ČERPADLA Ing. Ondřej ZAVILA, Ph.D.

Transkript

1 VŠB TU Ostrava, FBI ČERPADLA Ing. Ondřej ZAVILA, Ph.D.

2 OBSAH: 1) DEFINICE a ROZDĚLENÍ čerpadel (obecně) ) DEFINICE a ROZDĚLENÍ čerpadel (v oblasti požární ochrany) 3) Legislativní základ 4) Význam použití ČERPADEL v oblasti požární ochrany 5) Bernoulliho rovnice a Eulerova rovnice teoretický základ 6) PRACOVNÍ ROVNICE odstředivého čerpadla 7) ÚČINNOST a VÝKON čerpadla 8) Základní PARAMETRY čerpadel 9) CHARAKTERISTIKA čerpadla 10) RYCHLOBĚŽNOST čerpadla 11) REGULACE PRŮTOKU čerpadel 1) SPOLUPRÁCE čerpadel 13) KAVITACE 14) ZKOUŠENÍ čerpadel

3 DEFINICE čerpadla a ROZDĚLENÍ čerpadel (obecně) DEFINICE dle teorie Mechaniky tekutin : ČERPADLO - stroj sloužící ke zvyšování pohybové (tlakové) energie kapaliny za účelem její dopravy z místa zdroje na místo cíle. Obecné ROZDĚLENÍ čerpadel: I. Čerpadla HYDROSTATICKÁ (přímá přeměna mechanické energie na energii tlakovou) A) Čerpadla rotační B) Čerpadla s kmitavým pohybem C) Čerpadla s jiným pohybem D) Čerpadla kombinovaná II. Čerpadla HYDRODYNAMICKÁ (nepřímá přeměna mechanické energie na energii tlakovou) Mechanická energie se v oběžném kole mění na energii tlakovou a kinetickou (pohybovou), ve výtlačném hrdle se pak mění na tlakovou energii i podíl energie kinetické = nepřímá přeměna původní mechanické energie na tlakovou energii. A) Čerpadla odstředivá A1) radiální čerpadla (vstup axiální, výstup kolmo k ose) A) diagonální čerpadla (vstup axiální, výstup šikmo k ose) B) Čerpadla axiální (vstup i výstup axiální) III. Čerpadla SPECIÁLNÍ (nespadají mezi hydrostatická ani hydrodynamická čerpadla; ke zvyšování tlakové energie kapaliny používají nejrůznějších fyzikálních principů) 3

4 DEFINICE čerpadla a ROZDĚLENÍ čerpadel (v oblasti požární ochrany) DEFINICE dle platných norem: POŽÁRNÍ ČERPADLO - odstředivé čerpadlo s určitou geodetickou sací výškou a určitým manometrickým tlakem, které se užívá u motorových požárních stříkaček viz ČSN ISO (bod NA 8.64) MOTOROVÁ STŘÍKAČKA - požární stroj s čerpadlovým soustrojím a sadou požárního příslušenství viz ČSN ISO (bod NA 8.36) GEODETICKÁ SACÍ VÝŠKA - výškový rozdíl mezi středem vstupu prvního oběžného kola a hladinou vody na straně sání při 1013 mbar a teplotě vody 4 ºC viz ČSN EN (bod 3..1) MANOMETRICKÝ TLAK ČERPADLA = výstupní tlak čerpadla ve smyslu normy ČSN EN (bod 3.3.) POŽÁRNÍ ODSTŘEDIVÉ ČERPADLO - průtočný stroj s mechanickým pohonem určený k čerpání kapaliny pro požární účely viz ČSN ISO (bod 3.1.1) 4

5 DEFINICE čerpadla a ROZDĚLENÍ čerpadel (v oblasti požární ochrany) ROZDĚLENÍ čerpadel dle platných norem z oblasti PO: I. NÍZKOTLAKÉ ČERPADLO - jednostupňové nebo vícestupňové odstředivé čerpadlo pro provozní tlak do 0 bar (1 bar = Pa) viz ČSN EN (bod 3.1.4) PLOVOUCÍ čerpadlo - čerpadlo plovoucí na hladině, jehož vstupní část a první oběžné kolo jsou zcela ponořeny pod vodní hladinou ČSN EN (bod ) PONORNÉ čerpadlo - čerpadlo, jehož vstupní část a první oběžné kolo jsou zcela ponořeny pod vodní hladinou a které musí být rovněž provozuschopné, je-li zcela ponořené pod vodní hladinou ČSN EN (bod ) PŘEPLŇOVANÉ čerpadlo - čerpadlo, do něhož je voda přiváděna pod tlakem (např. z jiného čerpadla nebo z vyvýšené nádrže) ČSN EN (bod ) II. VYSOKOTLAKÉ ČERPADLO - požární odstředivé čerpadlo pro provozní tlak do 54,5 bar - viz ČSN EN (bod 3.1.5) 5

6 DEFINICE čerpadla a ROZDĚLENÍ čerpadel (v oblasti požární ochrany) Některé další vybrané pojmy: DOPRAVA VODY ČERPADLY - doprava vody ze vzdáleného zdroje na místo požáru pomocí mezilehlých čerpadel vložených do hadicového vedení viz ČSN ISO (bod ) DOPRAVA VODY KYVADLOVÁ - doprava vody ze vzdáleného zdroje na místo požáru pomocí cisteren viz ČSN ISO (bod ) ČERPADLOVÁ VÝVĚVA - mechanické zařízení, které vytvořením vakua vyvolá nasátí vody do čerpadla viz ČSN ISO (bod ) - řadí se mezi tzv. čerpadla speciální SMĚR OTÁČENÍ POHONU - směr otáčení příruby pohonu nebo spojky, při pohledu od hnacího motoru viz ČSN ISO (bod 3.1.6) - vpravo: ve směru otáčení hodinových ručiček vlevo: proti směru otáčení hodinových ručiček Směr pohledu 6

