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    選擇處理粘性流體的水泵設備時需考慮的因素

     

    在選擇處理粘性流體的水泵設備時,需要考慮許多因素:1.什么是粘性物質?2.泵體溫度,3.吸入管道的尺寸,4.泵的端口尺寸,5.降低的泵速與流量,6.排放管道的尺寸,7.額外間隙,8.效率,9.泵的選擇。

    在處理稀薄流體時,很少需要詳細考慮這些因素。在遇到與粘性流體有關的應用時,往往會忽視這些因素的重要性。忽略一個或多個此類因素,可能會造成安裝裝置無法達到預期效果,例如會產生低流量、噪聲、馬達過載等。 
    1.什么是粘性物質?

    “粘性”僅僅是一個相對術語。明智的做法是首先定義粘度(一個可計量的流體特性),以便討論某些與之相關的術語與單位,從而確定在威肯泵中所使用的術語“粘性”的含義。

    粘度是流體中相鄰顆粒間運動阻力的衡量指標;或許更為簡單的定義為:

    粘度是流體流動阻力的衡量指標。粘度常常表示與“粘性”相同的含義。通常這是正確的,但是并不總是正確。粘性是粘附現象的表現,是兩種異性表面粘著在一起的能力,例如邦迪創可貼粘住皮膚或蛋殼。另一方面,粘度是凝聚力的衡量指標,是同性表面粘著在一起的能力,例如與自身粘合的摩擦帶或Saran保鮮膜。

    粘度可以用多種單位表示,在泵的術語中最常用的單位是賽波特通用秒(SSU)與厘泊(Cp)。在流體的粘度等于或大于#2燃油的情況下,SSU是威肯泵的專用單位。厘泊用于粘度較小的流體,例如丁烷、丙烷與氨。在特殊應用條件下,威肯泵的粘性流體具有750 SSU或以上的粘度讀數。

    工程設計章節510威肯通用產品目錄的510.6頁上顯示了各種粘度單位的換算系數與換算圖表。在510.9頁以及520章節的流體列表中,顯示了大量常見流體的粘度。

    威肯冶金實驗室配備了下列類型的粘度計,可以精確地確定提交測試的流體樣品的粘度:布氏粘度、賽波特通用粘度、賽波特-傅洛粘度與蔡恩粘度。若需執行精確的粘度測試,則至少需要提供一品脫的流體。若需要對流體進行精確測試時,請務必提交至少一夸脫清晰地貼有包括識別名稱、公司參考以及所需測試類型標簽的樣品。請索取表格#876。

    在處理粘度處于“粘性”范圍的流體時,會遇到下列術語:牛頓、觸變性、膨脹性、層流。讓我們來確定這些術語的含義。

    牛頓:牛頓流體是在指定溫度下,無論剪切速率如何,都具有恒定粘度的流體。大多數純凈流體與大多數油料都是牛頓流體。在標準ASTM粘度圖表上繪制粘度與溫度關系圖時,牛頓流體具有直線關系。章節510的510.21頁上的粘度圖表顯示了標準牛頓型流體的曲線類型。

    觸變性:觸變性流體是隨著剪切速率增大,粘度降低的流體。值得關注的強觸變性趨勢的流體相對較少,但這的確提出了特殊的問題。標準的觸變性流體為各種乳化液、某些類型的工業“橡膠粘合劑”與蕃茄沙司。蕃茄沙司的觸變性特性造成它難以開始流動,但是一旦開始流動,卻又難以停止。換而言之,它移動得越快,就會變得越稀薄。在討論其他因素的過程中,將回顧與處理觸變性流體相關的問題。請參見第11頁。

    膨脹性:膨脹性流體是粘度隨著剪切速率增加而增加的一種流體。在選擇泵時,很少會出現膨脹性問題,但一旦出現流體膨脹性,流體即可能在泵的內部變得極為粘稠,因此會出現難題。淀粉與粘土會表現出一定程度的膨脹性特性。

    層流:目前已對流體顆粒通過各種管道系統時的流動模式進行了大量研究。已確認的兩大明顯的流動模式為:(1)紊流與(2)層流。當稀薄流體以相當快的速度流過系統時,一般會出現紊流。流體顆粒的流動模式是完全隨機且不可預測的,請參見圖1。粘性流體很少會遇到紊流現象當稀薄流體以極慢的速度移動或幾乎所有的粘性物質都在移動時,會出現層流。流體顆粒的流動模式是一直線,請參見圖2。在管道的直徑方向上,顆粒的流動速度不同,沿著管壁流動的顆粒的移動速度極慢,而處于管道中心的顆粒移動較為迅速。這可能會造成通過管道移動的流體出現一系列的中心環,請參見圖3。

