Vandens siurbliai yra vienas iš pirmųjų žmonijos pagamintų mechanizmų. Pirmykštis žmogus, troškulio verčiamas, pirmiausia išmoko vandenį semti gerve, ranka sukamu velenu arba ratu pritvirtintais kaušais. Pirmieji stūmokliniai siurbliai pasirodė prieš mūsų erą ir daug šimtmečių buvo be žymesnių konstrukcinių patobulinimų. Tik pradedant XVIII šimtmečiu, plečiantis plieno ir ketaus gamybai, o ypač sukūrus garo mašiną, stūmokliniai siurbliai, o dar vėliau – kompaktiškesni, lengvesni ir pigesni ašiniai (propeleriniai) siurbliai. Siurbliai ir visi vandens kėlimo įrenginiai sudaro grupę hidraulinių mašinų, kurios tekančiam per jas skysčiui perduoda variklio ar kitokio jėgos šaltinio joms teikiamą energiją.
Skysčių transportavimas
Skysčiai gali tekėti vamzdžiais ir aparatais savitaka arba priverstinai. Pirmuoju atveju skystis teka iš aukštesnio lygio į žemesnį. Skysčio lygių skirtumas turi būti toks, kad būtų nugalėtas hidraulinis pasipriešinimas vamzdžiuose ir susidarytų pakankamas tekėjimo greitis. Savitaka tekančio skysčio potencinė energija mažėja.
Priverstiniam skysčių transportavimui naudojami siurbliai, t.y. aparatai, kurie iš variklio gautą mechaninę energiją paverčia skysčio tėkmės energija. Siurblius galima klasifikuoti pagal veikimo principą ir konstrukciją. Chemijos pramonėje dažniausiai naudojamų siurblių klasifikacija pateikta schemoje.
Tūriniuose siurbliuose skysčio energija ir slėgis didėja, kai pirmyn ir atgal slankiojantis arba besisukantis siurblio elementas iš uždaros erdvės išstumia tam tikrą skysčio tūrį. Pagal darbo detalių judėjimo formą tūriniai siurbliai skirstomi į turinčius pirmyn ir atgal judančius darbo elementus (stūmokliniai, plunžeriniai, diafragminiai) ir besisukančius arba rotorinius (krumpliaratiniai, sraigtiniai ir kt.) Juose skysčiui suteikiama potencinė energija.
Dinaminiuose siurbliuose skysčio energija ir slėgis didėja, jį veikiant išcentrinėms jėgoms (pvz., išcentriniuose ir ašiniuose siurbliuose) arba trinties jėgoms (pvz., čiurkšliniuose ir sūkuriniuose siurbliuose). Todėl pagal skystį veikiančių jėgų pobūdį dinaminiai siurbliai skirstomi į mentinius ir trinties siurblius. Dinaminiuose siurbliuose didinama skysčių kinetinė energija.
Išcentrinio siurblio schema ir veikimo principas
Pagrindinis išcentrinių vandens siurblių darbo elementas yra spiralės formos korpuse 1 laisvai besisukantis siurbliaratis 2, tvirtinamas ant veleno 9. Tarp siurbliaračio diskų yra juos jungiančios lenktos mentelės 3. Disko ir mentelių vidiniai paviršiai sudaro siurbliaračio kanalus, kurie, dirbant siurbliui, būna pripildyti transportuojamojo skysčio. Išcentriniuose siurbliuose skysčiai įsiurbiami ir suslegiami nenutrūkstamai ir tolygiai, veikiami siurbliaračio sukimosi metu atsiradusios išcentrinės jėgos.
Sukantis siurbliaračiui, kiekvieną nuo veleno centro atstumu r nutolusią m masės skysčio dalelę veikianti išcentinė jėga C apskaičiuojama pagal lygtį:
čia ω – kampinis veleno sukimosi greitis, rad/s.
Sukantis siurbliaračiui 2, skystis, stumiamas menčių ir bloškiamas išcentrinės jėgos, iš centro patenka į pakraščius ir toliau liestinės kryptimi į slėgimo linijos vamzdį. Skysčiui ištekant iš siurbliaračio, sumažėja jo greitis, todėl skysčio kinetinė energija virsta slėgio potencine energija, kuri reikalinga skysčiui pakelti į nurodytą aukštį. Tuo metu išcentrinės jėgos veikiamo siurbliaračio centre susidaro vakuumas, dėl kurio skystis nenutrūkstamai kyla įsiurbimo vamzdžiu į erdvę tarp siurblio korpuso, o po to – į kanalus tarp siurbliaračio mentelių. Jeigu prieš įjungiant išcentrinį siurblį siurbimo vamzdis 5 ir korpusas 1 nepripildyti skysčio, tai sukantis siurbliaračiui jo centre susidariusio vakuumo nepakanka skysčiui pakelti. Todėl vamzdžiu 4 siurblys pripildomas skysčio. Tam, kad skystis neištekėtų iš siurblio, siurbimo linijoje įtaisomas atbulinis vožtuvas 6. Siurblys sandarinamas riebokšliu 10 arba (beriebokšliai siurbliai) specialiu sandarinimo mazgu. Skysčiui ištekėti iš siurblio korpuse yra platėjanti spiralės formos kamera; skystis iš siurbliaračio pradžioje patenka į šią kamerą, o paskui į slėgimo vamzdį 8.