7 LEGISLATIVNÍ základ (požární normy) Normy platné od dle informací na (aktuálně ke dni ): ČSN EN (389310) ČSN EN 108- (389310) ČSN EN (389315) ČSN EN (389315) ČSN EN (389305) ČSN ISO (389000) Požární čerpadla - Požární odstředivá čerpadla se zařízením pro zavodnění - Část 1: Třídění - Všeobecné a bezpečnostní požadavky Požární čerpadla - Požární odstředivá čerpadla se zařízením pro zavodnění - Část : Ověřování všeobecných a bezpečnostních požadavků Požární čerpadla - Požární odstředivá čerpadla bez zařízení pro zavodnění - Část 1: Třídění, všeobecné a bezpečnostní požadavky Požární čerpadla - Požární odstředivá čerpadla bez zařízení pro zavodnění - Část : Ověřování všeobecných a bezpečnostních požadavků Požární čerpadla Přenosné motorové stříkačky Požadavky na bezpečnost a provedení, zkoušky Požární ochrana. Slovník. Část 8: Termíny specifické pro hašení požáru, záchranné práce a pro zacházení s nebezpečnými látkami 7

8 Význam použití ČERPADEL v oblasti požární ochrany VÝZNAM POUŽITÍ: 1. Doprava vody (hasiva) na místo určení VYTLAČOVÁNÍ média;. Odčerpávání vody (nebo jiných médií) z nežádoucích míst NASÁVÁNÍ média. 8

9 Problematika čerpání vody teoretický základ BERNOULLIHO ROVNICE: Bernoulliho rovnice pro dokonalou kapalinu; Bernoulliho rovnice pro skutečnou kapalinu; Bernoulliho rovnice pro rotující kanál. EULEROVA ROVNICE: Eulerova rovnice hydrostatiky; Eulerova rovnice hydrodynamiky; Eulerova čerpadlová rovnice; Eulerova turbínová rovnice. 9

10 Krátký náhled do historie Daniel Bernoulli ( ): - Holanďan, vystudoval původně medicínu (orientace k přírodním vědám); - matematika a fyzika byly jeho koníčkem; : dílo Hydromechanica poprvé publikována Bernoulliho rovnice. Leonhard Euler ( ): - Švýcar, vystudoval původně filozofii a teologii; - matematika byla jeho koníčkem později byl profesorem matematiky; - působil v Petrohradu a v Berlíně; - měl 13 dětí; - od roku 1766 byl prakticky slepý (šedý zákal), ale měl výjimečnou paměť; - velkou část své práce vytvořil již jako slepý; - pochován v ruském Petrohradu. 10

11 BERNOULLIHO rovnice (pro dokonalou kapalinu, pro skutečnou kapalinu, pro rotující kanál) BERNOULLIHO rovnice - pro dokonalou kapalinu (hydrodynamika): - vyjadřuje zákon zachování energie (tj. energie pohybové, tlakové a polohové) při proudění dokonalé (ideální) kapaliny za působení gravitačního zrychlení; - má tvar: v1 p1 v p g h1 g h BERNOULLIHO rovnice - pro skutečnou kapalinu (hydrodynamika): - vyjadřuje zákon zachování energie (tj. energie pohybové, tlakové a polohové) při proudění skutečné kapaliny za působení gravitačního zrychlení a třecích sil; - má tvar: v1 p1 v p g h g 1 h e konst konst BERNOULLIHO rovnice - pro rotující kanál (hydrodynamika): - vyjadřuje zákon zachování energie (tj. energie pohybové, tlakové a polohové) při proudění dokonalé nebo skutečné kapaliny rotujícím kanálem za působení gravitačního zrychlení (popř. i třecích sil u skutečné kapaliny); - má tvar (pro skutečnou kapalinu): R v1 p1 u1 g h1 v p g h u g h Z konst 11

12 BERNOULLIHO rovnice - pro dokonalou kapalinu FYZIKÁLNÍ VÝZNAM: - vyjadřuje zákon zachování energie při proudění dokonalé kapaliny za působení gravitačního zrychlení PODMÍNKY PLATNOSTI: - proudící kapalina je dokonalá (ideální) neviskózní a nestlačitelná; - proudění je ustálené (nemění se v čase); - rychlosti jsou v průřezu proudovou trubicí rozloženy rovnoměrně. MATEMATICKÝ TVAR: v1 p1 v p g h1 g h e v K e S e P konst p g h konst konst LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: v rychlost proudění kapaliny [m/s] p... tlak v kapalině [Pa] g gravitační zrychlení 9,81 [m/s ] h polohová výška ve vztahu k ekvipotenciální ploše o nulovém potenciálu [m] 1 ρ měrná hmotnost (hustota) [kg/m 3 ]

