具有自吸能力的可调速的微型水泵

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　　水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。水泵的技术参数主要有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等。水泵类型较多，根据不同的工作原理可分为容积式水泵、动力式水泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量，有隔膜泵、往复泵等。动力式泵又称叶轮式泵或叶片式泵，靠快速旋转的叶轮对液体的作用力，将机械能传递给液体，使其动能和压力能增加，然后再通过泵缸，将大部分动能转换为压力能而实现输送。离心泵是最常见的动力式泵。应根据装置的工艺参数、输送介质的物理和化学性质、操作周期、泵的结构特性、购置和使用成本等因素合理选择泵的类型。
　　在很多场合，比如需要自动启停泵、要频繁启动水泵、水泵入口可能吸入气体、要移动工作的水泵、灌泵不方便等，人们很需要具有自吸能力的泵。没有自吸能力的泵，每次吸水前都要加“引水(引导用的水)”，将抽水管灌满水，就很麻烦。自吸式水泵能在抽水管内是空气的情况下，利用泵工作时形成的负压，在大气压的作用下将低于抽水口的水吸上来，再从水泵的排水端排出。这个过程是不需要加“引水”的。自吸的高度就叫吸程，单位一般是米,也叫最大自吸高度。即泵在不加“引水”的情况下，能自动将水吸上来的最大高度(泵抽水口中心距离待抽液面的垂直距离)。吸程的高低，跟泵的功率、流量、结构等有关系。吸程的理论极限值是当地大气压。但由于密封性等原因，吸程一般只有数米。在水泵入口断面安装一只真空表，读出真空表的读数，其单位为 MPa, 与标准大气压相比换算成水柱就是水泵的吸程，单位为m。在实际操作中，人们常常也把水泵的允许安装高度叫做吸程，吸程 = 标准大气压(10.33 m) - 汽蚀余量 - 安全量(0.5 m)。自吸式水泵实际的安装高度要考虑到吸水管道的阻力、当地海拔和水温。一般在海拔超过300m或水温大于20℃时要对厂家的实验值进行修正。除了合理选择自吸泵的型号外，选择合适的阻力较小的管道、减少进水管弯头阀门等阻力件、减小水平距离、在条件允许的情况下尽量将泵安装在离液面较近的位置也是提高自吸能力，缩短自吸时间的有效方法。
　　具备自吸能力的泵有：容积式泵如齿轮泵、螺杆泵、活塞泵、隔膜泵等，动力式泵中的自吸旋涡泵、射流泵。一些本身不能自吸的泵经特殊设计，增添必要的机构，亦可具备自吸能力，如自吸式离心泵。螺杆泵运送液体的种类和粘度范围宽广，适合输送含有颗粒或纤维的介质，压力和流量范围宽阔，压力高而均匀，流量均匀连续，噪音低，吸入性能好，但尺寸较大。这里主要介绍生产、环保、医疗和科研等领域常用的具有自吸能力的微型小型水泵。微型小型水泵的型号较多，每分钟流量从小于1升到一百多升，重量从小于1公斤到几十公斤不等。
　　动力式泵中的射流泵是一种原理独特，利用工作流体的射流来输送流体的设备，需要与其他泵或高压流体来源配合使用。根据工作介质和被输送流体介质的性质是液体还是气体，而分别称为喷射器、引射器、射流泵等不同名称，但结构型式和工作原理基本相同。通常把工作液体和被抽送液体是同一种液体的设备称为射流泵。射流泵的工作原理是工作流体从喷嘴高速喷出时，在喉管入口处因周围的空气被射流卷走而形成真空，被输送的流体即被吸入。两股流体在喉管中混合并进行动量交换，使被输送流体的动能增加，最后通过扩散管将大部分动能转换为压力能。射流泵具有内部无运动部件，结构简单，工作可靠，无泄漏，有自吸能力，加工容易等优点。射流泵可输送液体、气体和固体。射流泵独特的工作原理决定了它的应用。在很多领域，采用射流泵技术可以使整个工艺流程和设备大为简化，并提高工作可靠性。特别是在高温、高压、真空、强辐射及水下等特殊工作条件下，更显示出其独特的优越性。它还能利用带压的废水、废汽(气)作为工作流体，从而节约能源。由于射流泵是依靠液体质点间的相互撞击来传递能量的，因此在很合过程中产生大量旋涡、在喉管内壁产生摩擦损失以及在扩散管中产生扩散损失都会引起大量的水力损失，因此射流泵的效率较低，一般不超过30%。
