Насосы для сжиженных газов

10.4.   НАСОСЫ  ДЛЯ   СЖИЖЕННЫХ   ГАЗОВ

Перекачивание сжиженных газов: кислорода, азота, аргона, обогащенного воздуха производится насосами. В зависимости от количества перекачиваемой жидкости и конечного давления применяются поршневые (плунжерные) насосы и центробежные. В цехах разделения воздуха насосы для сжиженных газов используются для подачи:

жидкого кислорода, азота и. аргона в теплообменник, где жидкость превращается в газ под избыточным давлением до 165— 240 кгс/см² для заполнения баллонов (поршневые);

     жидкого  кислорода  и  азота   в   испарители   газификационных установок стационарного и транспортного типа, где жидкость пре вращается в газ под избыточным давлением 40—420 кгс/см², перепускаемый в баллоны или хранилища (реципиенты) высокого давления (поршневые);

сжиженного  газа из одного резервуара в другой (поршневые и центробежные).

Насосы  выпускаются с горизонтальным и  вертикальным расположением   поршня.   В   отдельных   случаях   используются   насосы с наклонным поршнем. В зависимости от условий работы применяются  насосы   для   перекачивания   переохлажденной   жидкости (в установках для   разделения   воздуха)   или непереохлажденной; жидкости  (в стационарных и передвижных установках для гази фикации жидкого кислорода и азота). 

Ниже  приводится описание некоторых типов  поршневых насосов для сжиженных газов*.

Конструкция насосов. На рис. 10.15 показана цилиндровая  группа (с сальниковым уплотнением плунжера) насоса для газификации и нагнетания кислорода в баллоны.

Всасывающий 1 и нагнетательный 2 беспружинные шариковые клапаны из нержавеющей стали 1Х18Н9 или ЭИ-229 расположены в головке 3 насоса, изготовляемой из латуни марки ЛС-59-1; седла клапанов выполнены из латуни ЛЖМц-59-1-1, а плунжер 8 — из нержавеющей стали 1Х18Н9.

       Плунжеры  должны быть достаточно большой длины  для уменьшения холодопотерь вследствие теплопроводности. Втулка 4 цилиндра выполнена из латуни ЛС 59-1. Плунжер не касается стенок цилиндра, а движется в направляющих графитовых втулках 17 и 20 из графита марок М20 или 15Е-С (со свинцом), обладающими хорошими антифрикционными свойствами. Для уплотнения плунжера на холодном конце служит сальник, состоящий из грундбуксы 5 и колец б и 7. Кольца 6 спрессованы из нитевидного прографиченного свинца или из прографиченного асбеста, а кольца 7— из чешуйчатого графита ТГ (ГОСТ 4596—49*) и предназначены для смазки сальника.

Сальник холодного конца зажимается гайкой 14 через промежуточные втулки 9, 13 и фонарь 19. Холодная (на рисунке правая) часть насоса отделена от теплой (левой) текстолитовой малотеплопроводной проставкой 12. На теплом конце плунжера имеется сальник с набивкой 15 из прографиченного свинца или прографиченного асбеста. Сальник затягивается нажимной гайкой 16.

Газообразный  кислород, просачивающийся через  неплотности сальника, отводится наружу по трубке 11. Для предупреждения обмерзания сальник теплого конца непрерывно обдувается сухим

азотом.

Кожух цилиндра насоса помещен в изоляции воздухоразделительного аппарата (на рисунке насос показан без изоляции). Привод насоса осуществляется через червячный редуктор от электродвигателя. Кривошип коленчатого вала соединен с шатуном, двигающим плунжер насоса.

В зависимости  от режима работы кислородного аппарата производительность насоса должна изменяться для увеличения или уменьшения количества отбираемого кислорода. Регулировать производительность насоса можно изменением числа оборотов вала, вследствие чего изменяется число ходов плунжера. Если насос работает с электродвигателем постоянного тока, число оборотов регулируют с помощью реостата. При работе с электродвигателем переменного тока с постоянным числом оборотов для регулирования производительности насоса используется кулисный механизм, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

который изменяет радиус кривошипа. Тем самым  изменяется величина  хода плунжера  насоса,  вследствие чего  будет  соответственно меняться и производительность насоса.

