离心式桶泵特性及流量调节

[研究设计]:20090531;:20090603:卢晓江(1960),男,江苏仪征人,天津科技大学机械工程学院教授,主要从事流体流动与装置方面的研究。È,(天津科技大学机械工程学院,天津300222):从离心式桶泵的结构入手,,。,,。当泵转速低于临界值时,无流量输出。流体粘度较高时,流量随转速的提高而增加的速率明显减小。:化工机械;离心式桶泵;工作特性;流量:TQ051.2:A:10052895(2009)06002003OperationalCharacteristicsofCentrifugalBarrelPumpsandAdjustmentofFlowLUXiaojiang,LIHuipu(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300222,China)Abstract:Startingwiththestructureofbarrelpumps,thepaperanalysedtheoperationalcharacteristicsofbarrelpumps.Theflowunderdifferentrotationalspeedandviscositieswereexamined.Experimentalresultsshowthatforhighviscosityfluid,thereexistsacriticalrotationalspeedofbarrelpumps,whentherotationalspeedislowerthancriticalvalue,theflowofbarrelpumpiszero.Forhighviscosityfluid,theflowofincreasingratewillobviousreducewithspeedincreasing.Keywords:chemicalengineeringmachinery;centrifugalbarrelpumps;operationalcharacteristics;flow1桶泵是一种轻便实用的桶装液体输送工具,可将桶装液体输送到生产流程中,分装到其他容器里或直接计量输送,并与其他液体按一定比例进行混合。使用桶泵输送液体可显著降低劳动强度,提高生产效率,减少物料浪费。尤其适合于抽送腐蚀性强,有毒有害、易燃易爆等危险液体。离心式桶泵与用压缩空气驱动的隔膜泵相比,在抽取桶装液体方面,效率更高,更便于移动和安装,使用维护费用更低[1]。在用于计量输送时,为保证供料的准确,通常需要调节泵的流量。对于离心式桶泵,流量的调节通常可采用2种方法:一是通过改变出口,调节阀开度,从而使输送管路特性发生变化,达到调节流量的目的;二是通过改变泵转速,使泵的特性曲线改变,从而改变流量。采用调节出口阀开度的方法,快速简便,是一种常用的流量调节方法。但当阀门开度变小时,不仅增大了管路系统的流动阻力,而且使泵的效率下降,同时,很容易造成阀门连接管路的结垢和堵塞,严重影响供料的效率和速度,降低计量精度[2]。从使用维护角度看,管路的长期堵塞,会造成清洗的困难,需要逐个的拆卸下来清洗,带来不必要的工作负担。改变离心式泵转速不会造成管路特性曲线的变化,在一定范围内可使泵保持在高效区工作,能量利用较为合理,同时可避免管路堵塞等现象[3]。随着变频技术的发展和广泛应用,采用变频技术变速,控制桶泵排料流量是一种较为理想的方法。采用变频调速不但能实现无级调速,而且根据负载的特性不同,通过适当调节电压和频率之间的关系,可使电动机始终运行在高效区,并保证良好的动态特性[45]。只要桶泵的负载功率与变频器的输出功率做到最佳匹配,就既提高了工作效率,又达到了节能的效果。第27卷第6期2009年12月LightIndustryMachineryVo.l27No.6Dec.2009本文研究以美国FTI的BTS3桶泵为对象,介绍了桶泵的工作特性,通过实验测定了不同转速下桶泵流量的变化。分析了泵流量及桶泵转速之间的关系及液体的黏度的影响,以期为变频调速供料调节提供必要的理论依据。图1BTS3桶泵结构2BTS3美国菲尼斯汤普森公司(FinishThompsonInc.,FTI)出产了BTS3桶泵。FTI产品的特点是:FTI离心式桶泵采用高强度的耐腐蚀材料,包括:高强度不锈钢和塑料,特别适合强腐蚀液体的输送,如:强酸,强碱,化学废水/污水,主要用于化工,电子,电镀,污水处理等行业。FTI产品中的BT系列桶泵,适合于高黏度液体以及需要较高扬程的场合,如聚合物,粘合剂,油,树脂等。BTS3桶泵的结构如图1所示。泵轴上设置3个排料叶轮,通过叶轮的旋转使液体获得能量,静压增高,流速增大,从而以一定的流速上升,通过3个叶轮的连续作用可使液体被提升到出口的高度,并产生一定的静压头。图2为BTS3桶泵的特性曲线。对不同黏度的液体,由于黏性阻力的影响,泵的特性曲线将发生改变。