Как видно из названия, бочковые насосы предназначены для перекачивания жидких сред из емкостей типа – бочка, «еврокуб», канистра. Во время перекачивания они выполняют различные задачи стоящие перед потребителем: расфасовка, опорожнение, перекачивание на расстояние, как по горизонтали, так и по вертикали.
Бочковые насосы бывают двух принципиальных видов – центробежные и винтовые (шнековые).
Различие их в предназначении к физическим свойствам перекачиваемой жидкости и как следствие в рабочем органе насоса. В данной статье приводится конструкция и принцип работы центробежного бочкового насоса.
Для рассмотрения разновидностей и принципа действия бочковых насосов, необходимо рассмотреть конструкцию его составных частей. У стандартного бочкового насоса две составляющие: двигатель и погружная часть, которая называется труба или патрубок насоса.
Исходя из его составляющих, бочковой насос можно отнести к полупогружным. Различие бочкового насоса от полупогружного центробежного насоса с вертикальной стойкой заключает лишь в том, что бочковые насосы предназначены в первую очередь перекачивать жидкость из небольших емкостей с малой производительностью и на относительно небольшие расстояния.
Двигатель насоса
Для бочковых центробежных насосов используются как однофазные электрические двигатели, работающие от розетки переменного тока, так и пневматические двигатели.
Все эти двигатели роторного типа, главной задачей которых является преобразование различного рода энергий во вращательное движение ротора с полумуфтовым окончанием.
Из электрических в качестве привода бочкового насоса используют щёточные и бесщёточные двигатели. Их ещё называют коллекторные и безколлекторные. Различие между щёточным электродвигателем и бесщёточным заключается в том, что в коллекторных ток передается механически с помощью щёток, а в безщёточных ротор вращается благодаря электронике.
Двигатель имеет статор и ротор. Статором щёточного двигателя являются магниты, которые расположены с двух противоположных сторон электромагнита вращения - ротора. Один магнит ориентирован на положительный полюс, второй - на отрицательный полюс. Ротор оснащён несколькими обмотками индуктивности. При прохождении электрического тока через обмотки, они создают собственное магнитное поле, которое отталкивается и притягивается к магнитным полям статора. На обмотки ток передаётся щётками, которые вращаются вместе с ротором.
В бесщёточном двигателе обратная ситуация - фиксированные магниты находятся на роторе, а обмотки в окружающем его корпусе-статоре. Работа двигателя происходит за счет тока проходящего через каждую обмотку последовательно. Для синхронизации работы в данном случае требуется дополнительный контроллер.
Бесщёточные двигатели имеют меньший нагрев во время работы, так как нет физического контакта щёток с обмотками. Коллекторные двигатели дешевле и проще в обслуживании.
Самый простой стандартный электродвигатель имеет только функцию включения и отключения, но бывают двигатели различных модификаций и могут включать в себя дополнительные функции. Например, функция отключения при снятии напряжения. Она позволяет исключить человеческий фактор на предприятиях, где есть перебои с электроэнергией. Насос не начнет самопроизвольно работать при восстановлении электропитания, его заново должен будет включить оператор. Электродвигатель с функцией регулировкой производительно позволяет увеличивать или уменьшать подачу перекачиваемой жидкости. Для тех случаев, когда жидкость имеет повышенную агрессивность или может выделять ядовитые пары, используют герметичные электродвигатели с магнитной полумуфтой. Также есть модификации со взрывозащитой и с увеличенной брызгозащитой. В данном случае отличие заключается в том, что в конструкцию электродвигателя добавлен дополнительный диэлектрический защитный кожух.
Электродвигатели отличаются также по выдаваемой мощности. Самая небольшая мощность двигателя у компактных лабораторных насосов. Их применяют для простых неинтенсивных задач, например, когда нужно перекачать небольшое количество жидкости из бочки в лабораторную емкость, мобильную тару или канистру. Мощность электродвигателей таких насосов, как правило, не превышает двести пятьдесят Ватт. Для кратковременного перекачивания не вязких и не плотных жидкостей с малым напором, используют двигатели с мощностью до шестьсот Ватт. Во всех остальных случаях необходимо использовать более мощные электродвигатели.
