应用混合动力处理气体输送

作者：Frank Hassert

欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... Frank Hassert论述了为何许多应用工序受益于采用多功能混合动力泵（multifunction hybrid pump），这种泵把侧槽（side-channel）技术结合到标准离心泵中，而侧槽泵(side-channel pump)的扬程却比一般离心泵要高几倍。 在化学和石化工业中，大多数生产流程都要求百分之百的稳定性。在不稳定的情况下，大部分泵组很难保持稳定的流量。特别是，当需要输送的液体在接近其沸点时，会因为夹杂蒸汽和气泡而出现问题。普通离心泵对传送夹杂气体的能力很低，5-8%已是最大极限。在大部分情况下，高的含气量会中断流动，因为有巨大的气泡在叶轮吸入口处形成，并阻塞入口。应用SERO的S-系列（SRZS, SEMA-S和SEMIS）泵,可以传送气、液各占50%的流体，而且只要适量的灌泵，即使吸入管道暂时充满空气也可启动泵。 S-系列是多功能混合动力泵(multifunction hybrid pump)，是侧槽(side-channel)技术与标准离心泵的结合，是为恶劣应用环境而设计的。应用侧槽泵液压技术所产生的高压，超过一般的离心泵，并且可以输送各种比例的气液混合物。与径流式离心泵液压技术的协同效应，使得吸入段对气蚀余量NPSH的要求非常低，并缓缓提升流量到最大值。 在自吸过程中，侧槽泵的运作类似于传送气体的水环式真空泵，在短暂时间内与循环式水环的原理相同。由于已预先灌泵，在离心效应下，较重的液体聚集在腔体的外围，而较轻的气体就分布在腔体的中部。由于特殊形成的分布结构，即泵壳的阻截或断流，使水环在这阶段内处于偏心“位置”。与此同时，被分离的气体和液体完全被包围在叶轮的截流区域。水环的活塞式驱替效应，使气体受到压迫。到达气体的出口处，突然膨胀的气体使腔体产生一个小型负压，传送到吸入端，并且对吸入管道作不间断的排气。如果没有补充液供应，会导致预先罐注的液体逐渐升温和蒸发，因此自吸过程必须在大约一分钟内完成。在这短时间内，泵可以产生0.3巴绝对压力（7米吸程），大多数情况下，已足够吸入管道的排空。 当自吸程序到达尾声，意味着混合模式操作的开始。泵送行动开始，液体进入泵体，仍然夹带强劲但逐渐减少的气体。此时被传送的介质，有成千上万的微小气泡在流体中，而气泡的大小约为30-50微米。使用有些生产流程，如“浮选法”（floatation），的客户都喜见这些特性。当污水槽底的曝气装置产生大量气泡时，漂浮粒子粘附着气泡，上升到水面的漂浮层，可易于处理。当然，这更类似一个次要应用，侧槽泵设计用于输送无杂质的液体。 当液体完全注满泵腔，侧槽泵可被视为一台普通离心泵；起码它也跟随“相似定律” （laws of affinity）。当转速翻倍，流量也会翻倍，扬程为原来的四倍，耗能增加了八倍。与之相反，侧槽泵在其最低流量时，耗能最高，低流量、高扬程就是侧槽泵的最大特点。经常有人问，为何如此细小的“离心泵”，即使只是单叶轮，也可以产生如此高压？原因是其“内部多级效应”（inner multistage effect）。 为了便于理解，请参看图3内容。液体进入侧槽段，受到开放式星形叶轮（1）所推动，叶轮一般有20至24叶片。液体从分段壳体的进口（3）进入，并采取螺旋盘绕涡流路径，到达后端的侧槽壳体（2）的出口。在此阶段中，叶轮对液体产生“重复相互作用”，叶轮旋转一周所产生的压力，是多个独立脉动经多次能量转换的总和。取决于实际流量（当然是流量越低，这相互作用次数就越多），液体离开这段壳体时，如此的相互作用可多可达九次。简单来说，九次相互作用等同于流体在叶轮与泵壳之间流动九次，所以其增加的压力比一般径向离心泵高八倍。