Центробежни помпи срещу помпи с положително изместване: как да изберем

Избор между центробежна и помпа с положително изместване е едно от първите решения при специфициране на оборудване за работа с флуиди, и грешката струва много повече от цената на покупката.

Центробежната помпа преобразува въртящата кинетична енергия от работното колело в скорост на течността и след това в налягов напор, докато помпата с положително изместване (PD) придвижва флуида, като улавя фиксиран обем в кухина и го принуждава през изхода.

Двете семейства се държат толкова различно при променящи се условия, че изборът на грешен тип води до хронична кавитация, повреди на уплътненията или ниска производителност през целия експлоатационен живот на актива.

Принцип на работа

Центробежните помпи използват въртящо се работно колело за ускоряване на течността радиално или аксиално, като преобразуват скоростния напор в налягов напор, когато течността забавя в улитката или дифузьора. Изходният дебит зависи от диференциалното налягане, което системата налага: ако се увеличи изходното налягане, дебитът намалява, тъй като работното колело няма фиксирана геометрична капанна кухина за течността.

Помпите с положително изместване (зъбни, лопастни/лобови, винтови, мембранни, буталовидни, прогресивна камера) изолират фиксиран обем течност на оборот или ход и механично го избутват в изходната линия независимо от налягането в низходящата част на системата. Дебитът е практически пропорционален на скоростта на вала и до голяма степен независим от налягането, до механичните и задвижващите ограничения на помпата.

Форма на кривата напор/дебит

Това е най-важната разлика за проектиране на системи. Центробежната помпа има непрекъсната крива напор/дебит (H/Q), която спада от напор при нулев дебит (затворен напор) до нулев напор при някакъв максимален работен дебит. Помпата винаги работи в пресечната точка на нейната крива с кривата на съпротивлението на системата, така че всяка промяна в положението на клапан, замърсяване на филтъра или промяна на височината премества работната точка по кривата.

PD помпата има почти вертикална, плоска крива: дебитът остава константен през широк диапазон от изходни налягания, променяйки се само със скоростта и вътрешното пропускане. Понеже PD помпата ще продължава да изтласква обем дори срещу блокирана линия, тя изисква предохранителен клапан на изхода; центробежната помпа не се нуждае от такъв, тъй като при „dead-heading“ работната точка просто се върне нагоре по нейната крива към затворения напор.

Влияние на вискозитета

Вискозитетът влияе на двете семейства по противоположен начин.

Корекция на характеристиките на центробежните помпи става необходима, когато вискозитетът се повиши над приблизително 20 cSt, според метода за корекция на вискозитета на Hydraulic Institute ANSI/HI 9.6.7 (който формално се прилага от около 4,3 cSt нагоре): напорът, дебитът и ефективността намаляват спрямо водния тестови график с нарастване на вискозитета.

Около 300 cSt центробежните помпи стават непрактични за повечето приложения и загубите на ефективност са значителни.

PD помпите обикновено се подобряват с увеличаване на вискозитета, до определена граница. По-високият вискозитет намалява вътрешното пропускане през пролуките в зъбни, лопастни и винтови помпи, така че обемната ефективност всъщност се увеличава от леки масла до няколко хиляди cSt. Затова PD помпите доминират при пренос на битум, тежко гориво, полимери, смоли и пастообразни храни, докато центробежните помпи остават за флуиди с консистенция като вода.

Възможности за налягане

Центробежните помпи генерират ограничен напор на степен, обикновено в диапазона 20, 150 м за единична степен (по-високоенергийни единични конструкции могат да го превишат), като се използват многостепенни конструкции за достигане на по-високи налягания (големите помпи за захранване на котли обичайно използват 4, 10 степени, с общо изходно налягане, превишаващо 200 bar при високонапорни услуги).

Напорът е фиксиран от скоростта на върха на работното колело и диаметъра според законите за подобие, така че способността за налягане е решение, взето при проектиране, а не при експлоатация.

PD помпите могат да генерират много високо изходно налягане, ограничено главно от въртящия момент на задвижващия агрегат, здравината на корпуса и наличния NPSH, тъй като механичното уплътнение между засмукващата и изходната кухина извършва работата независимо от съпротивлението. Обратноплунжерните (reciprocating) плунжерни помпи често превишават 400, 1000 bar при приложения за почистване под високо налягане, хидростатични изпитания и химическо инжектиране, като специализирани единици са оценени значително над тези стойности.

Пулсации и гладкост на потока

Центробежните помпи доставят гладък, непрекъснат поток с едва забележимо пулсиране при преминаване на лопатките на честотата на преминаване на лопатките (брой лопатки на работното колело по скоростта на вала). Ротационните PD помпи (зъбни, винтови, лопастни) също са сравнително гладки, въпреки че лопастните (лобовите) помпи показват повече пулсации при по-малък брой лопати.

