Дисковый насос что это?

Рабочее колесо 1 представляет собой набор дисков, соединенных между собой с небольшим зазором. Рабочее колесо крепится на валу 2 и размещается в корпусе 3. Жидкость через всасывающий патрубок 4 подводится к центральной части колеса. За счет сил трения энергия от дисков передается частицам жидкости, которые разгоняются и в результате действия центробежной силы отбрасываются к периферии рабочего колеса - в спиральный отвод.

Дисковый насос основан на бесконтактной технологии, исключающей ударное воздействие. Принцип работы дискового насоса называется вязкостным сопротивлением пограничного слоя. Его применение в насосах является новым, но в гидродинамике он широко используется уже более 100 лет. Распространенным примером этого принципа является явление падения давления или потерь на трение в трубопроводной системе.

Исследование поперечного сечения трубы (см. рис. 1) в условиях ламинарного (нетурбулентного) потока показывает, что слои жидкости движутся с разными скоростями. Неподвижная труба оказывает на текущую жидкость силу сопротивления. Скорость слоя, прилегающего к трубе, равна нулю там, где сила сопротивления максимальна. Последовательные слои текут все быстрее, достигая максимальных скоростей в центральной точке между стенками трубы.

Это принцип вязкого сопротивления пограничного слоя, лежащий в основе работы дискового насоса. В насосе используется ряд параллельных дисков, называемых Discpac. Диски создают «сопротивление», и начальный «пограничный слой» жидкости прилипает к их поверхностям по мере поступления потока в насос.

Пограничный слой на дисках неподвижен, как и на стенках трубы. При вращении дисков пограничный слой неподвижен относительно дисков. Если бы мы стояли на дисках, скорость пограничного слоя была бы равна нулю. Это означает, что он находится в состоянии покоя на дисках — следовательно, движется с той же скоростью. Потоки в центре Discpac будут иметь самые высокие скорости. Сравнительно говоря, человек, стоящий вне насоса, увидит, что «неподвижный» слой жидкости на поверхностях дисков имеет самую высокую скорость, а слои жидкости в центре между Discpac — самые низкие.

При вращении дисков кинетическая энергия передается через слои молекул жидкости между дисками, создавая градиенты скорости и давления (см. рис. 2) до тех пор, пока вся масса жидкости не придет в движение. Это создает мощную динамическую силу, которая «тянет» продукт через насос плавным потоком без пульсаций. В этой системе не используются никакие устройства для проталкивания продукта в насос. Отсутствие ударного воздействия имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными вариантами насосов при работе с трудноперекачиваемыми и чувствительными к сдвигу жидкостями.

Дизайн диска

Диски, являющиеся насосным механизмом дискового насоса, вращаются в плоскости, перпендикулярной входному отверстию насоса, так что потоки жидкости параллельны. За исключением начального всасывания жидкости, между перекачиваемой жидкостью и дисками нет контакта или соударения. Угол соударения твердых частиц при выходе из Discpac близок к нулю. Даже если контакт происходит, сила невелика, и благодаря буферу жидкости в пограничном слое насос и продукт практически не повреждаются. Более того, вязкое сопротивление/работа в пограничном слое выталкивают твердые частицы, которые тяжелее перекачиваемой жидкости, к точке наименьшей скорости в центре Discpac и отводят их от поверхностей дисков.

Высокое содержание твердых веществ в жидкости при перекачке дисковым насосом

Типичная суспензия от производителя сыпучих материалов имеет содержание твердых частиц 70%. При таком уровне почти любой насос будет испытывать проблемы с засорением, но суспензии, содержащие до 80% твердых частиц по объему, могут перекачиваться без засорения дискового насоса. Внутренние испытания в Discflo показали, что частицы в суспензиях с содержанием твердых частиц до 40% проходят через насос бесконтактно. При более высоких концентрациях контакт по-прежнему очень незначителен. Такая бесконтактная обработка жидкости может снизить износ насоса на 80%, даже в самых абразивных условиях эксплуатации.

Пример использования дискового насоса

Один из крупнейших в мире производителей диоксида титана перекачивает пульпу с содержанием твердых частиц более 50% по объему. Дисковый насос заменил центробежный, и результаты оказались очень хорошими. Недавняя проверка показала, что после более чем года эксплуатации износ внутри насоса минимален. Этого удалось достичь без использования футеровок, которые требовались в старых центробежных насосах. Это нетривиальная задача. Резиновые футеровки приходилось заменять каждые 18 дней. Это трудоемкая и длительная работа, и, поскольку все футеровки выглядят одинаково, часто использовалась неправильная футеровка. При неправильной установке футеровки насос мог выйти из строя за один день.

