1 ČERPADLA !
čerpadla, tlak, objemový průtok, výtlačná výška, regulace čerpadel, oběžné kolo
CÍL V této kapitole se seznámíte s čerpadly, s jejich účelem, principem činnosti, se základy jejich konstrukce, výpočtu a regulace. OSNOVA 1.1 ROZDĚLENÍ ČERPADEL 1.2 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA 1.3 HYDRODYNAMICKÁ ČERPADLA 1.4 OSTATNÍ ČERPADLA 1.5 HLAVNÍ PARAMETRY ČERPADEL OPAKUJ ! základy hydrostatiky – VONDRÁČEK, V. a kol. Mechanika IV. 1. vyd. Praha : SNTL, 1978, s. 23 – 52 ! základy hydrodynamiky - VONDRÁČEK, V. a kol. Mechanika IV. 1. vyd. Praha : SNTL, 1978, s. 59 – 90 a 103 - 117 1.1 ROZDĚLENÍ ČERPADEL Čerpadla jsou stroje, které slouží k dopravě kapalin z místa níže položeného na místo položené výše, nebo ke zvyšování tlaku kapaliny. Čerpadel je velmi mnoho provedení. Jejich základní rozdělení do třech skupin vychází z přeměny energie při čerpání: 1. Hydrostatická čerpadla (někdy zvaná také objemová) – mechanická energie pohonu se přímo mění na tlakovou energii kapaliny, kinetická energie kapaliny je přitom nepatrná. Kapalina se přemisťuje prostřednictvím výtlačného tělesa, kterým může být píst, plunžr, membrána, ozubená kola, lamely, šroub atd. 2. Hydrodynamická čerpadla (někdy zvaná také odstředivá či lopatková) – mechanická energie pohonu se prostřednictvím pohybu oběžného kola s lopatkami nejprve přeměňuje na kinetickou energii kapaliny a ta potom v další části čerpadla na tlakovou energii kapaliny. 3. Ostatní čerpadla – takto je označována skupina čerpadel nezařaditelných mezi předchozí. Srovnáme-li hydrostatická a hydrodynamická čerpadla, můžeme obecně konstatovat, že hydrostatická čerpadla se používají pro menší objemové průtoky a vyšší tlaky, a tedy že hydrodynamická se používají pro vyšší objemové průtoky a nižší tlaky. Hydrostatická čerpadla I-1
mají při stejných výkonech větší rozměry, složitější konstrukci a vyšší náklady na nákup a údržbu. Účinnost hydrostatických čerpadel je vyšší (protože v hydrodynamických čerpadlech probíhá dvojnásobná přeměna energie a každý proces přeměny formy energie je ztrátový). U některých hydrostatických čerpadel se kapalina přečerpává nerovnoměrně, zatímco u hydrodynamických je dodávka kapaliny plně kontinuální. Přestože je čerpadel velmi mnoho různých typů, činnost všech čerpadel spočívá na tomtéž principu. Tlak v čerpadle pro nasátí kapaliny je nižší, než je tlak v kapalině. Kapalina tak musí proudit do čerpadla. Následně je tlak kapaliny v čerpadle zvýšen natolik, aby kapalina mohla vystupovat z čerpadla s přebytkem energie. "
HEJZLAR, R. Stroje a zařízení jaderných elektráren. Díl 1. 3. vyd. Praha : ČVUT, 2000, s. 17
1.2 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA 1.2.1 Pístová čerpadla Píst koná přímočarý vratný pohyb. Na činné straně pístu se střídá sání s vytlačováním ve smyslu pohybu pístu. Kapalina se přečerpává vlivem měnící se rychlosti pístu nerovnoměrně a tlak ve výtlačném otvoru čerpadla pulzuje. Pro zmenšení pulzování tlaku se před sací otvor a za výtlačný otvor zařazuje vzdušník. Vzdušník je uzavřený prostor, ve kterém je nad hladinou přečerpávané kapaliny vzduch, který svou stlačitelností napomáhá zrovnoměrnění vytlačování i nasávání kapaliny. K otvírání a zavírání sacího a výtlačného otvoru se používají samočinné ventily nebo klapky. Někdy bývají pístová čerpadla ještě dělena na pístová a plunžrová. Za píst je považováno krátké výtlačné těleso utěsněné kroužky a za plunžr dlouhé výtlačné těleso utěsněné ucpávkou nebo manžetovým těsněním. Jednočinná pístová (plunžrová) čerpadla (obr. 1.1) se používají pro malý objemový průtok. Jednočinné znamená, že se jeho činnost odehrává na jedné straně pístu (plunžru). Činnost jednočinného pístového (plunžrového) čerpadla na obr. 1.1 můžeme vysvětlit následujícím způsobem. Plunžr se pohybuje směrem vpravo a prostor čerpadlového válce se zvětšuje. Zároveň tlak ve válci klesá, výtlačný ventil je uzavřen a sací ventil otevřen. V důsledku podtlaku se válec naplní kapalinou. Jakmile se plunžr začne pohybovat doleva, prostor ve válci se zmenšuje. Tlak ve válci roste, sací ventil je uzavřen a výtlačný ventil se otvírá. Vzniklým přetlakem se kapalina vytlačí do výtlačného potrubí.
