ERPADLA – JEJICH TYPY, VLASTNOSTI A CHARAKTERISTIKY

Výkon je spolu s tlakem a výkonem jedním z nejdůležitějších parametrů čerpadla. Hodnota těchto vlastností je určujícím kritériem při výběru zařízení. Nákup čerpací jednotky začíná zjištěním, zda výkon zařízení odpovídá požadavkům. O tom bude řeč v našem dnešním článku.

Jaký je výkon čerpadla

Výkon čerpadla, také známý jako průtok nebo objemový průtok, se vztahuje k objemu kapaliny čerpané zařízením za jednotku času. Parametr je označen písmenem Q. Hlavními jednotkami měření jsou m3/s, m3/h, l/s, l/h. Maximální hodnota této technické charakteristiky je uvedena na identifikačním štítku každého čerpadla – typovém štítku.

Kapacita zahrnuje pouze objem skutečně přemístěné kapaliny zpětný únik se nebere v úvahu. Poměr teoretických a skutečných nákladů se nazývá objemová účinnost. Moderní čerpací zařízení má velmi vysokou úroveň těsnění, takže skutečný výkon je téměř stejný jako teoretický.

Někdy se místo objemového průtoku používá hmotnostní průtok. V této situaci se průtok neměří objemem, ale hmotností tekutiny, která se pohybuje za jednotku času. Hmotnostní tok je označen písmenem G.

Vztah mezi hmotnostním a objemovým průtokem je vyjádřen vzorcem:

Kde ρ – hustota čerpaného kapalného média.

Způsoby měření výkonu

• Rotametr. Zařízení je skleněná trubice s plovákem, mírně se rozšiřující nahoře. Rotametr je zabudován do potrubí pro měření, přístroj je vybaven stupnicí a kalibračním grafem. Jak se posuv zvyšuje, plovák stoupá. Typ kalibračního grafu je dán konstrukcí měřicího zařízení a vlastnostmi kapalného média.
• Diferenční tlakoměr s měřicí membránou. Zařízení vypadá jako trubice ve tvaru U obsahující kapalinu. V potrubí je umístěna membrána v podobě přepážky s otvorem, trubka je spojena dvěma hadicemi spojenými před membránou a za ní. Kapaliny v potrubí a diferenční tlakoměr se nemísí. Tlak čerpaného kapalného média po průchodu membránou klesá. Hadice přenášejí tlak do kapaliny v trubici ve tvaru U. Čím vyšší výkon, tím větší rozdíl tlaků na obou stranách membrány a tím větší rozdíl mezi hladinami kapalin ve dvou větvích diferenční tlakové trubky. Naměřené hodnoty diferenčního tlakoměru jsou převedeny na přívod pomocí kalibračního grafu.
• Automatické měřicí přístroje. Informace o dávkovaném množství je přenášena do počítače ve formě elektrického signálu.

Co ovlivňuje výkon?

Spotřební vlastnosti čerpadla jsou vyjádřeny závislostí tlaku na přívodu. Maximální průtok odpovídá minimálnímu tlaku a naopak.

Graf závislosti je získán experimentálně a je součástí průvodní technické dokumentace. Pokud z nějakého důvodu nejsou příslušné informace k dispozici, jsou požadovány u výrobce nebo je zařízení nezávisle testováno na místě.

Dlouhodobý nepřerušovaný provoz čerpadla je možný pouze tehdy, pokud výkon odpovídá provozním podmínkám. Obvykle je požadovaný objemový průtok znám předem, protože zařízení je vybráno pro konkrétní potrubní systém.

Každý typ čerpacího zařízení se používá ve specifické aplikaci. V některých případech se možné oblasti použití překrývají. Například šroubová čerpadla v některých oblastech úspěšně konkurují odstředivým čerpadlům.

Pokud několik typů čerpadel vyhovuje provozním požadavkům najednou, dává se přednost zařízení nejvhodnějšímu pro konkrétní výkonovou hodnotu. Zohledňují cenu a provozní náklady včetně množství spotřebované energie a nákladů na údržbu či opravy.

Výpočet výkonu, vztah k typu čerpadla

Konstrukce a princip činnosti čerpadla ovlivňují výkonové charakteristiky a způsob výpočtu. Hodnota parametru odráží frekvenci otáček nebo zdvihů, vlastnosti kapaliny a vlastnosti potrubí. Se samonasáváním, rostoucí hustotou a viskozitou kapaliny se průtok snižuje.

Odstředivé

Odstředivá čerpadla vykazují vysoký výkon a vyznačují se rovnoměrným průtokem, ale výkon prudce klesá s rostoucím tlakem. Z hlediska tlaku jsou modely odstředivého typu horší než zařízení s membránou, šroubem nebo oběžným kolem.

S rostoucí produktivitou se zvyšuje spotřeba energie a účinnost prochází maximální hodnotou a začíná klesat. Nejvýhodnějšího provozního režimu při dané rychlosti je dosaženo při maximální účinnosti.

