Насосы вакуумные водокольцевые

Добавлено 30.10.2025

Насосы вакуумные водокольцевые: принцип действия, конструкция, применение и эксплуатация

Водокольцевой вакуумный насос (ВВН) представляет собой объемный насос жидкостно-кольцевого типа, в котором рабочее тело (как правило, вода) формирует движущееся кольцо под действием центробежной силы, создавая серию изменяющихся рабочих камер. Это один из наиболее надежных и широко применяемых типов вакуумного оборудования для получения низкого и среднего вакуума в промышленных условиях.

Принцип действия и теоретические основы

Принцип действия водокольцевого насоса основан на использовании кинетической энергии рабочей жидкости. Основными элементами являются корпус цилиндрической формы и ротор с лопатками, установленный эксцентрично относительно корпуса. Перед запуском корпус заполняется рабочей жидкостью до определенного уровня. При вращении ротора жидкость под действием центробежной силы отбрасывается к периферии корпуса, образуя так называемое «водяное кольцо». Из-за эксцентричного расположения ротора между его ступицей и внутренней поверхностью водяного кольца образуется серповидное пространство, разделенное лопатками на камеры переменного объема.

В зоне, где объем камер увеличивается (зона всасывания), происходит разрежение и засасывание газа через всасывающий патрубок. Захваченный газ перемещается по направлению вращения. В зоне, где объем камер уменьшается (зона нагнетания), газ сжимается и выталкивается через нагнетательный патрубок в атмосферу или в систему сепарации. Процесс сжатия является изотермическим, так как тепло, выделяющееся при сжатии газа, эффективно отводится рабочей жидкостью, что является ключевым преимуществом ВВН при работе с взрывоопасными или перегревающимися газами.

Конструктивные особенности и основные компоненты

Типичный водокольцевой насос состоит из следующих ключевых узлов:

Корпус: Литая конструкция из чугуна, нержавеющей стали или специальных сплавов, оснащенная фланцами для всасывающего и нагнетательного патрубков, смотровыми окнами и штуцерами для подвода и отвода рабочей жидкости.
Ротор: Стальной вал с жестко закрепленными или съемными лопатками, установленный на подшипниковых опорах. Лопатки часто выполняются радиальными или изогнутой формы для оптимизации гидравлики.
Распределительный диск (торцевая крышка): Узел, разделяющий зоны всасывания и нагнетания, имеющий серповидные окна. Обеспечивает направленное движение газа.
Рабочая жидкость: Чаще всего вода, но могут применяться и другие жидкости (масла, органические растворители, гликолевые смеси) в зависимости от технологических требований (антикоррозионная защита, низкая температура замерзания, химическая стойкость).
Система сепарации и рециркуляции: Сепаратор (бак-разделитель) для отделения рабочей жидкости от откачиваемого газа. Может включать теплообменник для охлаждения циркулирующей жидкости.
Привод: Как правило, асинхронный электродвигатель, соединенный с насосом через упругую муфту или клиноременную передачу.

Классификация и технические характеристики

Водокольцевые насосы классифицируют по нескольким признакам:

По количеству ступеней: Одноступенчатые (предельное остаточное давление 30-100 мбар абс.) и двухступенчатые (предельное остаточное давление 10-30 мбар абс., в особых исполнениях до 3 мбар абс.).
По конструктивному исполнению: Консольные (ротор на консоли вала) и двухопорные (ротор между подшипниками).
По способу организации процесса: Насосы с односторонним всасыванием и двухпоточные (с двусторонним всасыванием), последние обладают лучшей уравновешенностью и большей производительностью.
По типу рабочего контура: С разомкнутой системой (свежая жидкость подается и сбрасывается в дренаж) и с замкнутой системой (жидкость циркулирует в контуре с охлаждением).

Основные технические параметры ВВН:

Производительность (скорость откачки): Измеряется в м³/ч или м³/мин при определенном давлении. Зависит от частоты вращения, геометрии насоса и свойств рабочей жидкости. Диапазон от единиц до тысяч м³/ч.
Предельное остаточное давление: Минимальное абсолютное давление, которое насос может создать при закрытом всасывающем патрубке. Определяется давлением насыщенных паров рабочей жидкости при ее температуре.
Мощность на валу: Потребляемая мощность, возрастающая с увеличением давления всасывания.
Расход рабочей жидкости: Количество жидкости, необходимое для компенсации уноса, испарения и поддержания изотермического процесса.