    實際上,所有的粘性流體壓降與管路損失計算都涉及層流圖,請參見工程設計章節510.13頁的圖10。

    2.泵送溫度:
    在不指定流體處理溫度的情況下討論涉及粘性流體的應用,就像是看醫生時,告訴醫生你發燒了;雖然醫生知道你生病了,但是他無法了解嚴重程度,除非你告訴他你的體溫。
    幾乎在所有情況下,流體的粘度都與溫度的變化趨勢相反。隨著溫度的升高,粘度會下降――反之亦然。

    不幸的是,粘度與溫度并不按照1比1的比例關系變化;溫度變化1°,粘度變化將大于1 SSU。各種流體粘度的變化量隨著溫度的變化有所不同。某些流體的粘度變化可能會在5℉時達到20%至30%。溫度變化對粘度影響的最顯著的示例之一就是  當發動機冷卻時,汽車中的機油粘度增加。在冬天的低溫氣候中,應使用較輕或粘度較低的馬達油,這樣在啟動時粘度的變化不會太明顯。

    圖4是ASTM粘度圖表的一小部分。這些圖表的垂直(對數)刻度表示粘度(單位:SSU),而水平(線性)刻度表示溫度(單位:℉)。在粘度圖表上的曲線是#20潤滑油、甘油、76°白利度糖液與糖蜜的標準曲線。不同的斜率表示各種流體的粘度隨著溫度的變化而具有不同的變化率。在80℉時,糖蜜的粘度為20,000 SSU,請參見圖4。

    提高大多數流體的溫度,從而使流體的粘度低于或處于粘性流體范圍下限部分。如果升高溫度造  成的問題比高粘度物質更易輸送流體,則可以采取此做法。

    可以使用許多種方式提高流體容器的溫度,達到更易于處理流體(即降低粘度)的溫度點。蒸汽盤管是用于轉移熱量的最古老的形式之一,目前仍在廣泛運用,但其受到系統可以承受的最大蒸汽壓力的限制,最大溫度一般為300-400℉。

    近年來,越來越多地應用換熱流體(而不是蒸汽)作為熱轉換介質的換熱裝置。由于這些裝置可以在處于或接近大氣壓力的情況下使溫度升高幾百度,因此很快地被接受了。在某些應用中,通常是在涉及少量流體的應用,使用電阻型浸入式加熱器取得了令人滿意的效果。
    熱源在容器或的位置尤為重要。

    熱源在容箱中應當盡可能處于較低的位置,這樣通過自然循環最終可以提高整個流體容箱的溫度,達到所需的水平。

    由于提高某些粘性流體溫度的優勢十分明顯,因此泵本身有必要具有承受熱量的能力。
    兩點原因如下:
    關閉時,如果允許泵中的流體冷卻至環境溫度*,則它會自然地變得更具粘性,這就需要進行預熱。啟動時,這一高粘性的物質將造成皮帶滑動、馬達斷路器跳閘,還可能造成泵零件破裂。為了允許預熱,威肯提供三種經過專門設計、具有夾套零件的泵系列。

    *環境指所有四周環繞物;因此,環境溫度就是泵的四周環繞溫度。一般情況下,環境溫度等同于室溫。 

     這些系列為配備夾套泵頭、泵體與轉子軸承座套的34系列標準型泵;配備夾套泵頭與支架的225與4225系列;以及配備夾套泵頭與泵體的724與4724系列重型合金泵。這些夾套泵設計與蒸汽或高溫油一起使用。在威肯通用產品目錄的夾套重型與合金泵章節中,給出了對夾套中流體的溫度與壓力限制?梢允褂秒姲闊峄蛘羝苈防p繞這些泵。某些設備采用加熱燈,將它懸掛在泵的上方,獲得一定的優勢。

    其次,在泵預熱后,系統在一定溫度下運行,泵繼續保持供熱狀態,以便降低流體到泵的熱損耗。具有各種金屬暴露表面的泵可以通過傳導、對流與輻射散發大量的熱量。這將在使用少量流體的系統或再循環系統中造成特別棘手的難題。在許多情況下,將泵本身保溫,以便降低熱損耗。請參考章節520.21“熔融硫磺”產品目錄流體列表。

    在停止運行期間,系統管道中流體的粘度會增大。通過采用小型蒸汽管路保溫管道*,或使用電熱帶包裹管路,可以解決這一問題。在熱損耗較為嚴重的情況下,建議對管道系統進行絕緣。

    *采用蒸汽保溫管道系統,一般是指在管道系統上連接一條小型蒸汽管路,旨在利用蒸汽管路的熱量提高系統管道中的溫度。通常情況下,將系統管道與系統保溫管路封閉在常用保溫夾套中。 

