I. Definició i visió general de les bombes
Una bomba, com a dispositiu mecànic molt utilitzat en diversos camps, la seva funció principal és transportar fluids (com aigua, oli, etc.) d'un lloc a un altre. Amb l'accionament de la bomba, els fluids poden completar de manera eficient i estable la tasca de transport, satisfent diverses necessitats de producció i vida.
Una bomba és un dispositiu mecànic utilitzat per transportar diversos líquids. El seu àmbit d'aplicació és ampli i inclou aigua, oli, solucions àcids i àlcalis, emulsions, suspensions, metalls líquids, etc. A més, les bombes d'oli d'engranatges també poden transportar mescles de gas líquid-i líquids que contenen substàncies sòlides en suspensió.
Les bombes es poden classificar en tres categories principals segons els seus principis de funcionament: bombes de desplaçament positiu, bombes d'impulsor i altres tipus de bombes. Val la pena assenyalar que la classificació de les bombes submergibles és més diversa. A més de classificar-se segons el principi de funcionament, també es poden classificar i anomenar segons el mètode de conducció, l'estructura, la finalitat i la naturalesa del líquid que es transporta.
Hi ha canvis interdependents complexos entre diversos paràmetres de rendiment de la bomba, i aquestes relacions es poden mostrar de manera intuïtiva mitjançant corbes característiques. Cada bomba té la seva pròpia corba característica única, que reflecteix les seves característiques de rendiment específiques. Com a dispositiu mecànic per transportar líquids o augmentar la pressió dels líquids, la bomba transfereix l'energia mecànica del motor principal o una altra energia externa al líquid, aconseguint així un augment de l'energia del líquid.
II. Definició i origen històric de la bomba
Una bomba, un dispositiu mecànic per transportar líquids o augmentar la pressió dels líquids, té una història que es remunta a l'antiguitat. A grans trets, una bomba no només s'utilitza per transportar fluids sinó que també inclou certs dispositius mecànics dissenyats específicament per transportar gasos. En transferir l'energia mecànica del motor principal o l'energia d'altres fonts al líquid, la bomba aconsegueix un augment de l'energia del líquid.
La creixent demanda d'aixecament d'aigua per part dels humans va provocar l'aparició de diversos dispositius d'elevació d'aigua. Per exemple, la bomba de cadena a Egipte es va inventar cap al 1700 aC, mentre que la Xina tenia eines antigues per elevar l'aigua com les palanques, molinets i rodes d'aigua. A l'antiga Grècia, Arquimedes va inventar la vareta de cargol al segle III aC, establint les bases per a la tecnologia de bombes posterior.
Amb el temps, l'antic artesà grec Ktesibius va inventar la primitiva bomba de pistó - la bomba d'extinció d'incendis - cap al 200 aC. Després, l'any 1588, hi va haver un registre de la bomba de paletes lliscants de 4 pales, que va marcar el desenvolupament inicial de la bomba rotativa. El 1689, D. Papan de França va innovar encara més i va inventar la bomba centrífuga voluta amb impulsors de 4 pales.
Al segle XVIII, van sorgir successivament als Estats Units les bombes centrífugues amb pales rectes radials, impulsors i volutes d'aspiració dobles semi{-obertes-, així com les bombes de pistó accionades directament pel vapor. Aquestes innovacions van contribuir a la formació i desenvolupament de la tecnologia moderna de bombes.
Amb l'avenç continu de la tecnologia, entre 1840 i 1850, HR Worsington dels Estats Units va inventar una bomba de pistó d'acció directa-de vapor amb el cilindre de la bomba i el cilindre de vapor situats l'un davant de l'altre, posant les bases per a la millora de les bombes de pistó modernes. I del 1851 al 1875, el naixement de les bombes centrífugues multi-va fer possible el desenvolupament de bombes centrífugues de gran-capçal.
Des d'aleshores, han sorgit contínuament diversos nous tipus de bombes, amb una millora gradual de l'eficiència, i la gamma de rendiments i camps d'aplicació també s'han fet cada cop més extens.