随着黏度的提高,泵的扬程随流量下降速率明显增大。3流量变频调节实验装置如图3所示。实验测试系统采用PLC、变频器调节桶泵的电机转速,从而调节流量;泵流量采用称重法测定。PLC通过模拟量输出模块控制变频器,变频器控制泵来输送粘性流体到秤斗内,同时PLC通过带有PROFIBUSDP接口的称重显示仪表采集实时的重量值,将反馈值与目标值进行比较,计算出偏差。PLC根据偏差实时控制流体的流速。实验对高黏度(1.5Pas)的流体和纯水进行了不同转速下的流量测定,结果如图4所示。根据离心泵的比例定律,转速的变化不仅会改变(下转第25页)21[研究设计]卢晓江,等离心式桶泵特性及流量调节OH间容易发生聚合反应,产生新的结构,导致纳米材料更易产生团聚,最终会影响涂料的品质(见图8)。为了打碎这些团聚作用,需要极强的机械能。高剪切湍流作用和定转子间隙的摩擦碰撞相比,空泡溃灭瞬间产生的冲击能量更巨大,更容易打破羟基作用。图8团聚二氧化钛颗粒电镜图团聚后的二氧化钛颗粒半径仍然远小于空泡初始半径(一般为1~10m),空泡溃灭同时使这些颗粒获得极大的速度提升(100m/s以上),在通过齿隙时的摩擦碰撞更加激烈。与常规的剪切、摩擦碰撞等作用力相比,空化的特点在于瞬间(5ms左右)爆发出高能量,从而获得了细度更小的颗粒。越小的颗粒越容易被分散,助剂、有机表面活性剂、偶联剂包裹,稳定性越高。尽管空化作用并不能均匀地传递到物料之中,但对于水基涂料而言,部分较细颗粒仍然能够较好地提升产品品质(如光泽、白度)。4本文对高剪切分散装置中空化性能进行了分析,得出了转速是影响空化初生的最显著要素,并且在6000r/min以上时,效果的提升尤为明显。对于团聚颗粒,为了打破团聚,需要克服分子间的吸引力,特别是对于纳米级的团聚颗粒,仅靠普通的机械能是不够的。空泡溃灭的瞬间冲击能量对于这类分散更具优势。:[1]BRENNENCE.Cavitationandbubbledynamics[M].NewYork:OxfordUniversityPress,1995.[2]BALDYGAJ,ORCIUCHW,MAKOWSKIL,eta.lBreakupofnanoparticleclustersinhighsheardevices[J].ChemicalEngineeringandProcessing,2007(46):851861.[3]孙锦,张裕中.基于剪切技术的重油乳化过程三维流场数值模拟[J].北京化工大学学报:自然科学版,2008(3):7882.[4]浦广益,范本隽,张裕中.高剪切均质机转子的力学性能分析[J].轻工机械,2005,23(1):3537.[5]SINGHALAK,VAIDYAN,LEONARDAD.MultidimensionalsimulationofcavitatingmodelofflowusingaPDFmodelforphasechange[C].Vancouver,Canada:ASMEFEDMeeting,1997.[6]李子丰.空化射流形成的判据和冲蚀原理[J].工程力学,2007,24(3):185188.[7]倪汉根,何子干.空泡溃灭冲击波对流场携带颗粒的作用[J].大连理工大学学报,1994,34(6):728731.(上接第21页)泵流量,同时也将改变出口压头[6]。从实验结果可以看出,当转速低于某一临界值时,泵基本无流量输出,说明在低于该转速下,流体通过底部排料叶轮作用而产生的扬程不足以克服流体阻力,而将流体泵送至中间排料叶轮,因此流体无法排除。当泵的转速超过临界值后,流量随转速的提高而增大,特性曲线呈线性关系,但比例系数明显低于水的特性曲线。选用可调速的桶泵,利用变频调速技术能够实现高粘性原料的无级供料,有效地保证了供料速度的可调节性。桶泵的负载功率与变频器的输出功率可做到最佳匹配,以提高了工作效率,又达到了节能的效果。41)通过调节桶泵的转速,可方便准确地调节流量;2)转速对流量的改变受被输送流体粘度的影响。流体粘度较高时,流量随转速的提高而增加的速率明显减小;3)对于高粘度流体存在一个转速临界值。当泵转速低于临界值时,无流量输出。:[1]美国菲尼斯汤普森公司.桶泵[M].宾夕法尼亚州:美国菲尼斯汤普森公司,2006.[2]柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热[M].北京:化学工业出版社,2000.[3]谭天恩.化工原理[M].北京:化学工业出版社,1984.[4]刘吉仿,李伟力,程树康.异步变频电机发展综述[J].微电机,2007,40(6):7679.[5]肖宇,方攸同,刘壮.变频驱动异步电机绝缘可靠性和轴电流影响[J].轻工机械,2008,26(2):6468.[6]约翰芬莫尔E.流体力学及其工程应用[M].钱翼稷,周玉文,译.北京:机械工业出版社,2006.25[研究设计]陈品磊,等高剪切分散装置内空化效应的研究