I-2
Obr. 1.1: Schéma jednočinného pístového (plunžrového) čerpadla (1). Dvojčinná pístová (plunžrová) čerpadla (obr. 1.2 a) využívají dvojčinného pístu (plunžru). To znamená, že pracovní prostor je po obou stranách pístu (plunžru). Nasávání a výtlak nastávají při každém zdvihu, a proto je čerpání rovnoměrnější. Diferenciální čerpadla (obr. 1.2 b) nasávají jako jednočinná, ale vytlačují při obou zdvizích. Část kapaliny nasáté při sacím zdvihu (při pohybu plunžru doprava) se při druhém zdvihu (při pohybu plunžru doleva) vytlačuje do výtlačného potrubí, ale zbytek přetéká na druhou stranu plunžru a vytlačuje se při sacím zdvihu (při pohybu pístu doprava). Síla působící na plunžr je při obou zdvizích přibližně stejná (poloviční než u jednočinného). Je jednodušší než dvojčinné čerpadlo (menší počet ventilů), ale vyrovná se mu stejnoměrností dodávané kapaliny.
a/ b/ Obr. 1.2: a/ Schéma dvojčinného pístového (plunžrového) čerpadla (1). b/ Schéma diferenciálního čerpadla (1). I-3
"
SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Stavba a provoz strojů IV. 2. vyd.Praha : SNTL, 1987, s. 123 - 142
Pístová čerpadla mají široké pole uplatnění například jako čerpadla paliva u vznětových motorů, dávkovací čerpadla pro chemikálie, čerpadla pitné vody, napájecí čerpadla pro parní kotle, čerpadla pro odvádění vody při zakládání staveb nebo pro pohon hydraulických lisů. Používají se pro tlaky až do 50 MPa. 1.2.2 Membránová čerpadla Rozdělují se na čerpadla s pístem a bez pístu. Čerpadla s pístem pracují na obdobném principu jako čerpadlo na obr. 1.1, ale píst je od čerpané kapaliny oddělen membránou. U čerpadel bez pístu (obr. 1.3) je pohyb pístu zcela nahrazen pohybem membrány. U membránových čerpadel nepřichází čerpaná kapalina do styku s pohyblivými částmi čerpadel, s těsněními a ucpávkami, mohou tedy dopravovat chemicky aktivní či znečištěné kapaliny. Používají se tedy například v chemickém průmyslu, jednoduché membránové čerpadlo bez pístu se také používá jako palivové čerpadlo u spalovacích motorů.
Obr. 1.3: Schéma bezpístového membránového čerpadla; 1/ membrána, 2/ sací hrdlo, 3/ výtlačné hrdlo, 4/ sací ventil, 5/ výtlačný ventil (2). "
SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Stavba a provoz strojů IV. 2. vyd.Praha : SNTL, 1987, s. 143 http://www.cerpadla-horn.cz/membr.htm; http://www.vkcerpadla.cz/vsortB.htm; http://www.imu.cz/
1.2.3 Rotační hydrostatická čerpadla U těchto čerpadel konají výtlačná tělesa rotační pohyb. Zubová čerpadla (obr. 1.4) jsou nejčastěji používaným typem, protože jsou poměrně levná, lehká, málo rozměrná, konstrukčně i technologicky jednoduchá, provozně spolehlivá, odolná proti nečistotám a nenáročná na údržbu. Zubová čerpadla se obvykle skládají ze dvou spoluzabírajících ozubených kol uložených v tělese. Čerpaná kapalina je unášena zubovými mezerami podél stěn skříně. I-4
Zubová čerpadla jsou schopna vyvodit tlak do 20 MPa. Nejčastěji se používají jako čerpadla mazacího oleje ve spalovacích motorech, čerpadla pro hydraulická zařízení obráběcích strojů či čerpadla oleje pro menší hydraulické regulační obvody.