Vieno siurbliaračio išcentrinių siurblių pakėlimo aukštis nedidelis ( ne didesnis kaip 50…100m transportuojamojo skysčio stulpo aukščio). Pakėlimo aukščiui padidinti naudojami daugiapakopiai siurbliai. Juose skystis nuosekliai transportuojamas per keletą ant vieno veleno sumontuotų siurbliaračių. Teoriškai tokio siurblio sudaromo slėgio aukštis lygus atskiruose siurbliaračiuose sudaromų slėgių aukščių sumai.
Išcentrinių siurblių klasifikavimas
Dažniausiai išcentriniai siurbliai klasifikuojami pagal tris požymius:
- siurblio sudaromo slėgio aukštį;
- siurbliaračio menčių skaičių;
- siurbliaračių konstrukciją.
Atsižvelgiant į sudaromo slėgio aukštį H, siurbliai yra skirstomi į:
- mažo slėgio, kai H < 20 m;
- vidutinio slėgio, kai 20 < H < 60 m;
- didelio slėgio, kai H > 60 m.
Išcentrinio vandens siurblio sudaromo slėgio aukštis priklauso nuo siurbliaračio skersmens ir sukimosi dažnio. Abu šiuos dydžius galima didinti tik iki tam tikrų ribinių verčių, nes, didinant skersmenį, didėja hidraulinis pasipriešinimas, o sukimosi dažnį riboja siurbliaračio medžiagos mechaninis atsparumas. Išcentrinio siurblio sukimosi dažnis visada būna toks pat kaip ir variklio.
Pagal menčių skaičių skiriami mažai menčių (2…8) turintys ir daug menčių turintys siurbliai. Mažiausiai siurbliaratyje būna dvi mentės. Siurbliais, turinčiais mažai menčių, transportuojami skysčiai su kietų medžiagų priemaišomis. Siurbliais, kurių siurbliaratyje yra aštuonios arba daugiau menčių, dažniausiai transportuojami švarūs skysčiai.
Pagal konstrukciją ir jungimo būdą siurbliaračiai gali būti atviri arba uždari, sujungti lygiagrečiai arba nuosekliai. Lygiagrečiai sujungus du ar daugiau siurbliaračių, padidėja bendras siurblio našumas. Pagal siurbliaračių skaičių tokie siurbliai vadinami viengubaisiais, dvigubaisiais ir kt. Nuosekliai sujungus kelis siurbliaračius ant vieno veleno, padidėja sudaromo slėgio aukštis. Tokie siurbliai vadinami vienpakopiais, dvipakopiais ir daugiapakopiais (pavadinimas priklauso nuo siurbliaračių skaičiaus).
Sistemos našumui ir sudaromam slėgiui padidinti lygiagrečiai arba nuosekliai gali būti jungiami ir patys išcentriniai siurbliai.
Išcentrinių vandens siurblių sudaroma išcentrinė jėga, o kartu slėgio aukštis didėja didėjant siurbliaračio kampiniam greičiui ω ir spinduliui r, o kampinis greitis proporcingas siurbliaračio sukimosi dažniui.
Skysčio dalelių judėjimas besisukančio siurbliaračio tarpmentiniame kanale yra sudėtingas. Todėl, teoriškai nagrinėjant skysčio tekėjimą siurbliaratyje, daroma prielaida, kad skysčio dalelės juda lygiagrečiai su mentėmis. Skysčio tekėjimas kanalais tarp siurbliaračio mentelių yra sudėtingos struktūros: viena vertus, jis juda išilgai kanalų, o kita vertus, – įgauna judesį rato, kurio apskritiminis sukimosi greitis (čia D – skysčio dalelės judėjimo trajektorijos skersmuo, m; n – rato sukimosi dažnis, min-1), sukimosi kryptimi. Apskritiminio sukimosi greičio vektoriaus kryptis sutampa su bet kurio tiriamojo apskritimo taško liestine. Be to, skystis įgauna ir reliatyvųjį judėjimo greitį ω, kurio vektoriaus kryptis sutampa su liestinės kryptimi. Absoliutusis dalelės judėjimo greitis c priklauso nuo apskritiminio ir reliatyviojo greičių ir gali būti apskaičiuotas pagal lygiagretainio taisyklę.
Kavitacija
Kaip žinome, skystis iš apatinio rezervuaro į siurbliaratį pakyla todėl, kad siurbliaratyje absoliutus slėgis yra mažesnis už atmosferinį. Tačiau absoliutų slėgį siurbliaratyje galima mažinti tik iki tam tikros ribos, vadinamos prisotintų garų slėgiu. Sumažėjus slėgiui siurbliaratyje žemiau prisotintų garų slėgio, skystyje atsiranda tuštumos, kurias užpildo išsiskyrę skysčio garai ir dujos. Išcentrinės jėgos veikiami, garai nubloškiami į periferinę siurbliaračio zoną ir čia kondensuojasi. Skysčio dalelės, nebesutinkamos tuštumų vietose buvusio garų ir dujų pasipriešinimo, labai dideliais greičiais veržiasi į ištuštėjusią ertmę ir, tarpusavyje susidurdamos, išvysto didžiulį, kartais net tūkstančius atmosferų siekiantį slėgį. Šis reiškinys vadinamas kavitacija.