Привод  насоса от электродвигателя переменного  тока показан на  рис.   10.16.  Электродвигатель 8  через  червячный   редуктор  3 вращает кривошип 2, который через шатун 4 шарнирно соединен с направляющими планками 6. Планки могут качаться на оси вилки 10, имеющей неподвижный шарнир 11. При своем качании планки передают движение через ползушку 7 крейцкопфу 9, который перемещается в направляющих 12;  крейцкопф соединен с плунжером 13 насоса. С помощью маховичка 5 направляющие планки

Рис. 10.16. Привод насоса:

1— насос; 2 — кривошип; 3 — редуктор; 4 —   шатун; 5 — маховичок;

б — направляющие планки; 7 — ползушка; В — электродвигатель; 9 — крейцкопф; 10 — вилка; 11 — неподвижный шарнир; 12 — направляющие;

13 —  плунжер.

во время  работы насоса можно перемещать вверх  и вниз по шипам ползушки 7 и за счет перемены длины плеча а изменять величину хода плунжера, а следовательно, производительность насоса. При поднятии планок вверх плечо а уменьшается, ход плунжера сокращается и производительность насоса снижается.

Неполадки в работе насоса, обычно выражающиеся в понижении его производительности, возникают вследствие пропуска в сальнике плунжера, неисправности клапанов, недостаточного охлаждения насоса азотом, забивки трубопровода на линии всасынания и т. д. Иногда наблюдается сильное нагревание муфты сальника, вызываемое перекосом сопряженных деталей насоса, односторонним износом графитовой втулки, трением плунжера о втулку сальника. Для устранения дефектов приходится разбирать насос.

Графитовые  и асбесто-графитовые кольца изготовляют прессованием. Заготовки сплетают из 10—20 нитей шнурового асбеста диаметром 2—3 мм, посыпанных предварительно чешуйчатым графитом. Диаметр сплетенного шнура должен на 2—3 мм превышать радиальный зазор между плунжером и цилиндром. Торцы колец перед закладкой в штамп срезают под углом 45° к плоскости кольца. Диаметры готовых колец должны быть равны диаметрам плунжера и цилиндра.

В графитовые кольца закладывают для прочности  асбестовые или свинцовые нити. Набивку  сальника производят после вставки  в насос втулки и плунжера. Кольца проталкивают внутрь с помощью отрезка медной или латунной трубы, на конце которой имеется втулка. Внутренний и наружный диаметры втулки на 0,5 мм отличаются от диаметров плунжера и цилиндра, благодаря чему создаются необходимые зазоры для свободного перемещения

втулки  при набивке сальника.

Рис.   10.17.   Сборка  сальника    насоса   по способу П. А. Костенко:

1 —  втулка; 2 — односторонние грундбуксы; 3 — чешуйчатый графит; 4 — уплотняющее асбесто-графитовое кольцо; 5 — двусторонняя грунд-букса; б — промежуточная втулка; 7 — направляющая графитовая втулка; 8 — плунжер.

Используется  следующий способ изготовления уплотняющих асбестовых колец (предложен П. А. Костенко). Чешуйчатый графит засыпают в дистиллированную воду и замешивают до густоты жидкой кашицы. В смесь погружают шнуровой асбест, без оплетки, тщательно обволакивают его водно-графитовой смесью и наматывают на пуансон

прессформы, которую зажимают в тиски; при этом часть воды отжимается. Затем кольца сушат до полного удаления влаги, после чего снова прессуют в прессформе. При сборке сальника с такими кольцами вместо двух концевых латунных колец ставят односторонние латунные грундбуксы, а в середине сальника — одну двустороннюю (рис. 10.17). Набитый таким образом сальник работает в течение 2 месяцев без смены колец.

Применяемый чешуйчатый графит должен иметь зольность  не более 13%; содержание хлопчатобумажных нитей в асбесте не должно превышать 5%. Прографичивание асбеста для сальников следует производить в воде, нагретой до температуры кипения.

