ČERPADLA STROJE PRO DOPRAVU KAPALIN Těmito stroji lze kapalinám dodat tlakovou a kinetickou energii. Základními parametry jsou dopravní výška objemový průtok
H /m/ Q /l.s-1/
Dopravní výška je dána energií dodanou čerpadlem kapalině. Tato energie musí kapalinu urychlit na poţadovanou rychlost, vytlačit do poţadované výšky a pokrýt tlakové ztráty při proudění v potrubí. Potřebnou dopravní výšku čerpadla pro konkrétní případ čerpání kapaliny odvodíme z Bernoulliho rovnice (zákona zachování energie – viz. MEC 3.roč). H = Hs + HV =
HGS + vS2/2g + HZS
+
HGV + (vV – vS)2/2g + HZV
HS … dopravní výška sací HV … dopravní výška výtlačná
vs … rychlost proudění v sacím potrubí vv … rychlost proudění ve výtlačném potrubí
HGS … geodetická výška sací HGV … geodetická výška výtlačná
vs /2g ……….. rychlostní výška sací 2 (vv – vs) /2g …rychlostní výška výtlačná
2
Hzs … ztrátová výška v sacím potrubí Hzv ….ztrátová výška ve výtlačném potrubí
http://www.e-cerpadla.cz/calculation_high.html situační schéma přečerpávání kapaliny VÝTLAČNÉ POTRUBÍ
ČERPADLO
HGV
HV
H
SACÍ POTRUBÍ
HGS
Dosaţitelná geodetická výška u daného čerpadla klesá s rostoucím průtokem.
SACÍ KOŠ – obsahuje jednosměrný zpětný venti, který udrţí kapalinu v sacím potrubí při vypnutém čerpadle
1
Z poţadovaného objemového průtoku lze určit potřebný průtočný průřez potrubí při zvolené rychlosti proudění. Q=S.v Pozor – čím vyšší rychlost tím výrazně vyšší ztráty (rostou s druhou mocninou). nárůst tlaku mezi vstupem a výstupem musí být Δp = ρ . g . H a dále lze vypočítat potřebný výkon hnacího motoru P = Q . Δp . η
Podle fyzikálního principu práce lze čerpadla rozdělit do dvou skupin stroje objemové – tlak v kapalině vzroste tím, ţe se kapalina uzavře do pracovního prostoru stroje a objem tohoto prostoru se zmenší. V této skupině jsou čerpadla
pístová membránová křídlová zubová šroubová (vřetenová) lamelová rotační pístová axiální a radiální
stroje rychlostní – udělují kapalině nejprve kinetickou energii tím, ţe je kapalina unášena rotujícím lopatkovým kolem. Část kinetické energie můţe být následně přeměněna na energii tlakovou v pevném, rozšiřujícím se průtočném kanále. Podle smyslu pohybu kapaliny v oběţném kole se rozdělují na čerpadla
OBJEMOVÝ STROJ
radiální - odstředivá axiální - vrtulová
RYCHLOSTNÍ RADIÁLNÍ STROJ
RYCHLOSTNÍ AXIÁLNÍ STROJ
2
STROJE OBJEMOVÉ PÍSTOVÁ ČERPADLA Změnu objemu pracovního prostoru zajišťuje pohyb pístu. Práce pístového čerpadla probíhá ve dvou fázích při pohybu pístu mezi horní úvratí HÚ a dolní úvratí DÚ. sání píst se pohybuje z HÚ do DÚ, pracovní objem roste, vzniklým podtlakem se otevře sací ventil a do válce je nasávána kapalina za konstantního tlaku. výtlak píst se pohybuje z DÚ do HÚ pracovní objem klesá, vzniklým přetlakem se otevře výtlačný ventil a kapalina je za konstantního tlaku vytlačena pracovní p-V diagram pístového čerpadla :
. Zdvižné čerpadlo Je druh pístového čerpadla pro čerpání kapaliny z větších hloubek. Např. ruční pumpa pro čerpání vody ze studny z hloubky aţ 30 m. Pístem pohybuje pákový mechanismus. schéma čerpadla
zdvihaná kapalina
pracovní prostor
3
Olejové čerpadlo Např. pro mazání mechanismů u obráběcích strojů. Výtlačný zdvih pístu vykonává přes stavěcí šroub vačka. Zpětný pohyb zajišťuje pruţina. Sací kanálky uzavírá hrana pístu. Výtlačný ventil je tvořen sedlem, kuličkou, a přítlačnou pruţinou. Čerpadlo je přišroubováno na skříň stoje a sacími kanály zasahuje do olejové nádrţe.