　　旋涡泵出现于1920年。旋涡泵的种类很多，按其结构主要可分为一般旋涡泵、多级旋涡泵和自吸旋涡泵等。一般旋涡泵通常采用闭式叶轮和开式流道，它的吸入口和排出口是直接连通的，因此这种泵不能自吸，往往在排出口加一自吸附加装置后才能自吸。自吸旋涡泵的开式叶轮和泵的入口及出口不直接相通，组成闭式流道，或者流道末端做成向心式的向心流道，便能自吸。自吸旋涡泵根据叶轮数目不同，通常还有单级的和多级的结构形式。自吸旋涡泵既可以自吸，又可以汽液混合输送，所以使用范围较广。微型、小型自吸旋涡泵是常见的一种自吸水泵，它的叶轮高速旋转时排出部分泵中的存水，形成真空，吸入进水管中的空气，空气与存水混合。气液混合体进入气液分离室，气体从泵出口逸出，液体比重大，从回流孔回到流道，周而复始直到将进水管中的空气排除干净，实现自吸。旋涡泵内部的流动过程十分复杂，目前存在几种假说，设计还主要依靠模型换算和经验系数方法。
　　旋涡泵结构紧凑，内部部件间歇多小于1mm，对加工和装配精度要求很高。旋涡泵的密封间隙越小，自吸高度越大，在间隙增大时，除自吸高度下降外，泵的扬程、效率均降低。旋涡泵很适用于小流量、高扬程、易挥发、易汽化的液体的输送，成为离心泵在小流量范围的延续，但抗气蚀能力不如离心泵。旋涡泵具有较陡的扬程-流量和功率-流量曲线，因此对系统的压力波动不敏感。旋涡泵只能输送非粘性液体，随着液体粘性上升，扬程和效率会急剧下降。如果液体中含有杂质，会磨损部件增大间隙，降低旋涡泵的性能。部分旋涡泵可以实现气液混输。旋涡泵的缺点是效率较低，一般为20～40%，最高不超过50%。自吸旋涡泵的进口一般要安装止回阀，还多了一个气液分离室和回流孔，造成能量损失，效率比一般旋涡泵还要低。微型、小型自吸旋涡泵的流量可小于10L/min，但效率只有10～20%。
　　普通离心泵没有自吸能力，需要对离心泵结构进行特殊设计。有的在吸水管路上设置真空泵，水泵启动前，真空泵先启动，使水泵吸水管内先充满水，保证水泵自动、迅速启动。这种吸水方式需要有完善的自动控制系统以保证正常工作。有的在进水管安装止回阀。止回阀使水流只能由水池进入吸水管而不能倒流，可使吸水管内一直都充满水，保证离心泵能迅速启动，快速上水。这种吸水方式的可靠性受吸水底阀质量的影响，比如关闭不严、漏水，吸水管内的水就会慢慢流失，时间长了，吸水管内就没有水，导致水泵启动时仍需人工灌水。从节能的观点看，底阀的阻力很大，对节能非常不利。有的设置泵前吸水罐，水泵在第一次运行前，罐内应人工灌满水，第一次运行停止后，因为吸水罐的进水管高度高于罐内水面高度，罐内的水不会倒流，吸水罐内能储存一定的水，保证水泵的吸水管内充满水，以后水泵再运行时，罐内出现负压，水池中的水在大气压力的作用下补充到吸水罐内。小型的自吸式离心泵的流量约为50L/min，扬程可达20m以上，功率较大，多采用交流电机。离心泵一般流量较大，小功率的离心泵效率较低。小型离心泵的效率为50%-70%，大型泵可高达90%。小流量的离心泵制造困难成本较高。