Основной  причиной, затрудняющей работу насосов  для сжиженных газов, является вскипание и испарение жидкости при поступлении ее в цилиндр насоса через всасывающий клапан. Это уменьшает степень заполнения жидкостью цилиндра насоса и резко снижает его производительность. Для предупреждения данного явления жидкость переохлаждают (при давлении подачи в насос) на 6—10 град или подают ее к клапану насоса под избыточным давлением 4—5 кгс/см2. В последнем случае фактическая температура жидкости будет ниже точки кипения при давлении подачи, и вскипание жидкости при поступлении в цилиндр насоса не произойдет. Переохлаждение жидкости в насосах, работающих в комп-|декте воздухоразделительного аппарата, производится азотом, от-IХодящим из верхней колонны. Подача жидкости под давлением применяется в насосах для жидкого азота и кислородных насосах газификационных  установок.

       В насосах для перекачивания жидкого аргона и жидкого азота поршень уплотняют тремя манжетами, штампованными из обезжиренной сыромятной кожи, пропитанной парафином. Это обусловлено тем, что в среде жидкого аргона или азота, где отсутствует кислород, графит теряет свои антифрикционные свойства. тя жидких аргона и азота лучше применять насосы со щелевым Уплотнением поршня (см. ниже).

Рис. 10.18. Втулка и плунжер насоса со щелевым  уплотнением:

а - втулка; б — плунжер, соединенный со штоком шаровой головкой; в — плунжер, соеди-    ненный се штоком плоской головкой; 1 — плунжер; 2 — шток; 3 — разрезная гайка.

Направляющие  и седла всасывающего и нагнетательного клапана насосов целесообразно делать съемными для облегчения их ремонта и замены.

Более надежно работают насосы со щелевым  уплотнением 12, которое создается наличием незначительного зазора между плунжером и втулкой (рис. 10.18, а и б). Зазор обеспечивает герметичность, не создавая трения между втулкой и плунжером. Для одинакового теплового расширения плунжера и втулки их изготовляют из хромомолибденовой стали 38ХМЮА. Рабочие поверхности (йотируют на глубину 0,4—0,5 мм до твердости не ниже НК92 (шкала 15N), которую замеряют после снятия слоя толщиной 0,04 мм—0,06 мм. Внутренний диаметр втулки изготовляют по второму Классу точности для отверстий, а плунжер подгоняют к втулке Притиркой с диаметральным зазором 0,025—0,08 мм в зависимости от диаметра плунжера и рабочего давления. Для разгрузки от пикового давления жидкости и улучшения смазки ею трущихся нитей на плунжере протачивают кольцевые канавки шириной 1-'2 мм, глубиной 0,5—1 мм. Все острые края скругляются. Для прямоцентрирования плунжера во втулке его соединяют со штоком

с помощью  шарнирной шаровой головки или  полушаровой головки работающей по плоской поверхности конца штока (рис. 10.18).

По мере увеличения зазора вследствие истирания  плунжерной пары в процессе эксплуатации производительность насоса падает. При  уменьшении производительности до определенного предела, плунжер и втулку заменяют новыми. В зависимости от давления и конструкции продолжительность работы одной пары (плунжер --втулка) составляет от 1000 до 1500 ч и более. Насосы со щелевым уплотнением строят до давлений 420 кгс/см2. 

Рис.   10.19.   Насос  жидкого   кислорода   НЖК-11М   со  щелевым  уплотнение

плунжера:

1 — графитовые   направляющие  втулки;   2 — теплоизолирующая   плита   из   нержавеющей стали; 3 — плунжер; 4 — втулка цилиндра; 5 — нагнетательный клапан; 6 — всасывающий клапан;  7 — цилиндр;  8 — охлаждающая  рубашка;  9 — шток.

Длина рабочей части втулки принимается  l=(5—8)D, где D — диаметр плунжера. Чем выше давление жидкости после насоса, тем больше должна быть длина щели. Производительность насоса повышают, увеличивая ход плунжера.

Насос НЖК-НМ со щелевым уплотнением плунжера показан на рис. 10.19. На поверхности плунжера 3 имеются канавки с закругленными кромками, образующие уплотняющий лабиринт.  (со штоком 9 плунжер сочленен  шарнирно   (плоская пята  плунжера опирается на шаровую головку штока) для самоустановки плунжера во втулке цилиндра и предупреждения его перекоса. Учитывают неизбежный износ плунжера и втулки, проектная производительность насосов со щелевым уплотнением принимается на 30—40% выше минимально необходимой. 
 