Palivové čerpadlo - dopravní U velkých vznětových motorů je pístové čerpadlo pouţito jako palivové pro dopravu nafty z nádrţe ke vstřikovacímu čerpadlu. Pístem pohybuje vačka. Palivové čerpadlo - vstřikovací U některých vznětových motorů vyvíjí tlak potřebný pro rozstřik nafty do spalovacího prostoru (viz. kapitola spalovací motory). Pístem pohybuje vačka
MEMBRÁNOVÁ ČERPADLA schéma čerpadla:
membrána
Změnu objemu pracovního prostoru zajišťuje pohyb membrány.
membránové čerpadlo poháněné stlačeným vzduchem
Palivové dopravní čerpadlo Je čerpadlo pro dopravu paliva z nádrţe ke karburátoru spalovacího motoru. (viz. kapitola spalovací motory). Je poháněno vačkou od klikové hřídele motoru, (dnes se u automobilových motorů jiţ nepouţívá).
4
KŘÍDLOVÉ ČERPADLO Toto čerpadlo je ruční. Skládá se z tělesa, víka, křídla, můstků, klapkových ventilů, hřídele a páky. V tělese čerpadla je na hřídeli umístěno křídlo spojené s ovládací pákou a pevné můstky. Pohybem křídla se mění objem pracovního prostoru. V křídle a můstcích jsou klapkové ventily. Těleso je uzavřeno víkem, kterým prochází hřídel, na němţ je nasunuta ruční páka. Pouţívá se převáţně pro přečerpávání benzínu, lihu, nafty, petroleje, řídkých olejů apod., ze sudů a barelů. Je všeobecně určeno pro dopravu jen čistých kapalin bez mechanických příměsí (písku apod.). ruční páka
křídlo s výtlačnými ventily
dva pracovní prostory = dvojčinné čerpadlo můstky se sacími ventily
ROTAČNÍ ČERPADLA Jestliţe jsou tato čerpadla pouţita jako zdroj tlakové kapaliny v hydrostatických obvodech, pak se nazývají HYDROGENERÁTORY
ZUBOVÁ ČERPADLA Pouţívá k čerpání kapaliny dvou ozubených kol. Jedná se o jedno z nejběţnějších typů čerpadel pouţívaných v hydraulických systémech. Princip zubového čerpadla je zaloţen na tom, ţe zuby dvojice ozubených kol mohou unášet čerpanou látku, a zároveň těsnit, pokud do sebe zapadnou. U klasického čerpadla je tento princip nejlépe patrný. 5
Rozlišují se dva základní typy Klasické zubové čerpadlo sestává ze dvou totoţných ozubených kol s vnějším ozubením. Pouţívá se především pro čerpání kapaliny (oleje) v hydraulických systémech (například stavební stroje; bagry, rypadla…) a v olejovém mazacím okruhu obráběcích strojů a spalovacích motorů. http://www.mekanizmalar.com/gearpump.swf Excentrické zubové čerpadlo sestává z jednoho ozubeného kola s vnějším a z jednoho ozubeného kola s vnitřním ozubením. Pouţívá se v olejovém mazacím okruhu velkých spalovacích motorů. http://www.pneumatica.be/hydraulica/tandwtandkranslpomp.htm