　　活塞泵依靠活塞往复运动，使得泵腔工作容积周期变化，实现吸入和排出液体。活塞泵分为单、双作用式;单、双、多缸式。活塞泵的流量一般为0.7～6000m3/h，排出压力≤40MPa，大多数情况下≤25MPa。活塞泵的流量由泵缸直径、活塞行程及活塞每分钟的往复次数确定的。扬程取决于装置管路特性，同一台活塞泵流量不变，而扬程可随着装置管路特性变化。活塞泵适用于高压、小流量的场合，特别是流量小于100m3/h，排出压力大于9.8MPa时，显示出较高的效率和良好的运行性能。它吸入性能好，能抽吸各种不同介质、不同粘度的液体。其缺点是有脉动、价格较高、维护困难、活塞与输送介质接触、在一些介质中活塞磨损非常快。在电动机、内燃机这些高速原动机问世之前，往复活塞泵是水泵的主导产品，往复活塞结构作为变容积泵的基本结构，原理简单，高效高压。但随着电动机的出现，离心泵因其结构简单，与电机配接使用方便，可以在广泛的流量和扬程范围内工作，离心泵技术迅速地得到发展。往复式活塞泵工作方式与旋转动力连接不方便，结构复杂体、积大，高速运行受限制，且流量较小，因而离心泵取代活塞泵成为水泵的主导产品。离心泵进入全盛时期已持续了一个世纪。活塞泵以其高效高压的特点一直应用在追求高性能的特殊水泵以及内燃机结构中。近年来还出现了一些应用范围较广的新型结构的微型、小型活塞泵。
　　齿轮泵的原理是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，这个壳体的内部类似8字形，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。齿轮泵结构简单,工艺性较好,成本低;与同样流量的其他泵相比,结构紧凑,体积小;有自吸能力;对工作介质清洁度要求低，能输送腐蚀性、高温的液体。缺点是工作压力较低;存在泄漏问题，容积效率较低;流量脉动大。由于腐蚀原因，齿轮泵多用于输油，针对水介质需要专门设计。
　　微型薄膜水泵是通过薄膜的往复振动来泵送流体。膜片向后运动时，泵腔体积增大，腔内压力降低，在压差作用下，进口阀打开，吸入流体;当膜片向前运动时，泵腔体积减小，腔内压力升高，在压差作用下，出口阀打开，排出流体;如此循环往复。它的驱动原理多种多样，有静电、压电、电磁、热、气动、电液、行波传递、凝胶致动和光热致动等。薄膜泵的特点是效率高;运动机构与输送介质完全隔离、对介质无污染;非动密封，无泄漏;可靠性好;体积小、重量轻;具有自吸能力;不怕空转;无需润滑保养;自身噪音低。微型薄膜泵作为真空水泵使用时，无需灌泵，启动后立即吸水排水。它既能抽气又能抽水，无水时不怕干转。微型薄膜泵的优点尤其是小巧、无污染性、自吸性使它在仪器仪表行业得到了广泛运用。薄膜泵的主要缺点是输送介质温度受薄膜性能限制，一些薄膜泵不适于高粘度流体，出口压力波动幅度大，有时需安装缓冲设备。不同规格的薄膜泵流量差别大，从小于1升/分钟到数百升/分钟。由于薄膜泵具有自吸能力，仪器仪表行业常用的微型薄膜泵也称为微型真空泵、微型采样泵。
　　近年来技术领先的微型真空泵生产商在电机、隔膜材质上取得了突破性的进展，薄膜泵的使用在发达国家得到了很大发展，正逐步占领其它泵的一些领域。相信随着技术的进步，薄膜泵在我国的运用必将日益广泛。目前国内低端的微型真空泵多为国货，进口品牌不占优势。高端微型真空泵主要有进口的KNF、THOMAS等品牌和成都“气海”品牌。国产“气海”泵在技术上已经可与进口泵媲美，所有型号都经过了连续运转考验。在性价比、服务上国产品牌更占优势。气海最先推出了既能抽气又能抽水的微型真空水泵系列。特别是他在WKA系列基础上进行了全面革新，推出了长寿命的WKY系列、可调速的WNY、WPY系列产品这些泵配置了先进的无刷电机，性能提升很大。
　　自吸式微型、小型水泵的种类较多，总的来说，容积泵的效率高于动力式泵，而且效率曲线的高效区较宽。
　　MJC-2013-06