Obr. 1.4: Zubové čerpadlo (3) a jeho schéma (1). "
http://www.cerpadla-horn.cz/zubovky.htm; http://www.vkcerpadla.cz/vsortA.htm; http://www.prominent.cz/
Lamelová čerpadla (někdy také zvaná křídlová) (obr. 1.5) dodávají čerpanou kapalinu stejnoměrně a pro stejný výkon jsou ještě menší a lehčí než čerpadla zubová. Kapalina je vedena v prostoru mezi lamelami, které jsou posuvně uloženy v rotoru. Vlivem excentrického uložení rotoru ve skříni dochází při jeho rotaci k postupnému zvětšování objemu v místě A a opět zmenšování objemu v místě B. Lamelová čerpadla se používají do tlaku 14 MPa především v hydraulických systémech automobilů, obráběcích strojů a automatizačních zařízeních.
Obr. 1.5: Schéma lamelového čerpadla (e – excentricita) (1). Vřetenová čerpadla (někdy také zvaná šroubová) (obr. 1.6) mají ve srovnání se zubovými rovnoměrnější průtok (bez pulsací) a tišší chod, nevýhodou je obtížnější výroba. Vyrábějí se jako jednovřetenová nebo vícevřetenová. Čerpaná kapalina je unášena v mezerách mezi rotujícími vřeteny a skříní. I-5
Jednovřetenová čerpadla se používají především pro dopravu znečištěných či hustých kapalin v potravinářském a chemickém průmyslu nebo při výrobě barev. Vícevřetenová se uplatňují například jako čerpadla mazacího oleje pro velké vznětové motory nebo pro posuv brusek, používají se do tlaku 20 MPa.
Obr. 1.6: Schéma třívřetenového čerpadla (4). "
SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Stavba a provoz strojů IV. 2. vyd.Praha : SNTL, 1987, s. 145 - 151 DROST, A., OUWEHAND, J. Stroje pro přeměnu energií. 1. vyd. Sezimovo Ústí : Gause, 1994, s. 138 – 142 http://www.doos.cz/
1.3 HYDRODYNAMICKÁ ČERPADLA Důležitou částí všech hydrodynamických čerpadel je oběžné kolo s lopatkami. Princip funkce těchto čerpadel spočívá v tom, že poté co čerpaná kapalina vstoupí sacím otvorem do čerpadla, dostane se mezi lopatky rotujícího oběžného kola. Vlivem odstředivé síly je tato kapalina tlačena ven z oběžného kola, které jí zároveň přivádí stále více energie, takže její rychlost případně i tlak narůstají. Oběžná kola mají velmi různorodé tvary. Podle směru výtoku kapaliny z oběžného kola rozdělujeme hydrodynamická čerpadla na (viz. obr. 1.7): 1. radiální – kapalina vstupuje do oběžného kola axiálně a vystupuje radiálně (kolmo k ose oběžného kola); 2. axiální – kapalina vstupuje i vystupuje z oběžného kola axiálně (rovnoběžně s osou); 3. diagonální – kapalina vstupuje do oběžného kola axiálně a vystupuje diagonálně (šikmo k ose).
a/ b/ c/ Obr. 1.7: Schéma tvaru oběžných kol; a/ radiální; b/ diagonální; c/ axiální (5). I-6
Podle polohy hřídele se hydrodynamická čerpadla dělí na horizontální, vertikální a šikmo uložená (méně častá). V případě potřeby bývá v praxi používáno více čerpadel najednou. Pak bývají řazena sériově (jedno čerpadlo za druhým) k dosažení vyšších výstupních energií nebo paralelně (vedle sebe) k dosažení větších průtoků. Někdy toto bývá vyřešeno přímo konstrukcí čerpadla. Existují čerpadla vícestupňová, kdy je na jednom hřídeli uloženo více oběžných kol. Čerpaná kapalina vystupující z prvního oběžného kola je převedena do následujícího oběžného kola, kde je jí opět zvýšena energie (tedy sériové řazení oběžných kol). Z posledního oběžného kola je čerpaná kapalina převáděna k výstupnímu otvoru s požadovanými parametry. Existují také čerpadla s paralelním řazením oběžných kol, takovým říkáme víceproudová čerpadla. Většina hydrodynamických čerpadel musí být před spuštěním naplněna (zalita) kapalinou, protože prázdné čerpadlo si kapalinu samo nenasaje. Výjimkou jsou čerpadla konstruovaná jako samonasávací (například čerpadla hasičských stříkaček). 1.3.1 Radiální hydrodynamická čerpadla Jsou to nejrozšířenější hydrodynamická čerpadla. Někdy bývají také označována jako odstředivá čerpadla. Jeho schéma je na obr. 1.8.
Obr. 1.8: Schéma jednostupňového radiálního čerpadla; 1/ oběžné kolo; 2/ difuzor; 3/ spirální skříň (6). Oběžná kola radiálních hydrodynamických čerpadel mají různé tvary s různě zakřivenými lopatkami podle účelu použití. Příklad je na obr. 1.9.