ŠROUBOVÁ (VŘETENOVÁ) ČERPADLA Jsou pouţívaná hlavně pro čerpání kapalin s vyšší viskozitou jako např. olej, dehet, apod. Vyznačují se tichým chodem a malými pulzacemi na výtlaku. Čerpadlo můţe být konstruováno jako dvouvřetenové nebo jednovřetenové. Dvouvřetenové čerpadlo Uvnitř statoru se otáčí dvě šroubová vřetena s lichoběţníkovým závitem. Při pohybu vřetena se vytvářejí v dutině statoru uzavřené prostory, které se s otáčením vřetena neustále a rovnoměrně posunují ve směru stoupání šroubovice a dopravují svým objemem kapalinu ze sacího do výtlačného prostoru. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a1/Archimedes-screw_one-screwthreads_with-ball_3D-view_animated.gif Jednovřetenové čerpadlo Čerpadlo se skládá ze šroubovitého kovového rotoru, který se otáčí uvnitř pruţného šroubovitého statoru. Rotor je z oceli, stator je vyroben z otěru odolného vstřikováním profilovaného elastomeru. Geometrie a rozměry těchto částí jsou navrţeny tak, aby rotor vloţený do statoru vytvořil řetěz utěsněných komor. Komory axiálně postupující od sání k výtlaku čerpadla a dopravují kapalinu 6
LAMELOVÉ ČERPADLO schéma čerpadla: SÁNÍ stator výsuvná lamela
rotor VÝTLAK
http://www.mechanisms101.com/vanepump.swf Při otáčení rotoru lamely klouţou po vnitřní ploše statoru, mezi nimi uzavřený pracovní objem se opakovaně zvětšuje a zmenšuje, a tím dochází k sání a výtlaku. Čerpadlo se pouţívá například v okruhu hydraulického posilovače řízení osobních automobilů.
PÍSTOVÉ ROTAČNÍ AXIÁLNÍ ČERPADLO schéma čerpadla: rozvodová deska
rotující blok válců s písty
unášecí deska
http://home.planet.nl/~brink494/axppm.htg/axppm.gif
PÍSTOVÉ ROTAČNÍ RADIÁLNÍ ČERPADLO Čerpadlo se pouţívá jako vysokotlaké (220 MPa) v palivovém systému Common Rail vznětových motorů. 1. - hnací hřídel 2. - excentrická vačka 3. - píst 4. - sací ventil 5. - výtlačný ventil 6. - přívod paliva 7
STROJE RYCHLOSTNÍ Jsou stroje lopatkové Podle smyslu výstupu kapaliny z oběţného kola se nazývají
radiální, axiální
ČERPADLA RADIÁLNÍ - odstředivá Princip práce Radiální čerpadla se nazývají odstředivá, neboť kapalina po vstupu do oběţného kola je unášena lopatkami a odstředivou silou tlačena radiálně k obvodu kola. Narůstá rychlost a tlak kapaliny. Na obvodu kola je největší obvodová rychlost a z toho vyplývá, ţe kapalina zde má největší kinetickou energii. Tuto energii kapalina získala od motoru, který pohání oběţné kolo. Z oběţného kola kapalina přechází do difuzoru a dále do spirálové skříně. V těchto částech se rozšiřuje průtočný průřez, tím se sniţuje rychlost kapaliny (rovnice kontinuity) a stoupá tlak – dle zákona zachování energie (Bernoulliho rovnice). Lopatky difuzoru usměrňují proud kapaliny z oběţného kola, omezují její víření a tím se zlepšuje účinnost stroje. Proto lopatky difuzoru jsou zakřiveny tak, aby vektor výstupní rychlosti z oběţného kola k nim byl tečný. V řadě případů však difuzor není pouţit a kapalina z oběţného kola přechází přímo do spirálové skříně. schéma - princip radiálního čerpadla s vektory rychlostí u - unášivá rychlost (rychlost obvodová ) w - rychlost kapaliny vůči lopatce c - výsledná rychlost kapaliny
průběh výsledné rychlosti c a tlaku p v jednotlivých částech stroje
RADIÁLNÍ ČERPADLO BEZ LOPATKOVÉHO DIFUZORU
8
výstup
OBĚŢNÉ KOLO
vstup
Odstředivé čerpadlo jednostupňové poháněné elektromotorem.
