概述

泵与流体系统的相互配合

客户如何找到适合他们流体系统的低脉冲泵

隔膜泵在流体系统内能提供多大的流量和产生多大的压力?既然选用传统隔膜泵,都知道预测这个的困难性和不确定性。其中原因在于容积式泵(例如:单头隔膜泵)所伴随的脉动式流量及其带来的相应影响。

 

为了满足流体系统制造商对于低脉冲的需求,KNF集团开发了 FP 系列泵,其进气口和出气口具有近似恒定的非脉冲流量。这点具有明显的优势,使得诸如压力和流量等系统参数能够方便的被计算出。

 

更多有关泵与流体系统的协同配合以及有关压力损失和工作点的内容,可从下面的博文中加以了解。  

流体系统内的哪个位置会发生压力损失?

可靠预测的基础需要仔细研究“压力损失”。流体系统内每个零件,例如软管、安装件、过滤器、转角件或接头,在流经时都会产生压力损失。也就是说,这些零件会变成某种形式的流动阻力。为了克服液压阻力,这些零件进口端的流体压力必须大于出口端。

插图 1:流体系统内带有阻力时的流量和压力损失示例图
插图 1:流体系统内带有阻力时的流量和压力损失示例图

压力损失有多大,受不同的因素影响,其中最主要的有液体黏度、零部件的结构和形状、流速和流体类型等。  

 

流体类型主要分层流与湍流两种。如果是层流,液体颗粒以平行的直线式移动。如果是湍流,液体颗粒以交叉流线的形式流动。

 

其他主要的概念还有“稳态流动”与“非稳态流动”。“稳态流动”是指平均流速保持不变的连续流动。与此相反,非稳态流动时的流速会有所变化。非稳态流动的一个典型例子是通过单头隔膜泵的流量脉冲。取决于隔膜泵直线式吸入还是液体直涌进于压力管,管道内的流速会有明显变化。

可靠的计算流体系统内的压力损失

流体系统内的压力损失本身受许多因素的影响。另外,计算起来也非常费时。如果流体系统开发者希望快速获得有关流体系统压力损失的评估,就要面对各种繁琐的公式。对此,在线计算器可提供帮助和支持,例如:pressure-drop.com/Online-Calculator。这些工具对于即使不具备很多公式知识的用户也能快速提供特定组件的压力损失范围。不过,在线计算器仅适用于稳态流动,而不适用于脉冲式流动,因为相关公式没有兼顾这里会出现的波动现象。

以下有关喷墨打印的计算示例表明了评估压力损失的益处。当黏度为mPas的打印墨水以每分钟0.6升的速度流过一条直径4毫米、长度3米的软管,就会产生0.5巴的压力损失。如果该软管安装于泵的吸入端,那么泵的前侧就会出现0.5巴的负压。这会明显限制泵的流量,并导致诸如排气等问题。如果软管直径扩大至6毫米,压力损失就只有0.1巴。就此来说,软管直径具有很大的影响作用。

 

一个流体系统由多个组件组合而成。下图示例显示了包括一个过滤器、一个容器以及一套位于压力端的简单流体系统的泵。

插图 2:泵与压力端流体系统的组成部分。
插图 2:泵与压力端流体系统的组成部分。

当流体系统所有组件的压力损失是确定的且被累加,就能得知整个流体系统的压力损失。

 

压力损失取决于流量大小。系统流量增大,压力损失也随之增大。因此,从整个流体系统可得出一条性能曲线,用以显示压力损失与流量的关系(参见插图3)。该性能曲线也可叫做系统性能曲线。除了流量影响压力损失外,当压力容器内存在超压,或者压力容器的位置高于吸入容器时,静态部分也会影响压力损失。

插图 3:系统性能曲线
插图 3:系统性能曲线

系统性能曲线仅显示流体系统的性能。泵的性能由泵性能曲线来描述,从泵制造商提供的数据表中能够找到。性能曲线显示了泵在不同背压下的流量情况。

工作点:泵的性能曲线与系统性能曲线的结合

在论述完系统性能曲线和泵性能曲线之后,以下将对泵与流体系统的相互作用进行论述。当一台设备中使用一个泵,哪些位置会产生多大的流量和压力?  

 

如果泵与一个流体系统相连,在流量和压力损失中间达到一个平衡点,被叫工作点。它显示了泵的流量、进口端压力和出口端压力,如图2所示。描述了上述三个因素的工作点是流体系统和泵相互作用的结果。

 

为了达到这个工作点,要结合泵性能曲线和系统性能曲线。至于在压力侧系统(参见图2)又是怎样的情况,可参见下图(图4)。在这里,吸入侧会被忽略。

插图 4:不同的泵与系统性能曲线示意图,其中交点表示工作点 1 至 3
插图 4:不同的泵与系统性能曲线示意图,其中交点表示工作点 1 至 3

系统性能曲线可被绘入泵性能曲线。其中的轴线已根据隔膜泵的常见轴线予以调换。两条曲线的交点现在位于工作点 1,表示泵所产生的流量和受到的背压。  

 

若改变系统,比如采用较小直径的软管,泵的性能曲线上的工作点会转移到点位 2,从而使流量减小和背压增强。如果改变泵的性能曲线,比如转速下降至50%,系统性能曲线上的工作点也会转移至点位 3。在此情况下,流量将会明显减小,而背压也同样。

 

泵的性能曲线由泵制造商负责绘制,并呈现于数据表上。那系统曲线如何获得?如上文所述,系统性能曲线是可通过计算得出的。即使是一个简单的系统,由于流体系统内的所有组件都须被仔细检测,所以也不简单。另外,也可用一台低脉冲泵并以系统已知曲线和不同的转速来测量压力。在已知结果的基础上,给客户推荐适合其流体系统采用的泵。这样,即可满足客户的特殊需求。 

如何知道流体系统内的流量和压力

迄今为止,利用传统的脉冲式容积泵几乎无法进行可靠的工作点预测。如博文第一段所述“火车类比:流体系统中的流动和压力波”,一个流体系统软管内的波现象导致的脉冲会导致明显不同的压力损失。为了抵御这种现象,KNF集团开发了 FP 系列低脉冲泵。该系列具备许多优势,例如压力损失很小、组件操纵简单、振动小和噪音低。以下特点对于用户而言尤其重要:基于低脉冲,流量几乎稳定,因此就可良好利用本文介绍的压力损失和工作点预测。客户系统中泵的性能是可计算的,例如压力和流量,因此可按具体需求最佳调整流体系统内的泵。有关此话题的更多信息,可参见本博客中的其他两篇内容。

综上所述,优势如下:

  • KNF 的新 FP 泵可提供近似恒定的非脉冲式流量。

  • 客户系统内 FP 泵的压力和流量能容易被计算出。

  • 在流体系统内,泵可按特殊需求作相应调整。

 

我们非常乐意按照您的个别需求提供相应的解决方案。KNF的技术专家期待您的联系和询问。

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