I-7
Obr. 1.9: Oběžné kolo radiálního hydrodynamického čerpadla (3) a schéma jeho tvaru. Z oběžného kola vstupuje čerpaná kapalina po celém obvodu do spirální skříně. Spirální skříň je zakřivený kanál jehož průřez se postupně zvětšuje a vede kapalinu do výtlačného hrdla (obr. 1.10). Průřezem I prochází ¼ čerpané kapaliny, průřezem II prochází ½, průřezem III prochází ¾ a teprve průřezem IV prochází celé množství čerpané kapaliny. Plocha jednotlivých průřezů však není přímo úměrná protékajícímu množství kapaliny, protože se také mění rychlost jejího proudění.
Obr. 1.10: Schéma tvaru spirální skříně. U radiálních hydrodynamických čerpadel je často mezi oběžné kolo a spirální skříň vřazen difuzor (někdy označovaný jako převaděč). Difuzor je pevný lopatkový kruh, který obklopuje oběžné kolo. Používá se nejčastěji tehdy, když je potřeba část kinetické energie přeměnit na tlakovou, proto se jeho mezilopatkové kanály postupně rozšiřují. Jak již bylo uvedeno, radiální hydrodynamická čerpadla se vyskytují v mnoha provedeních. Jedno z nejmenších a nejjednodušších nalezneme v automatické pračce nebo myčce na nádobí (obr. 1.11).
Obr. 1.11: Jednoduché radiální hydrodynamické čerpadlo (1). I-8
Radiální hydrodynamická čerpadla se uplatňují k dopravě pitné, užitkové i odpadní vody, k zavlažování, k čerpání chladící vody, či k odčerpávání spodní vody. Běžný příklad celkového konstrukčního uspořádání radiálního hydrodynamického čerpadla je uveden na obr. 1.12.
Obr 1.12: Jednostupňové radiální hydrodynamické čerpadlo k nucenému oběhu vody v nízkotlakých teplovodních soustavách ústředního vytápění (typ 80-NTV, výrobce SIGMA GROUP a.s., Lutín); 101/ těleso čerpadla;132/ mezistěna; 230/ oběžné kolo; 314/ opěrný kroužek; 412/ těsnící kroužek; 502/ těsnící kruh; 504/ dilatační kroužek; 545/ ložiskové pouzdro; 685/ ochranné pouzdro; 811/ plášť elektromotoru; 813/ stator elektromotoru; 817/ oddělovací vložka; 818/ rotor elektromotoru; 819/ hřídel; 922/ matice hřídele (7). Zvláštní skupinou jsou kalová čerpadla (obr. 1.13), která slouží k dopravě znečištěných kapalin, které mohou obsahovat i větší tuhé přimíšeniny. Používají se například k čerpání kalů, fekálií, močůvky, ve stavebnictví vody z výkopů, z kanalizace. Oběžná kola musí mít tvary, které se snadno neucpávají, příklad je uveden na obr. 1.13.
I-9
Obr. 1.13: Kalové čerpadlo (3) a schéma tvarů oběžných kol (5). Čerpadla k dopravě řepy v cukrovarech mají oběžné kolo otevřené se dvěmi lopatkami (obr. 1.14), které jsou upraveny tak, aby se řepa nepoškodila. Řepa se dopravuje ve směsi s vodou (obvykle okolo 10 % tuhého podílu, maximálně 25 %). Taková čerpadla se také mohou použít k dopravě brambor či ovoce.
Obr. 1.14: Oběžné kolo čerpadla na řepu (3) a schéma jeho tvaru (5). K čerpání kapalin z velkých hloubek, z úzkých vrtů, šachet a studní se používají ponorná čerpadla (obr. 1.15). Elektromotor a nad ním umístěné čerpadlo tvoří monoblok válcového tvaru, který se snadno spouští do úzkých prostor, elektrická energie je přiváděna vodotěsným kabelem.
Obr. 1.15: Schéma čtyřstupňového ponorného čerpadla (5). "
SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Stavba a provoz strojů IV. 2. vyd.Praha : SNTL, 1987, s. 214 - 237 DROST, A., OUWEHAND, J. Stroje pro přeměnu energií. 1. vyd. Sezimovo Ústí : Gause, 1994, s. 164 – 190 KYSELA, F. Stroje.1. vyd. Praha : SNTL, 1982, s. 92 – 106
I - 10
1.3.2 Axiální hydrodynamická čerpadla Podle tvaru oběžného kola se jim také říká vrtulová. Používají se pro největší objemové průtoky a minimální dopravní výšky. Oběžné kolo má v náboji vetknuto 2 až 6 lopatek, které jsou obvykle uloženy pevně, mohou být však i nastavitelné (natáčivé), čehož se využívá při regulaci čerpadla. Pro usměrnění toku čerpané kapaliny bývá za oběžným kolem umístěno tzv. převáděcí kolo s pevnými lopatkami (viz. obr. 1.16). Tato čerpadla se používají například jako čerpadla oběhová k zrychlení oběhu vody v topných a chladících systémech nebo jako čerpadla závlahová.