13 BERNOULLIHO rovnice - pro dokonalou kapalinu ROZBOR: Bernoulliho rovnice je tvořena součtem 3 energií (v každém daném průřezu potrubím): 1) energie KINETICKÁ (e K ) - vztažená na jednotku hmotnosti (m): e K EK m 1 m v m v ) energie TLAKOVÁ (e S ) - vztažená na jednotku hmotnosti (m): e S p g h g h 3) energie POLOHOVÁ (e P ) - vztažená na jednotku hmotnosti (m): Bernoulliho rovnici: v p g h konst, lze napsat též jako: e K e S e P e P EP m konst m g h g h m LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: v p rychlost proudění kapaliny [m/s] tlak v kapalině [Pa] g gravitační zrychlení 9,81 [m/s ] h polohová výška ve vztahu k ekvipotenciální ploše o nulovém potenciálu [m] ρ měrná hmotnost (hustota) [kg/m 3 ] m hmotnost elementu kapaliny [m] 13

14 BERNOULLIHO rovnice - pro dokonalou kapalinu PRAVIDLA POUŽITELNOSTI: Bernoulliho rovnice je tvořena součtem 3 energií (v každém daném průřezu potrubím): 1) V proudové trubici se zvolí dva průřezy (u jednoho jsou známy všechny veličiny p 1, v 1, h 1 ; u druhého průřezu může být jedna veličiny neznámá). ) Je nutné se rozhodnout, zda do rovnice dosazovat tlaky relativní či tlaky absolutní. 3) Zvolí se libovolná vodorovná rovina, která se bude považovat za ekvipotenciální plochu s nulovým potenciálem, od které se bude počítat polohová výška (zpravidla se volí tak, aby procházela jedním, ze zvolených průřezu, a to nejčastěji tím níže položeným průřezem). 14

15 BERNOULLIHO rovnice - pro skutečnou kapalinu FYZIKÁLNÍ VÝZNAM: - vyjadřuje zákon zachování energie při proudění skutečné kapaliny za působení třecích sil a gravitačního zrychlení PODMÍNKY PLATNOSTI: - proudící kapalina je skutečná viskózní a nestlačitelná; - v kapalině působí třecí síla vyplývající z existence viskozity - proudění je ustálené (nemění se v čase); - rychlosti jsou v průřezu proudovou trubicí rozloženy rovnoměrně. MATEMATICKÝ TVAR: e v1 p1 v p g h g 1 h e K v S e e p R e R p g h g h konst Z konst konst LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: v p... rychlost proudění kapaliny [m/s] tlak v kapalině [Pa] g gravitační zrychlení 9,81 [m/s ] h polohová výška ve vztahu k ekvipotenciální ploše o nulovém potenciálu [m] ρ měrná hmotnost (hustota) [kg/m 3 ] h Z.. ztrátová výška [m] 15

16 BERNOULLIHO rovnice - pro skutečnou kapalinu ZTRÁTOVÁ ENERGIE: - vlivem existence viskozity dochází ke ztrátám při proudění kapaliny; - rozptýlená (ztrátová) energie se spotřebovává k překonání hydraulických odporů v proudové trubici a dochází tak ke zmenšení celkové mechanické energie proudící kapaliny; - rozptýlená energie se mění na teplo (v tepelně izolované soustavě se veškerá tepelná energie přenáší na kapalinu); - způsoby vyjádření ztrátové energie : e R v pz g h Z LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: e R ztrátová energie vztažená na jednotku hmotnosti [J/kg] v p Z.. rychlost proudění kapaliny [m/s] tlaková ztráta v kapalině [Pa] g gravitační zrychlení 9,81 [m/s ] h Z.. ztrátová výška [m] ρ měrná hmotnost (hustota) [kg/m 3 ] ζ.. ztrátový součinitel určuje se experimentálně (závisí na druhu hydraulického odporu) [ - ] 16

17 BERNOULLIHO rovnice - pro skutečnou kapalinu PRAVIDLA POUŽITELNOSTI: Bernoulliho rovnice je tvořena součtem 3 energií (v každém daném průřezu potrubím): 1) V proudové trubici se zvolí dva průřezy (u jednoho jsou známy všechny veličiny p 1, v 1, h 1 ; u druhého průřezu může být jedna veličiny neznámá). ) Je nutné se rozhodnout, zda do rovnice dosazovat tlaky relativní či tlaky absolutní. 3) Zvolí se libovolná vodorovná rovina, která se bude považovat za ekvipotenciální plochu s nulovým potenciálem, od které se bude počítat polohová výška (zpravidla se volí tak, aby procházela jedním, ze zvolených průřezu, a to nejčastěji tím níže položeným průřezem). 4) Ztrátová měrná energie e R zahrnuje součet všech hydraulických ztrát na úseku mezi průřezy 1, pro něž se píše Bernoulliho rovnice, a přičte se na té straně rovnice, která platí pro průřez proudové trubice ve směru proudění vzdálenější. 17

18 BERNOULLIHO rovnice - pro rotující kanál FYZIKÁLNÍ VÝZNAM: - vyjadřuje zákon zachování energie při proudění dokonalé nebo skutečné kapaliny za působení gravitačního zrychlení (popř. i třecích sil u skutečné kapaliny) PODMÍNKY PLATNOSTI: - proudící kapalina je dokonalá (neviskozní, nestlačitelná) nebo skutečná (viskózní a nestlačitelná nebo stlačitelná); - proudění je ustálené (nemění se v čase); - rychlosti jsou v průřezu proudovou trubicí rozloženy rovnoměrně. MATEMATICKÝ TVAR: Pro dokonalou kapalinu: v1 p1 g h 1 u1 v p g h u konst Pro skutečnou kapalinu: v1 p1 g h 1 u1 v p g h u g h Z konst 18