Области применения в энергетике и промышленности

Водокольцевые насосы нашли исключительно широкое применение благодаря своей простоте, надежности и способности работать с влажными, загрязненными и агрессивными средами.

Энергетика: Вакуумные системы конденсационных установок паровых турбин (откачка воздуха из конденсаторов), деаэрация питательной воды, создание вакуума в системах охлаждения генераторов.
Химическая и нефтехимическая промышленность: Вакуумная дистилляция, кристаллизация, сушка, дегазация жидкостей, транспортировка газов.
Целлюлозно-бумажная промышленность: Деаэрация пульпы, вакуум-формовка, вакуумное транспортирование.
Пищевая промышленность: Вакуумная упаковка, сублимационная сушка, деаэрация.
Горнодобывающая промышленность: Вакуумная дегазация шахт, фильтрация.
Строительство: Вакуумирование бетона, дренажные системы.

Преимущества и недостатки водокольцевых насосов

Преимущества:

Простота конструкции, отсутствие трущихся металлических поверхностей внутри рабочей камеры, что обеспечивает высокую надежность и долговечность.
Изотермический характер сжатия, безопасность при работе с взрывоопасными газами и парами.
Способность откачивать парогазовые смеси, жидкости, среды с механическими примесями (песком, окалиной).
Низкие требования к чистоте откачиваемой среды, возможность встроенной абсорбции или нейтрализации агрессивных компонентов за счет выбора рабочей жидкости.
Равномерная подача, отсутствие пульсаций.
Относительно низкий уровень шума и вибраций.

Недостатки:

Ограниченный вакуумный предел, определяемый давлением насыщенных паров рабочей жидкости. Для воды при +15°C это около 17 мбар абс.
Необходимость в системе подачи, очистки и охлаждения рабочей жидкости, что усложняет обвязку.
Постоянный расход рабочей жидкости и энергии на ее перемещение.
Снижение производительности и ухудшение вакуумных характеристик с ростом температуры рабочей жидкости.
Возможность замерзания жидкости в насосе при отрицательных температурах окружающей среды.

Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Монтаж ВВН должен производиться на жестком, выровненном фундаменте с обеспечением соосности валов насоса и двигателя. Обязательна установка запорной арматуры и обратного клапана на всасывающем трубопроводе для предотвращения залива насоса при остановке. Система трубопроводов рабочей жидкости должна включать фильтры грубой очистки, регулирующие вентили, расходомеры и теплообменник.

Эксплуатация требует контроля за:

Уровнем и температурой рабочей жидкости в сепараторе (оптимально +15…+20°C).
Давлением на входе и выходе насоса.
Потребляемой мощностью и силой тока электродвигателя.
Отсутствием кавитационного шума (признак работы вблизи предельного вакуума или недостаточного расхода жидкости).

Техническое обслуживание включает регулярную проверку и подтяжку крепежа, контроль состояния подшипников и смазки, очистку фильтров и сепаратора, проверку износа лопаток и распределительных дисков. Межремонтный период может достигать 20 000 – 40 000 часов.

Сравнение с другими типами вакуумных насосов

Для выбора оптимального вакуумного решения важно сравнить ВВН с другими распространенными типами.

Тип насоса	Диапазон рабочего давления	Преимущества	Недостатки	Типичные конкурирующие с ВВН области
Водокольцевой (ВВН)	Атмосфера – 10…30 мбар абс. (2-ступ.)	Работа с влажными/грязными газами, изотермическое сжатие, надежность	Ограниченный вакуум, потребность в рабочей жидкости	Химические процессы, конденсаторы турбин, дегазация
Пластинчато-роторный масляный	Атмосфера – 0.01…0.1 мбар абс.	Более глубокий вакуум, компактность	Чувствительность к влаге и пыли, загрязнение масла, необходимость маслоотделителей	Металлургия, вакуумные печи, лабораторные установки
Вихревой (сухой)	Атмосфера – 50…100 мбар абс.	Сухой принцип работы (без жидкости), простота	Низкий КПД, ограниченный вакуум, шумность	Вакуумная упаковка, подъемные системы
Винтовой (сухой)	Атмосфера – 0.1…1 мбар абс.	Сухой принцип, хороший вакуум, низкий уровень шума	Высокая стоимость, сложность конструкции, чувствительность к абразивам	Фармацевтика, пищевая промышленность, высоконадежные системы

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем определяется предельный вакуум водокольцевого насоса?