     為了避免在加熱泵或管道達到所需溫度時產生問題,避免管道段之間出現污染,或清除可能在系統中堆積或硬化的流體,可以配備某些設備,以便使用蒸汽、高溫水或溶液通過管路進行沖洗,清除粘性物質。在選用足量適當清洗液的某些情況下,可以采用本規程。在長期連續沖洗時,特別是在使用蒸汽進行沖洗時,應當適當在泵周圍設置一條旁路,以避免出現以下問題:
    (1)防止沖蝕與磨損問題――使用外部壓力潤滑;
    (2)如果采用蒸汽清洗系統,特別是在通過排放管路進行清洗的情況下,這可能會造成泵反向作用。如果出現這種情況,泵將作為渦輪工作,導致驅動設備超速,從而會損壞設備和馬達。如果泵未設置旁通,則應需要采取準備措施,以便在泵作為渦輪工作和加速驅動設備的情況下,實現“超速關閉”。

    請參考TSM-000版本C第8頁的操作注#7。

    在高于300℉時處理粘性流體,有必要基于流體能承受熱量的能力來考慮物質結構。工程設計章節510的510.19與510.20頁提供了一些關于在高溫下使用的材料的一般建議。

    在大多數行業中,最常用的溫度指標單位為華氏度。威肯專門使用華氏溫標。大多數的化工廠使用攝氏度。從攝氏到華氏的轉換方法為:攝氏9/5度+32=華氏度。其中的差異十分重要,特別是在處理粘性流體的情況下。攝氏70度的溫度為華氏158度。在考慮其他因素前,務必采用華氏度表示應用的溫度。
     
     
    3.抽吸管道:
    有一種古老的說法是“如果你無法把流體送入泵,就無法抽吸流體”。對于所有流體而言這個說法是真理,而對于粘性流體則更是如此。若要了解選擇適當抽吸管道口徑的相關問題,有必要知道促使流體通過管道流動的原因,還應知道阻止流動的原因。

    考慮在需要傳輸粘性流體的應用中使用泵時,至少有三種可能適用的壓力源可以使流體從容箱或源頭通過抽吸管道流動到泵的抽吸端口。

    這些壓力源是:流體表面的大氣壓力、泵抽吸端口上方的流體抽吸壓頭以及某些對流體施加壓力的機械方式。在流體移動到泵的抽吸端口前,所有設備都必須至少有其中一種壓力源。大多數設備都具有兩種壓力源――大氣壓力與吸入口壓頭。

    (A)大氣壓力――暴露流體表面上的大氣壓力大約為14.7磅/平方英寸;指定安裝中的具體數值取決于其海拔。14.7磅/平方英寸的壓力中有多少可以用于將流體移動至抽吸端口取決于泵的真空量。如果泵能夠形成理想的真空,則14.7磅/平方英寸壓力全部可供使用。請參見圖5,獲取不同壓力與真空度的比較。
    (B)抽吸壓頭――在可能的情況下,在處理粘性物質的設備中,都應在泵中心線上方幾英尺處安裝正向吸入口壓頭。請參見圖6,在具有吸入口壓頭的情況下,可以向流體施加壓力,使其流入泵的壓力大小是流體的比重與壓頭(單位:英尺)的函數。  泵、驅動裝置與馬達,并造成損害。

    限制完整利用由上述壓力源提供的壓力的因素是:泵的真空量不理想、抽吸高度、供給箱中的流體水平低于泵的中心線以及管道摩擦損耗。

    (a)泵的真空量--在多種可選用的泵中,容積式泵由于具有緊動公差,是可以形成真空的最佳選擇之一。容積式泵形成真空的能力取決于幾個因素。它可以通過增加粘度得到提高――達到一定極限――并受到額外間隙作用而減小。
    為了獲得良好的泵性能,一般建議在泵抽吸端口的真空不得超過15英寸汞柱。選擇該數值時,應考慮上述因素,并確保令客戶滿意的性能。威肯泵通?梢孕纬纱蟠蟪15英寸汞柱的真空;隨著真空的增加,最終將達到容積效率受到不利影響的點。保持正常容積效率時的最大真空實質上是表示必要凈值正向抽吸壓頭NPSHR的一種方式。如需關于NPSH的更多信息,請參考AD-6與AD-19。

