости из всасывающей полости в нагнетательную. Система клапанов препятствует перетоку жидкости в обратном направлении.
Гидротаранный насос
Этот насос работает без подвода электроэнергии, сжатого воздуха и т.п. Работа насоса этого типа очнована на энергии поступающей самотеком воды и гидроудара, возникающего при резком ее торможении.
Принцип работы гидротаранного насоса:
По всасывающей наклонной трубе вода разгоняется до некоторой скорости, при которой отбойный подпружиненный клапан (справа), преодолевает усилие пружины и закрывается, перекрывая поток воды. Инерция резко остановленной воды во всасывающей трубе создает гидроудар (т.е. кратковременно резко возрастает давление воды в питающей трубе). Величина этого давления зависит от длины питающей трубы и скорости потока воды.
Возросшее давление воды открывает верзний клапан насоса и часть воды из трубы проходит в воздушный колпак (прямоугольник сверху) и отводящую трубу (слева от колпака).
Т.к. вода в питающей трубе остановлена, давление в ней падает, что приводит к открытию отбойного клапана и закрытию верхнего клапана. После этого, вода из воздушного колпака выталкивается давлением сжатого воздуха в отводящую трубу. Т.к. отбойный клапан открылся, вода снова разгоняется и цикл работы насоса повторяется.
Гидротаранный насос или гидравлический таран— механическое устройство для подъёма воды на значительную (до нескольких десятков метров) высоту. Не требует для работы каких-либо внешних движителей, благодаря чему может быть весьма полезно в местности, где нет электроснабжения либо в местности малообжитой и редкопосещаемой. Энергию для работы насос получает из потока воды, перетекающего под действием силы тяжести из т.н. "питающего" резервуара (например, из запруды на реке) по "питающей" трубе в какой-либо нижерасположенный сток (например, в ту же реку ниже по течению).
Пропуская через себя бо́льшую часть воды с небольшой высоты h (разница высот между стоком и уровнем воды в питающем резервуаре) насос поднимает меньшую часть воды на бо́льшую высоту H (разница высот между верхней точкой отводящей трубы и уровнем воды в питающем резервуаре).
Термины не являются устоявшимися. Например, питающая труба нередко именуется "напорной" т.п.
Описание конструкции
Схема гидротаранного насоса
Гидротаранный насос в простейшем случае состоит из (см. риунок):
- питающей трубы (а)
- отбойного клапана (б)
- возвратного клапана (в)
- воздушного колпака (г) отводящей трубы (д)
Работа
Начальное состояние: отбойный клапан Б открыт и удерживается в таком положении пружиной или грузом или т.п. Сила этой пружины превышает силу давления статического столба воды в питающей трубе на закрытый отбойный клапан. Возвратный клапан В закрыт. Воздушный колпак заполнен воздухом.По питающей трубе А поступает вода, разгоняясь до некой скорости, при которой отбойный клапан Б, увлекаемый потоком воды, преодолевает усилие своей пружины и закрывается, перекрыв сток. Инерция резко остановленой в питающей трубе воды создает гидроудар -- резкий скачок давления, величина которого определяется длиной питающей трубы и скоростью потока. Давление гидроудара преодолевает давление столба воды в отводящей трубе Д, возвратный клапан В открывается и часть воды из питающей трубы А проходит через него и поступает в отводящую трубу но, главным образом, в воздушный колпак Г, поскольку инерция массы воды в отводящей трубе Д препятствует такому быстрому, импульсному поступлению. Вода в питающей трубе остановлена, давление падает и приходит к статической величине, возвратный клапан закрывается, отбойный клапан открывается. Вода в питающей трубе начинает двигаться, постепенно ускоряясь, а в это время под давлением воздуха, поджатого в воздушном колпаке, поступившая в него порция воды продавливается в отводящую трубу. Таким образом система возвращается в исходное состояние и начинает новый цикл работы
Газлифт
Газлифт (от газ и англ. lift — поднимать), устройство для подъёма капельной жидкости за счёт энергии, содержащейся в смешиваемом с ней сжатом газе. Газлифт применяют главным образом для подъёма нефти из буровых скважин, используя при этом газ, выходящий из нефтеносных пластов. Известны подъёмники, в которых для подачи жидкости, главным образом воды, используют атмосферный воздух. Такие подъёмники называют эрлифтами или мамут-насосами.