Кавитация в дисковом насосе

Кавитация описывает состояние, подобное вакууму, в насосе. Она может возникнуть, когда жидкость в зоне низкого давления насоса испаряется. Пузырьки пара схлопываются, проходя в зоны высокого давления, и могут создавать ударную волну, достаточно мощную, чтобы оторвать металл от насоса. Энергия, необходимая для ускорения жидкости до высокой скорости и заполнения пустот, образовавшихся из-за пузырьков, приводит к снижению производительности. Поскольку поток в дисковом насосе ламинарный, потери давления минимальны, и риск кавитации снижается. Даже если она возникает, дисковый насос относительно не подвержен воздействию, поскольку он защищен пограничным слоем жидкости.

Эффективность дискового насоса

Дисковый насос имеет широкие внутренние допуски, поскольку в процессе перекачивания задействованы все поверхности диска. Очевидно, что такая конструкция имеет свои преимущества и недостатки. Большие зазоры уменьшают засорение и обеспечивают насосу превосходную производительность при перекачивании абразивных и чувствительных к сдвигу материалов. Еще одно преимущество заключается в отсутствии потери эффективности из-за износа. Недостатком является то, что большие зазоры снижают эффективность насоса в условиях, близких к работе с водой (т.е. жидкости низкой вязкости).

Вязкость выше описанной суспензии диоксида титана составляла около 500 сантепуаз (сП). Отличительной особенностью дискового насоса является то, что его эффективность перекачки возрастает с увеличением вязкости. При вязкости более 350 сП насос фактически оказывается более эффективным, чем центробежный насос сопоставимого размера в аналогичном применении. Вязкостное сопротивление более эффективно передает энергию через слои вязкой жидкости. При 5000 сП дисковый насос перекачивает примерно на 25% больший объем при той же мощности, а при 6600 сП дисковому насосу потребуется вдвое меньше мощности, чем центробежному насосу аналогичного размера. Дисковый насос способен работать с высокой вязкостью до нескольких сотен тысяч сП (!). Однако потребление энергии насосом — это лишь один из факторов, влияющих на общую эффективность технологической системы.

Вязкость

Подобно TiO₂ , карбонат кальция, каолин и прокаленные глины являются распространенными сырьевыми материалами, используемыми в покрытиях. В виде суспензий они могут иметь содержание твердых веществ до 50–70%. Как и суспензии TiO₂ , абразивные материалы имеют высокое содержание твердых веществ, что может затруднить их перекачку. Они также создают дополнительные трудности; на них негативно влияет сдвиговое воздействие в насосе, создаваемое ударами и турбулентностью потока. Глиняные суспензии густеют и могут даже затвердевать под давлением и перемешиванием при перекачке.

Исторически сложилось так, что объемные насосы являются предпочтительным вариантом для жидкостей, чувствительных к сдвигу, поскольку они обладают низкой скоростью и низким сдвигом. Старый тип насоса, винтовой насос, представляет собой объемный насос, использующий в своей базовой форме один спиралевидный ротор, вращающийся эксцентрично в статоре с двойной резьбой. По мере вращения ротора ряд герметичных полостей перемещается от входа к выходу. Это создает непрерывный пульсирующий поток по ограниченному пути через насос. Посадка с компрессией, действующая подобно уплотнительному кольцу между статором и ротором, делает насос относительно эффективным. Однако эта эффективность достигается за счет снижения способности перекачивать твердые частицы и абразивный износ. Как и в случае с центробежными насосами, для повышения износостойкости можно использовать статоры из эластомерных материалов, но когда через насос проходят твердые частицы с чрезвычайно жесткими допусками, чрезмерный износ и техническое обслуживание становятся постоянной и неприятной реальностью.

Многие глинистые материалы настолько чувствительны к сдвигу, что даже в винтовом насосе постоянное трение между ротором и статором может создать достаточное сдвиговое усилие, чтобы повысить вязкость суспензии до такой степени, что ротор насоса сломается.