19 19 BERNOULLIHO rovnice - pro rotující kanál POZNÁMKA k rovnicím: - tento člen vyjadřuje práci odstředivé síly mezi vstupním a výstupním průřezem (ŘEZ 1 a ŘEZ ) kanálu; - vyjadřuje zvýšení energie kapaliny o jednotkové hmotnosti vzhledem k rotujícímu souřadnému systému při odstředivém průtoku kanálem; - vír vzniklý nástupem rotace v kanálu vytváří podtlakovou zónu. konst u h g p v u h g p v h g p v u u h g p v

20 EULEROVA rovnice (hydrostatiky, hydrodynamiky, čerpadlová, turbínová) EULEROVA rovnice hydrostatiky: - vyjadřuje rovnováhu tlakových sil a hmotnostních sil působících na kapalinu v klidu; - má tvar: 1 a grad p 0 EULEROVA čerpadlová rovnice: - vyjadřuje rovnováhu tlakových sil (působících v kapalině) a hmotnostních sil (působících na kapalinu z vnějšku) a setrvačných sil (vlivem vlastního pohybu částic kapaliny) působících na kapalinu v pohybu; - má tvar: 1 v a grad p v grad v t EULEROVA čerpadlová rovnice: - vyjadřuje teoretickou měrnou energii čerpadla (tj. rozdíl energií na vstupu a výstupu z čerpadla) pomocí absolutní rychlosti proudění kapaliny c a jejích složek (tj. relativní rychlosti v a unášivé rychlosti u) energie je protékající kapalině dodávána ; - má tvar: Y tč u c u c u 1 u1 EULEROVA turbínová rovnice: - vyjadřuje teoretickou měrnou energii turbíny (tj. rozdíl energií na vstupu a výstupu z turbíny) pomocí absolutní rychlosti proudění kapaliny c a jejích složek (tj. relativní rychlosti v a unášivé rychlosti u) energie je protékající kapalině odebírána ; - má tvar: Ytč u1 cu 1 u cu 0

21 EULEROVA čerpadlová rovnice (princip funkce odstředivého čerpadla) VÝTLAK SÁNÍ 1

22 EULEROVA čerpadlová rovnice FYZIKÁLNÍ VÝZNAM: - vyjadřuje teoretickou měrnou energii čerpadla (tj. rozdíl energií na vstupu a výstupu z čerpadla) pomocí absolutní rychlosti proudění kapaliny c a jejích složek (tj. relativní rychlosti v a unášivé rychlosti u) energie je protékající kapalině dodávána ; - vzniká úpravou rovnice pro teoretickou měrnou energii čerpadla, která vznikla součtem Bernoulliho rovnic pro jednotlivé úseky vedení: PODMÍNKY PLATNOSTI: - proudící kapalina je dokonalá (neviskózní, nestlačitelná); - proudění je ustálené (nemění se v čase); MATEMATICKÝ TVAR: Pro dokonalou kapalinu: Y tč u c u c u 1 u1 LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: Y tč teoretická měrná energie čerpadla [J/kg] c 1, c.. absolutní rychlost [m/s] u 1, u.. unášivá rychlost [m/s] c u1, c u složka absolutní rychlosti do směru unášivé rychlosti [m/s] v 1, v.. relativní rychlost [m/s] r 1, r poloměr otáčení [m]

23 ČERPACÍ SOUSTAVA pro dopravu vody (schéma) Soustavu pro čerpání vody lze rozdělit na 4 části: 1) Sací nádrž a sací vedení; ) Čerpadlo - oběžné kolo odstředivého čerpadla; 3) Difuzor nebo spirála; 4) Výtlačné vedení a výtlačná nádrž. LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: p SN. tlak na hladině sací nádrže [Pa] p VN. tlak na hladině výtlačné nádrže [Pa] c 1, c, c 3 absolutní rychlosti ve vedení [m/s] h S. h V. h g. sací výška [m] výtlačná výška [m] rozdíl geodetických výšek hladin sací a výtlačné nádrže [m] ZTRÁTY VE VEDENÍ: h zs. ztrátová výška v sacím vedení (potrubí) [m] h zo. ztrátová výška v oběžném kole čerpadla [m] h zd. ztrátová výška v difuzoru [m] h zv. ztrátová výška ve výtlačném vedení [m] 3

24 ČERPACÍ SOUSTAVA pro dopravu vody (rovnice) Rovnice pro jednotlivé části čerpací soustavy: 1) Rovnice pro úsek 0-1 (sání): psn p1 c1 g h ) Rovnice pro úsek 1- (čerpadlo): p1 v1 1 u1 3) Rovnice pro úsek -3 (difuzor): p c p3 c3 S p v g g h u h ZD ZS g h ZO 4) Rovnice pro úsek 3-4 (výtlak): p3 c3 pvn g hv g h Teoretická měrná energie čerpadla: pvn psn Ytč g hs hv g hzs h h h Skutečná měrná energie čerpadla: p Y Y g h h g h h tč ZV VN SN g h h ZO ZD S V ZV p ZO ZD ZS ZV ZTRÁTY VE VEDENÍ: h zs. h zo. h zd. h zv. ztrátová výška v sacím vedení (potrubí) [m] ztrátová výška v oběžném kole čerpadla [m] ztrátová výška v difuzoru [m] ztrátová výška ve výtlačném vedení 4 [m]