III. Classificació de les bombes
Les bombes, que s'utilitzen àmpliament en diversos camps, vénen en una gran varietat de tipus i es classifiquen de moltes maneres. Segons els seus principis de funcionament, les bombes es poden dividir principalment en tres categories:
En primer lloc, hi ha la bomba de desplaçament positiu, també coneguda com a bomba impulsora o bomba de paletes. Aquest tipus de bombes utilitza un impulsor giratori per aplicar força al líquid, transferint contínuament energia al líquid i augmentant la seva energia cinètica i pressió. Posteriorment, l'energia cinètica es converteix en energia de pressió a través de la cambra de descàrrega. Les bombes de desplaçament positiu inclouen bombes centrífugues, bombes de flux axial, bombes de cabal parcial i bombes de vòrtex, entre d'altres.
El següent tipus és la bomba volumètrica. Aquest tipus de bombes transmet energia canviant periòdicament el volum de l'espai de treball segellat, augmentant així la pressió del líquid i forçant-lo a ser descarregat. Les bombes volumètriques es poden classificar a més en bombes alternatives i bombes rotatives en funció de la forma de moviment dels elements de treball.
A més, hi ha altres tipus de bombes que transfereixen energia de maneres úniques. Per exemple, les bombes de raig depenen del raig d'alta-velocitat del fluid de treball per aspirar i barrejar el fluid a transportar, aconseguint la transferència d'energia mitjançant l'intercanvi de moment; les bombes de diafragma i les bombes de cop d'ariet utilitzen l'efecte del cop d'ariet durant la frenada per transferir energia; mentre que les bombes electromagnètiques aconsegueixen el transport de fluids a través del flux de metall líquid sota la influència d'un corrent elèctric i una força electromagnètica.
A més, les bombes es poden classificar més en funció de les propietats del líquid que es transporta, el mètode de conducció, l'estructura i la finalitat.
IV. Aplicacions de les bombes en diversos camps
La gamma de rendiment de les bombes és àmplia, que va des de bombes gegants amb un cabal de diversos centenars de milers de metres cúbics per hora fins a bombes en miniatura amb un cabal inferior a diversos decilitres per hora; el seu rang de pressió també pot variar des de la pressió normal fins a 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) o més. A més, també difereixen la temperatura i el tipus del líquid que es transporta, com ara aigua (aigua clara, aigües residuals, etc.), oli, àcids i bases, suspensions i metalls líquids, etc.
En la producció dels sectors químic i petrolier, les bombes tenen un paper crucial. Com que les matèries primeres, els productes semi-elaborats i els productes acabats són majoritàriament líquids, en aquests processos complexos, les bombes no només transporten els líquids sinó que també proporcionen la pressió i el flux necessaris per a les reaccions químiques. Al mateix temps, també s'utilitzen en molts dispositius per regular la temperatura.
En la producció agrícola, les bombes són la principal maquinària de reg i drenatge. Les zones rurals del nostre país són extenses, i cada any es necessiten un gran nombre de bombes per donar suport a la producció agrícola. En termes generals, les bombes agrícoles representen la meitat de la producció total de bombes.
Les indústries mineres i metal·lúrgiques també són camps d'aplicació importants per a les bombes. En aquestes indústries, processos com el drenatge de mines, el processament de minerals, la fosa i la laminació requereixen el suport de bombes.
En el sector elèctric, tant si es tracta d'una central nuclear com d'una central tèrmica, les bombes tenen un paper crucial. Les centrals nuclears necessiten bombes principals, bombes secundàries i bombes terciàries per garantir el funcionament estable de les reaccions nuclears; mentre que les centrals tèrmiques depenen d'un gran nombre de bombes d'alimentació de calderes, bombes de condensats, bombes de circulació i bombes d'escòries i cendres per mantenir el funcionament normal de la central elèctrica.
La construcció de defensa tampoc no pot prescindir de l'aplicació de bombes. L'ajust dels flaps, timons i trens d'aterratge dels avions, la rotació de les torretes de vaixells de guerra i de tancs, així com la submersió i l'ascens dels submarins, requereixen bombes per proporcionar la potència i les funcions d'ajust necessàries. A més, per a determinats líquids radioactius i d'alta pressió-durant el transport i la manipulació, el requisit de funcionament lliure de fuites-de la bomba és extremadament alt.
A la indústria de la construcció naval, s'utilitzen centenars de tipus diferents de bombes a cada vaixell-oceànic. Des de les bombes d'hèlix que impulsen el vaixell fins a diverses bombes que mantenen l'entorn de les cabines del vaixell, totes són indispensables. A més, els sistemes de subministrament i drenatge d'aigua a les ciutats, l'aigua utilitzada per les locomotores de vapor, la lubricació i refrigeració de les màquines-eina, el transport de tints a la indústria tèxtil i el transport de llet i sucres a la indústria alimentària, depenen del suport de bombes.