    如果為了確保良好的泵性能而采用上述參考的15英寸汞柱作為實際最大真空,則從大氣壓力中僅可使用7.4磅/平方英寸(15英寸汞柱)來施加壓力迫使流體流入泵。
    (b)抽吸高度――如果將泵安裝在流體的上方,則泵實際上必須將流體“提升”到抽吸端口,請參見圖7。 為了確定壓力(單位:磅/平方英寸),可以用比重乘以壓頭(單位:英尺),再乘以0.433。例如,如果有一段10英尺的垂直剖面管道中充滿了比重值為1.42的糖蜜,則對管道底部所施加的壓力應為1.42乘以10,再乘以0.433,結果為6.15磅/平方英寸。
    (C)施加壓力的機械方式――在某些應用中,通過施加壓力迫使流體流過抽吸管道的麻花鉆、螺桿輸送機、磨床、混合器或攪拌機。在復雜應用中,空氣壓力會被輸入到封閉容器中的流體頂部,迫使流體流過抽吸管道。清空容箱后,立即關閉空氣壓力。單獨的空氣會加速 
    泵中可供使用的7.4磅/平方英寸(15英寸汞柱)部分用于將流體實際提升到抽吸端口。這將減少用于克服管道中損失的壓力量。因此,需要將泵安裝在流體源頭的下方(參見圖6),從而流體移動到泵中的部分壓力將不會實際提升流體。

    (c)管道摩擦――在處理稀薄流體時,抽吸管道中的管道摩擦損失較低,通常不會產生難題。但這并不適用于處理粘性流體的設備。在這種情況下,由于缺乏適當的考慮,管道摩擦損失通常導致不令人滿意的安裝情況。流體在流經管道時,壓力會隨著流體流動而下降。流體越具粘性,通過相同直徑與長度的管道時產生的壓降就越大。圖8顯示了在威肯通用產品目錄510節中所包含的“管道摩擦造成的壓力損失”表格的一部分。

    對于25加侖/分鐘的20,000 S.S.U.流體在流過2 1/2英寸管道時,圖8顯示了每英尺管道0.80磅/平方英寸的壓降。從圖8中所獲取的壓力損失數值務必要乘以所抽吸流體的比重值。 

     25加侖/分鐘的40,000 S.S.U.流體流過2 1/2英寸管道時產生的壓降為每英尺管道1.6磅/
    平方英寸。對于粘度為20,000 S.S.U.的物質,壓降為每英尺管道0.80磅/平方英寸。因此,如果粘度加倍,則相同流量的流體在通過相同尺寸的管道時產生的壓降也加倍。

    在圖8上查看50加侖/分的壓降數值時,20,000 S.S.U.流體在通過2 1/2英寸直徑管道時產生的壓降為1.6磅/平方英寸。這是25加侖/分的20,000 S.S.U.流體在通過相同的2 1/2英寸管道時產生的0.80磅/平方英寸壓力損失的兩倍。因此,如果流量加倍,則相同粘度流體在通過相同直徑的管道時產生的壓降也加倍。

    相同流量與粘度的流體通過不同尺寸的管道時的壓降研究表明,管道尺寸增大時,損失明顯降低。兩種管道尺寸之間的壓降按照直徑的四次方的比值成反比變化。例如,2 1/2英寸的四次方與4英寸的四次方的比值為39比256。該比值乘以25加侖20,000 S.S.U.流體通過2 1/2英寸管道時的壓降(0.80磅/平方英寸),等于0.12磅/平方英寸,這約等于0.11磅/平方英寸,即如圖8中圖表所示的25加侖/分鐘的20,000 S.S.U.流體通過4英寸管道時的壓降。 

     由此可知,改變管道尺寸對于壓力損失具有極為重要的影響。如需降低指定設備的壓力損失,與嘗試降低粘度或流量相比較,增大管道尺寸一般較為簡便,成本也較低。

    為了確定管路中的壓降而計算管道長度時,在威肯中的正常做法是在存在層流的情況下,一英尺管道應包含管道配件與閘門閥,而不是采用在處理紊流時所使用的“等效”長度,這種處理方法能取得了相當好的效果。

    為了說明在確定抽吸管道尺寸時有關的計算,可以假設一個位于泵抽吸端口上方10英尺和水平距離為20英尺的糖蜜供給箱。從這個供給箱中,糖蜜(比重值1.42)在80℉時以25加侖/分鐘的速率進行抽送。計算用于向泵中輸送糖蜜的壓力時,泵的真空量為7.4磅/平方英寸(15英寸汞柱),加上10英尺糖蜜或等效為6.15磅/平方英寸的抽吸壓頭。