25 ČERPACÍ SOUSTAVA pro dopravu vody (definice výšek) DOPRAVNÍ VÝŠKA (skutečná): - výška, do jaké je čerpadlo schopno dopravit dané množství vody; - vypočítá se z rovnice: Y H g GEODETICKÁ SACÍ VÝŠKA: - výškový rozdíl mezi středem vstupu prvního oběžného kola čerpadla a hladinou vody na straně sání při 1013 mbar (1 bar = Pa) a teplotě vody 4ºC - viz ČSN EN (bod 3..1) LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: H. dopravní výška [m] H m. Y. manometrická výška [m] skutečná měrná energie čerpadla [J/kg] g. gravitační zrychlení [m/s ] c V. c S. absolutní rychlost na výtlaku čerpadla [m/s] absolutní rychlost na sání čerpadla [m/s] 5

26 PRACOVNÍ ROVNICE odstředivého čerpadla (Eulerova čerpadlová rovnice) - vyjadřuje teoretickou měrnou energii čerpadla (tj. rozdíl energií na vstupu a výstupu z čerpadla) pomocí absolutní rychlosti proudění kapaliny c a jejích složek (tj. relativní rychlosti v a unášivé rychlosti u); - vychází z tvaru: Y tč Y tč g c - ve výsledku ji lze přepsat do podoby EULEROVY ČERPADLOVÉ ROVNICE : Y VN SN h h g h h h h tč S V u v u p c c p u1 1 v1 u ZS c u 1 u1 ZV ZO ZD LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: Y tč teoretická měrná energie čerpadla [J/kg] c 1, c.. absolutní rychlost [m/s] u 1, u.. unášivá rychlost [m/s] c u1, c u složka absolutní rychlosti do směru unášivé rychlosti [m/s] v 1, v.. relativní rychlost [m/s] p SN. tlak na hladině sací nádrže [Pa] p VN. tlak na hladině výtlačné nádrže [Pa] h S.. h V.. výtlačná výška [m] sací výška [m] g gravitační zrychlení [m/s ] h zs. h zo. h zd. h zv. ztrátová výška v sacím vedení (potrubí) [m] ztrátová výška v oběžném kole čerpadla [m] ztrátová výška v difuzoru [m] ztrátová výška ve výtlačném vedení [m] ρ hustota vody [kg/m 3 ] 6

27 VÝKON a PŘÍKON čerpadla Výkon: = energie kapaliny protékající čerpadlem za jednotku času; - vypočítá se z rovnice: P h Y Q m g H Q V Příkon: = výkon, který předává čerpadlu na jeho hřídel hnací stroj; - vypočítá se z rovnice: LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: P h výkon čerpadla [W] P p příkon čerpadla [W] Y. skutečná měrná energie čerpadla [J/kg] P p M k Q m hmotnostní průtok [kg/s] Q V objemový průtok [m 3 /s] ρ. hustota vody [kg/m 3 ] g. gravitační zrychlení [m/s ] H. skutečná dopravní výška čerpadla [m/s ] M k kroutící moment na hřídeli čerpadla [Nm] ω. úhlová rychlost [1/s] 7

28 ÚČINNOST čerpadla Účinnost: = poměr výkonu a příkonu čerpadla; - rozdělení: 1) Hydraulická (vyjadřuje hydraulické ztráty, které zahrnují ztráty třením, změnou průřezu, vířením kapaliny v oběžném kole, atd.) je dána podílem skutečné a teoretické měrné energie čerpadla: Y h Y ) Objemová (vyjadřuje ztráty únikem kapaliny mimo oběžné kolo netěsnostmi na sací i výtlačné straně oběžného kola) je dána podílem skutečného a teoretického průtoku čerpadlem: Q o Q 3) Mechanická (vyjadřuje ztráty třením hřídele v ucpávkách a ložiskách, třením vnějších ploch oběžného kola v tělese čerpadla) bývá zjišťována experimentálně: m t s t ) Celková (vyjadřuje celkovou účinnost čerpadla, která je dána součinem dílčích účinností) č h o m 8

29 Základní PARAMETRY čerpadel Základní parametry čerpadel: 1) PRŮTOK (objemový) Q V [m 3 /s] = objem vody protékající čerpadlem za jednotku času; ) OTÁČKY (oběžného kola) n [1/s] = počet otáček čerpadlového kola za jednotku času; 3) MĚRNÁ ENERGIE (skutečná) Y [J/kg] = rozdíl energií na vstupu a výstupu z čerpadla; 4) DOPRAVNÍ VÝŠKA (skutečná) H [m] = výška, do jaké je čerpadlo schopno dopravit dané množství vody; 5) VÝKON P h [W] = energie kapaliny protékající čerpadlem za jednotku času; 6) PŘÍKON P p [W] = výkon, který předává čerpadlu na jeho hřídel hnací stroj; 7) ÚČINNOST (celková účinnost čerpadla) η [1] = poměr výkonu a příkonu čerpadla; 8) KAVITAČNÍ VLASTNOSTI. 9

30 CHARAKTERISTIKA čerpadla CHARAKTERISTIKA ČERPADLA = závislost různých charakteristik čerpadla na objemovém průtoku; - možnosti funkčních závislostí: a) skutečná měrná energie průtok (Y - Q); b) skutečná dopravní výška průtok (H - Q); c) výkon průtok (P h - Q); d) účinnost průtok (η c - Q); CHARAKTERISTIKA POTRUBÍ = závislost měrné energie pro potrubí na objemovém průtoku potrubím (Y p - Q); Pracovní bod čerpadla = bodem průniku charakteristiky čerpadla a charakteristiky potrubí (bod, ve kterém čerpadlo za daných podmínek pracuje nejekonomičtěji a přitom nejefektivněji). 30