Závislost tlaku, příkonu a účinnosti na výkonu při konstantní rychlosti se promítá do univerzální charakteristiky. Indikátory závislosti se získávají během kontrolních testů.

Odstředivá čerpadla s několika koly na jedné hřídeli se nazývají vícestupňová. Kapalina střídavě protéká každým z kol. Při stejném objemovém průtoku jako jednostupňové čerpadlo bude mít vícestupňové zařízení vyšší tlak.

Způsoby ovládání krmiva:

• Změna rychlosti oběžného kola. S klesající rychlostí kola klesá výkon čerpadla. Tento způsob nastavení je z energetického hlediska nejúčinnější, protože se snížením průtoku se sníží tlak čerpadla a tím i spotřeba elektrické energie. Až do relativně nedávné doby bránily širokému použití této metody vysoké náklady na frekvenční měniče. Průmysl dnes sériově vyrábí frekvenční měniče odpovídající kvality, což ovlivnilo situaci ve prospěch tohoto způsobu regulace.
• Změna polohy ventilu na tlakovém potrubí. Změny produktivity je dosaženo regulací hydraulického odporu v potrubním systému ventilem. Čím více je ventil otevřený, tím vyšší je průtok. Tato metoda je jednodušší než změna rychlosti, ale je dražší z hlediska spotřeby energie. Při poklesu výkonu o polohu ventilu klesá účinnost a zvyšuje se tlak. Tento jev je doprovázen plýtváním výdejem energie.
• Obcházení. Produktivita je regulována obtokem – obtokem s ventilem pro odvedení části kapaliny z tlakového potrubí do sacího potrubí. Posuv se mění podle polohy ventilu. Velikost změny může být určena rozdílem v odečtech dvou diferenčních tlakoměrů instalovaných před a za bypassem. Při otevření obtokového ventilu se zvyšuje výkon a spotřeba energie a snižuje se účinnost. Z tohoto důvodu je tento způsob úpravy přívodu energeticky méně účinný ve srovnání se změnou otáček kola.

Objemový průtok zařízení odstředivého typu je určen vzorcem:

• Q – produktivita, m³/s
• b₁, b₂ – šířka kola na vnitřním a vnějším obvodu, m
• D₁, D₂ – vnější průměr vtoku a kola, m
• σ – tloušťka čepele, m
• z – počet lopatek
• c₁, c₂ – radiální složky absolutní rychlosti na vstupu a výstupu kola, m/s

Membrána

Jednotky membránového typu zajišťují vysoký tlak ve výtlačném potrubí, přičemž velikost tlaku nemá prakticky žádný vliv na výkon. V důsledku setrvačnosti pohybu pracují membránová zařízení s nízkou frekvencí, což má za následek nízký průtok.

Šroub

U šroubových čerpadel je kapalina čerpána otáčením jednoho nebo více do sebe zapadajících šroubů. Profil šroubů umožňuje hermeticky oddělit oblast výtlaku od oblasti sání.

Když se šrouby otáčejí, ve vybráních mezi pouzdrem a šroubem se vytvoří zóny uzavřeného prostoru naplněné kapalinou. Kapalné médium se postupně pohybuje podél osy šroubovice směrem k oblasti výtlaku.

Rotačnímu pohybu šroubových čerpadel na rozdíl od membránových čerpadel nebrání setrvačnost. Zařízení tohoto typu mohou pracovat na vysokých frekvencích a vykazovat výkon srovnatelný s modely s odstředivým principem činnosti, zejména vícestupňové s průměrnými hodnotami posuvu.

Výkon čerpacích jednotek se šnekovým provedením se zvyšuje s rostoucí rychlostí, přičemž tlak se nemění. Vícešnekové modely mají větší velikost posuvu než jednošnekové modely.

Průtok čerpadla s jedním šroubem se vypočítá podle vzorce:

• Q – produktivita, m³/s
• ε – excentricita, m
• D – průměr šroubu, m
• T – stoupání šroubové plochy statoru, m
• n – otáčky rotoru, sek−1
• η_V – objemová účinnost

oběžné kolo

Výkon oběžného čerpadla přímo závisí na otáčkách hřídele elektromotoru. Z tohoto důvodu je zařízení vhodné pro použití jako dávkovací čerpadlo.

Modely s oběžným kolem kombinují výhody jednotek s odstředivým principem činnosti a objemovým typem. Vysoké úrovně tlaku a průtoku zůstávají dosažitelné, přičemž zároveň zůstává možná schopnost čerpat husté kapaliny s vysokou viskozitou.

Dávkovací čerpadla

Objemový průtok dávkovacích čerpadel je regulován přísněji než u jiných typů čerpadel, protože hlavním požadavkem na dávkovací zařízení je přesnost dávkování pohybované tekutiny.