Susiduriančių skysčio dalelių smūgių veikiamas, metalo paviršius ima irti. Pirmiausia metalas suyra ten, kur jo paviršiuje yra mikroskopiniai plyšeliai, nelygumai, aštrios briaunos. Ilgainiui suardomas visas kavitacijos veikimo zonoje esantis metalo paviršius.
Kavitacijos veikimo zonoje iš skysčio išsiskiria deguonis ir kitokios dujos, kurios chemiškai veikia metalą, sukelia jo koroziją ir pagreitina metalo paviršiaus ardymą.
Būdingi kavitaciją lydintys reiškiniai – triukšmingas siurblio darbas, vibracija, netolygus našumas.
Kavitacija ir jos lydima metalo korozija labai greitai, kartais net per keletą valandų, suardo siurblių detales, ypač siurbliaračio mentes (9 pav.), kiek lėčiau – spiralinės kameros sieneles bei kreipračio detales. Vykstant kavitacijai, mažėja siurblio naudingumo koeficientas ir našumas. Todėl, vykstant net ir nežymiai kavitacijai, reikia nedelsiant siurblį stabdyti. Ypač greit dėvisi siurblių detalės, kai, vykstant kavitacijai, skystyje yra kietų nešmenų (smėlio ir pan.), kurie ypač greitai ardo metalo paviršių. Savo ruožtu nešmenys, šiurkštindami metalo paviršių, didina kavitaciją.
Labiausiai neatsparūs kavitacijai yra ketus bei plienas, atspariausi – nerūdijantis plienas ir bronza.
Su kavitacijos pasekmėmis kovojama įvairiais būdais. Siurblio detalės, kurias veikia kavitacija, gaminamos ne tik iš geresnės kokybės metalo, bet padengiamos apsauginiais sluoksniais, metalizuojamos, grūdinamas jų paviršius.
Žymiai racionaliau kovoti ne su kavitacijos pasekmėmis, o su ją sukeliančiomis priežastimis. Tai galima pasiekti dviem būdais:
- parenkant tokį siurbimo aukštį hs, kad slėgis siurbliaratyje būtų didesnis už prisotintų garų slėgį;
- mažinant hidraulinius pasipriešinimus hws siurbimo vamzdyje. Hidrauliniai pasipriešinimai mažėja, didinant vamzdžio skersmenį ir mažinant jo ilgį.
Išcentrinių siurblių panašumai ir trūkumai
Išcentriniai siurbliai – labiausiai paplitę mentiniai vandens siurbliai. Šie siurbliai tolygiai ir nenutrūkstamai transportuoja skystį ir turi gana didelį naudingumo koeficientą. Jie yra palyginti paprastos konstrukcijos, todėl patikimi ir ilgaamžiai. Kadangi tarp siurblių darbo elementų nėra trynimosi paviršiaus, jais galima transportuoti ir užterštus skysčius. Dėl paprasto tiesioginio prijungimo prie dideliais apsisukimais besisukančių elektros variklių siurbliai yra kompaktiški, didesnis jų naudingumo koeficientas. Todėl išcentriniai siurbliai dažniausiai naudojami chemijos ir maisto pramonėje.
Išcentrinių siurblių trūkumu laikoma tai, kad jie nelabai tinka transportuoti nedideliems sysčio kiekiams ir kai reikia sudaryti didelius slėgius. Tai paaiškinama tuo, kad, didėjant pakopų skaičiui, reikalingam pakankamai dideliam slėgio aukščiui H pasiekti, sumažėja naudingumo koeficientas.
Išcentrinių siurblių panaudojimo sritys
Išcentrinių siurblių panaudojimo sritys. Išcentriniai cirkuliaciniai siurbliai naudojami gyvenamųjų namų, biurų pastatų, viešbučių ir t.t. šilumos tiekimo sistemose. Pramonėje siurbliai naudojami technologiniuose procesuose bei gamyklų priežiūrai, ir be abejo, kaip svarbūs kitų įrengimų mazgai. Vandens tiekimo ir kanalizacijos siurbliai, skirti drėkinimui, šiltnamiams, komunalinėms, privačioms ir pramoninėms vandens tiekimo bei nuotekų sistemoms.Buitinėse bei pramoninėse vandentiekio sistemose, termofikacinio, kondicionavimo, šaldymo bei cirkuliacinėse sistemose, taip pat priešgaisrinėse ir laistymo sistemose.Švariam ir lengvai užterštam vandeniui su kietosiomis frakcijomis iki 10mm, vonių drenavimui bei laistymo sistemose. Chemijos ir naftos pramonėje, dyzelinui, mazutui ir tepalams.