31 KRITÉRIA PODOBNOSTI - hydrodynamické - vyjadřují podmínky podobnosti hydrodynamických jevů mezi předlohou a modelem v příslušných bodech prostoru a čase; - zahrnuje 3 složky: a) GEOMETRICKOU podobnost (lineární transformace délek včetně drsnosti povrchů); b) KINEMATICKOU podobnost (podobnost vektorového pole rychlostí kapaliny); c) DYNAMICKOU podobnost (podobnost vektorového pole sil působících na předlohu a model); - každá z po sobě následujících složek předpokládá splnění té předcházející složky podobnosti Eulerovo kritérium = měřítko podobnosti tlakových sil; - vyjadřuje poměr tlakových a setrvačných sil při proudění tekutiny; Strouhalovo kritérium = měřítko podobnosti sil působících při neustáleném pohybu. 31

32 RYCHLOBĚŽNOST čerpadla RYCHLOBĚŽNOST = je to souhrnný součinitel přibližné hydrodynamické podobnosti hydraulických strojů; - lze využít jako parametr pro výběr vhodného čerpadla pro daný účel; - lze spočítat za pomocí kritérií hydrodynamické podobnosti: n b 1 Sh Eu 0,75 n b Q n Y 0,5 nebo, 0,75 LEGENDA POUŽITÝCH SYMBOLŮ: n b. n S. n q. n... Q... Y c Δp. rychloběžnost (měrné otáčky) [1/min] VÝKONOVÉ měrné otáčky [1/min] OBJĚMOVÉ měrné otáčky [1/min] otáčky stroje [1/min] objemový průtok [m 3 /s] měrná energie čerpadla [J/kg] absolutní rychlost [m/s] rozdíl tlaků na vstupu a výstupu z čerpadla [Pa] ρ hustota vody [kg/m 3 ] D... specifický rozměr [m] kde Eulerovo kritérium a Strouhalovo kritérium lze spočíst jako: 5 p Y Eu c c a c c Q Sh n D n c - pokud se do vztahu pro rychloběžnost dosadí: n b Q n Y 0,5 0,75 1 n 1 0,5 0,75, získá se hodnota - v tomto případě se místo pojmu rychloběžnost používá pojem měrné (specifické) otáčky hydraulického stroje. 0, n b n 3

33 RYCHLOBĚŽNOST čerpadla - pro jednotkový výkon P 1 kw a spád H 1 m jsou zavedeny tzv. VÝKONOVÉ měrné otáčky hydraulického stroje : n S Q 3,65 n H 0,5 0,75 Q 114 n Y 0,5 0,75 - pro jednotkový výkon a spád jsou zavedeny tzv. OBJEMOVÉ měrné otáčky hydraulického stroje : Q 1 m 3 s 1 H 1 m n q Q n H 0,5 0,75 Q 33,5 n Y 0,5 0,75 - převodní vztah mezi oběma veličinami je definován jako: n S 114 n 3, 65 n b q - podle hodnoty měrných otáček n S lze vybrat adekvátní čerpadlo: n S n S n S min min min 33

34 REGULACE PRŮTOKU čerpadel REGULACE množství dodávané kapaliny (objemový průtok) je možná 4 způsoby: 1) změnou otáček čerpadla: - vyžaduje čerpadlo poháněné motorem, kde je snadná regulace otáček; ) škrcením: - škrcení vodního průtoku se provádí ventilem nebo šoupátkem ve výtlačném potrubí; - dochází k velkým ztrátám energie kapaliny; - část energie se škrcením mění na teplo; 3) změnou polohy lopatek (natáčením lopatek oběžného kola čerpadla): - je možná u axiálních čerpadel; - lopatky lze natáčet pomocí mechanizmu zabudovaného v náboji oběžného kola čerpadla (finančně nákladné řešení); - jedná se o velmi ekonomickou regulaci (je vždy možno pracovat s maximální dosažitelnou účinností); 4) obtokem: - část čerpané kapaliny se z výtlačného potrubí přepouští zpět do sací nádrže (nebo sacího potrubí); - je to méně používaný způsob regulace (využívá se především u nízkotlakých vrtulových čerpadel). 34

35 SPOLUPRÁCE čerpadel Spolupráce čerpadel je možná primárně způsoby: A) SÉRIOVÉ ŘAZENÍ čerpadel B) PARALELNÍ ŘAZENÍ čerpadel A) SÉRIOVÉ ŘAZENÍ čerpadel (zapojení za sebou): - objemový průtok zůstává stejný, ale měrná energie kapaliny se zvyšuje (sčítají se měrné energie, resp. dopravní výšky obou čerpadel); - používá se při dálkové dopravě vody nebo při nutnosti překonat velký výškový rozdíl); - možnosti umístění čerpadel: 1) blízko za sebou (hydraulické odpory lze zanedbat); ) daleko za sebou (je nutno započítat hydraulické odpory P, tj. i ztráty ve spojovacím vedení); 35

36 SPOLUPRÁCE čerpadel B) PARALELNÍ ŘAZENÍ čerpadel (zapojení vedle sebe): - měrná energie kapaliny zůstává stejná, ale objemový průtok se zvyšuje (sčítají se objemové průtoky obou čerpadel); - používá se v průmyslu,, vodárny, kanalizace, atd.; - možnosti délky spojovacího potrubí do společného uzlu od obou čerpadel: 1) krátké spojovací potrubí (hydraulické odpory lze zanedbat); ) dlouhé spojovací potrubí (hydraulické odpory v jedné nebo obou větvích vedení musí být započítány); 36