En conclusió, les bombes són omnipresents en diversos camps, com ara aeroespacial, equipament militar, producció industrial i vida quotidiana, i tenen un paper indispensable. Per tant, les bombes es classifiquen com a maquinària general i esdevenen un producte indispensable i important en la indústria mecànica.
V. Paràmetres bàsics de les bombes
Les bombes, com a component important de la maquinària general, el seu rendiment afecta directament l'eficiència operativa en diversos escenaris d'aplicació. Per entendre completament el rendiment de les bombes, primer hem de centrar-nos en diversos paràmetres bàsics clau. Aquests paràmetres no només reflecteixen les característiques inherents a les bombes, sinó que també proporcionen una guia crucial per a la seva selecció i aplicació.
1. Caudal Q
El cabal és un indicador important per mesurar la quantitat de líquid que pot transportar una bomba en una unitat de temps, normalment expressada en termes de volum o massa. El cabal de volum es denota amb Q, i les seves unitats inclouen m3/s, m3/h i l/s, etc. Mentre que el cabal massiu es representa amb Qm, i les seves unitats són t/h, kg/s, etc. La relació entre aquests dos es pot establir mitjançant la fórmula Qm=ρQ, on ρ representa la densitat del líquid. Per a l'aigua a temperatura normal, la seva densitat ρ és d'aproximadament 1000 kg/m3.
2. Cap H
El capçal es refereix a l'augment d'energia en un pes unitari de líquid després de ser bombejat per la bomba, des de l'entrada de la bomba (és a dir, la brida d'entrada de la bomba) a la sortida (és a dir, la brida de sortida de la bomba). Això equival a l'energia efectiva que guanya un Newton de líquid en passar per la bomba. La seva unitat és N·m/N, que també es coneix comunament com a metres. Representa l'alçada de la columna de líquid que bombeja la bomba i, per tant, també s'anomena simplement metres.
3. Velocitat de rotació n
La velocitat es refereix al nombre de rotacions de l'eix de la bomba dins d'una unitat de temps, normalment indicada amb el símbol n, i la seva unitat són revolucions per minut (r/min).
4. Marge del capçal d'aspiració
El marge del capçal d'aspiració, també conegut com a capçal d'aspiració positiu net, és un paràmetre clau per mesurar el rendiment de la cavitació. A la Xina, aquest paràmetre estava representat anteriorment per Δh.
5. Potència i eficiència
La potència d'una bomba es coneix normalment com a potència d'entrada, que és la potència transferida des del motor principal a l'eix de la bomba i també es coneix com a potència de l'eix, indicada per P. La potència efectiva de la bomba, o la potència de sortida, es representa per Pe, i mesura l'energia efectiva obtinguda pel líquid que es descarrega de la bomba en una unitat de temps.
Val la pena assenyalar que el cap representa precisament aquesta energia efectiva. Concretament, el capçal es refereix a l'energia efectiva que rep una unitat de líquid pesat quan es bombeja fora de la bomba. Per tant, multiplicant la capçalera, el cabal de massa i l'acceleració gravitatòria, podem calcular l'energia efectiva que adquireix una unitat de sortida de líquid de la bomba en un temps determinat, que és la potència efectiva de la bomba:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Entre ells, ρ representa la densitat del líquid que bombeja la bomba (kg/m³), és el pes específic del líquid que bombeja la bomba (N/m³), Q és el cabal de la bomba (m³/s), H és la capçalera de la bomba (m) i g és l'acceleració deguda a la gravetat (m/s²).
La diferència entre la potència de l'eix P i la potència efectiva Pe representa la pèrdua de potència dins de la bomba. Per quantificar aquesta pèrdua, introduïm el concepte d'eficiència de la bomba, que s'expressa com la relació entre la potència efectiva i la potència de l'eix i s'indica amb η.
VI. Definició i Conversió de Trànsit
El cabal, que és el volum de líquid descarregat per la bomba per unitat de temps, s'indica amb Q. Les seves unitats inclouen metres cúbics per hora (m3/h), litres per segon (l/s), etc. Val la pena assenyalar que 1 litre per segon equival a 3,6 metres cúbics per hora, que també és igual a 0,06 metres cúbics per minut o 60 litres cúbics per minut. A més, podem calcular el pes bombat per hora utilitzant el cabal i la gravetat específica del líquid, indicada per G, on ρ representa la gravetat específica del líquid. Per exemple, si una bomba determinada té un cabal de 50 metres cúbics per hora, quan bombem aigua, volem saber quant pes es pot bombejar per hora? Suposant que la gravetat específica de l'aigua ρ és de 1.000 quilograms per metre cúbic, podem calcular mitjançant la fórmula G=Qρ, donant com a resultat un resultat de 50.000 quilograms per hora, o 50 tones per hora.
