Вакуумная техника
Принцип работы водокольцевого вакуумного насоса и его устройство
Водокольцевой вакуумный насос откачивает газ за счёт ячеек переменного объёма, которые образуют эксцентрично посаженное колесо и вращающееся водяное кольцо. Вода одновременно служит поршнем, уплотнением и охладителем, поэтому предельный вакуум зависит от её температуры.
Содержание
Из каких узлов состоит водокольцевой насос
Водокольцевой вакуумный насос относится к объёмным машинам, хотя внешне похож на центробежный. Основа конструкции - цилиндрический корпус и рабочее колесо с радиальными лопатками, вал которого смещён относительно оси корпуса. Это смещение (эксцентриситет) и создаёт ячейки переменного объёма, без него насос не работает.
Корпус с торцов закрыт двумя крышками, в насосах ВВН их называют лобовинами. В лобовинах выполнены серповидные окна: через одно газ входит в рабочую полость, через другое уходит вместе с излишком воды. Вал опирается на подшипники качения в выносных корпусах, место выхода вала из рабочей полости уплотняется сальником или торцевым уплотнением. По данным изготовителя, в ВВН1-0,75, ВВН1-1,5 и ВВН1-3 стоит сальниковая набивка, в 2ВВН1-0,8 - торцевое уплотнение.
| Узел | Назначение | Что изнашивается |
|---|---|---|
| Корпус | Образует цилиндрическую камеру, в которой вращается водяное кольцо | Внутренняя поверхность от абразива и кавитации |
| Лобовины (торцевые крышки) | Несут всасывающее и нагнетательное окна, задают фазы всасывания и сжатия | Торцевые поверхности у окон, растёт торцевой зазор |
| Рабочее колесо | Раскручивает воду в кольцо и делит полость на ячейки | Торцы лопаток и ступицы, кромки лопаток |
| Вал и подшипники | Передают вращение от двигателя, держат колесо по оси | Подшипники, шейки вала под уплотнением |
| Сальник или торцевое уплотнение | Не пускает воздух в полость и воду наружу | Набивка, защитная втулка, пара трения |
Отдельные детали ВВН (корпус, левая и правая лобовины, колесо, ротор в сборе, корпус подшипника) продаются как запчасти, их перечень есть в разделе запчасти для насосов ВВН.
Как водяное кольцо создаёт разрежение
Перед пуском полость заполняют водой примерно до оси вала. При вращении лопатки отбрасывают воду к стенке корпуса, и она образует кольцо, концентричное корпусу. Колесо же стоит со смещением, поэтому в верхней части лопатки почти полностью погружены в воду, а в нижней выходят из неё. Между ступицей, внутренней поверхностью кольца и двумя соседними лопатками получается ячейка, объём которой за один оборот сначала растёт, потом падает.
Цикл одной ячейки за оборот колеса:
- Ячейка проходит зону, где лопатки погружены в воду: объём газа в ней близок к нулю.
- Колесо поворачивается, вода отходит от ступицы, объём ячейки увеличивается. Ячейка в этот момент открыта на всасывающее окно, и в неё поступает газ из откачиваемой системы.
- В точке наибольшего объёма ячейка проходит перемычку между окнами и отсекается от всасывания.
- Дальше вода снова подступает к ступице, объём уменьшается, газ сжимается.
- Когда давление в ячейке поднимается до давления на выходе, она открывается на нагнетательное окно, газ и часть воды выталкиваются в сепаратор.
Получается, что водяное кольцо работает как поршень, а лопатки как стенки цилиндров. Металлического контакта ротора с корпусом в рабочей полости нет, уплотнение между ячейками держит вода. Поэтому насос спокойно переносит капли и пар в откачиваемом газе и не загрязняет его маслом.
Зачем насосу постоянная подача воды
Вода в насосе выполняет сразу три задачи: уплотняет торцевые зазоры между колесом и лобовинами, служит жидким поршнем и забирает теплоту сжатия. Часть воды каждый оборот уходит через нагнетательное окно вместе с газом, поэтому её надо непрерывно восполнять. Производитель ВВН прямо указывает, что для поддержания кольца и отвода тепла необходима постоянная циркуляция чистой воды.
Отвод тепла делает сжатие почти изотермическим: газ на выходе нагрет немного, в отличие от сухих машин. Ещё одно следствие - водяной пар из откачиваемой смеси частично конденсируется на холодной воде. Если в газе много пара, фактическая производительность по смеси оказывается выше, чем по сухому воздуху.