37 KAVITACE Náhled do HISTORIE výzkumu kavitace: Leonhard Euler naznačuje kavitační jev ve své teorii vodních turbín; Kundt a Lehmann provedli při experimentu první nahodilé vyvolání kavitačního jevu zvukovými vlnami; zkoušky anglického torpédoborce Daring s lodními šrouby; posléze další zkoušky s torpédoborcem Turbinia (problémy s lodním šroubem v důsledku kavitačního jevu, který se projevil při vyšších otáčkách lodního šroubu); S.W. Barnaby poprvé popsal kavitační jev v literatuře (později byla kavitace intenzivně zkoumána především v oblasti vodních turbín). KDE se lze setkat s KAVITACÍ? trysky; lodní šrouby; torpéda; čerpadla (oběžná kola, popř. i difuzor); vodní turbíny; obtékání různých těles tekutinou. 37

38 KAVITACE základní pojmy KAVITACE (definice): = složitý jev vzniku a zániku dutin v proudící kapalině; - účinky na materiál se nazývají kavitačním napadením nebo rozrušením ; Kavitační oblast: = oblast s výskytem kavitačních bublin, které vyplňují část proudu kapaliny; Tlak nasycených par: = tlak v kapalině, při němž kapalina ztrácí v uzavřené nádobě stejné množství molekul, jaké zpět přijímá (systém je v rovnováze); - závisí na teplotě kapaliny; - pokud se tlak nasycených par dorovná tlaku okolního prostředí (vzduchu), dochází k varu kapaliny, tj. k intenzivnímu odpařování kapaliny z celého jejího objemu (nikoliv pouze z hladiny). 38

39 KAVITACE fyzikální podstata FYZIKÁLNÍ PODSTATA kavitace: při snížení tlaku v kapalině až na tzv. tlak nasycených par (odpovídající dané teplotě kapaliny) dochází k odpařování kapaliny za vzniku malých bublinek vyplněných vodní parou; při vstupu bublinek do oblasti vyššího tlaku dochází ke kondenzaci vodní páry a k následnému vzniku dutin tzv. kavitačních dutin (vyplněných vzduchem nebo obecně plynem); do dutiny pak vniká okolní kapalina velkou rychlostí a po zaplnění dutiny dochází k velkému rázu; pokud k tomuto rázu dojde na povrchu pevného materiálu nebo v jeho bezprostřední blízkosti, dochází při dlouhodobém působení k mechanickému rozrušení tohoto materiálu; Počáteční KAVITACE: = počáteční fáze kavitačního jevu vznikající při malém snížení tlaku v kapalině pod hranici tlaku nasycených par (kavitační oblast je prostorově neustálená - projevují se v ní menší pulsace tlaku); - při dalším snížení tlaku se kavitační oblast zvětší a ustálí; 39

40 KAVITACE na lodních šroubech 40

41 Vznik KAVITACE fyzikální principy Vliv FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ KAPALINY na vznik kavitace: - mezi molekulárními vrstvami kapaliny působí značné síly, k jejichž překonání je potřeba dosáhnout určitého napětí (tzn. kapalina vykazuje určitou pevnost v tahu ); - tahová pevnost VODY je závislá na teplotě a dosahuje svého maxima přibližně při 10 ºC; - v ideální kapalině (tj. zcela homogenní kapalině bez přítomnosti pevných částic nebo nerozpuštěných plynů) by kavitace nikdy nemohla vzniknout, protože takováto kapalina by byla schopna přenést tahová napětí při podtlaku vyšším, než odpovídá tlaku nasycených par; - skutečná kapalina je nehomogenní a obsahuje větší či menší množství pevných částic a nerozpuštěných plynů; - na vznik kavitace mají největší vliv nerozpuštěné plyny a pevné částice, které se s danou kapalinou špatně smáčejí; - nestejnorodá místa v kapalině narušují tahovou pevnost kapaliny a tvoří zárodky budoucí kavitace neboli tzv. KAVITAČNÍ JÁDRA. 41

42 Vznik KAVITACE fyzikální principy KAVITAČNÍ JÁDRA a dynamika KAVITAČNÍCH BUBLIN: - tahová pevnost kapaliny se může zvýšit v důsledku jejího tlakování (tlakování kapaliny má vliv na počet kavitačních jader); - vznik a průběh kavitace může být ovlivněn též přítomností chemických látek; - tahová pevnost kapaliny se snižuje s rostoucí velikostí bublin; - kavitační bubliny se mohou zvětšovat nebo zmenšovat (což závisí na tlaku vnějšího okolí); - při podtlaku probíhá difúze okolních plynů směrem do bubliny bublina se zvětšuje; - při přetlaku se bublina zmenšuje; - vazkost kapaliny zpomaluje růst kavitačních bublin (a rovněž se znatelně projevuje při zániku kavitační dutiny, kdy omezuje rychlost vnikání kapaliny do dutiny); - kavitační jev lze vybudit nebo ovlivnit rovněž ultrazvukovým vlněním (s rostoucí frekvencí ultrazvukového vlnění se zvyšuje tahová pevnost kapaliny); - tlak počátku kavitace se zmenšuje s klesajícím obsahem vzduchu (udává se v literatuře, že teprve 5% obsah vzduchu v kapalině má vliv na počátek a vývin kavitace); - délka kavitační oblasti se zmenšuje při rostoucím obsahu vzduchu; - v mořské vodě se vlivem většího obsahu oxidu uhličitého rozpouští vzduch hůře než ve sladké vodě (pozn.: v mořské vodě v kontrastu se sladkou vodou nezávisí počátek kavitace na teplotě vody). 4