    這可以確定可供使用的總壓力為13.55磅/平方英寸。30英尺的管道包括了一個彎管和一個閥門的余量。為了確定抽吸管道的正確尺寸, 
     
     用管道的總長度(30英尺)除以流體輸入泵的壓力(13.55磅/平方英寸)。計算得到的每英尺管道允許壓降為0.45磅/平方英寸。根據圖8,2 1/2英寸管道的壓降為每英尺管道0.80磅/平方英寸乘以比重值1.42,即壓降為每英尺管道1.14磅/平方英寸,這大大超出了允許值0.45磅/平方英寸。下一個較大的管道尺寸(3英寸)的壓降為每英尺管道0.35磅/平方英寸乘以1.42,即壓降為0.50磅/平方英寸,這仍然高于適用的0.45磅/平方英寸。

    因此,建議該設備采用的抽吸管道尺寸為4英寸。3英寸管道可能可以使用,但4英寸管道將使設備的性能與磨損期限標準點更加令人滿意,此外,也允許在不出現故障的情況下增加一定的粘度。 
     
    較大的端口不僅可以免除在泵上使用漸縮管配件的需求和避免對端口造成限制,而且在流體進入泵后,可以提供更平穩的流動,并可在泵的內部更好地填充齒隙。當抽吸管道尺寸最終僅比標準泵體法蘭尺寸大一號時,連接大一號的配對法蘭,以便可以連接抽吸管道。這將允許在無需安裝漸縮管配件的情況下,采用較大的抽吸管道與帶法蘭的標準泵體。

    對于易在節流口堆積的流體,例如冷脂,首選在大尺寸的端口套管配對法蘭上采用大端口泵體。 
     
      4.端口尺寸:
    對于涉及稀薄流體的應用,建議采用與泵的端口尺寸相同的抽吸管道尺寸。在處理粘性流體時,情況則的確有些相反。在許多情況下,抽吸條件將要求管道尺寸大于泵的端口尺寸。正確的做法是增大泵的端口尺寸,使其等于抽吸管道的尺寸,或至少盡可能接近其尺寸。

    對于重型泵,威肯具有許多帶有法蘭端口的泵體可供選用,其端口大于產品目錄型號中的標準尺寸。在通用產品目錄P600.3頁上列出了這些泵體。在通常情況下,可以增大特殊泵體兩個端口的尺寸,所以不會對泵體的使用產生限制,只需注意泵的旋轉方向或抽吸端口的位置。
     
     圖10顯示了一種采用超大尺寸端口的泵。將加壓漏斗安裝在抽吸端口的頂部。泵送物質與眾不同的性質要求采用這種特殊而又成功的布置。
     
    圖9顯示了采用14英寸抽吸端口與4英寸排放端口的“N”泵(在350轉/分鐘時額定600加侖/分鐘)。這種與眾不同而又極為成功的布置,顯示了在某些情況下為了使得流體能夠正確進入泵所必需的改造。在這種特殊的泵上,壓頭也經過特殊設計,可以利用增大的抽吸端口直徑的優勢,并可允許齒部可以承受更多的端部負載。
     
     
    5.降低的泵速與流量:

     

    在流體進入泵后,在流體中存在流動阻力,就像流體流過抽吸管道時的阻力一樣。隨著在流體中阻止流動的內部阻力變大(由于粘度增大),流體流動越來越慢。鑒于此,即使泵齒輪的分離形成接近理想的真空,在高于所形成的泵速的情況下,指定流體的流動速度也無法填充轉子與空轉輪齒之間的氣孔。如果輪齒之間的氣孔未被完全填充,則容積效率(所輸出流量與在輪齒氣孔充滿的情況下可以輸出的流量的比值)將開始下降。這還會使泵出現噪聲,導致泵過分磨損。

    大量實驗室測試所收集的數據,提供了關于容積效率迅速下降時關于速度的確切信息。通過這些測試,繪制了如圖11中所示的曲線。該曲線顯示了額定工作速度百分比與粘度(單位:S.S.U.)的關系。由于額定值下的不同圓周速度、不同端口布置、不同輪齒長度等所產生的泵尺寸與型號之間的差異,自然導致各種泵在一定程度上會偏離直線型曲線。然而,對于一般用途,曲線仍是極好的指南。

    威肯泵采用了容積式設計,所輸出的流量與速度之間接近正比關系。由于在處理粘性流體時,為了保持容積效率需要降低速度,因此,指定的泵的流量將低于額定值。從而在處理粘性流體時,需要使用的泵將大于處理稀薄流體時通常所采用的泵。通用產品目錄的工程設計章節510提供了泵尺寸選擇圖,
     

    即圖9,它顯示了對于各種流量與粘度所采用的正確的泵尺寸。下列的圖12顯示了類似框圖的一部分。對于在標準應用中所泵送的25加侖/分鐘的30,000 S.S.U.糖蜜,指示采用“K”尺寸的泵(請參見虛線的交點)。請注意,虛線的交點處于表示泵應采用“加硬結構”的框圖部分中。與“標準結構”泵的鑄鐵轉子相比較,“加硬結構”泵采用了鋼制轉子。鋼制轉子降低了轉子輪齒斷裂的可能性,在采用鐵制轉子處理粘性流體時,有時候會出現這種情況。
     