odstředivé kalové čerpadlo - oběţná kola mají malý počet lopatek a mezi nimi velký průtočný průřez
odstředivé ponorné čerpadlo nerezové, určeno do vrtů
Čerpadlo odstředivé třístupňové (článkové). Články jsou řazeny za sebou, jejichţ celkový počet se odvozuje z poţadované dopravní výšky. Skládá se ze sacího a výtlačného tělesa. Pracovní stupně jsou uspořádány mezi sacím a výtlačným tělesem a s nimi spojeny v jeden celek vně vedenými stahovacími šrouby. Hřídel oběţných kol je utěsněna plstěnými krouţky (ucpávkou). Tato čerpadla jsou vhodná pro čerpání čistých kapalin, bez mechanických příměsí. Pouţívají se zejména k čerpání nafty, lihu, benzinu, čisté uţitkové vody např. jako protipoţární čerpadla.
Většina odstředivých čerpadel nedokáţe ze sacího potrubí odsát vzduch. Před spuštěním musí být toto potrubí a oběţné kolo zaplněno kapalinou, nebo ponořeno pod hladinou kapaliny, (ponorné čerpadlo můţe být ponořeno i s elektromotorem). Vodu v sacím potrubí při zastavení čerpadla udrţí sací koš se zpětným jednosměrným ventilem. Samonasávací se nazývají čerpadla, která při spuštění vzduch ze sacího potrubí odsají.
9
ČERPADLA AXIÁLNÍ - vrtulová Princip práce Axiální čerpadla se také nazývají vrtulová, neboť oběţné kolo má tvar vrtule. Kapalina prochází od vstupu k výstupu souose s hřídelí. Na hřídeli je upevněno oběţné lopatkové kolo tvaru vrtule se dvěmi aţ čtyřmi lopatkami. Hřídel s oběţným kolem je poháněna elektromotorem. Lopatky mají vhodný úhel sklonu β. Pohybem takovéto lopatky vzniká na jedné straně podtlak = sání a na opačné straně přetlak = výtlak. Kapalina je tedy vlivem pohybujících se lopatek urychlena a částečně stlačena. Na výstupu za oběţným kolem mohou být pevné lopatky, které omezují víření kapaliny. Před spuštěním musí být oběţné kolo zahlceno kapalinou. Výhodné je, pokud můţe být umístěno pod hladinou kapaliny. Axiální čerpadla jsou vhodná pro velké objemové průtoky ale malé dopravní výšky. Uplatnění najdou hlavně například v systému čištění a úpravy vod. schéma - princip axiálního čerpadla s vektory rychlostí
u - unášivá rychlost (rychlost obvodová ) w - rychlost kapaliny vůči lopatce c - výsledná rychlost kapaliny
rychlost a tlak v prostoru oběţného kola
10
Čerpadlo, které nelze zařadit do žádné předcházejíci skupiny
VODNÍ TRKAČ Vodní trkač je jednoduché čerpadlo, poháněné vodou. K jeho provozu musí být k dispozici přírodní zdroj proudící vody. Čerpadlo k pohonu vyuţívá její kinetickou energii. Proud vody je pravidelně uzavírán trkacím ventilem. Vzniklé rázy slouţí k čerpání vody přes výtlačný ventil do výšky několikanásobně vyšší, neţ je rozdíl hladin vody, která trkač pohání.
http://schou.dk/animation/hydraram.swf Trkací ventil je umístěn při výtoku z čerpadla a uzavírá z vnitřku výtokový otvor. Tento otvor je obrácen směrem vzhůru. Ventil je zatíţen závaţím tak, aby byl právě překonán tlak vody, a ventil se otevřel. Po několika okamţicích dosáhne voda takové rychlosti, ţe uzavře i zatíţený trkací ventil. V náhle uzavřeném potrubí s rychle proudící vodou vznikne tlakový ráz přeměnou kinetické energie na tlakovou. Ten překoná tlak vody ve výtlačném potrubí, otevře výtlačný ventil a malé mnoţství vody pronikne do tohoto potrubí. Po odeznění rázu se uzavře výtlačný ventil, hmotnost závaţí přemůţe tlak vody na trkacím ventilu, ten se otevře a cyklus se můţe znovu opakovat. Za výtlačným ventilem bývá obvykle hruška se stlačeným vzduchem (větrník), která tlumí rázy vznikající ve výtlačném potrubí.
11