43 Druhy KAVITACE Dělení KAVITAČNÍCH OBLASTÍ: A) podle tvaru: 1. kapsovitá kavitace;. vláknová kavitace (spárová); B) podle místa výskytu: 1. uvnitř proudu kapaliny;. v blízkosti obtékané plochy; 3. na povrchu obtékané plochy (někdy se nazývá také plošná kavitace ); C) podle stability: 1. v prostoru;. v čase: - kavitace stálá (prostorová i časová pravidelnost); - kavitace nestálá (prostorová i časová nepravidelnost). Pozn.: Kavitace může vzniknout též v důsledku odtržení proudu kapaliny od obtékaného povrchu. 43

44 KAVITACE v odstředivých čerpadlech Důsledky KAVITACE: mechanické rozrušení oběžného kola, difuzoru, ; snížení dopravní výšky; snížení průtoku; snížení celkové účinnosti; zvyšování hluku; zvyšování vibrací; STUPNĚ KAVITACE v čerpadlech: 1. stupeň ( Počáteční kavitační režim ): - odpovídá přibližně počátku kavitace v čerpadle; - na charakteristice čerpadla se to projeví malým poklesem dopravní výšky;. stupeň ( Kritický režim ): - na charakteristice čerpadla se to projeví silným poklesem dopravní výšky (tzv. stržením charakteristiky čerpadla). Pozn.: Kavitace mezi 1. a. stupněm se nazývá skrytou, protože se nijak výrazně neprojevuje ve změně charakteristiky čerpadla. 44

45 KAVITACE v odstředivých čerpadlech SACÍ SCHOPNOST ČERPADEL závisí na: konstrukci čerpadla; uspořádání sacího potrubí; hydraulických ztrátách v sacím potrubí; teplotě čerpané kapaliny; KAVITAČNÍ VÝŠKA (definice): = představuje geodetickou sací výšku, při níž je za daných fyzikálních a provozních podmínek dosaženo v sacím vedení podtlaku, který zapříčiňuje vznik kavitace v čerpadle; - minimální hodnota kavitační výšky = maximální hodnota sací výšky čerpadla (v bez-kavitačním režimu) - lze ji určit experimentálně nebo výpočtem; Vliv TEPLOTY čerpané kapaliny na SACÍ SCHOPNOST ČERPADLA: - s rostoucí teplotou kapaliny roste tlak nasycených par; - s rostoucím tlakem nasycených par klesá sací schopnost čerpadla (sací výška) pouze u sladké vody (u mořské vody tato závislost na teplotě kapaliny neplatí); - v mezním případě, kdy se nasává kapalina při teplotě varu, je sací výška záporná (čerpadlo musí být umístěny pod úrovní sací nádrže, tzn. čerpadlo má nátokovou výšku). 45

46 OCHRANA PROTI KAVITACI (v odstředivých čerpadlech) OCHRANA PROTI KAVITACI (a souběžné zlepšení sací schopnosti odstředivých čerpadel): dodržení dovolené geodetické sací výšky v závislosti na: - atmosférickém tlaku (funkce nadmořské výšky, ); - teplotě čerpané kapaliny; - tlaku nasycených par; - měrné hmotnosti (hustotě) čerpané kapaliny; Čím menší je tlak nasycených par a hustota kapaliny, tím větší je sací výška! utváření sacího vedení tak, aby bylo co možná nejkratší a mělo co nejmenší ztráty ve vedení; Konečné ztráty v sacím vedení zmenšují geodetickou sací výšku! dodržení doporučených průtoků a otáček čerpadlem. 46

47 FUNKČNÍ ZKOUŠKY čerpadel ČSN EN 108- (389310) Požární čerpadla - Požární odstředivá čerpadla se zařízením pro zavodnění - Část : Ověřování všeobecných a bezpečnostních požadavků měření tlaku (na sání a výtlaku čerpadla) příloha B; měření průtoku příloha C; zkouška sání na sucho příloha D; zkouška výkonu příloha E; provozní zkouška (doba trvání je 6 hodin) příloha F; tlaková zkouška (statickým i dynamickým tlakem) příloha G; zkouška účinnosti příloha H; zkouška zařízení pro zavodnění příloha I; zkouška za nízkých teplot příloha J; ČSN EN (389315) Požární čerpadla - Požární odstředivá čerpadla bez zařízení pro zavodnění - Část : Ověřování všeobecných a bezpečnostních požadavků měření tlaku (na sání a výtlaku čerpadla) příloha B; měření průtoku příloha C; zkouška výkonu příloha D; zkouška trvalého chodu (doba trvání je 6 hodin) příloha E; tlaková zkouška (statickým i dynamickým tlakem) příloha F; zkouška účinnosti příloha G. 47

48 Literatura: [1] Noskievič, J.: Kavitace. 1. vyd., Academia, Praha, 1969, 80 s. [] Noskievič, J.: Mechanika tekutin. 1. vyd., STNL, Praha, 1987, 356 s. [3] Bojko, M., Kozubková, M., Rautová, J.: Základy hydromechaniky a zásobování hasivy (učební text). 1. vyd., SPBI, Ostrava, 007, 181 s., ISBN

49 Děkuji za pozornost! Ing. Ondřej Zavila, Ph.D. VŠB-TU Ostrava Fakulta bezpečnostního inženýrství (FBI) Katedra požární ochrany (030) Lumírova 13, Ostrava, Česká republika Tel.: