KALOVÁ ČERPADLA PRO ČERPÁNÍ SUSPENZÍ

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní KALOVÁ ČERPADLA PRO ČERPÁNÍ SUSPENZÍ Studijní oora Prof.Ing. Jaroslav Janalík, CSc Ostrava 011 Tyto studijní materiály vznikly za finanční odory Evroského sociálního fondu (ESF) a rozočtu České reubliky v rámci řešení rojektu OP VK CZ.1.07/.3.00/ Vzdělávání lidských zdrojů ro rozvoj týmů ve vývoji a výzkumu.

2 1. Úvod Název: Kalová čeradla ro čerání susenzí Autor: Prof.Ing. Jaroslav Janalík, CSc Vydání: rvní, 011 Počet stran: 100 Náklad: 5

3 1. Úvod 3 Studijní materiály ro studijní obor Hydraulické a neumatické stroje a zařízení Fakulty strojní. Jazyková korektura: nebyla rovedena. Tyto studijní materiály vznikly za finanční odory Evroského sociálního fondu a rozočtu České reubliky v rámci řešení rojektu Oeračního rogramu Vzdělávání ro konkurenceschonost. Název: Vzdělávání lidských zdrojů ro rozvoj týmů ve vývoji a výzkumu Číslo: CZ.1.07/.3.00/ Realizace: Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Prof.Ing. Jaroslav Janalík,CSc Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava ISBN <(bude zajištěno hromadně)>

4 1. Úvod 4 POKYNY KE STUDIU Kalová čeradla ro čerání susenzí Pro ředměty z oboru Hydraulické a neumatické stroje a zařízení jste obdrželi studijní balík obsahující: řístu do e-learningového ortálu obsahujícího studijní ooru a dolňkové animace vybraných částí kaitol, CD-ROM s dolňkovými animacemi vybraných částí kaitol. Prerekvizity Pro studium této oory se ředokládá znalost na úrovni absolventa ředmětu Mechanika tekutin či Hydrodynamika a hydrodynamické stoje. Cílem učební oory Cílem je seznámení studenta s čeradly objemovými a hydrodynamickými (odstředivými) ro čerání susenzí, které jsou tvořeny nejrozmanitějšími materiály zrnitosti 0,01 až 00 mm. Po rostudování modulu by měl student být schoen navrhnout čerací systém s kalovými čeradly, definovat celkovou účinnost systému, vyočítat říkon čeradla a z rozsáhlého výrobního sortimentu čeradel vybrat ro danou úlohu otimální kalové čeradlo s řihlédnutím k minimální sotřebě energie i investic. Pro koho je ředmět určen Modul je zařazen do bakalářského a magisterského studia oboru Hydraulické a neumatické stroje a zařízení, studijního rogramu B341 Strojírenství a N301 Strojní inženýrství, Pneumatická a hydraulická dorava /01, Čerací technika /01, Hydrodynamika a hydrodynamické stroje, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, okud slňuje ožadované rerekvizity. Skritum se dělí na části, kaitoly, které odovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předokládaná doba ke studiu kaitoly se může výrazně lišit, roto jsou velké kaitoly děleny dále na číslované odkaitoly a těm odovídá níže osaná struktura

5 1. Úvod 5 Při studiu kaţdé kaitoly dooručujeme následující ostu: Čas ke studiu:xx hodin Na úvod kaitoly je uveden čas otřebný k rostudování látky. Čas je orientační a může vám sloužit jako hrubé vodítko ro rozvržení studia celého ředmětu či kaitoly. Někomu se čas může zdát říliš dlouhý, někomu naoak. Cíl:Po rostudování tohoto odstavce budete umět Posat Definovat Vyřešit Ihned otom jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout o rostudování této kaitoly konkrétní dovednosti, znalosti. Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových ojmů, jejich vysvětlení, vše dorovázeno obrázky, tabulkami, řešenými říklady, odkazy na animace. Shrnutí ojmů Na závěr kaitoly jsou zoakovány hlavní ojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou. Otázky Pro ověření, že jste dobře a úlně látku kaitoly zvládli, máte k disozici několik teoretických otázek. Úlohy k řešení Protože většina teoretických ojmů tohoto ředmětu má bezrostřední význam a využití v raxi, jsou Vám nakonec ředkládány i raktické úlohy k řešení. V nich je hlavním významem ředmětu schonost alikovat čerstvě nabyté znalosti ro řešení reálných situací. Klíč k řešení Výsledky zadaných říkladů i teoretických otázek jsou uvedeny v závěru učebnice v Klíči k řešení. Používejte je až o vlastním vyřešení úloh, jen tak si samokontrolou ověříte, že jste obsah kaitoly skutečně úlně zvládli. Úsěšné a říjemné studium s tímto učebním textem Vám řeje autor Prof.Ing. Jaroslav Janalík,CSc