Без воды насос не работает и быстро выходит из строя: пропадает уплотнение, сальник или торцевое уплотнение работают всухую, колесо может задеть лобовины. Запуск всухую - самая частая причина задиров на торцах колеса.
Требования к воде
- без песка и окалины, иначе быстро растут торцевые зазоры;
- по возможности мягкая: накипь на стенках и в окнах уменьшает сечение каналов;
- с минимальной температурой, которую позволяет схема, от неё зависит предельный вакуум (см. следующий раздел).
Предельный вакуум и температура воды
Глубину разрежения ограничивает давление насыщенного пара самой рабочей жидкости. Когда давление на всасывании приближается к давлению пара воды при её температуре, вода начинает кипеть в ячейках, пар занимает объём, и откачка газа практически прекращается. Чем теплее вода, тем раньше это наступает.
| Температура воды, °C | Давление насыщенного пара, кПа |
|---|---|
| 10 | 1,23 |
| 15 | 1,71 |
| 20 | 2,34 |
| 30 | 4,25 |
| 40 | 7,38 |
| 50 | 12,35 |
Таблица показывает физический предел, реальный насос до него не доходит: часть объёма теряется на перетечки через торцевые зазоры и на кавитацию у ступицы. В технической литературе для одноступенчатых жидкостно-кольцевых насосов приводят остаточное давление порядка 10 кПа, двухступенчатые дают более глубокий вакуум. Для серии ВВН изготовитель указывает номинальное давление 0,04 МПа (абсолютное), это и есть расчётный режим, при котором нормируется производительность.
Практический вывод для механика: если насос перестал держать прежний вакуум, первым делом измерьте температуру воды на выходе. Рост на 15-20 °C из-за засорённого теплообменника или уменьшенного подпитка сам по себе снижает вакуум, хотя сам насос исправен.
Схема подключения насоса
Насос редко работает сам по себе, его ставят в обвязку с сепаратором и системой подачи воды. Применяют три типовых варианта.
- Прямоточная схема. Свежая вода подаётся из водопровода, отработанная после сепаратора сливается. Простая, но расход воды наибольший.
- С частичной рециркуляцией. Часть воды из сепаратора возвращается в насос, часть сбрасывается и заменяется свежей. Расход меньше, температура остаётся приемлемой.
- Замкнутая. Вода циркулирует через бак и теплообменник. Подходит, когда воду нельзя сливать или нужна другая рабочая жидкость.
Типовой порядок элементов по ходу газа:
- Вакуумная линия от потребителя (ресивер, фильтр, доильная система).
- Отсечной кран и вакуумметр на всасывании.
- Обратный клапан или кран, чтобы при остановке вода не уходила в вакуумную линию.
- Насос.
- Сепаратор (бак) на нагнетании: газ уходит в атмосферу, вода отделяется.
- Из сепаратора вода идёт на слив или через теплообменник обратно на подпитку.
На подпитке ставят вентиль, которым настраивают расход, и по возможности термометр на сливе. Подбор производительности для молочных ферм разобран отдельно в статье вакуумный насос для доильной установки.
Отечественные ВВН и компрессоры ВК
Самая распространённая отечественная серия водокольцевых вакуумных насосов - ВВН. Цифра после дефиса обозначает производительность в кубометрах в минуту: ВВН1-3 рассчитан примерно на 3 м3/мин, ВВН1-12 на 12 м3/мин. Насосы предназначены для откачки воздуха, неагрессивных газов и парогазовых смесей.
| Модель | Номинальная производительность | Частота вращения, об/мин | Мощность двигателя, кВт |
|---|---|---|---|
| ВВН1-0,75 | 0,0125 м3/с (0,75 м3/мин) | 1450 | 2,2 |
| ВВН1-3 | 0,056 м3/с (около 3,4 м3/мин) | 1500 | 7,5 |
| ВВН1-12 | 0,2 м3/с (12 м3/мин) | 1000 | 30 |
Данные приведены по сведениям изготовителя (ГМС Ливгидромаш). Направление вращения - по часовой стрелке со стороны двигателя, на ВВН1-12 для коммунальной техники встречается исполнение с левым вращением. Подробнее по каждой модели, включая ВВН1-6, смотрите статью характеристики насосов ВВН1-3, ВВН1-6, ВВН1-12, а сами насосы собраны в разделе водокольцевые насосы ВВН.