Obr. 1.16: Schéma vertikálního axiálního hydrodynamického čerpadla; 1/ válcová skříň (stator); 2/ ucpávka; 3/ oběžné kolo; 4/ pevné lopatky převaděče (4). 1.3.3 Diagonální hydrodynamická čerpadla Zjednodušeně řečeno představují svou konstrukcí, vlastnostmi a použitím přechod mezi radiálními a axiálními hydrodynamickými čerpadly (obr. 1.17 a). Provedení oběžného kola se může více blížit provedení oběžných kol axiálních čerpadel (obr. 1.17 b) nebo radiálních čerpadel (obr 1.17 c). Za oběžným kolem bývá spirální skříň (jako u radiálních čerpadel), skříň tvaru prstence nebo lopatky převaděče (jako u axiálních čerpadel). Používají se například k dopravě chladící vody na elektrárenských chladících věžích, pro kanalizační účely, k odvodňování či zavodňování.
a/ b/ c/ Obr. 1.17: a/ Schéma horizontálního diagonálního hydrodynamického čerpadla s axiálním difuzorem (5); b/ c/ příklady tvaru oběžného kola (1). "
http://www.cerpadla.cz; http://www.remont-cerpadla.cz/; http://www.sigma.cz/; http://www.cerp.kgb.cz/ http://mujweb.cz/obchod/ol-cerpadla/; http://www.k-h.cz/; http://www.doos.cz/ http://www.sigmahra.cz/news/katalog.php3; http://www.sulzerprocesspumps.f-m.cz/
I - 11
1.4 OSTATNÍ ČERPADLA 1.4.1 Vodní injektory (obr. 1.18) Tato čerpadla využívají vlastnosti difuzoru a dýzy. Proud vody vycházející z dýzy (trysky) s velkou kinetickou energií strhává čerpanou kapalinu do difuzoru. Tady se v zužující se části směs hnací a čerpané kapaliny nejprve zrychluje (získává kinetickou energii), a potom se v rozšiřující se části postupně mění kinetická energie na tlakovou. Používají se především k čerpání viskózních kapalin.
Obr. 1.18: Řez vodním injektorem; 1/ dýza (tryska); 2/ difuzor; 3/ přívod hnací vody; 4/ přívod dopravované kapaliny; 5/ výstupní hrdlo (4) 1.4.2 Parní injektory Pracují na obdobném principu jako vodní injektory, ale místo proudu vody využívají energii proudu páry. Protože se čerpaná kapalina od páry ohřívá, používají se s výhodou k čerpání vody do parních kotlů. Stejně jako vodní injektory mají poměrně nízkou účinnost (okolo 0,3). 1.4.3 Vodní trkače (obr. 1.19) Využívají energie vodního rázu, voda se jimi dopravuje přetržitým proudem. Otevřeným vypouštěcím ventilem 1 vytéká voda do odpadu. Proudem vody je tento ventil stržen a prudce uzavřen. Tím vzroste tlak vody v trkači, otevře se výtlačný ventil 3 a část vody přejde do výtlačného vzdušníku. Tlak vody ihned zase poklesne, výtlačný ventil 3 se uzavře, vypouštěcí ventil 1 otevře a voda zase začne vytékat do odpadu. Celý tento pracovní cyklus se opakuje, až voda vytéká do horní nádrže.
I - 12
Obr. 1.19: Schéma vodního trkače; 1/ výtlačné potrubí; 2/ výtlačný vzdušník; 3/ výtlačný ventil; 4/ závaží; 5/ vypouštěcí ventil; 6/ přívod vody z dolní nádrže (6). Vodní trkače se používají zvláště tam, kde není k dispozici zdroj elektrické energie, ale kde je dostatek hnací vody se spádem H alespoň 1 m. Jejich výhodou je samočinný chod bez obsluhy. Na poměru h/H závisí účinnost (max. 0,92), na stejném poměru závisí také poměr objemového průtoku ve výtlačném a přívodním potrubí (max. 0,5). 1.4.4 Mamutová čerpadla (obr. 1.20) Využívají vlastnosti spojených nádob. Skládají se z trubky, do které se v určité hloubce pod hladinou přivádí vzduch (z kompresoru o tlaku okolo 0,2 MPa) přes otvory sperlovače o průměru 4 až 6 mm. Vzniklé bublinky vzduchu vytvoří v hlavní trubce směs s kapalinou. Kapalina je čerpána v důsledkem přetlaku vzniklého rozdílnou hustotou této směsi a kapaliny. Na horním konci hlavní trubky je separátor, který opět odděluje kapalinu od vzduchu. Tato čerpadla se používají například k čerpání vody z podzemních vrtů, k dopravě kalů, mohou se používat i při dopravě řepy v cukrovarech.
Obr. 1.20: Schéma mamutového čerpadla; 1/ oddělovač vzduchu; 2/ hlavní trubka; 3/ potrubí pro přívod stlačeného vzduchu; 4/ sperlovač (6). I - 13
1.4.5 Elektromagnetická čerpadla (obr. 1.21) Používají se k dopravě elektricky vodivých kapalin (obvykle tekutých kovů) na základě elektromagnetického pole a kapaliny, jako pohyblivého vodiče.
Obr. 1.21: Schéma elektromagnetického čerpadla (4). "
HEJZLAR, R. Stroje a zařízení jaderných elektráren. Díl 1. 3. vyd. Praha : ČVUT, 2000, s. 51 - 52
1.5 HLAVNÍ PARAMETRY ČERPADEL Dopravovaná kapalina může při čerpání měnit svou: ! výšku o H a tím svou potenciální energii o m ⋅ g ⋅ H (kde m – hmotnost dopravované kapaliny, g – tíhové zrychlení), ! rychlost o v a tím svou kinetickou energii o ! tlak o ∆p a tím svou tlakovou energii o m ⋅
1 ⋅ m ⋅ v2 , 2
∆p (kde ρ - hustota dopravované kapaliny). ρ
Čerpání kapaliny probíhá ve dvou částech. Před čerpadlem je část nasávací, za čerpadlem část výtlačná. Schéma čerpací stanice je na obr. 1.22. Nasávání kapaliny vzniká obvykle vytvořením rozdílu mezi atmosférickým tlakem p a a sacím tlakem čerpadla p s , tedy ∆p = p a − p s . Hodnota ∆p závisí na nadmořské výšce a na bodu varu kapaliny (kapalina nesmí při nasávání dosáhnout bodu varu). Na tomto rozdílu tlaků závisí nasávací výška H s a měrná sací energie čerpadla Ys podle Bernoulliovy rovnice: Ys = H s ⋅ g +
v s2 p − ps + Yzs = a 2 ρ
(1.1),
kde v s - sací rychlost, Yzs - ztrátová měrná energie v nasávací větvi daná třením a místními vlivy.
I - 14
Obr. 1.22: Schéma čerpací stanice; 1/ horní nádrž; 2/ výtlačné potrubí; 3/ manometr výstupního tlaku z čerpadla; 4/ motor; 5/ čerpadlo; 6/ sací koš; 7/ manometr sacího hrdla; 8/ sací potrubí (6). Vytlačování kapaliny probíhá v důsledku rozdílu výstupního tlaku kapaliny z čerpadla p v a tlaku nad hladinou vytlačené kapaliny p a , tedy ∆p = p v − p a . Podle Bernoulliovy rovnice je měrná výtlačná energie čerpadla: Yv = H v ⋅ g +
v 2v − v s2 p − pa + Yzv = v 2 ρ
(1.2),
kde H v - výtlačná výška, v v - výtlačná rychlost, Yzv - ztrátová měrná energie ve výtlačné větvi. V případě, že nad hladinami nasávané nebo vytlačované kapaliny jsou jiné tlaky než atmosférické, musíme jimi samozřejmě p a v rovnicích (1.1) a (1.2) nahradit. Měrná energie čerpadla: Y = Ys + Yv =
pa − ps pv − pa p v − ps + = ρ ρ ρ
(1.3).
Dopravní výška čerpadla: H = Hs + Hv =
Y g
(1.4).
Příkon čerpadla: P=
QV ⋅ ρ ⋅ Y η
(1.5),
kde Q V - teoretický objemový průtok (skutečný objemový průtok je dán součinem teoretického a objemové účinnosti), η - celková účinnost čerpadla. I - 15
Způsob výpočtu teoretického objemového průtoku závisí na typu čerpadla: ! u jednočinného a diferenciálního pístového čerpadla π ⋅ D2 ⋅L⋅n 4 kde S – plocha pístu, L – zdvih pístu, n – otáčky klikového hřídele, D – průměr pístu; ! u dvojčinného pístového čerpadla QV = S ⋅ L ⋅ n =
π ⋅ (2 ⋅ D 2 − d 2 ) ⋅ L ⋅ n 4 kde d – průměr pístní tyče; ! u zubového čerpadla
(1.6),
QV =
(1.7),
QV = 2 ⋅ m ⋅ b ⋅ vr
(1.8),
kde m – modul ozubených kol, b – šířka zubů, v r – obvodová rychlost na roztečné kružnici; ! u lamelového čerpadla QV = 2 ⋅ π ⋅ D ⋅ bl ⋅ e ⋅ n
(1.9),
kde D – vnitřní průměr statoru, bl – šířka lamely, e – excentricita, n – otáčky rotoru; ! u vřetenového čerpadla QV = π ⋅ D ⋅ h p ⋅ bp ⋅ n
(1.10),
kde D – roztečný průměr vřetena, hp – výška profilu závitu, bp – šířka drážky závitu na roztečném průměru, n – otáčky vřetena; ! u radiálního hydrodynamického čerpadla QV = π ⋅ D ⋅ b ⋅ cm ⋅ k
(1.11),
kde D – průměr oběžného kola, b – šířka kanálu oběžného kola na průměru D, c m – meridiánová rychlost na průměru D, k – součinitel zúžení průtočného průřezu; ! u axiálního hydrodynamického čerpadla QV =
π ⋅ (D 22 − D12 ) ⋅ c m ⋅ k 4
(1.12),
kde D2 – vnější průměr oběžného kola, D1 – průměr náboje oběžného kola, c m – meridiánová rychlost, k – součinitel zúžení průtočného průřezu. "
SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Stavba a provoz strojů IV. 2. vyd.Praha : SNTL, 1987, s. 126 – 151
a 216 - 234 DROST, A., OUWEHAND, J. Stroje pro přeměnu energií. 1. vyd. Sezimovo Ústí : Gause, 1994, s. 131 – 137, 144 – 164, 167 – 174 a 182 – 190 DVOŘÁK, R. Stroje. 4. vyd. Praha : SNTL, 1975, s. 210 – 224 a 236 – 240.
Mezi hlavní technické parametry čerpadel tedy patří výkon a příkon, objemový průtok, dopravní, nasávací a výtlačná výška, měrná energie čerpadla, dále otáčky, maximální (případně minimální) teplota dopravované kapaliny, rozměry a hmotnost.
I - 16
Př Vypočítejte skutečný objemový průtok a potřebný příkon zubového čerpadla pro dopravu oleje, je-li dán modul 3, počet zubů 24, šířka zubů 30 mm, otáčky 1080 min-1, výstupní tlak 6 MPa, objemová účinnost 0,85 a celková účinnost 0,65. Dáno: m = 3 mm = 3·10-3 m z = 24 b = 30 mm = 30·10-3 m n = 1080 min-1 = 18 s-1 pv = 6 MPa = 6·106 Pa η V = 0,85
QV = ?
η= 0,65
P=?
Skutečný objemový průtok je dán vztahem (1.8) a objemovou účinností, tedy: Q V = 2 ⋅ m ⋅ b ⋅ v r ⋅ ηV Nezadanou obvodovou rychlost na roztečné kružnici ozubených kol vyjádříme známým vztahem v r = π ⋅ D ⋅ n , kde za průměr roztečné kružnice dosadíme D = m ⋅ z , tedy: Q V = 2 ⋅ m ⋅ b ⋅ π ⋅ D ⋅ n ⋅ ηV = 2 ⋅ m ⋅ b ⋅ π ⋅ m ⋅ z ⋅ n ⋅ ηV Q V = 2 ⋅ 3 ⋅ 10 −3 m ⋅ 30 ⋅ 10 −3 m ⋅ π ⋅ 3 ⋅ 10 −3 m ⋅ 24 ⋅ 18 s −1 ⋅ 0,85 Q V = 6,229 ⋅ 10 −4 m 3 ⋅ s −1 Příkon čerpadla je dán vztahem (1.5), měrnou energii čerpadla vyjádříme pomocí vztahu (1.3): P=
QV ⋅ ρ ⋅ Y QV ⋅ ρ p v − ps = ⋅ η η ρ
Protože je sací tlak p s nižší než atmosférický, viz. vztah (1.1), a tedy ve srovnání s výtlačným tlakem p v = 6 MPa nepatrný, můžeme ho zanedbat. Pokud ještě vykrátíme hustoty ρ , pak: P=
QV ⋅ pv η
6,229 ⋅ 10 −4 m 3 ⋅ s −1 ⋅ 6 ⋅ 10 6 Pa P= 0,65 P = 5750 W = 5,75 kW Skutečný objemový průtok tohoto čerpadla je 6,229·10-4 m3·s-1 a potřebný příkon 5,75 kW. Budeme-li počítat s možností přetížení 50 %, musí mít hnací elektromotor výkon 8,625 kW. 1.5.1 Regulace čerpadel Průtok čerpadel se reguluje: ! změnou otáček – například pomocí převodovky; ! škrcením ve výtlaku – používá se například škrtící klapky zařazené ve výtlačné větvi (méně hospodárné, ale technicky nejjednodušší); I - 17