6 1. Úvod 6 OBSAH 1. ÚVOD HYDROSTATICKÁ OBJEMOVÁ KALOVÁ ČERPADLA KALOVÁ ČERPADLA ODSTŘEDIVÁ - HYDRODYNAMICKÁ Pracovní rovnice čeradla Eulerova rovnice... 4 Účinnost a říkon čeradla - U odstředivých čeradel ři řeměně kinetické energie na tlakovou vznikají ztráty: Charakteristika čeradla ři čerání vody Charakteristika kalového čeradla ři konstantním říkonu ohonu POPIS A CHARAKTERISTIKA KALOVÝCH ČERPADEL Regulace růtoku u kalových čeradel Sací schonost a kavitace v čeradle PROVOZ KALOVÝCH ČERPADEL Čerací stanice Zkoušení čeradel Alikace kalových čeradel LITERATURA POUŢITÁ OZNAČENÍ DALŠÍ ZDROJE..15 KLÍČ K ŘEŠENÍ

7 1. Úvod 7 1. ÚVOD 1.1 Rozdělení kalových čeradel Čas ke studiu: 0,5 hodin Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat rozdělení kalových čeradel Posat schéma čeracího systém Výklad Pro otřebu hydraulické doravy se v současné době vyrábějí čeradla odstředivá, objemová i roudová. Nejouţívanější jsou odstředivá kalová - bagrovací čeradla, hlavně ro svoji jednoduchost, ístová čeradla se ouţívají v těch říadech, kdy je zaotřebí vysoký tlak a naoak ejektory se ulatňují ouze v říadech vyţadujících nízký tlak. Obr. 1.1 Schéma čeracího zařízení základní ojmy Čeradlo je stroj, který dodává kaalině energii ( obvykle tlakovou), toto je vyuţíváno v technické raxi nejčastěji k následujícím účelům: - zvedání kaaliny ( zvyšování olohové energie), - zvyšování tlakové energie ( hydrostatické mechanismy ), - zvyšování kinetické energie ( hasící zařízení), - dorava kaaliny v otrubí z jednoho místa na druhé. Čeradla odle zůsobu jakým se vyvozuje čerací účinek se rozdělují na tři skuiny :

8 1. Úvod 8 - čeradla objemová hydrostatická, s římou řeměnou mechanické energie v energii tlakovou, vyuţívá se Pascalův zákon, - čeradla hydrodynamická s neřímou řeměnou mechanické energie v energii tlakovou, - čeradla seciální nař. roudová, k čerání je vyuţito kinetické energie roudící tekutiny. Klasický říklad zaojení čeradla do otrubního systému uvádí obr Čeradlo Č je sacím otrubím naojeno na sací nádrţ. Na výtlaku je čeradlo výtlačným otrubím VP roojeno s výtlačnou nádrţí. Tlak v sací a výtlačné nádrţi můţe být rozdílný, jsou však také říady, kdy v obou nádrţích je tlak stejný, nař. atmosférický. Výtlačná nádrţ se vzhledem k nádrţi sací můţe nacházet výše nebo i níţe, ale můţe být i na stejné úrovni. Výtlačná nádrţ můţe současně lnit úlohu různého technologického zařízení. Sací a výtlačné otrubí tvoří zátěţ ro čeradlo. 1. Hydraulický sytém Čas ke studiu: 0,5 hodin Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat hydraulický systém s čeradlem Definovat základní ojmy z čerací techniky Výklad K vedení kaaliny slouţí hydraulický systém obr. 1., trasa hydraulického systému obvykle sojuje otrubím nádrţ s různou otenciální energií - g. H. Do systému je obvykle vřazeno čeradlo, které mění energii kaaliny. Trasa hydraulického systému je čeradlem rozdělena na dvě části a to nízkotlakou část SP (sací otrubí) se sací nádrţí, kde je tlak 1 na hladině 1 s sací výškou H gs a vysokotlakou část (výtlačné otrubí - výtlačný řad) VP s tlakem a výtlačnou výškou H gv na hladině. Geodetická výška H g je svislá vzdálenost mezi nádrţemi, y je svislá vzdálenost mezi manometry, tyto jsou řiojeny na sacím a výtlačném hrdle čeradla [1]. Legenda k obrázku: VP - výtlačné otrubí výtlačný řad VS - sací otrubí sací řad S - sací hrdlo říruba V - výtlačné hrdlo říruba mv - manometrický tlak na výtlaku čeradla ms - manometrický tlak na sání čeradla 1 - tlak v sací nádrţi - tlak ve výtlačné nádrţi - tlak na sání řed vstuem do čeradla s

9 1. Úvod 9 v - tlak na výtlaku na výstuu z čeradla H gs - geodetická výška sací H gv - geodetická výška výtlačná H g - geodetická výška y - rozdíl výšek mezi manometry na sání a výtlaku - y s vzdálenost mezi osou čeradla a manometrem na sání y v - vzdálenost mezi osou čeradla a manometrem na výtlaku Obr. 1. Schéma hydraulického systému s čeradlem 1.3 Měrná energie čeradla a celého hydraulického systému Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat měrnou energii hydraulického systému Definovat charakteristiku hydraulického systému Definovat čáru tlaku u hydraulického systému