Предельный вакуум определяется температурой и, соответственно, давлением насыщенных паров рабочей жидкости в зоне минимального давления. Для воды при +15°C давление насыщенных паров составляет ~17 мбар. На практике из-за растворения газов, утечек и гидравлических потерь предельное давление одноступенчатого насоса составляет 30-50 мбар абс., двухступенчатого – 10-20 мбар абс. Для углубления вакуума необходимо охлаждать жидкость или применять жидкости с низким давлением паров (например, специальные масла).

Можно ли использовать в качестве рабочей жидкости не воду, а другую среду?

Да, это одно из ключевых преимуществ ВВН. Вместо воды могут применяться:

Минеральные масла: Для создания более глубокого вакуума (низкое давление паров), в химических процессах с неполярными газами.
Органические растворители (гликоль, глицерин): Для работы с агрессивными газами (хлор, HCl, SO2), которые растворяются или нейтрализуются в конкретной жидкости.
Специальные эмульсии и синтетические жидкости: Для решения конкретных технологических задач (антикоррозионная защита, работа при отрицательных температурах).

Выбор жидкости должен учитывать ее вязкость, давление паров, химическую совместимость с материалом насоса и откачиваемой средой, температуру вспышки.

Как бороться с известковыми отложениями (накипью) в насосе и системе при использовании жесткой воды?

Образование накипи на лопатках и внутренних поверхностях корпуса снижает производительность и может привести к заклиниванию ротора. Меры борьбы:

Использование умягченной или обессоленной воды в замкнутом контуре.
Применение ингибиторов накипеобразования и коррозии, добавляемых в рабочую жидкость.
Регулярная химическая или механическая очистка насоса по регламенту техобслуживания.
Организация системы с подпиткой свежей водой и непрерывным продувом части жидкости в дренаж (продувка), что не позволяет солям достигать концентрации насыщения.

Что такое кавитация в водокольцевом насосе и как ее избежать?

Кавитация возникает, когда локальное давление в зоне всасывания падает ниже давления насыщенных паров рабочей жидкости. Это приводит к вскипанию, образованию пузырьков пара и их последующему схлопыванию с микрогидроударами. Признаки: характерный треск, вибрация, падение производительности, эрозионное разрушение лопаток и корпуса. Для предотвращения кавитации необходимо:

Не эксплуатировать насос вблизи предельного вакуума без необходимости.
Обеспечить достаточный подпор на всасывании (если это допустимо по технологии).
Поддерживать низкую температуру рабочей жидкости.
Правильно подбирать насос: его производительность при рабочем давлении должна соответствовать нагрузке.

Как правильно подобрать водокольцевой насос для конкретной задачи?

Подбор осуществляется на основе технико-экономического расчета, учитывающего:

Параметры вакуумной системы: Необходимое рабочее давление (мбар абс.), требуемая скорость откачки (м³/ч), состав, температура и влажность откачиваемой среды.
Определение необходимой производительности насоса: Рассчитывается с учетом объема системы, желаемого времени откачки, наличия течей и газовыделения.
Выбор типа и исполнения: Одно- или двухступенчатый, материал проточной части (чугун, нержавеющая сталь), тип уплотнения вала (сальниковое, торцевое).
Расчет системы обеспечения: Определение расхода и температуры рабочей жидкости, подбор сепаратора, теплообменника, трубопроводов.
Анализ жизненного цикла: Оценка капитальных затрат, стоимости эксплуатации (электроэнергия, вода, обслуживание), надежности.

Рекомендуется обращаться к инженерным каталогам производителей и использовать специализированное программное обеспечение для подбора.

Насосы вакуумные водокольцевые