VII. Definició i Conversió de Cap
La capçalera, que és l'energia guanyada per una unitat de pes de líquid que passa per una bomba, es denota amb H i es mesura en metres (m). Inclou el capçal d'aspiració i és aproximadament igual a la diferència de pressió entre la sortida de la bomba i l'entrada. Mentrestant, la pressió de la bomba està representada per P i es mesura en Mpa (megapascals). Val la pena assenyalar que hi ha una certa relació de conversió entre el cap i la pressió. La fórmula específica és H=P/ρ, on ρ és la gravetat específica del líquid. Per exemple, quan P és 1 kg/cm², podem utilitzar la fórmula per calcular que H fa aproximadament 10 metres.
1 Mpa és igual a 10 kg/cm². La capçalera H es pot calcular mitjançant la fórmula H=(P2 - P1) / ρ, on P2 representa la pressió de sortida, P1 representa la pressió d'entrada i ρ és la gravetat específica del líquid.
A continuació, parlarem dels conceptes de marge de cavitació i elevació de succió, així com les seves unitats de mesura. La cavitació fa referència al fenomen en què, durant el funcionament d'una bomba, el líquid a l'entrada de l'impulsor genera vapor a causa de la pressió de buit. Aquestes bombolles vaporitzades, en impactar amb les partícules líquides, provoquen l'erosió de les superfícies metàl·liques com l'impulsor, danyant així aquests components metàl·lics. Aquesta pressió de buit es coneix com a pressió de vaporització. El marge de cavitació, en canvi, es refereix a l'energia que posseeix una unitat de pes de líquid a l'entrada de succió de la bomba per sobre de la pressió de vaporització. Es mesura en metres i normalment es denota per NPSHr.
El capçal d'aspiració, també conegut com el marge de cavitació necessari Δh, és el grau de buit en què la bomba pot aspirar líquid. És l'alçada d'instal·lació permesa per a la bomba, i la seva unitat també és de metres. La fórmula per calcular el capçal d'aspiració és: Capçal d'aspiració=Pressió atmosfèrica estàndard - Marge de cavitació - Marge de seguretat. Entre ells, l'alçada de buit de la canonada generada per la pressió atmosfèrica estàndard és de 10,33 metres i el marge de seguretat se sol prendre com a 0,5 metres.
Per exemple, per a una bomba determinada, la seva elevació d'aspiració necessària és de 4,0 metres. Podem utilitzar la fórmula anterior per calcular la seva alçada d'aspiració Δh. El resultat del càlcul és: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 metres.
VIII. Fenomen de cavitació de la bomba i les seves causes
1. Definició de cavitació
Quan un líquid arriba a una temperatura determinada, la seva pressió baixa fins a la pressió de vaporització corresponent a aquesta temperatura. En aquest punt, es formaran bombolles dins del líquid. Aquest fenomen es coneix com a cavitació.
2. Col·lapse de la cavitació
Durant el procés de cavitació, les bombolles generades, a mesura que el líquid flueix a la zona d'alta pressió-, es reduiran ràpidament a causa de l'augment sobtat de pressió i, finalment, esclataran al líquid. Aquest fenomen s'anomena col·lapse per cavitació.
3. Causes i perills de la cavitació
Durant el funcionament de la bomba, si determinades zones del pas de flux (com ara la posició lleugerament darrere de l'entrada de les pales de l'impulsor) experimenten un motiu específic que fa que la pressió absoluta del líquid que es bomba caigui per sota de la pressió de vaporització a aquesta temperatura, el líquid comença a vaporitzar-se en aquest punt, formant un gran nombre de bombolles. Quan el líquid que conté aquestes bombolles entra a l'àrea d'alta pressió-de l'impulsor, les bombolles es contrauen ràpidament sota l'acció del líquid d'alta pressió- i, finalment, esclaten. Aquest procés és especialment evident en les bombes submergibles. La condensació i la ruptura de les bombolles s'acompanyen de l'ompliment ràpid de buits per partícules líquides a velocitats extremadament altes, donant lloc a un fort impacte d'aigua. Aquest impacte d'aigua colpeja la superfície metàl·lica amb una alta freqüència d'impacte, amb l'estrès d'impacte que arriba a centenars o milers d'atmosferes, i la freqüència d'impacte fins i tot pot arribar a desenes de milers de vegades per segon. Les superfícies de les parets que estan sotmeses a aquests impactes durant molt de temps poden estar molt erosionades i fins i tot es poden produir perforacions.