Пневматический двигатель, работающий от сжатого воздуха, состоит из двух корпусных деталей: механического блока и присоединителя. Внутри них находится механизм преобразования энергии сжатого воздуха во вращательное движение ротора с полумуфтой. В механическом блоке установлен пневмораспределительный механизм, состоящий из ручки регулятора, неподвижной втулки и подвижного ротора. Ручка регулятора золотникового типа нужна для подачи или перекрытия сжатого воздуха в насос. Неподвижная втулка имеет несколько отверстий для входа воздуха. Ротор представляет собой валок, у которого есть средняя выступающая цилиндрическая часть – тело и по одной посадочной шейке спереди и сзади. Для того чтобы ротор мог свободно вращаться шейки ротора установлены в подшипники качения. Тело ротора располагается внутри неподвижной втулки и принимает поступающий через отверстия втулки воздух с помощью четырёх лопастей. Лопасти располагаются по наружному диаметру тела ротора перпендикулярно с шагом девяносто градусов. Воздух, попадая на лопасти ротора, заставляет его вращаться вместе с закреплённой на одном из концов полумуфтой. Отработанный воздух через выходное отверстие и глушитель сбрасывается в атмосферу.
Погружная часть (труба, патрубок) насоса
Погружная часть бочкового насоса состоит из нескольких основных частей:
- полумуфты трубы,
- подшипникового узла,
- самого патрубка,
- приводного вала насоса,
- рабочего колеса (или импеллера).
Конструктивно, погружные части делятся на безуплотнительные и те, которые имеют торцевое уплотнение. В первом случае нет уплотнений контактирующих с перекачиваемой жидкостью, и насос может кратковременно работать «на сухую». Во втором варианте вал насоса защищают одно торцовое уплотнение и два уплотнительных кольца за ним. Такие конструкции погружных труб используются когда жидкость абразивная, вязкая, склонная к кристаллизации частиц. Кроме этого погружные части, в зависимости от емкости их применения, имеют стандартные длины. Для мобильной невысокой тары, типа канистр и бутылей, подходят трубы длиной пятьсот или семьсот миллиметров. Для бочек объемом двести литров идеально подойдут трубы длиной тысяча миллиметров, для стандартного «еврокуба» длиной тысяча двести миллиметров.
Шлицевая полумуфта трубы насоса закреплена на конце приводного вала трубы шестигранным стопором и служит для передачи крутящего момента от полумуфты двигателя. Подшипниковый узел состоит из двух радиально-упорных шариковых подшипников, втулки и уплотнительного кольца, которые установлены в корпусе. В том случае, если используется электродвигатель с магнитной полумуфтой, корпус узла подшипников имеет магнитную оболочку с сердечником внутри. Данный узел необходим для обеспечения вращения вала трубы и для его подвижной фиксации. Вал насоса находится в центральной части трубы. Его длина зависит от длины патрубка. Он проходит через все составляющие трубы насоса. В верхней части вала установлена полумуфта. Далее он проходит через подшипниковый узел, две разделительные втулки, подшипник скольжения и через одну или несколько ступеней патрубка с рабочими колесами. В нижней части вал соединен с одним или несколькими рабочими колёсами, которые фиксируются на нём с помощью стопорных колец.
Рабочее колесо является главным рабочим органом насоса. Принято различать аксиальные и радиальные колеса, так как это напрямую связано с выдаваемыми характеристиками бочкового насоса.
Аксиальный импеллер это центробежное рабочее колесо открытого типа, радиус входа которого, равен радиусу выхода. Бочковые насосы с аксиальным рабочим колесом обладают высокой производительностью и относительно небольшим напором. Труба насоса с радиальным импеллером имеет от трёх до двенадцати ступеней с рабочими колесами, а не одну как в случае с аксиальным импеллером.