Пользователи и производители суспензий глинистого пигмента регулярно сталкиваются с поломками насосов. Для одного производителя, выпускающего суспензию карбоната кальция с содержанием твердых веществ 72,5%, используемую в покрытии для тонкой бумаги, история поломок винтовых насосов оказалась неутешительной и дорогостоящей – от нескольких недель до месяца. Кристаллы в покрытии имеют особую структуру и, по словам дистрибьютора, «похожи на иглы насоса». Такое сочетание истирания и сдвига оказалось катастрофическим. После всего лишь недельного демонстрационного испытания дискового насоса компания полностью убедилась в его эффективности и приобрела еще три экземпляра. Сломанные валы остались в прошлом. Компания, производящая высококачественную бумагу, также перешла на дисковые насосы после нескольких неудачных попыток установки насосов для разгрузки специального покрытия. Продукция доставляется этому клиенту грузовиками в виде суспензии и перекачивается в резервуары. Теперь, когда подъезжает грузовик, дисковый насос уже работает, и, поскольку он очень эффективен с вязкой жидкостью, он опорожняет резервуар за 20 минут — примерно вдвое быстрее, чем раньше. Обе установки насосов были произведены более года назад и с тех пор не требовали технического обслуживания. Это типичная производительность для дисковых насосов в абразивных средах с высокой вязкостью.

Бережное обращение с жидкостями

Те же рабочие характеристики дискового насоса, которые позволяют ему перекачивать вязкие жидкости и агрессивные абразивы, делают его одним из самых щадящих насосов на рынке. При перекачивании эмульсий независимые испытания показали, что дисковый насос оказывает незначительное воздействие на продукт. В одном из испытаний смесь масла, воды и моющего средства циркулировала в течение 30 минут через дисковый насос. Было исследовано количество сдвиговых воздействий, эмульгирования и распада, после чего образец был отфильтрован через мембрану. Перекачивание происходило настолько плавно, что сдвиговые напряжения в насосе были меньше, чем в напорном трубопроводе.

Значительное влияние бесконтактной перекачки

Работа с латексными жидкостями сопряжена с определенными трудностями. Любое воздействие — будь то воздействие насоса на жидкость или жидкости на жидкость — негативно сказывается на качестве продукта. Многие производители не понимают, почему, независимо от конструкции системы перекачки жидкости, качество их продукции все равно страдает. Главная причина — сдвиговое напряжение, вызванное ударами и турбулентностью потока жидкости. Стабильная, постоянная вязкость имеет основополагающее значение для качества большинства чернил и покрытий. Латексные продукты особенно уязвимы. Трение в насосе генерирует тепло, которое приводит к застыванию латекса. В застывшем виде он покрывает внутренние поверхности насоса и заполняет сальник, разрушая уплотнение. Комки частиц латекса забивают насос и трубопроводы, а также фильтры и сетки в трубопроводе. Более того, застывший латекс — это продукт, который невозможно продать.

Благодаря отсутствию ударных воздействий и ламинарному потоку, дисковый насос не выделяет тепла. Один из эксплуатантов пробовал несколько типов насосов, но все они создавали сдвиговые напряжения, которые приводили к образованию твердых частиц латекса в высоких концентрациях. Это наносило серьезный ущерб насосу, а затем распространялось вниз по потоку и засоряло фильтры. Компания сообщила: «Менее чем за месяц эксплуатации дисковый насос Discflo увеличил производительность примерно на 12% за счет устранения твердых частиц латекса, образующихся в результате сдвиговых воздействий». Показатель увеличения производительности не включает фильтры и время простоя. Защита латексных эмульсий является первостепенной задачей для производителей этого дорогостоящего товара, но производительность насоса также имеет важное значение. Насос Discflo не страдает при перекачивании латекса так, как это происходит с насосами традиционного типа. Насосы Discflo для работы с латексом находятся в непрерывной эксплуатации более 10 лет. Дисковые насосы широко используются для перекачивания чувствительных к сдвигу дисперсий и эмульсий и применяются в производстве и обработке компонентов в современных промышленных и декоративных покрытиях — смол, полимеров, мономеров, ацетатов, силикатов, алкидных смол, всех видов пигментов и множества готовых продуктов. В тех случаях, когда присутствует абразивный износ, чувствительность к сдвигу, высокое содержание твердых частиц, вязкость и другие сложные условия работы с жидкостью, дисковые насосы могут обеспечить реальное решение и обеспечить экономию для процессов, где рентабельность была снижена из-за высоких затрат на техническое обслуживание или неприемлемого ухудшения качества продукции. Большинство крупнейших и лучших производителей отрасли уже убедились в этом и полагаются на характеристики работы дисковых насосов во многих своих самых сложных процессах перекачивания.

Видеобзор дискового насоса Discflo