• Ruční ovládání. Hodnota posuvu se nastavuje otáčením nastavovacího knoflíku.
• Servo. Zdvih čerpadla je omezen na požadovanou hodnotu, dávkování se provádí automaticky. Při výpadku proudu je povoleno ruční nastavení.
• Frekvenční měnič. Nastavení se provádí pomocí elektronické řídicí jednotky s displejem. Ruční nastavení je možné.

Mezi různými typy dávkovacích čerpadel z hlediska výkonu a tlaku mají prvenství elektromechanická zařízení, na druhém místě jsou elektromagnetická zařízení a řadu uzavírají jednotky s peristaltickým principem činnosti.

ČERPADLO – je hydraulický stroj, který přeměňuje mechanickou energii hnacího motoru nebo svalovou energii (u ručních pump) na energii proudu tekutiny sloužící k pohybu a vytváření tlaku pro všechny druhy kapalin, mechanické směsi kapalin s pevnými a koloidními látkami, případně zkapalněné plyny. Rozdíl tlaku mezi kapalinou na výstupu z čerpadla a připojeným potrubím určuje jeho pohyb.
Klasifikace čerpadel podle principu činnosti
Podle povahy sil panujících v čerpadle:
Objemové, u kterých převládají tlakové síly
Dynamický, ve kterém převládají setrvačné síly.
Podle povahy spojení pracovní komory se vstupem a výstupem čerpadla:
Přerušované připojení (objemová čerpadla)
Trvalé propojení vstupu a výstupu (dynamická čerpadla).
Objemová čerpadla používá se k čerpání viskózních kapalin (olej, topný olej, zakysaná smetana, šampon atd.). U těchto čerpadel dochází k jedné přeměně energie – energie motoru se přímo přeměňuje na energii kapaliny (mechanická => kinetická + potenciál). Jedná se o vysokotlaká čerpadla a jsou citlivá na znečištění čerpané kapaliny. Pracovní proces u objemových čerpadel je nevyvážený (vysoké vibrace), proto je nutné pro ně vytvořit masivní základy. Tato čerpadla se také vyznačují nerovnoměrným průtokem. Velkou výhodou takových čerpadel je jejich schopnost suchého sání (samonasávání).
Dynamická čerpadla se vyznačují dvojitou přeměnou energie (1. stupeň: mechanická → kinetická + potenciální; 2. stupeň: kinetická → potenciál). Dynamická čerpadla mohou čerpat znečištěné kapaliny, mají rovnoměrný průtok a vyvážený pracovní proces. Na rozdíl od objemových čerpadel nejsou samonasávací.
Objemová čerpadla
Princip činnosti objemových čerpadel je založen na střídavém plnění pracovní komory kapalinou a jejím vytlačování z pracovní komory.
Některé typy objemových čerpadel:
Oběžná čerpadla — poskytují laminární* proudění čerpaného produktu na výstupu z čerpadla a lze jej použít jako dávkovače. Mohou být vyráběny v potravinářském provedení, odolném vůči oleji a benzínu a kyselinám a zásadám.
*Laminární tok kapaliny je tok, ve kterém se vrstvy kapaliny pohybují paralelně bez míchání.
Lopatková čerpadla — zajistit rovnoměrné a klidné sání čerpaného produktu na výstupu z čerpadla a lze jej použít k dávkování. Mohou být nastavitelné nebo nenastavitelné. U lamelových čerpadel s proměnným objemem se průtok mění změnou objemu pracovní komory v důsledku změny excentricity rotoru a statoru. Jako ovládací zařízení se používají hydraulické a mechanické regulátory.
Šneková čerpadla — zajistit plynulý tok čerpaného produktu na výstupu z čerpadla a lze jej použít pro dávkování.
Pístová čerpadla – může vytvářet velmi vysoký tlak, nepracuje dobře s abrazivními kapalinami, lze použít pro dávkování.
Peristaltická čerpadla — vytvářejí nízký tlak, jsou chemicky inertní a lze je použít k dávkování.
Membránová čerpadla – vytvářejí nízký tlak a lze je použít pro dávkování.
Obecné vlastnosti objemových čerpadel:
Cyklita pracovního procesu a související porcování a pulsace dodávky a tlaku. Objemové čerpadlo nedodává kapalinu rovnoměrným průtokem, ale po částech.
Těsnost, tedy trvalé oddělení tlakového hydraulického potrubí od sacího potrubí (lamelová čerpadla nejsou hermeticky uzavřena, ale jsou průtočná).
Samonasáváníto znamená schopnost objemových čerpadel vytvořit v sacím hydraulickém potrubí podtlak dostatečný ke zvednutí kapaliny v sacím hydraulickém vedení na úroveň čerpadla (lopatková čerpadla nejsou samonasávací).
Tlaková nezávislost, vytvořený v tlakovém hydraulickém potrubí, z přívodu kapaliny čerpadlem.