Радиальный импеллер – это центробежное рабочее колесо закрытого типа с радиально изогнутыми лопастями. Такие рабочие колёса патрубка насоса способны создавать давление на нагнетании, поэтому трубы с данным видом импеллеров используют, когда есть необходимость подъёма жидкости на большую высоту. Ступени являются частью патрубка насоса и накручиваются друг на друга на резьбу. Нижняя ступень насоса, её еще называют «пятка», имеет торцевые выступы, которые способствуют всасыванию перекачиваемой жидкости в трубу насоса. Если бы данных выступов не было на пятке, насос не смог бы правильно работать, так как всасывающее отверстие трубы насоса перекрывалось бы дном емкости. Ступени, которые находятся между пяткой и патрубком со стороны всасывания жидкости, внутри, имеют радиально изогнутые отливы, которые в сочетании с вращающимися лопастями импеллера позволяют создавать высокое давление подачи при поддержании производительности насоса. Крайняя ступень накручивается на сам патрубок. Аксиальная или радиальная погружная часть насоса также имеет среднюю часть патрубка и верхнюю часть – тройник. Тройник соединяет подшипниковый узел и среднюю часть патрубка и имеет выходное резьбовое присоединительное отверстие для крепления шлангового штуцера. Средняя часть патрубка имеет два боковых продолговатых окна, которые необходимы для выхода жидкости обратно в емкость при закрытой линии подачи. Эти окна еще называют переливными отверстиями.
Кроме этого средняя часть патрубка может иметь дополнительное перемешивающее отверстие. Оно необходимо, когда перекачиваемая среда имеет свойство образовывать осадок. Перед тем, как перекачать такую жидкость, насос тщательно перемешивает ее до однородного состава. Конструкция погружной части с функцией перемешивания дополнена двумя регулировочными ручками и внутренней перекрывающей трубой. Одна регулировочная ручка устанавливается на трубе, другая на корпусе подшипникового узла.
Принцип работы насоса
Бочковой насос собран и установлен в бочку или "еврокуб". Погружная часть насоса - труба, находится в жидкости. Двигатель насоса подключен к электро или пневмосети. Полумуфта двигателя передаёт крутящий (вращательный) момент на полумуфту трубы насоса, так как они находятся в зубчатом зацеплении. Если используется электродвигатель с магнитной полумуфтой, то передача вращения на сердечник трубы происходит с помощью магнитного поля. Так как полумуфта трубы жестко соединена с валом насоса, - вал тоже начинает вращаться. Вращение вала трубы насоса передается на закреплённое рабочее колесо (импеллер). Жидкость при входе в патрубок начинает вращаться и приобретает центробежную силу. Перекачиваемая жидкость вытесняется к периферии и в результате в центральной части рабочего колеса понижается давление. Вследствие этого явления, жидкость всасывается в патрубок насоса перпендикулярно оси вращения импеллера. Поскольку описанный процесс происходит непрерывно, жидкость поднимается по волновому каналу трубы насоса и выходит через подающий патрубок. В случае если в трубе насоса установлены радиальные рабочие колеса закрытого типа, насос способен создавать достаточно высокое давление подачи.
При использовании бочкового насоса в комплексе с раздаточным пистолетом, его производительность значительно падает. Это связано с тем, что пистолет имеет значительно меньшее поперечное сечение канала для прохода жидкости. Когда раздаточный пистолет перекрыт, а двигатель насоса продолжает работать - жидкость возвращается в бочку через переливные отверстия в трубе насоса. Когда используются трубы с функцией перемешивания, насос может работать в двух режимах. При закрытии перемешивающих отверстий, насос работает в режиме перекачивания, при повороте ручки трубы на девяносто градусов – окна открываются и жидкость циркулирует в емкости. При использовании данной трубы важно помнить, что перемешивающие отверстия должны быть полностью погружены в жидкость, а также то, что перед включением режима смешивания, линия подачи из насоса должна быть перекрыта.
Кроме этого при выборе рабочего колеса погружной части насоса руководствуются плотность, вязкостью и температурой перекачиваемой жидкости. Например, если жидкость вязкая и неплотная - используют аксиальное рабочее колесо, если плотная и невязкая - радиальное. Это связано с конструктивными особенностями рабочих колес. Увеличение вязкости среды в большей степени снижает значение подачи насоса, чем увеличение ее плотности. Тут также обязательно нужно понимать, что возможность перекачивать вязкую, плотную среду во многом зависит от мощности двигателя насоса. При всасывании и подъёме вязкого продукта, радиальные рабочие колес закрытого типа будут заставлять работать двигатель с перегрузками, что неизбежно приведёт к его поломке.