4. El procés i els efectes de la cavitació
En una bomba, la cavitació és un procés complex que implica la formació, desenvolupament i col·lapse de bombolles. Quan determinades zones de la secció de flux de la bomba experimenten condicions específiques que fan que la pressió absoluta del líquid caigui per sota de la pressió de vaporització, el líquid comença a vaporitzar-se, formant un gran nombre de bombolles. Aquestes bombolles, quan el líquid entra a l'àrea d'alta pressió-de l'impulsor, es contrauen ràpidament sota l'efecte de l'alta-pressió i, finalment, es trenquen. Aquesta sèrie de processos no només causa danys greus als components del flux, sinó que també genera sorolls i vibracions desagradables, reduint així significativament el rendiment de la bomba. En casos greus, la cavitació fins i tot pot provocar la interrupció del subministrament de líquid a la bomba, afectant el funcionament normal de la bomba.
IX. Quina és la corba característica d'una bomba?
La corba característica d'una bomba, també coneguda com a corba de rendiment, representa essencialment la relació entre els principals paràmetres de rendiment d'una bomba centrífuga. Aquestes corbes s'obtenen mitjançant mesures reals i representen visualment el patró de moviment del líquid dins de la bomba. Les corbes característiques inclouen les corbes de cabal i capçalera (Q-H), cabal i eficiència (Q-η), cabal i potència (Q{-N), i cabal i marge de capçalera de vaporització (Q{-NPSHr). Aquestes corbes són crucials per entendre l'estat de treball de la bomba perquè per a qualsevol punt de cabal donat, es pot trobar a la corba un conjunt de valors corresponents de capçalera, potència, eficiència i marge de capçal de vaporització, i aquest conjunt de paràmetres s'anomena estat de treball o punt de funcionament. En particular, el punt de funcionament amb la màxima eficiència de la bomba centrífuga s'anomena punt de funcionament òptim, i normalment també és el punt de funcionament de disseny. Entendre aquests paràmetres de rendiment és crucial per garantir el funcionament normal i l'eficiència-d'estalvi d'energia de la bomba.
11. Com es defineix l'eficiència d'una bomba? Quina és la seva fórmula?
L'eficiència d'una bomba es defineix com la relació entre la potència efectiva i la potència de l'eix, representada pel símbol η, i la seva fórmula de càlcul és η=Pe/P. Aquí, Pe representa la potència efectiva de la bomba i P es refereix a la potència de l'eix de la bomba, és a dir, la potència transmesa des del motor principal a l'eix de la bomba. La potència efectiva és el producte de la capçalera de la bomba, el cabal de massa i l'acceleració gravitatòria, i la seva fórmula és Pe=ρg QH (en watts) o Pe=QH/1000 (en quilowatts). A més, ρ representa la densitat del líquid transportat per la bomba, és la gravetat específica del líquid (=ρg) i g és l'acceleració gravitatòria. Al mateix temps, el cabal massic Qm es pot obtenir multiplicant la densitat ρ pel cabal Q, amb unitats de tones per hora o quilograms per segon.
12. Què és un banc de proves de rendiment complet per a una bomba?
El banc de proves de rendiment complet per a bombes és un equip avançat capaç de provar amb precisió diversos paràmetres de rendiment de les bombes. Compleix amb els estàndards nacionals i té una precisió de nivell B-, que garanteix la precisió dels resultats de les proves. Aquest banc de proves està equipat amb instruments precisos, que inclouen un cabalímetre d'engranatge de cuc per mesurar el cabal, un manòmetre de precisió per mesurar el capçal, un manòmetre per mesurar el capçal d'aspiració i una màquina de potència axial per mesurar la potència. A més, també s'utilitza un velocímetre per determinar amb precisió la velocitat de la bomba. Mitjançant l'acció col·laborativa d'aquests instruments precisos, podem obtenir el conjunt complet de paràmetres de rendiment de la bomba, avaluant així de manera exhaustiva el seu rendiment.