如果流量较大，相互作用在最大流量时会下降到两三次。与径向离心泵比较，在叶轮直径和转速都一样的情况下，侧槽泵汇集液体的能量较高。但必须知道，由于不同数量的相互作用，液体在各段泵腔的有效流动路径，会基于与泵内壁的摩擦，而出现相应比例的压力损耗。根据流量、扬程的要求，一般流程或设备设计者都按其经验，把泵的工作效率降低25%。虽然这数值并不准确，但在低流量和高扬程的情况下，泵的效率依然高于一般离心泵。一般来说，只考虑效率的话，如果比速率（specific speed）nq大约是8-15 min-1，侧槽泵是最佳选择。 侧槽泵属于分段式多级泵，最多可达8或9级，并且有能力产生300至350米的压头。有着陡峭的、直线的性能曲线，适用于压控流动系统，这是侧槽泵的第二大特点。 SERO S-系列泵给你最大的好处，就是其极低的NPSH值。它结合了最佳作业的侧槽液压动力与独特设计的径向流动离心式叶轮，而叶轮的唯一作用，就是在整个流量范围，把NPSH降到最低。易于流动的吸入段配合了超大的轴向入口，使流速面对吸入叶轮被降低，其工程效应是在第一级侧槽段不产生过多压头，从而避免出现气蚀。 NPSHr（即需要的净吸压头）值远低于1米（例如：流量=16立方米/时、扬程=350米，所需NPSH=35厘米），从流量范围的一端，轻微斜上另一端。普通离心泵的NPSH值一般为3米到4米，意味着液体来源要放置在高一个楼层。但S系列侧槽泵，就有可能与液体来源安装在同一水平，并可把液体排空。这种超越一般离心泵的特征，在任何的安装使用情况下都带来实质的成本节约。S系列泵在设计上适合输送气体，绝不因“气蚀”而限制其运行。反而一般离心泵，其对于流体力学上的高度敏感性，容易出现气蚀现象。因此，S系列泵提高了运行的安全性以及无故障的生产流程。 S系列泵用于液化石油气（LPG）的传送和充装，如丙烷或丁烷，都可在稍高液体温度下操作，而且价格合理。液体局部气化不会影响流程的稳定性。它还能在需要增压的冷却循环系统中输送各种制冷剂，如碳氢化合物或液态二氧化碳（CO2），这一应用非常重要。相同情况出现于温度高达220℃的锅炉给水或冷凝泵，在蒸馏锅和冷凝水回收系统，或热水循环等系统中，都需要处理不同比例的气液混合物。闭合回路蒸气涡轮系统，用侧槽泵注入锅炉的压力容器，省却了冷凝器，运行效率较佳，将冷凝水（混入了蒸气）的温度保持在高位。侧槽泵极低的NPSH值无惧于“气蚀”，为上述的应用方式提供“有利可图”的选择。 SERO侧槽泵提供了六个不同的系列、多种材质选择、垂直或卧式结构，以及不同数目的多段泵体，可以连接或不连接电机，安装在共同的底座上；或选择紧凑的联轴式版本。同时提供通用的密封系统，例如填料密封、单端面和双端面机械密封，也有无轴封设计的磁力驱动式和密封电机（canned motor）的侧槽泵。 很多系统设计者不知道侧槽泵技术的莫大优点，都会在他们的流程泵中应用辅助设备。例如，当选择非自吸式离心泵，以及水源处于较低水平时，设计者会安装额外的压缩机；又或者加装效率较低的增压泵，来取得较高的压力系数。经常看到整个系统被设计为多层式结构，为来源的液面提供足够的水平地势压力，务求高于所需的NPSH值，防止出现“气蚀”。 SERO相信，侧槽泵不管是出于技术考虑还是经济考虑，都是各种工艺流程的最佳选择。流程或系统设计者须了解侧槽泵的多方面优点，包括：有自吸能力、可输送气体、极低的NPSH值、陡峭的性能曲线。并在应用于“低流量、高扬程”工况时，考虑使用侧槽泵。 本文原作者Frank Hassert是德国SERO PumpSystems GmbH技术和研发部主管。对本文产品技术感兴趣的中国读者可以与安畿工业设备（上海）有限公司取得联系。(end)

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