了解離心泵為什么會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)再循環(huán)現(xiàn)象。

ANDREW SLOLEY

低流量時(shí)，吸入再循環(huán)（內(nèi)部回流）會(huì)影響離心泵的運(yùn)行。泵的吸入比轉(zhuǎn)速和吸入能量可以幫助我們了解潛在的問(wèn)題（參見(jiàn)：“Cut Pump Speed to Cut Problems"）。變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）通常可以提供一種解決方案（參見(jiàn)：“Consider VFDs for Centrifugal Pumps"）。解決吸入再循環(huán)問(wèn)題無(wú)疑會(huì)需要花錢(qián)。通常情況下，要想獲得資金，就必須說(shuō)服資金負(fù)責(zé)人問(wèn)題的真正原因。許多人很難理解流量在離心泵內(nèi)會(huì)倒流這一現(xiàn)象。多年來(lái)，我一直在努力尋找一個(gè)從基本正確但簡(jiǎn)單的解釋。

首先，我們必須意識(shí)到，對(duì)機(jī)械工程師來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單的事情對(duì)化學(xué)工程師來(lái)說(shuō)可能很復(fù)雜。那么，讓我們用兩組人都能理解的方式來(lái)解釋這一現(xiàn)象。對(duì)于機(jī)械工程師來(lái)說(shuō)，離心泵可以增加液流的壓力。液體流動(dòng)的自然方向是從高壓流向低壓。液體流經(jīng)泵是因?yàn)樾D(zhuǎn)的葉輪提供了產(chǎn)生壓力的速度。速度梯度產(chǎn)生出口壓力。在離心泵中，液體進(jìn)入葉輪中心的吸入孔。液體在葉輪外圍離開(kāi)泵之前會(huì)改變流速。為了處理從葉輪中心到邊緣的流動(dòng)幾何形狀和速度的變化，流道形狀會(huì)發(fā)生變化。圖1顯示了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的葉輪的端視圖，圖2顯示了側(cè)視圖。入口液流以特定的入射角接觸葉輪的前緣（見(jiàn)圖1）。通過(guò)對(duì)液體流動(dòng)方向的矢量分析表明，入射角會(huì)影響渦流的形成。隨著流速的下降，形成的渦流變大。最終，渦流會(huì)產(chǎn)生從泵出口到泵入口的部分流動(dòng)。局部流型遵循圖1所示的形狀。對(duì)于化學(xué)工程師來(lái)說(shuō)，最好考慮泵流型如何與物料平衡邊界相互作用。通過(guò)泵的一系列物料平衡邊界的凈流量始終與泵吸入流量相同。如果泵吸入流量下降，則通過(guò)泵任何橫截面的凈流量也會(huì)下降。由于典型液體在大多數(shù)情況下是不可壓縮的，這就產(chǎn)生了一個(gè)絕對(duì)要求，即任何橫截面的平均速度都隨流量線性變化。

然而，在靠近葉輪的壓力邊緣（前緣表面）附近，葉輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了（葉輪葉片出口邊）液體的流速。如果平均液體流速下降，但是在流動(dòng)通道區(qū)域中的速度接近恒定，則其它區(qū)域的速度必須比平均流速下降得更多。在某些點(diǎn)上，當(dāng)平均流速降低到足夠低時(shí)，遠(yuǎn)離葉輪前緣的區(qū)域的流動(dòng)方向必須發(fā)生逆轉(zhuǎn)以滿足平均流速的要求。圖2顯示了泵在最佳效率點(diǎn)（BEP）和低流量工況（BEP的0.25）下的流動(dòng)示意圖。在低流量時(shí)，泵內(nèi)的流道（顯然）過(guò)大。然而，它們必須充滿液體，這就導(dǎo)致了流動(dòng)再循環(huán)。由于再循環(huán)在低壓區(qū)域產(chǎn)生的汽化引起的汽蝕，流動(dòng)再循環(huán)會(huì)損壞葉輪。流動(dòng)再循環(huán)還會(huì)對(duì)泵零部件施加不平衡的力和振動(dòng)。機(jī)械和工藝改進(jìn)都可以減少流動(dòng)再循環(huán)的現(xiàn)象。機(jī)械解決方案?jìng)?cè)重于泵。例如，葉輪-蝸殼-幾何形狀的匹配、葉片角度、葉片前緣和葉輪入口孔的修改以及泵轉(zhuǎn)速的變化都可以提高泵的靈活性（改變泵的性能 – 泵沙龍注1）。然而，每種因素對(duì)泵的效率、揚(yáng)程和流量的影響都不同。

有兩種方式可改善/消除小流量下流動(dòng)再循環(huán)：一種工藝改進(jìn)是增加一條再循環(huán)回路（最小流量回路 – 泵沙龍注2），以使泵遠(yuǎn)離低流量區(qū)域。再循環(huán)系統(tǒng)需要額外的設(shè)備（管道、節(jié)流孔板、控制閥等）。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，許多流量控制回路因維護(hù)成本或忽視其重要性而被放棄。另一種工藝改進(jìn)為泵提供額外的吸入壓頭（即提高入口壓力 – 泵沙龍注3）。這有助于防止類(lèi)似汽蝕的損傷。即使在泵的低壓區(qū)域也有足夠的壓頭來(lái)保持流體高于其汽化壓力。然而，額外的吸入壓頭并不能解決應(yīng)力和振動(dòng)的問(wèn)題。在某些情況下，泵的振動(dòng)可能會(huì)超過(guò)良好的實(shí)踐。額外的應(yīng)力和振動(dòng)會(huì)縮短平均維修間隔時(shí)間和平均故障間隔時(shí)間。維護(hù)成本隨著高振動(dòng)和高應(yīng)力而上升。降低運(yùn)行速度可降低振動(dòng)和泵負(fù)載。雖然這可能不是一個(gè)的解決方案，但改用VFD可以使幾乎所有受到入口再循環(huán)影響的離心泵受益。選擇正確的選項(xiàng)需要對(duì)機(jī)械和工藝限制以及成本進(jìn)行全面的分析。