Тот же принцип работы у жидкостно-кольцевых машин ВК. Их выпускают как вакуум-компрессоры: они могут откачивать газ и одновременно подавать его с небольшим избыточным давлением, что нужно, например, в вакуумных машинах коммунальной техники. Ассортимент - в разделе водокольцевые компрессоры ВК.
Где водокольцевой насос выигрывает, а где нет
Сильные стороны:
- откачивает влажный газ, пар и газ с каплями жидкости, для пластинчатых и золотниковых машин это опасно;
- в откачиваемый газ не попадает масло;
- сжатие почти изотермическое, газ на выходе почти не нагрет, это важно для горючих смесей;
- нет трущихся пар в рабочей полости, ресурс определяется в основном подшипниками и уплотнением вала.
Ограничения:
- вакуум ограничен давлением пара воды, для глубокого разрежения нужны двухступенчатые машины или другие типы насосов;
- нужен постоянный расход воды и место под сепаратор;
- значительная часть мощности уходит на перемешивание водяного кольца, удельное энергопотребление выше, чем у сухих машин той же производительности;
- жёсткая вода даёт накипь, зимой при остановке в неотапливаемом помещении воду нужно сливать.
Если среда сухая и чистая, а нужен вакуум глубже 10 кПа, рассматривают золотниковые агрегаты, например вакуумные агрегаты АВЗ.
Почему падает вакуум: разбор неисправностей
| Признак | Вероятная причина | Что сделать |
|---|---|---|
| Насос не создаёт вакуум после пуска | Нет воды в полости, не открыт вентиль подпитки | Остановить, залить воду, проверить подачу |
| Вакуум ниже, чем раньше | Тёплая вода, подсос воздуха по линии или сальнику, выросли торцевые зазоры | Замерить температуру воды, проверить линию на подсос, при износе - ремонт с заменой колеса или лобовин |
| Удары и треск внутри | Кавитация при работе у предельного вакуума, избыток воды | Уменьшить подпитку, впустить немного воздуха на всасывание, понизить температуру воды |
| Перегрузка двигателя | Слишком много воды, накипь, задевание колеса | Отрегулировать подачу воды, очистить полость, проверить зазоры |
| Нагрев подшипникового узла | Износ или нехватка смазки, перекос при центровке | Сменить смазку или подшипник, проверить центровку |
| Течь по валу | Износ сальниковой набивки или защитной втулки | Поджать или заменить набивку, проверить втулку |
Перед любой разборкой насоса отключите двигатель с вывешиванием запрещающего плаката, закройте кран на вакуумной линии, впустите в насос атмосферный воздух и слейте воду из корпуса и сепаратора. Если насос откачивал горючие или вредные газы, полость перед вскрытием промывают водой и проветривают.
Частые вопросы
Почему насос называют водокольцевым, если он вакуумный?
Название описывает способ работы: внутри при вращении колеса образуется кольцо из воды, которое уплотняет ячейки и работает как поршень. Вакуумным насос называют по назначению: он откачивает газ из системы.
Можно ли запустить водокольцевой насос без воды на несколько секунд?
Нельзя. Без воды нет уплотнения, а сальник или торцевое уплотнение и торцы колеса работают всухую. Даже короткий сухой пуск оставляет задиры.
Какой вакуум даёт одноступенчатый водокольцевой насос?
Для одноступенчатых машин в литературе приводят остаточное давление порядка 10 кПа. Предел зависит от температуры воды: при 15 °C давление пара воды 1,7 кПа, при 40 °C уже 7,4 кПа.
Почему вакуум падает летом?
Летом теплее вода подпитки, выше давление её пара, и ячейки раньше заполняются паром. Помогают холодная подпитка, теплообменник в замкнутой схеме и увеличение расхода свежей воды.
Чем водокольцевой насос отличается от компрессора ВК?
Принцип одинаковый, разница в назначении. Насосы ВВН работают на создание разрежения, жидкостно-кольцевые машины ВК рассчитаны также на подачу газа с избыточным давлением.
Источники
- Насосы вакуумные ВВН, 2ВВН: описание и технические характеристики, ГМС Ливгидромаш, 2024
- Liquid ring vacuum pumps VVN. Каталог HMS 161E, HMS Group, 2022
- Особенности функционирования водокольцевых вакуумных насосов ВВН, Протокол
Читайте также
Материал носит справочный характер. Перед ремонтом и заменой деталей сверяйтесь с паспортом и руководством по эксплуатации насоса. Заметили ошибку - напишите на admin@vvnpump.cc.