Ограничения по температуре перекачиваемой жидкости в большей степени связаны с материалом исполнения контактирующих с ней деталей. Так например, нержавеющую сталь, алюминий и фторопластовые материалы возможно использовать при температуре среды до восьмидесяти-восьмидесяти пяти градусов Цельсия, полипропилен до пятидесяти градусов.
Материал исполнения деталей контактирующих с перекачиваемой жидкостью выбирают исходя из существующей задачи. Это же правило относится и к выбору аксессуаров насоса. Труба насоса (патрубок) имеет несколько вариантов исполнения: полипропилен, PVDF (поливинилденфторид), алюминий, нержавеющая сталь. Вал трубы насоса изготавливают из нержавеющей стали. В тех случаях, где нержавеющая сталь не подходит по химической совместимости, подбирают вал из хастеллоя (сплав на основе никеля). Этот материал химически устойчив к большинству жидкостей. Для изготовления рабочего колеса используются универсальные фторопластовые материалы PTFE (политетрафторэтилен) и PVDF, в отдельных случаях - нержавеющая сталь.
Аксессуары
Очень часто бочковые центробежные насосы поставляются в комплекте с аксессуарами. Обычно в состав комплекта поставки бочкового насоса входят:
- штуцер для присоединения трубы насоса к шлангу;
- химический шланг (рукав) длиной до двух метров с присоединительными хомутами;
- раздаточный пистолет для более точного перекачивания жидкости и своевременного перекрытия линии подачи без отключения электродвигателя;
- бочковой адаптер для правильной и удобной установки насоса в емкость, из которой производится перекачивание;
- настенное крепление для правильного хранения насоса после использования.
Для более точного определения количества перекаченной жидкости, а также жидкости оставшейся в бочке, необходимо использовать расходомер, который крепится непосредственно на трубу насоса. В случае, если насос используется для бочки со съемной верхней крышкой, дополнительно используют специальное устройство для крепления насоса на открытой ёмкости. Если есть вероятность попадания крупных частиц в перекачиваемую жидкость, необходимо установить защитную фильтр-сетку. Фильтр просто надевается на «пятку» насоса. Бывают случае, когда требуется полное опорожненение бочки. Чтобы на дне оставалось как можно меньше жидкости. Для этого можно использовать донный обратный клапан. Донный клапан накручивается снизу на трубу вместо пятки насоса и при остановке электродвигателя остаток жидкости останется в трубе и не стечёт обратно на дно ёмкости.
Возможно использование бочкового насоса с датчиком уровня. Электродвигатель насоса подключается к специальному изолятору, который запитан к электросети. К коробке подключен датчик уровня и когда уровень жидкости в бочке опускается ниже определенного значения изолятор по сигналу от датчика уровня отключает электродвигатель. При перекачивании легковоспламеняющейся жидкости в помещении с повышенной категорией взрывоопасности, помимо насоса со взрывозащитой обязательно нужно использовать кабель выравнивания потенциалов и специальные взрывозащищенные штекер и розетку. Перед началом работы, кабель выравнивания потенциалов одним концом крепится на трубу из нержавеющей стали, а другим на бочку из которой производится перекачивание.
Преимущества бочковых насосов
- Могут использоваться с большинством стандартных емкостей
- Могут перекачивать агрессивные жидкости без протечек
- Возможность выкачивания жидкости без остатка
- Выход из строя рабочего колеса не приводит к разгерметизации ёмкости
- Возможность точного перекачивания
- Простота в обслуживании и эксплуатации
- Могут перекачивать жидкость на расстоянии с поддержанием производительности
- Вариативность (возможность использование всех труб со всеми двигателями)
- Наличие взрывобезопасных модификаций
- Возможность регулировки производительности насоса
- Возможно перекачивание жидкостей со взвесями и осадками
Недостатки бочковых насосов
- Ограничение по вязкости и плотности перекачиваемой жидкости
- Не предназначены для создания большого напора и производительности
- Существенные ограничения по размеру твердых частиц
Применения
Бочковые насосы применяют в различных отраслях промышленности. Для перекачивания химических реагентов, кислот и щелочей в химической промышленности, а также в лабораториях химических предприятий для растаривания небольших канистр. Также используется в пищевой промышленности для перекачивания жидких сред используемых в производстве. Центробежные бочковые насосы активно применяются для опорожнения емкостей с легковоспламеняющимися жидкостями и невязкими маслами.