В газлифте, или эрлифте, сжатый газ или воздух от компрессора подаётся по трубопроводу, смешивается с жидкостью, образуя газожидкостную или водо-воздушную эмульсию, которая поднимается по трубе. Смешение газа с жидкостью происходит внизу трубы. Действие газлифта основано на уравновешивании столба газожидкостной эмульсии столбом капельной жидкости на основе закона сообщающихся сосудов. Один из них — буровая скважина или резервуар, а другой — труба, в которой находится газожидкостная смесь.
Эрлифт (англ. air — воздух, lift — поднимать) — разновидность струйного насоса. Состоит из вертикальной трубы, в нижнюю часть которой, опущенной в жидкость, вводят газ под давлением. Образовавшаяся в трубе эмульсия (смесь жидкости и пузырьков) будет подниматься благодаря разности удельных масс эмульсии и жидкости. Естественно, что эмульсия тем легче, чем в ней больше пузырьков.
Теория газлифта рассчитывает движение газожидкостной смеси в вертикальной трубе на основании дифференциального уравнения Бернулли для гомогенной сжимаемой среды.
Эрлифты применяются:
- для подачи активного циркуляционного ила и подъёма сточной жидкости на небольшую высоту на канализационных очистных сооружениях;
- для подачи химических реагентов на водопроводных очистных сооружениях;
- для подачи воды из скважин;
- наиболее важной отраслью применения эрлифтов является нефтедобывающая.
Опыт показал, что наряду с некоторыми недостатками (сравнительно малый кпд, невозможность подъёма жидкости с малой глубины), эрлифты обладают рядом достоинств, особенно сильно проявляющихся в очистных сооружениях:
- простота устройства;
- отсутствие движущихся частей;
- возможность содержания взвеси в транспортируемой жидкости;
- сжатый воздух из воздуходувок в качестве источника энергии[2].
Схема эрлифта: 1 — сепаратор; 2 — труба для подъёма эмульсии; 3 — труба для подачи воздуха; 4 — башмак; Н — высота подъёма водо-воздушной смеси; h — глубина погружения трубы.
Винтовой насос
Основной рабочей частью эксцентрикового шнекового насоса является винтовая (героторная) пара, которая определяет как принцип работы, так и все базовые характеристики насосного агрегата. Винтовая пара состоит из неподвижной части – статора, и подвижной – ротора.
Статор – это внутренняя n+1-заходная спираль, изготовленная, как правило, из эластомера (резины), нераздельно (либо раздельно) соединенного с металлической обоймой (гильзой).
Ротор – это внешняя n-заходная спираль, которая изготавливается, как правило, из стали с последующим покрытием или без него.
Стоит указать, что наиболее распространены в настоящее время агрегаты с 2-заходными статором и 1-заходным ротором, такая схема является классической практически для всех производителей винтового оборудования.
Важным моментом, является то, что центры вращения спиралей, как статора, так и ротора смещены на величину эксцентриситета, что и позволяет создать пару трения, в которой при вращении ротора внутри статора создаются замкнутые герметичные полости вдоль всей оси вращения. При этом количество таких замкнутых полостей на единицу длины винтовой пары определяет конечное давление агрегата, а объем каждой полости – его производительность.
Винтовые насосы относятся к объемным насосам. Эти типы насосов могут перекачивать высоковязкие жидкости, в том числе с содержанием большого количества абразивных частиц.
Преимущества винтовых насосов:
- самовсасывание (до 7...9 метров),
- бережное перекачивание жидкости, не разрушающее структуру продукта,
- возможность перекачивания высоковязких жидкостей, в том числе содержащих цастицы,
- возможность изготовления корпуса насоса и статора из различных материалов, что позволяет перекачивать агрессивные жидкости.
Насосы этого типа получили большое распространение в пищевой и нефтехимической промышленности.
Струйный насос
Струйный насос предназначен для перемещения (откачки) жидкостей или газов с помощью сжатого воздуха (или жидкости и пара), подающегося через эжектор. Принцип работы насоса основан на законе Бернули (чем выше скорость течения жидкости в трубе, тем меньше давление этой жидкости). Этим обусловлена форма насоса.
Конструкция насоса чрезвычайно проста и не имеет движущихся деталей.