Техническая характеристика насоса НЖК-11 

Производительность, дм3/ч при ходе плунжера от 70 до 30 мм              50 ±10

Наибольшее  избыточное давление, кес/см?                            240

Скорость  вращения вала, об/мин                                         90

Диаметр плунжера, мм                                                      20

Диаметральный зазор в щелевом уплотнении, мм                           0,025—0,03

Описанный объем при максимальном ходе, дм3/ч                           100

Средняя скорость поршня, м/сек                                                 0,18 

Электродвигатель

тип                                                                              А42-4Щ₂

мощность, кВт                                                                    2,8

скорость  вращения вала, об/мин                                                  1420

напряжение, в                                                                  220/380

Вес насоса с электродвигателем, кгс                                        160

Одесский  завод «Автогенмаш» комплектовал установки ГСН-150 и АКГСН-960 насосом НЖК-200/230 производительно-200 л/ч и давлением 230 кгс/см2. В этом насосе кулиса отсутствует и регулировка производительности производится перестановкой кривошипного пальца, чем изменяется длина хода плунжера.

Насосы  также используются в установках   для   газификации жидкого кислорода под избыточным давлением до 240 кгс/см* или жидкого азота под давлением до 420 кгс/см². Если при этом насосом   перекачивается  непереохлажденный   жидкий   кислород,  то ухудшаются условия всасывания жидкости вследствие частичного испарения, что затрудняет работу насоса. В этих случаях применяют двухступенчатые насосы и погружные насосы.

В   двухступенчатых  насосах   первая ступень работает заливом и служит для подачи жидкости под давлением  во 2ю   ступень,   что   исключает   вскипание   жидкого   кислорода Обеспечивает нормальную работу клапанов насоса. Схема газификационной установки с двухступенчатым горизонтальным  кислородным  насосом показана  на  рис. 10.20.  Жидкий кислород, доставленный потребителю,  сливается в стационарные резервуары 2 и 4. Уровень жидкости и давление в резервуарах контролируются манометром и указателем уровня, которые размещены на щитах 1 и 5. Жидкий кислород под давлением паров резервуаре подается по трубе 9 через фильтры 3 в насос 8. Насос снабжен баком 13 с поплавковым клапаном 12, поддерживающим постоянный уровень жидкости в баке. Жидкий кислород, поступает самотеком через окна в стенке цилиндра в I ступень насоса, при ходе поршня 10 выталкивается в цилиндр II ступени и заполняет его. Избыток кислорода и пары по трубке 11 перепускаются обратно в бак. При обратном ходе поршня жидкий кислород   через   нагнетательный   клапан   II   ступени   поступает змеевик 7 испарителя, где превращается в газ и наполняет баллоны, присоединенные к рампе 6.

Установка может перекачивать от 65 до 85 дм*/ч жидкого кислорода и наполнять  (с учетом потерь)  около   десяти   40-литровых баллонов в 1 ч при избыточном давлении газообразного кислорода до   150—165  кгс/см2.   Потребляемая  мощность:   насосом   1,2 кВт электроподогревателем испарителя 10,8 кВт.

Горизонтальный  двухступенчатый насос НЖК-3 (рис. 10.2:) производительностью 75±10 дм3/ч жидкости представляет собой и однолинейную плунжерную машину со щелевым лабиринтиковым уплотнением.

Рис. 10.20. Схема газификационной установки с двухступенчатым кислород!

насосом:

1,5 —  щиты; 2, 4 — резервуары  жидкого кислорода;   3 — фильтры;    6 — наполнительная рампа;   7 — змеевик;  8 — насос;  9 — труба;   10 — поршень;    11 — трубки;   12 — поплавковый   клапан;   13 — бак.

Зазор между плунжером 5 и втулкой 3 равен: в цилиндре  I  ступени  0,09—0,12  мм;  в  цилиндре  II  ступени  0,03-0,045 мм. Плунжер и втулка изготовлены из  азотированной  хромомолибденовой  стали,  шток — из  нержавеющей хромоникелевой стали марки   1Х18Н9.  Диаметр плунжера   I   ст.  32  мм,   II   с, 20 мм. Ход — 70 мм. Число ходов — 90 в мин.

В   качестве   направляющих   для   штока   используются   втулки. из графита 15Е, пропитанного свинцом (до 30%). Холодный конец штока уплотнен   сальником 9   из  асбесто-графитовых  колец   и прографиченного нитевидного свинца. Нити свинца должны им длину не менее 10 мм и сечение 0,12—0,22 мм². Сальник с уплотнительными 
 

кольцами  из нитевидного свинца работает без  смены 1000—1200   ч.

При работе насоса допускается пропуск через  сальник до 1 м³/ч кислорода. Просачивающийся через сальник кислород отводится по трубке в атмосферу. Наружный конец штока 6 уплотнен асбестовым сальником 12, препятствующим выходу кислорода

Рис. 10.22. Плунжерный вертикальный насос НЖК-1М для непереохлажденной жидкости:

1 —  нагнетательный клапан II ступени; 2 — цилиндр II ступени; 3 — бачок  поплавкового клапана; 4 — текстолитовая  плита; 5 — цилиндр I ступени; б  — сетчатый фильтр; 7 — рубашка цилиндра I ступени; 8 — заливочные окна; 9 — нагнетательный клапан I ступени 
к шатунно-кривошипному механизму насоса и подсосу влажного воздуха в насос при его остановке. Во время сборки насоса необходимо следить за тем, чтобы плунжер и втулка были чистыми на  их  поверхности  не  было  следов  влаги.  При эксплуатации следить за состоянием и работой фильтров для жидкого кислорода, установленных перед насосом   (для  очистки жидкости от частиц льда, твердой двуокиси углерода, металла и др.).

  Для  газификационных установок предназначены вертикальные двухлинейные двухступенчатые насосы НЖК-1М (рис. 10.22)  для Работы при избыточном давлении нагнетания до 240 кгс/см², производительностью 170—250 дм³/ч жидкого кислорода. Насос имеет Два вертикальных цилиндра: цилиндр 5 (I ступени)   и цилиндр 2 Ш ступени). Жидкий  кислород в цилиндр I  ступени поступает самотеком из бачка 3 с поплавковым клапаном. Привод насоса осуществляется от электродвигателя через редуктор. Насос помещен в кожух с тепловой изоляцией. Конструкции уплотнений плунжеров и сальников в насосе НЖК-1М аналогичны принятым в насосе НЖК-3.

Погружные   насосы   применяют для перекачивания жидкости из транспортных резервуаров и газификации; их устанавливают или непосредственно на транспортном резервуаре или в отдельной стационарной цистерне, соединенной с транспортным резервуаром трубопроводами для жидкости и газа.  На  рис. 10.23 Показана установка погружного насоса НЖА-34М на транспортном .резервуаре ТРЖК-7М емкостью 2000 кг жидкого О₂.

     Необходимое   переохлаждение  перекачиваемой   жидкости   при использовании погружных насосов достигается в результате повышения давления в сосуде до избыточного давления 1,5—3 кгс/см² (0,15—0,3 Мн/м²); например, при давлении 2,5 кгс/см² переохлаждение составляет 13 град для жидкого кислорода и  12 град для

жидкого азота.  

 Целесообразность  применения погружных насосов объясняется тем, что на охлаждение цилиндровой группы не требуется дополнительного времени, поскольку она все время погружена в жидкость. Благодаря этому насос запускается сразу.

Технические данные серийных насосов приведены  в табл. 10.2. Новые насосы ВНИИкриогенмаш для сжиженных газов имеют щелевое уплотнение поршня в цилиндре с малым зазором между рабочими поверхностями. Цилиндр и поршень изготовлены из стали 38ХМЮА с последующим азотированием рабочих поверхностей, что обеспечивает долговечность пары в пределах 1000— 1200 ч работы под давлением.

В новых  насосах уплотнение штока фторопластовое, а направляющая втулка крейцкопфа сделана из металлокерамики. Уменьшена мощность электродвигателя, применена более совершенная Конструкция узла регулирования производительности, снижен вес и увеличен механический к. п. д. насоса. Гарантийный срок службы насоса увеличен с 5000 до 6000 ч.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Обслуживание  насосов. Перед пуском кислородного насоса необходимо проверить наличие смазки в подшипниках электродвигателя и редукторе насоса, присоединить к рампе порожние кислородные баллоны и открыть вентили, сообщающие баллоны с рампой, а затем открыть вентили для продувки кислородопровода и вентиль для отвода кислорода из сальникового уплотнения плунжера насоса. После этого включают электродвигатель насоса. Число оборотов вала насоса следует предварительно установить на требуемую производительность в соответствии с режимом работы воздухоразделительного аппарата или газификационной установки. Производительность насоса регулируют так, чтобы из аппарата отводилось наибольшее количество кислорода заданной концентрации.

Пропуски, появляющиеся в сальнике насоса, устраняют  подтягиванием сальника или заменой набивки.

Длительная  работа сальника насоса обеспечивается правильной сборкой, хорошим состоянием поверхности плунжера, чисто той применяемого чешуйчатого графита и качеством уплотняющие колец. Очень важно, чтобы при сборке насоса плунжер был рас положен точно в центре втулки сальника. Для этого применяю; временные центрирующие втулки, выточенные по фактически', размерам плунжера и втулки цилиндра.

Поверхность плунжера должна быть тщательно отшлифована, и не иметь царапин и рисок, которые разрушают графитовую сальниковую набивку. Биение плунжера допускается не более 0,015 м, (при опорах на концах). Чистота обработки поверхности плунжера должна быть 9 (ГОСТ 2789—59). Чешуйчатый графит необходимо предварительно промыть от примесей твердых части. Для этого графит засыпают в банку с водой, взбалтывают, при- давая банке кругообразное движение, а затем плавающие сверх наиболее чистые частицы графита сливают на сетку или марлю и используют (после обезжиривания четыреххлористым углеродом и просушки) для заполнения сальника.

Особенно  важное значение имеет правильная, четкая работа и герметичность клапанов кислородного насоса, так как от них в первую очередь зависит коэффициент подачи насоса, а следовательно, и его производительность. При недостаточной производительности насоса понижается, производительность кислородного аппарата, к которому подключен насос, что сразу сказывается на уменьшении концентрации отходящего азота.

Причиной  нарушения работы клапанов часто является попадание в них влаги при ревизии насоса или отогревании аппарат: что иногда происходит при вскрытии недостаточно отогретого насоса; под клапан может также попасть стеклянная пыль от изоляции. Поэтому, если насос во время рабочей кампании аппарата работал хорошо, не следует без нужды вскрывать его для ревизии во избежание попадания частиц стекловолокна или ваты под клапаны применять эти материалы для изоляции насоса не следует.

Насосы снаружи изолируют мипорой-Н, которая легко выгружается из кожуха. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  насосов.

  Производительность  насоса   V   (в  дм*/ч)  для переохлажденной   жидкости   определяют по формуле                                            (1)   

где   λ — коэффициент подачи;

V_оп — описываемый плунжером объем,  дм³/ч;

z — число линий насоса;

F — площадь поперечного сечения плунжера, см²;

S — ход плунжера, см;

n — число оборотов кривошипного  вала или число двойных ходов плунжера в 1 мин.

Коэффициент подачи зависит от утечек через клапаны и щелеdое уплотнение и составляет от 0,6 до 0,8. Число оборотов берется не более 230 об/мин, так как при большем числе оборотов ухудшается работа клапанов. Ход плунжера выбирают таким, чтобы усредняя скорость поршня была равна 0,2—0,6 м/сек. Меньшая скорость поршня берется для насосов малой производительности. Средняя скорость поршня равна С_т=Sn/30.

Производительность насосов для непереохлажденной жидкости определяют по производительности II ступени, пользуясь уравнением (1). Размеры I ступени выбирают такими, чтобы описываемый плунжером объем I ступени был в 2 раза больше, чем II ступени. Описываемый объем I ступени V_оп^I (в дм³/ч) определяют по формуле (2).

                                                               (2)

где b — высота заливочных окон, см; b= (0,25—0,4)S;                       

F_I — площадь поперечного сечения плунжера I ст.,см².

Повышение   температуры   жидкости    за    насосом    принимают равным:

Давление  нагнетания, кгс/см2                    100  200  300  400

Повышение температуры жидкости, град

азота                                           6   12   18  24

кислорода                                         5   10   15  20 
 

Мощность, потребляемую насосом N   (в кет), определяют по Формуле