Новые области применения герметичных насосов

Электронасосы с разделительной гильзой и насосы с магнитной муфтой сегодня находят применение во всех областях химического производства и в общих технологических процессах. Эти надежные в эксплуатации насосы с дополнительным оснащением применяются для перекачивания таких жидкостей, которые в прошлом было невозможно перекачивать. Они применяются и в тех случаях, в которых перекачиваемая среда подвергается экстремальным температурным колебаниям, температуры опускаются до минус 90°C. Кроме того, эти насосы подходят для таких перекачиваемых жидкостей, как например акриловые кислоты, которые при колебаниях температуры склонны к полимеризации, что особенно проблематично для подшипников скольжения. Кроме того, место установки предъявляет зачастую особые требования к агрегату. Так, насосы хладагента рельсового подвижного состава подвергаются ударным нагрузкам с ускорением до пятикратного ускорения свободного падения (5х”g”). Так как они обычно устанавливаются в труднодоступных местах и их техническое обслуживание возможно только со значительными дополнительными расходами, такие агрегаты должны безаварийно работать до 7 лет. Новые герметичные электронасосы (с разделительной гильзой), оснащенные синхронными двигателями, обеспечивают высокий уровень надежности при низких затратах на эксплуатацию. Новые насосы не только обладают высоким КПД, но благодаря работе со сверхсинхронной частотой вращения позволяют применять агрегаты меньших размеров по сравнению с применявшимися ранее. Поэтому дополнительные преимущества не вызовут заметного повышения инвестиционных расходов в случае применения насосов из нержавеющей стали по сравнению с обычной техникой. В некоторых областях химических и других технологий имеется, кроме того, тенденция к установкам с небольшими объемными расходами и, следовательно, к переходу на меньшие насосы. В настоящей статье предлагаются возможности решений названных выше проблем. При этом особое внимание обращается на применение при низких температурах, в качестве насосов хладагента рельсового подвижного состава, для перекачивания акриловых кислот и на синхронные приводы.

Насосы с магнитной муфтой для низких температур и экстремальных колебаний температуры

Установки для циркуляции теплоносителей применяются в технологических процессах для обогрева, поддержания постоянной температуры и охлаждения автоклавов, реакционных сосудов, мешалок, установок для сушки, экстракции, дистилляции, полимеризации, сублимации и этерификации и многих других случаев использования. В качестве химически стабильных и долговечных теплоносителей для этого используются синтетические теплоносители. При этом речь идет о химических соединениях с хорошей термостойкостью. За исключением силикатных соединений и силоксанов они в основном созданы на основе бензольного кольца, что обусловливает термическую стабильность соединений. К этим веществам относятся: алкилзамещённые ароматические углеводороды, ароматические эфиры, хлорированные ароматические соединения, хлорированный дифенил, дифенил - дифенилоксид, дитолилоксид, гидрированный терфенил, органические силикаты, ортодихлорбензол, синтетические ароматические соединения, терфенил, триарилдиметан. Но не только лучшей термической стабильностью, способствующей большему сроку службы масляного теплоносителя в установке, но также и другими физическими свойствами объясняется возрастающее применение синтетических теплоносителей. Для установок и используемых в них насосов также благоприятна низкая вязкость при низких температурах, так как благодаря этому уменьшаются потери и, следовательно, энергопотребление. Важнейшими областями применения насосов с магнитной муфтой для низких температур и экстремальных колебаний температуры являются установки первичного и вторичного контуров технологического охлаждения. Основные сферы использования таких установок: химия и фармацевтика (поддержание постоянной температуры (нагревание/охлаждение) реакторов, а также охлаждение конденсаторов), чистка отходящих газов (растворители – обратная конденсация), автомобильная промышленность (испытательные стенды для ДВС и редукторов), исследования (охлаждение лазеров, камеры для моделирования природной среды и космического пространства, исследования материалов)

Технологические охлаждающие установки состоят из контура охлаждения, в котором при разрежении испаряется хладагент, отбирая через испаритель теплоту у теплоносителя в контуре теплоносителя. Охлажденный до минус 70 °C теплоноситель подается к потребителю, например к реактору. В так называемой вторичной системе имеется возможность регулирования температуры путем отбора из первичного контура энергии, требуемой для нагрева или охлаждения химического процесса. Отбор (охлаждение) или подвод энергии (нагрев) во вторичном контуре производится в теплообменнике или непосредственной подачей теплоносителя. В комбинации с дополнительным нагреванием создается готовая к подключению нагревательно-охлаждающая система с диапазоном температур от -100 °C до +350 °C. Так как в таких установках естественная циркуляция отсутствует, необходимы циркуляционные насосы, способные работать в широком диапазоне температур. Принцип разделения полости проточной части и полости герметизирующего стакана необходим также для циркуляционных насосов этого типа. Вследствие значительной независимости температуры перекачиваемой жидкости в герметизирующем стакане от рабочей температуры при работе магнитная муфта благодаря тепловому барьеру подвергается только небольшим нагрузкам от колебаний температуры. Это достигается путем встраивания в крышку корпуса насоса теплового барьера. Для насосов типоразмера от 32 до 160 при колебании температуры 400 °C со стороны проточной части изменение температуры со стороны магнитной муфты благодаря тепловому барьеру не превышает 75 К.