Насосы этого типа можно использовать в качестве вакуумный насосов или насосов для перекачивания жидкости (в том числе, содержащих включения) для работы насоса необходим подвод сжатого воздуха или пара.
Струйные насосы, работающие от пара, называют пароструйными насосами, работающие от воды - водоструйными насосами.
Насосы, отсасывающие вещество и создающие разряжение, называются эжекторами. Насосы нагнетающие вещество под давлением - инжекторами.
Струйный насос — устройство для нагнетания (инжектор) или отсасывания (эжектор) жидких или газообразных веществ, транспортирования гидросмесей (гидроэлеватор), действие которого основано на увлечении нагнетаемого (откачиваемого) вещества струёй жидкости, пара или газа (соответственно различают жидкоструйные, пароструйные и газоструйные насосы).
Струйные насосы делятся на:
- жидкостноструйные
- эрлифты (аэрлифты)
Водоструйные
Принцип действия водоструйного насоса или гидроэлеватора основан на передаче кинетической энергии рабочей жидкостью перекачиваемой жидкости. Рабочая жидкость обладает большим запасом кинетической энергии по сравнению с запасом энергии перекачиваемой жидкости. Достоинство гидроэлеваторов — простота устройства, небольшие габариты, надёжность работы; недостатки — низкий КПД и затраты большого количества вспомогательной воды под давлением.
Гидроэлеватор применяется, если необходимо поднять воду из колодца или скважины с глубины более, чем 8 м, но нет возможности применить погружной насос. В этом случае насос, установленный на поверхности, направляет часть выкачиваемой воды в водоструйный насос, расположенный в глубине скважины. На поверхность поднимается большее количество воды, чем было использовано. Таким образом, вода играет роль промежуточного энергоносителя и рабочего агента.
Из-за падения КПД с ростом глубины, такой насос не применяется для глубин более 16 м.
Эрлифты
Для подачи воды из глубинных скважин нашли применения пневматические подъёмники или эрлифты; они также удобны для подачи кислот и других химических жидкостей и смесей жидкостей с твёрдыми частицами (пульпы). Принцип работы заключается в том, что в водоподъёмную трубу, заключённую в обсадной трубе, через форсунку подается сжатый воздух от компрессора, в трубе при этом образуется смесь воздуха и воды. Движение водовоздушной смеси вверх происходит вследствие подъёмного действия пузырьков воздуха, которые опережают движение воды, проскальзывая через движущийся поток, увлекая за собой воду.
Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Схема компрессионного теплового насоса.
1) конденсатор, 2) дроссель, 3) испаритель, 4) компрессор
В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).
В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на:
1) Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод) а) замкнутого типа
- горизонтальные
Горизонтальный геотермальный тепловой насос
Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.
- вертикальные
Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.
- водные
Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоеме для конкретного региона.
б) открытого типа
Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещен законодательством.
2) Воздушные (источником отбора тепла является воздух)
3) Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.
По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».
Эффективность
В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.
По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. Для этого, также, необходимо увеличивать площади теплообмена, чтобы перепад температур между источником тепла и холодным рабочим телом, а также между горячим рабочим телом и отапливаемой средой был поменьше. Это снижает затраты энергии на отопление, но приводит к росту габаритов и стоимости оборудования.
Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу может быть решенавведением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.
Условный КПД тепловых насосов
Даже современные парогазотурбинные установки на электростанциях выделяют большое количество тепла, что и используется в когенерации. Тем не менее, при использовании электростанций, которые не генерируют попутное тепло (солнечные батареи, ветряные электростанции, топливные элементы) применение тепловых насосов имеет смысл, так как такое преобразование электрической энергии в тепловую более эффективно, чем использование обычных электронагревательных приборов.
В действительности приходится учитывать накладные расходы по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии (то есть услуги электрических сетей). В результате отпускная цена электричества в 3-5 раз превышает его себестоимость, что приводит к финансовой неэффективности использования тепловых насосов по сравнению с газовыми котлами при доступном природном газе. Однако, недоступность углеводородных ресурсов во многих районах приводит к необходимости выбора между обычным преобразованием электрической энергии в тепловую и с помощью теплового насоса, который в данной ситуации имеет свои преимущества.
Преимущества и недостатки
К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.
Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».
Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.
Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.
Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.
Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.
К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.