! škrcením v sání – obdobné jako předchozí způsob, ale škrtící člen je zařazen v sací větvi; ! přepouštěním do sání – kapalina se přepouští z výtlaku do sání (obtokovým potrubím) přes regulační šoupátko; ! změnou zdvihového objemu – používá se u některých hydrostatických čerpadel, například změnou zdvihu pístu u pístových čerpadel nebo změnou excentricity u lamelových čerpadel; ! dvoupolohově – dodává-li čerpadlo (obvykle hydrostatické) do tlakového zásobníku, postačuje většinou regulace zapnuto – vypnuto; ! natáčením lopatek oběžného kola – použitelná u vrtulových hydrodynamických čerpadel s přestavitelnými lopatkami (hospodárné, vede však ke složitější konstrukci oběžného kola a potřebě mechanismu k ovládání natáčeni). "
SKOPAL, V., ADÁMEK, J., KRATOCHVÍL, J. Stroje a zařízení. 2. vyd.Praha : SNTL, 1989, s. 135 - 137 SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Stavba a provoz strojů IV. 2. vyd.Praha : SNTL, 1987, s. 261 -264 KYSELA, F. Stroje.1. vyd. Praha : SNTL, 1982, s. 89 – 90 a 102 –104
? 1. Co je to čerpadlo? 2. Doplňte: Srovnáme-li hydrostatická a hydrodynamická čerpadla můžeme obecně konstatovat, že hydrostatická čerpadla se používají pro …ší objemové průtoky a …ší tlaky. 3. Mezi hydrostatická čerpadla nepatří: a/ membránová čerpadla b/ vřetenová čerpadla c/ vodní injektory 4. Nakreslete schéma pístového čerpadla. 5. Nakreslete schéma tvaru oběžných kol hydrodynamických čerpadel a směr proudění dopravované kapaliny. 6. Vysvětlete princip činnosti vodního trkače. 7. K dopravě jakých kapalin se používají elektromagnetická čerpadla? 8. Jaké se používají způsoby regulace radiálních hydrodynamických čerpadel? 3
9. Určete minimální objemový průtok a příkon čerpadla, kterým je možno přepravit 1000 m vody za den, přičemž dopravní výška je 5m; celkovou účinnost čerpadla uvažujte 0,6. 10. Najděte (na pracovišti, v domácnosti, apod.) čerpadlo, zjistěte jeho konstrukční provedení, typ, technické parametry a výrobce. Jaký jiný typ čerpadla by se dal použít?
I - 18
" 1. Čerpadlo je stroj, který slouží k dopravě kapalin z místa níže položeného na místo položené výše, nebo ke zvyšování tlaku kapaliny. 2. Srovnáme-li hydrostatická a hydrodynamická čerpadla můžeme obecně konstatovat, že hydrostatická čerpadla se používají pro menší objemové průtoky a vyšší tlaky. 3. c/ 4. viz. obr. 1.1 5. viz. obr. 1.7 6. Vodní trkače využívají energie vodního rázu, voda se jimi dopravuje přetržitým proudem. Otevřeným vypouštěcím ventilem vytéká voda do odpadu. Proudem vody je tento ventil stržen a prudce uzavřen. Tím vzroste tlak vody v trkači, otevře se výtlačný ventil a část vody přejde do výtlačného vzdušníku. Tlak vody ihned zase poklesne, výtlačný ventil se uzavře, vypouštěcí ventil otevře a voda zase začne vytékat do odpadu. Celý tento pracovní cyklus se opakuje, až voda vytéká do horní nádrže. 7. Elektromagnetická čerpadla se používají k dopravě elektricky vodivých kapalin (obvykle tekutých kovů). 8. U radiálních hydrodynamických čerpadel se používá regulace změnou otáček, škrcením ve výtlaku, škrcením v sání a přepouštěním do sání. 9. Dáno: V = 1000 m3 τ = 1 den = 24·60·60 s = 86400 s ρ = 1000 kg·m-3 H=5m η = 0,6
QV = ? P=?
Podle vztahu známého z hydromechaniky: QV =
V 1000 m 3 = = 1,158 ⋅ 10 − 2 m 3 ⋅ s −1 τ 86400 s
Podle vztahu (1.5) s dosazením ze vztahu (1.4):
P=
Q V ⋅ ρ ⋅ Y Q V ⋅ ρ ⋅ H ⋅ g 1,158 ⋅ 10 −2 m 3 ⋅ s −1 ⋅ 1000 kg ⋅ m −3 ⋅ 5 m ⋅ 9,81 m ⋅ s −1 = = = 946,7 W η η 0,6
Minimální objemový průtok čerpadla podle zadání je 1,158·10-2 m3·s-1 a jeho příkon 956,7 W. I - 19