    6.排放管道:
    泵本身是形成迫使流體進入排放管道的壓力源。對于不同泵型號可以形成并仍可提供可接受的使用壽命的壓力,存在一定的限制條件。鑒于某些原因,首選采用指定的泵型,例如(1)立即可供使用;(2)類似于在工廠的其他地方已經投入使用的泵;或(3)類似泵型在類似應用中具有良好的經驗等,這就將自動確定可供使用的壓力量。 
     
     
     如果某種管道尺寸已經可供選用或空間非常寶貴,則可以根據環境確定排放管道的尺寸,并選擇可以形成系統所需壓力的泵。

    決定泵必須形成的壓力的主要因素是:(1)高程與(2)管道摩擦損失。形成流速水頭需要壓力,但是在層流或粘性流體中的流速較低,這一壓力要求非常小,一般無需考慮。

    1.高程――在此處所使用的高程是指它在一般情況下所指代的意義――高度的變化。雖然并非始終如此,但在通常情況下,輸出流體所在位置的排放管道端部位于泵的排放端口的上方。高度變化采用英尺為單位來表示。以英尺表示的數值乘以泵送流體的比重值,得到等效英尺水柱。英尺水柱乘以換算系數0.433得到以磅/平方英寸為單位表示的高程水頭。

    它通常被稱為“靜態排放壓頭”。即使在沒有流體流動在泵上也存在這一壓力,因此其被視為靜態的。有些應用的排放點低于泵端口的水平位置。例如,自身無法大量進行流動或卸載的粘性物質的傳輸或卸載,或者需要進行流量計量的設備。在這種類型的應用中,高程或靜態壓頭應減去泵為了克服摩擦而形成的壓力。

    2.管道摩擦――在因素3的抽吸管道中,對管道摩擦損失進行了相當詳細的討論。在確定排放管道的管道摩擦時,無論管道是否水平或垂直(包括向上與向下的垂直管道段),都應確定管路的全長。由于管道摩擦損失完全取決于管道的長度、管道的尺寸、流量與粘度,因此它獨立于管道的布置。對于層流而言,其通過配件時的損失較少,因此在確定管道長度數值時,通常忽略配件。威肯過去的做法是針對每個配件或閘門閥增加一英尺管道。如果設備所配備的彎管、球形閥等數量過多,則必須考慮通過配件時產生的損失;但對于 一般設備,每個管接頭或閥門增加一英尺管道的做法效果相當好。

    為了說明在確定正確的排放管道尺寸時的相關計算,可以考慮采用涉及泵送25加侖/分鐘的20,000 S.S.U.糖蜜(比重值為1.42)的標準應用。假設將泵安裝在地下室,而排放管道的開口端位于三樓。泵排放端口的高程為100.0英尺;排放管道端部的高程為150.0英尺。高程的差值為50英尺。垂直的50英尺距離提供的靜態壓頭為:50×1.42(比重值)×0.433,即為31磅/平方英寸。這是在不考慮流速的情況下,泵必須形成的壓力。

    排放管道(參見圖13安裝草圖)包括上述的50英尺垂直部分以及45英尺的水平管道段。
    確定管道摩擦損失時需要考慮的管道長度為50英尺的垂直長度、45英尺的水平長度以及三個彎管與兩個閥門各加一英尺的長度,總和為100英尺。

    對于2 1/2 英寸管道,25加侖/分鐘的20,000 S.S.U.流體(比重值為1.0)的每英尺管 道的管道摩擦損失為.80磅/平方英寸,對于3英寸管道為.35磅/平方英寸,而對于4英寸管道為.11磅/平方英寸。在考慮比重值為1.42時,這些損失的數值為:2 1/2英寸管道為每英尺管道1.14磅/平方英寸;3英寸管道為每英尺管道.50磅/平方英寸;4英寸管道為每英尺管道.16磅/平方英寸。

    泵的總壓力包括靜態壓頭(31磅/平方英寸)與管道摩擦損失。采用2 1/2英寸排放管道的泵壓力為145磅/平方英寸,采用3英寸管道時為81磅/平方英寸,而采用4英寸管道時為49磅/平方英寸。圖14以圖表形式顯示了如何確定這些數值。

    這些數字表明,如果泵的壓力限制為100磅/平方英寸,則至少需要采用3英寸的排放管道。這些數字還顯示了因某些原因而預先確定泵尺寸的情況下,泵應當形成的壓力。
    除了考慮泵壓力的限制以外,在選擇排放管道時通常還考慮當前可供選擇的管道。 
     