Обратно-плунжерните PD помпи (бутални, плунжерни, мембранни) генерират изразени пулсации на потока, свързани с броя на буталата или мембраните и честотата на хода, което може да възбуди резонанс на тръбопровода и изисква демпфери за пулсации както на всмукателната, така и на изходната страна. Тези пулсации се проявяват и като циклично натоварване върху обратните клапани и набивките, съкращавайки живота на компонентите, ако демпферирането е недостатъчно размерено.

Ефективност и поведение при частично натоварване

Центробежните помпи имат точка на най-добра ефективност (BEP), обикновено 50, 85% в зависимост от специфичната скорост, и ефективността намалява при отклонение от BEP в двете посоки; работа под около 70% от BEP увеличава радиалните усилия и ускорява износването на лагерите и уплътненията, тема разгледана подробно в pump specific speed и pump minimum flow recirculation .

PD помпите обикновено запазват обемната ефективност в диапазона 80, 95% през широк диапазон от скорости, тъй като изходът е геометрично фиксиран, което ги прави подходящи за прецизно дозиране и метрично подаване при променлива скорост.

Понеже законите за подобие означават, че мощността на центробежната помпа се мащабира с куба на скоростта, честотно регулирани задвижвания на центробежни помпи осигуряват големи енергийни спестявания при частичен дебит, докато мощността на PD помпата се мащабира приблизително линеарно със скоростта при постоянно налягане.

Непрекъснатият мониторинг на състоянието и проследяването на OEE чрез CMMS платформа като Fabrico помагат да се открие дрейф на ефективността и тенденции във вибрациите на лагерите, които сигнализират, че центробежната помпа е напуснала BEP, предизвиквайки заявка за работа преди да настъпят повреди на уплътнения или лагери.

Ако вашият екип иска тази видимост интегрирана в ежедневните поддръжни работни потоци, можете да резервирате демонстрация на Fabrico .

Кога кой тип печели

• Изберете центробежна помпа за големи дебити, нисък до умерен напор, нисък вискозитет и непрекъсната работа, като охлаждаща вода, общ трансфер и противопожарно водоснабдяване.
• Изберете PD помпа за вискозни течности, прецизно дозиране и метрично подаване, високо налягане при умерен дебит, условия за самозасмукване или сухо засмукване и за чувствителни на срязване или абразивни шламове, изискващи нежно боравене.
• Обмислете прогресивна камера или винтова помпа там, където съдържанието на твърди частици е високо, но трябва да се запази ниско срязване, като при пренос на утайки или хранителни продукти.
• Обмислете многостепенна центробежна помпа вместо обратно-плунжерна PD помпа, когато е необходим гладък, без пулсации, високонапорен поток, например за захранване на котел.

Надеждност и последици за поддръжката

Центробежните помпи зависят силно от поддържане на NPSH марж, правилни междини на работното колело и подравняване на вала; неправилно подравняване или износване на съединението се отразява директно във вибрационните сигнатури, оценявани спрямо зоните на сериозност на вибрациите ISO 20816.

PD помпите зависят повече от износването на вътрешните междини, състоянието на клапаните или ротора и целостта на предохранителния клапан, тъй като повреден или запушен предохранителен клапан при PD помпа представлява реална опасност от предналягане, а не просто въпрос на ефективност.

Животът на лагерите в двете семейства се подобрява от дисциплинирана практика на смазване, както е посочено в интервалите за повторно смазване на лагери.

Често задавани въпроси

Може ли центробежна помпа да работи срещу затворен клапан?

Кратко да, тя работи при затворен напор с нулев дебит, но продължителното „dead-heading“ загрява затворената течност и може да повреди уплътненията и лагерите, така че защитата с минимален дебит е все пак необходима.

Защо помпите с положително изместване се нуждаят от предохранителен клапан, а центробежните не?

PD помпата продължава да изтласква фиксиран обем независимо от съпротивлението, така че блокираният изход води до покачване на налягането докато нещо не се повреди; при центробежната помпа дебитът просто пада до нула при затворен напор, което корпусът е проектиран да издържи.

Кой тип помпа е по-ефективен при частично натоварване?

PD помпите обикновено запазват по-добре ефективността през диапазон на скоростите, тъй като изходът е фиксиран от геометрията, докато центробежните помпи губят ефективност при отклонение от точката на най-добра ефективност заради вътрешни рециркулации и ударни загуби.

Винаги ли помпата с положително изместване е по-добра за вискозни течности?

В повечето случаи, да, тъй като по-високият вискозитет намалява вътрешното пропускане и подобрява обемната ефективност на PD помпите, докато центробежната производителност започва да изисква корекция след приблизително 20 cSt.