Введение
Тип ротационного насоса вытеснительного типа. Насос с жидким кольцом – это вращающийся насос вытеснительного типа для газов, в котором жидкость, находящаяся под действием центробежной силы, служит уплотнением.
Описание операции
Насосы с жидким кольцом обычно используются в качестве вакуумных насосов, но также могут применяться в качестве газовых компрессоров. Принцип работы насоса с жидким кольцом аналогичен роторно-лопаточному насосу, однако лопасти являются жесткой частью ротора и перемещают вращающееся кольцо жидкости, формируя уплотнение рабочей камеры. Конструкция насоса характеризуется низким трением, при этом ротор является единственной движущейся частью. Скользящее трение ограничено уплотнениями вала. Обычно насосы с жидким кольцом приводятся в действие асинхронным электродвигателем. Насос с жидким кольцом сжимает газ, вращая лопастное рабочее колесо, расположенное эксцентрично внутри цилиндрического корпуса. Жидкость (часто вода) подается в насос и под действием центробежной силы образует движущееся цилиндрическое кольцо, прилегающее к внутренней поверхности корпуса. Это жидкое кольцо создает серию уплотнений в пространствах между лопастями рабочего колеса, формируя камеры сжатия. Эксцентриситет между осью вращения рабочего колеса и геометрической осью корпуса приводит к циклическому изменению объема, ограниченного лопастями и кольцом. Газ (часто воздух) всасывается в насос через впускное отверстие в корпусе. Газ захватывается в камеры сжатия, образованные лопастями рабочего колеса и жидким кольцом. Уменьшение объема, вызванное вращением рабочего колеса, сжимает газ, который выходит через выпускное отверстие в корпусе. Сжатый газ на выходе из насоса содержит небольшое количество рабочей жидкости, которая обычно удаляется в парожидкостном сепараторе.
История
Самые ранние жидкокольцевые насосы появились в 1903 году, когда патент был выдан в Германии компании Siemens Schuckert. В 1914 году Льюису Х. Нэшу был выдан патент США № 1,091,529 на жидкокольцевые вакуумные насосы и компрессоры. Производство осуществлялось компанией Nash Engineering Company в городе Норвок, штат Коннектикут, США. Приблизительно в то же время в Австрии компании Siemens Schuckertwerke был выдан патент № 69274 на аналогичный вакуумный насос с жидким кольцом.
Приложения
Эти простые, но высоконадежные насосы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Они используются для поддержания вакуума в конденсаторах крупных паровых турбогенераторов путем удаления неконденсирующихся газов, где обычно достигается вакуум 30–50 мбар. На бумажных машинах они применяются для обезвоживания бумажной массы и удаления воды из прессовых фильтров. Еще одна область применения – вакуумная формовка изделий из формованной бумажной массы (яичные лотки и другая упаковка). Также они используются при рекультивации почв, где загрязненные грунтовые воды откачиваются из скважин под вакуумом. В нефтепереработке вакуумная дистилляция также использует жидкокольцевые вакуумные насосы для создания необходимого вакуума. Жидкокольцевые компрессоры часто применяются в системах улавливания паров.
Одно- и многоступенчатые
Системы с жидким кольцом могут быть одно- или многоступенчатыми. Обычно многоступенчатый насос имеет до двух последовательно соединенных ступеней сжатия на общем валу. В вакуумных установках достижимое снижение давления ограничено давлением паров рабочей жидкости. По мере приближения создаваемого вакуума к давлению паров рабочей жидкости, возрастающий объем паров, выделяющихся из жидкости, уменьшает остаточную вакуумную производительность. Эффективность системы снижается по мере приближения к этому пределу. Одноступенчатые вакуумные насосы обычно создают вакуум до 35 торр (мм рт. ст.), а двухступенчатые – до 25 торр, при условии, что откачивается воздух и в качестве рабочей жидкости используется вода температурой 15 °C или ниже. Сухой воздух и температура воды-уплотнителя 15 °C являются стандартной базой для характеристик, которую большинство производителей используют при построении своих кривых производительности.
Переработка кольцевой жидкости
Некоторая кольцевая жидкость также увлекается потоком газообразного выброса. Эта жидкость отделяется от газового потока другим оборудованием, расположенным вне насоса. В некоторых системах выброшенная кольцевая жидкость охлаждается теплообменником или градирней, а затем возвращается в корпус насоса. В некоторых системах с рециркуляцией загрязняющие вещества из газа могут задерживаться в кольцевой жидкости, в зависимости от конфигурации системы. Эти загрязняющие вещества концентрируются по мере продолжения циркуляции жидкости и в конечном итоге могут привести к повреждению и сокращению срока службы насоса. В этом случае необходимы фильтрационные системы для поддержания уровня загрязнения на допустимом уровне. В системах без рециркуляции выброшенная горячая жидкость (обычно вода) рассматривается как отходной поток. В этом случае для восполнения потерь используется свежая холодная вода. Экологические соображения делают такие системы однократного прохода все более редкими.
Выбор жидкости
В вакуумных насосах с жидким кольцом в качестве рабочей жидкости может использоваться любая жидкость, совместимая с технологическим процессом, при условии, что она обладает подходящими характеристиками давления пара. Хотя наиболее часто используемой рабочей жидкостью является вода, практически любую жидкость можно применять. Второй по распространенности рабочей жидкостью является масло. Поскольку масло имеет очень низкое давление пара, жидкостно-кольцевые вакуумные насосы с масляным уплотнением обычно охлаждаются воздухом. Для работы с сухим хлором в качестве рабочей жидкости используется концентрированная серная кислота. Возможность использования любой жидкости делает жидкостно-кольцевой вакуумный насос идеально подходящим для рекуперации растворителей (паров). Например, если в процессе, таком как дистилляция или вакуумная сушка, образуются пары толуола, можно использовать жидкий толуол в качестве рабочей жидкости, при условии, что охлаждающая вода достаточно холодна для поддержания давления паров рабочей жидкости на уровне, необходимом для создания требуемого вакуума. Использование ионных жидкостей в жидкостно-кольцевых вакуумных насосах позволяет снизить вакуумное давление с примерно 70 мбар до менее 1 мбар.