насос с магнитной муфтой

Насос перед пуском в эксплуатацию заполняется чистой жидкостью. Так как во время работы обмен жидкости между проточной частью и полостью герметизирующего стакана не происходит, в зону магнитной муфты не попадают и твердые частицы. Благодаря тому, что температура масляного теплоносителя в зоне герметизирующего стакана не превышает 1500C, замедляется старение масла и предотвращается его "спекание". Наружный, не чувствительный к загрязнению кольцевой охлаждающий радиатор отводит теплоту, образующуюся от вихревых потоков и трения жидкости внутреннего ротора. Следует отметить, что поведение используемых материалов также и в состоянии покоя, особенно в полости ротора, должно быть конструктивно учтено.

Насосы хладагента для рельсового подвижного состава

В представляемом здесь насосе для охлаждения электрических систем рельсового подвижного состава речь идет о герметичном электронасосе (с разделительной гильзой), удовлетворяющем следующим техническим требованиям: интервал профилактических осмотров: 7 - 8 лет, средняя наработка на отказ: 106 час, срок службы: 30 лет, насос должен надежно перекачивать в пусковом режиме водно-гликолевую смесь при температуре до минус 50 °C (≈ 350 сСт), должны быть выдержаны следующие нормативные требования: вибрационные испытания по IEC 61373 и типовые испытания на тяговых электродвигателях с преобразователем частоты по EN 60349-2, анализ издержек за срок службы должен быть проведен по заданной схеме. Для выполнения этих требований был разработан описываемый ниже и представленный на рисунке принцип конструкции.

насос хладагента

Полость ротора двигателя заполнена при этом перекачиваемой жидкостью, которая также подается для смазки подшипников скольжения. В качестве материала подшипников сегодня обычно применяется графит или керамические материалы – карбид вольфрама или карбид кремния. Графитовые подшипники при относительной нечувствительности к недостаточной смазке обладают, однако, повышенной скоростью износа, так что они должны подвергаться частым проверкам. Это обстоятельство заведомо противоречит требованиям технических условий. Карбид вольфрама хотя и является износостойким, но очень чувствителен к недостаточной смазке. Кроме того, карбид вольфрама имеет очень высокий коэффициент трения - при большинстве применений подшипники скольжения находятся в зоне смешанного трения, - и недостаточную прочность и стоит достаточно дорого. Карбид кремния также является износостойким, но, по сравнению с карбидом вольфрама менее чувствителен к недостаточной смазке. Карбид кремния отличается по степени качества . Здесь применяется карбид кремния с особым зернением, которое способствует особой устойчивости к выкрашиванию отдельных зерен. Такой гранулометрический состав карбида кремния для подшипников скольжения был разработан и доведен до серийного производства совместно с известными специалистами по керамике. Таким образом может быть обеспечена надежная работа в экстремальных диапазонах. Вследствие различных значений теплового расширения пары сталь/керамика оформление места установки вкладыша и втулки подшипника имеет большое значение. При правильно подобранной керамике конструкция, благодаря эластичной подвеске, не только компенсирует различие в тепловом расширении, но и обеспечивает правильное взаимное положение вращающихся и неподвижных элементов, так что не возникает пиковых нагрузок. Благодаря этому подшипник совершенно не требует технического обслуживания. Конструкция отличается следующими особенностями:
- Благодаря материалу и ориентируемому на пользователя решению в отношении требований к материалу и закреплению керамических элементов был создан неизнашиваемый подшипник с очень продолжительным сроком службы.
- Благодаря многообразным допустимым установочным положениям возможна простая адаптация к стесненным условиям монтажа.
- Общая концепция интегрированного узла двигатель-насос вместе с названными выше подшипниками скольжения обеспечивает, вследствие высокого эффекта демпфирования, чрезвычайно низкий уровень шума и вибрации, что в данном случае особенно важно, так как агрегат расположен под помещением для пассажиров подвижного состава.
- Благодаря герметичному исполнению с разделительной гильзой исключены любые утечки, поэтому насос безвреден для окружающей среды.
- Двойная оболочка (герметизирующий экран и корпус двигателя) гарантирует особую надежность и соответствие требованиям по экстремальным условиям окружающей среды (испытание в солевом тумане).
- Благодаря внутренней циркуляции для охлаждения высокие наружные температуры (70°C) не являются проблемой и допустимы без снижения мощности двигателя.
- Благодаря абсолютной герметичности контакт хладагента с кислородом воздуха исключается. Вследствие этого защита оборудования от коррозии сохраняется на длительное время. Это способствует сокращению эксплуатационных расходов.
- Компактная конструкция при небольшом собственном весе обусловливает высокую плотность мощности. Для рельсового подвижного состава в отношении провозной способности и энергопотребления это обстоятельство имеет большое значение.

Чтобы можно было гарантировать готовность к эксплуатации, электронасосы с разделительной гильзой были подвергнуты серьезным испытаниям по обширной программе. Эта программа включала в себя:
1. Длительный режим работы: 10 насосов, до 4000 часов на каждый насос
2. Испытания на износ: кварцевый песок 5 г/л, зернистость 0,06 - 0,36 мм, 24 часа
3. Испытания коммутационной способности: 50 000 циклов включения , 60 включений в час
4. Испытания на ударную нагрузку / вибрацию: 5х”g” на 11 ч и 1х”g” на 200 ч
5. Длительный режим работы с водно-гликолевой смесью: Концентрация 1:1, температура перекачиваемой жидкости 80 °C, 12 месяцев
6. Испытания пускового режима при вязкости жидкости больше 1000 сСт
7. Испытания на внутреннее давление двигателя при четырёхкратном номинальном давлении (64 бар)
8. Испытания при частичной разгрузке статора
9. Испытания в непрерывном режиме при вертикальном монтаже, 12 месяцев
Все испытания завершились успешно.

Электронасос с разделительной гильзой и синхронными двигателем в соответствии с Директивой ЕС 94/9/EG

Электронасосы с разделительной гильзой с давних пор успешно применяются в промышленности и в технологических процессах. Решение в пользу этого типа насосов часто принимается благодаря высокой надежности, в частности отсутствия утечек, несмотря на сравнительно невысокий КПД привода. После почти полного исчерпания потенциала оптимизации асинхронного двигателя инновационный прорыв стал возможным лишь путем изменения концепции привода. Более того, регулирование частоты вращения должно приводить к повышению КПД по сравнению с обычным асинхронным двигателем. Приводом, объединяющим в себе все преимущества, направленные на повышение КПД, является привод с синхронным двигателем. В противоположность асинхронному двигателю ротор синхронного двигателя не имеет "клетки". Вместо токоведущих стержней применяются постоянные магниты, которые уже используются в насосах с магнитной муфтой. Такие постоянные магниты отличаются от обычных известных магнитов в основном чрезвычайно мощной силой притяжения магнитных материалов. Мощность самарий-кобальтового магнита обеспечивает электродвигателю с разделительной гильзой высокий крутящий момент. Этот момент, умноженный на расчетную частоту вращения 4500 об/мин, создает на валу такую мощность, которая была недостижима для асинхронных двигателей данного типоразмера. Таким образом, синхронный двигатель в сравнении с асинхронным двигателем одинакового типоразмера выходит победителем в категории удельной мощности, представляющей из себя частное от деления выходной мощности на монтажный объём агрегата. Другими словами - при одинаковой мощности синхронные двигатели имеют значительно меньшие размеры. Так, например, двигателем типоразмера 90 генерируется мощность свыше 11 кВт при расчетной частоте вращения. Поскольку разумное конструктивное решение позволило обойтись без значительных изменений геометрических размеров, концепция привода отлично вписалась в существующую модульную концепцию, так что насос внешне ничем не отличается от насоса с и асинхронным двигателем. Со стороны проточной части появилась возможность, благодаря высокой частоте вращения, сократить строительные размеры и получить то же значение Q/H, которое возможно при использовании асинхронного двигателя. Таким образом, стало возможным охватить 12 типоразмеров насосов с асинхронным двигателем 8 типоразмерами с синхронным двигателем. Это весомый вклад в стандартизацию. Если используемая проточная часть обладает хорошим кавитационным запасом, то, как было доказано в 150 случаях, только в одном случае было превышено существующее значение NPSH установки. Для работы синхронного двигателя необходим преобразователь частоты, в том числе для запуска. Дополнительные расходы на приобретение электронного блока компенсируются экономией за счет уменьшенного типоразмера проточной части насоса из нержавеющей стали и типоразмера двигателя. Таким образом, заказчик получает регулировку частоты вращения своего высокоэффективного агрегата почти бесплатно. В настоящее время, когда такие понятия, как "совокупная стоимость собственности" и "экономия за весь срок службы" очень актуальны, этот фактор является решающим при минимальных расходах на электроэнергию в сочетании с максимальной надежностью в эксплуатации и гибкостью взрывозащищенного электронасоса с разделительной гильзой.

Насосы с магнитной муфтой для акриловой кислоты

Перекачивание акриловой кислоты является критическим, в частности, из-за склонности кислоты к полимеризации. Проблема усугубляется почти мгновенным протеканием реакции, причем процесс полимеризации может быть вызван незначительным повышением температуры. Путем стабилизации метанолом можно перевести кислоту в некритическое состояние. Однако метанол нежелателен в продукте и поэтому может применяться лишь в ограниченной мере. Чтобы предотвратить полимеризацию в зоне подшипника скольжения насоса с магнитной муфтой от повышения температуры в этой зоне, необходимо конструктивными мерами повысить проток. Однако из-за этого не должна снижаться несущая способность подшипника, что еще часто встречается при таком применении в зоне смешанного трения. Одной из мер повышения протока в подшипнике может быть увеличение зазора подшипника. Однако, как однозначно показали опыты, это приводит к ухудшению несущей способности подшипника скольжения, особенно в зоне смешанного трения. Если применяются многовкладышные подшипники, проток несколько увеличивается. Однако, поскольку радиальное усилие при изменение рабочей зоны действует в большом угловом диапазоне, существует непосредственная угроза, что вращающиеся вкладыши подшипника будут соприкасаться с кромками поверхностей скольжения сегмента подшипника. Вероятность отказа подшипника в таком случае высока. Наилучшее пятно контакта в сочетании с хорошим протоком и, соответственно, с меньшим повышением температуры достигается путем непосредственного подвода перепада давления насоса к подшипнику скольжения, что было впечатляюще подтверждено экспериментами. Насосами в таком исполнении уже оснащено несколько акриловых установок, которые успешно работают в течение двух лет. В некоторых областях химических и других технологий наблюдается тенденция к применению установок с небольшими объемными расходами и, следовательно, к переходу на менее мощные насосы. Особенно в Центральной Европе намечается тенденция к переработке и производству малых количеств ценных продуктов и отказу от массового производства дешевых веществ. Очень часто в таких случаях применения используют центробежные насосы, работающие с неполной нагрузкой с малой подачей, что не оказывает отрицательного влияния на эксплуатационную надежность и безопасность, но приводит к повышенному расходу энергии. Альтернативой являются малые многоступенчатые центробежные насосы, номинальная подача которых находится в нижнем диапазоне, при этом возможна работа в наилучшей рабочей точке характеристики, а напор можно регулировать путем изменения числа ступеней. Эти многоступенчатые насоса могут работать при использовании интеллектуальной модульной системы с точно таким же герметичным приводом - т.е. двигателем с разделительной гильзой или с магнитной муфтой, - как и одноступенчатые центробежные насосы.

В настоящей статье представлены герметичные насосы, область применения которых должна покрывать широкий диапазон суммарных нагрузок. Это может потребовать конструктивную адаптацию, например, при работе с акриловой кислотой насоса с магнитной муфтой, вследствие специфических свойств перекачиваемой жидкости. С другой стороны, с помощью продуманных решений могут быть выполнены также экстремальные требования применения без отклонений от стандартного исполнения. Примером может служить насос хладагента для рельсового подвижного состава. То, что новая концепция привода позволила совершить инновационный прорыв, показывает синхронный двигатель для взрывозащищенных электронасосов с разделительной гильзой. Благодаря этому в высокопрочной оболочке обеспечивается КПД, намного больший, чем у стандартных двигателей с разделительной гильзой. И при этом, не выходя из модульной системы и не усложняя детали. В качестве составного компонента модульной системы в заключение были описаны многоступенчатые центробежные насосы, используемые для небольших величин подачи. Фирма KSB AG работает в тесном контакте с Некоммерческим партнерством «Сертификационный Центр НАСТХОЛ», которое постоянно проводит работы как по сертификации насосов и арматуры производства KSB AG, так и оценку возможности их применения в потенциально опасных производствах – для получения разрешения Ростехнадзора. Это сотрудничество позволяет KSB AG поставлять в Россию только сертифицированную продукцию, имеющую все необходимые разрешения.