     
    在處理通過加熱而降低粘性的流體時,泵停止時管路應冷卻到室溫。這將增加殘留在管路中流體的粘度。粘度可能會增加到泵無法重新啟動輸送流體的程度。如果系統配備了壓力溢流閥,則在管路中啟動流動前,泵可能會形成足以打開閥門的壓力。冷卻在管路中的流體問題可以通過幾種方式克服:在操作循環結束時沖洗管路;加熱管路,調節管路的溫度;使系統連續工作;傾斜管路,進行排放。

    在泵的排放側的流體垂直壓頭處于可測量高度的情況下,在關閉過程中,可能會產生流體滲出泵或使流體倒流。如果抽吸管路保持打開狀態,而且流體的出口處于非預料位置,這將造成麻煩與困境。通過在系統中接近泵的位置安裝截流閥或單向閥,可以免除這種情況。
    幾乎所有的重型威肯泵在抽吸與排放端口中都配備了壓力表孔。建議在這些開口中安裝壓力表,以便可以注意正常的工作狀態,并對反常的工作狀態進行檢查和糾正,或至少進行說明。

    在選擇處理粘性流體的泵送裝置的位置時,務必牢記:通過排放管道“推動”流體比通過抽吸管道“拉動”流體更加簡便。
     
    在圖14中,管道尺寸的增加明顯地降低泵必須形成的壓力。泵所需要的馬力是所形成壓力的函數。電動馬達輸出的功率表明所使用電力。因此,排放壓力與泵送裝置工作成本具有直接的聯系。與材料和設備的額外投資相比較,由于采用較大的管道可以節約工作成本,通常將采用指定的管道尺寸。

    泵的磨損率或使用壽命也是排放壓力的函數。由于采用不同排放管道尺寸而在不同壓力下工作的兩個系統之間進行維護與生產損失的成本比較時,也常常指定排放管道尺寸的選擇。
    除上述方面以外,還需提及與排放管道相關的其他因素。

    在排放管路中采用截流閥的情況下,應當采取一些措施來保護泵。如果切斷排放管路,則容積式泵將立即累積壓力。這些壓力必須通過在泵上或在管路中的溢流閥,或通過關閉電源或切斷泵的驅動裝置的使裝置進行卸載保護。
     
     
    采用溢流閥或自動關閉裝置的方式,不存在損壞泵或驅動設備的危險。 泵兩側的管道應當得到良好的支撐。由于排放管道一般都比抽吸管道長,而且在某些情況下不能進行排泄,因此對排放管道進行良好的支撐具有雙重重要性。支架的定位應避免泵體受到應力。確保避免通過排放管道將應力傳遞到泵體的最佳方式之一是在排放端口上安裝軟性連接或安裝一段軟管。支架應當進行充分支撐,不僅支撐管道本身,還應支撐管道中的流體。圖15顯示了采用軟連接與良好支撐的設備。
     
     
    7.額外的間隙:
    威肯泵于1911年開發并投入市場后不久,在處理工作間隙大于相對運動零件之間正常間隙的某些類型的應用時,它的優點就變得顯而易見。它在泵內部的磨損更少。處理粘性流體時對馬力要求也降低了。

    處理粘性流體的泵所需要的功率中,有相當一部分被用于剪切相對運動的表面之間的薄膜。由于某些原因,如果這些表面之間的工作間隙越大,則剪切流體薄膜所需要的功率量就越小。對于高粘性的流體,額外的間隙有助于實現泵的平穩運行。此外,額外的間隙可以在不造成明顯損傷的情況下,允許少量的細小固體通過泵。

    為了建立和促進溫度與粘度所要求的額外間隙的一致性,威肯泵公司開發了內部齒輪泵的額外間隙標準,并將其增加到基本尺寸中。

    考慮額外間隙時,應當考慮五種不同的表面。這些表面是:(1)轉子的外徑(O.D.)與(2)轉子的內徑(I.D.);(3)惰輪的外徑;(4)襯套的內徑(惰輪與泵體、轉子軸承座套或托架)以及(5)零件端部之間。請參見圖16與17。
    在轉子外徑上的額外間隙將增大泵體內徑與轉子外徑之間的工作間隙;轉子內徑上的額外間隙將增大月牙體外徑與轉子內徑之間的間隙;惰輪外徑上的額外間隙將增大月牙體內徑與惰輪外徑之間的間隙;襯套內徑上的額外間隙將增大惰輪銷或惰輪軸與襯套內徑之間的工作間隙;
     
     由于額外間隙的優點是降低馬力,但又并未在實質上影響流量,因此此時的額外間隙被認為是適合該粘度的最優值。

    性能測試連續進行,確定了從750 S.S.U.至2,000,000 S.S.U.粘度范圍上的最優額外間隙。為了充分利用這些數據,并仍保持它能實踐應用于實際的泵零件,確定了八組間隙,以便覆蓋完整范圍的泵尺寸與粘度。在將轉子外徑上的額外間隙作為基礎的情況下,八組間隙的范圍為從.000英寸(最小值)至.040英寸(最大值)。

    對于處理25加侖/分鐘的30,000 S.S.U.糖蜜的K尺寸的泵,額外間隙將為:轉子外徑為.010;轉子內徑為.015;惰輪外徑為.008;惰輪襯套內徑為.004;托架襯套內徑為.002;額外端部間隙為.010。

    在處理觸變性流體時(請參見第1個因素中的觸變性部分),由于流體在泵的封閉配合零件之間受力時會出現“變稀薄”的趨勢,因此規定通常采用比表觀粘度較小的間隙。

    額外間隙主要用于處理粘性流體的應用,此外,也證明可有效用于合金泵,以降低高合金金屬的磨損趨勢,同時,還證明可有效用于高溫下使用的泵,以便補償泵零件膨脹率的差值。

    額外端部間隙增大了轉子齒部與頂蓋之間、惰輪表面與頂蓋之間、惰輪表面與轉子表面之間以及月牙體端部與轉子表面之間的工作間隙。因此,在以上所列舉的五種表面上所增加的額外間隙,可以在所有相對運動的零件之間增加工作間隙。

    為了確定在指定粘度下所采用的額外間隙的實際數值,在使除額外間隙以外的所有因素保持不變的情況下,進行了一系列的性能測試。在所有具有上述關系的五種表面上,按照小增量增加額外間隙,直到容積效率出現明顯下降。
     
     
     
     
    8.效率:
    在處理粘性流體時,一般情況下,將威肯泵減速,達到其形成90%或以上容積效率的速度。這在因素5降低的泵速與流量中進行論述。本段的討論限于機械效率――液壓馬力與制動馬力的比值――(磅/平方英寸×加侖/分鐘)/1715(驅動泵的馬力)。

    在因素7額外的間隙中,已經論述了剪切流體薄膜所需的功率。該功率對于指定應用實際保持不變,與泵的排放壓力無關。與在流體中形成壓力所需要的功率相比較,剪切流體薄膜所需要的功率較大,因此,在排放壓力較低的情況下,泵的效率相對較低。隨著排放壓力的增加,機械效率上升。請參見圖18。

    由于隨著流體粘度的增加,用于剪切流體薄膜的功率也增加,可以容易發現,在指定條件下,隨著粘度增加,泵的效率降低。
    圖18顯示了在不同壓力下,機械效率(單位:百分比)與粘度(單位:S.S.U.)的關系曲線。曲線明確表明了效率如何隨著壓力增加而提高,以及效率如何隨著粘度增加而下降。根據圖18,請注意,在標準應用(在80磅/平方英寸下的20,000 S.S.U.流體)中所采用的“KK”泵的效率約為34%。圖18中的曲線極為普遍。更好、更精確地確定效率與馬力的方式是采用通用產品目錄中的泵性能曲線。(實際的研發測試結果)。
     


    9.泵的選擇:
    威肯的通用產品目錄510節(工程數據章節)包括了標題為“簡單10步正確選擇威肯泵”的部分。在選擇威肯泵時,必須遵照這些步驟。在AD-3中所討論的大部分因素都是“簡單10步”中各個要點的詳細說明,并特別注意粘性流體的應用。

    除了“簡單10步”與AD-3中所討論的因素以外,為了確保粘性流體的應用,應盡可能地選擇最適合的泵,還應當注意考慮許多其他因素。這些考慮因素應當包括:( 1)操作周期。泵是否連續運行,每天8小時運行或根據偶爾的輸送任務而運行?(2)系統壓力。 系統是否處于高真空或壓力下?(3)溢流閥的類型。內部、回流到供給箱或在管線中?(4)軸封。填料、機械密封或其他。(5)流體的性質。磨蝕性、污濁、無法承受污染、應緩慢移動等。(6)端口的位置與類型。水平、垂直、抽頭、帶法蘭或其他。(7)驅動裝置。電動馬達、汽油發動機或其他。

    通用產品目錄章節510的最后兩頁為應用數據表。結合“簡單10步”查看的完整的應用數據表、AD-3中的論述與個人經驗將有助于威肯員工為粘性流體的應用選擇良好的泵。 
     
     
     

     
     

     

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