10 1. Úvod 10 Výklad a) statická energie - Y ST - ro Q = Y ST Y Y g, H 1 g g. H g. (1.1) b) Q 0 - kaalina roudí. V tomto říadě se musí do energetické bilance zavést hydraulické ztráty, zahrnuté do měrné ztrátové energie Y z Y Y ST Y z v s c g. y v c s v cv s cs g. y. (1.) Tato rovnice je ředesána nař. ři garančních zkouškách čeradel. rovnic Naměřené manometrické tlaky jsou řetlaky a souvisí s absolutním tlakem odle s v b b ms mv. Rychlosti c v a c s se vyočítají z doravovaného růtoku a růměru výtlačného a sacího otrubí. Pro energii celého hydraulického systému latí rovnice kde 1 Y g. H g Yz 1 g. H H Y Y gs gv zs zv, (1.3) Y Y zs zv s v s Ls c s D v Lv c v D s s c v c v. V rovnicích je L - délka otrubí D - růměr otrubí - ztrátový součinitel třením - součinitel místní ztráty indexy. s sání, v výtlak Tato rovnice je odvozena v ka. 3. Statická charakteristika celého hydraulického systému je ři turbulentním roudění závislost, kde exonent u Q je Y Y Y Y f ( Q ). (1.4) ST z ST

11 1. Úvod 11 Tato rovnice v grafickém vyjádření ředstavuje v souřadném systému Y Q arabolu obr Jestliţe hydraulický systém má L = konst. a D = konst., otom změna charakteristiky hydraulického systému můţe být vyvolána následujícími změnami: a) změna tlaku ve výtlačné nebo sací nádrţi b) kolísání hladiny v sací nádrţi H gs nebo výtlačné nádrţi H gv d) změna součinitele místní ztráty v nebo s. Tato změna se v technické raxi často ulatňuje ři regulaci růtoku Q, tzv. škrcením. Obr. 1.3 Charakteristika hydraulického systému (otrubí) ro čistou kaalinu A - Y 0 ; B - Y 0 ; C - Y 0 ST Pro hydraulický systém je důleţité, aby v celém výtlačném otrubí byl řetlak, coţ je slněno tehdy, kdyţ čára tlaku leţí nad osou otrubí obr Protoţe rychlostní výška u čeracích systémů je malá, lze ji zanedbat, otom čára tlaku a čára energie jsou totoţné obr. 1.4 B. Pokud by v otrubí nastal odtlak a dosáhl tlaku nasycených ar, otom by vznikla kavitace s moţností řerušení slouce v tomto místě. Provozní stav systému by byl zatíţen ulsacemi růtoku jeţ vyvolají ulsace tlaku. Vzniklá dutina vylněná arami a vzduchem ři následném stounutí tlaku zaniká, její objem se rudce zalňuje kaalinou, coţ vede k nebezečnému rázu, který je vyšší, neţ je totální hydrodynamický ráz. Takový rovozní stav hydraulického systému je neţádoucí. V obecně zvoleném bodě otrubí A má tlak velikost A = ρ.g.h, coţ názorně ukazuje obr. 1.4 B. ST ST

12 1. Úvod 1 Obr. 1.4 Průběh tlaku odél trasy otrubí A čára tlaku a energie, B čára tlaku o zjednodušení Shrnutí ojmů 1.1. Kalová čeradla dělíme na na dvě kategorie a to kalová čeradla objemová a odstředivá. Při čerání susenzí stejně jako u čistých kaalin je důležité definovat měrnou energii čeradla a celého systému. Pro srávnou funkci hydraulického systému je velmi důležité, aby čára tlaku ležela nad osou otrubí. Otázky Naište rovnici ro měrnou energii hydraulického systému. Jak je definována čára tlaku u hydraulického systému s čeradlem

13 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 13. HYDROSTATICKÁ OBJEMOVÁ KALOVÁ ČERPADLA.1 Základní arametry hydrostatických kalových čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Princi činnosti, rozdělení a oužití objemových kalových čeradel Definovat solurácí čeradla a otrubí ři roudění vody i susenzí Definovat ztráty, účinnost a sací výšku u kalových objemových čeradel Výklad U hydrostatických čeradel dochází k římé řeměně mechanické energie na energii hydraulickou římo na racovním rvku stroje, nař. ístu, mechanická ráce se v tlakovou energii kaaliny vzájemně řeměňuje římo. Tlak kaaliny je funkčně nezávislý na kinematických veličinách roudového ole kaaliny (jako nař. na rychlostech nebo oloze). Příznivé vlastnosti římé řeměny energie jsou neatrně znevýhodněny eriodičností racovního rocesu hydrostatických čeradel, coţ vylývá ze samotné odstaty jejich činnosti. Obr..1 Schéma činnosti ístového čeradla

14 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 14 Na obr..1 je zjednodušené schéma ístového čeradla. Ve válci se ohybuje íst nař. rostřednictvím klikového mechanismu, ve válci jsou dva ventily a sice ventil sací S v a výtlačný V v. Předokládejme, ţe se íst ohybuje ve válci dorava (tzv. sací zdvih), Jakmile tento ohyb začne, tak se otevře sací ventil S v, do válce se nasává čeraná kaalina. Kdyţ íst dojde do krajní úvratě (tento stav je uveden v obr..1), sací ventil se uzavře, válec je zcela zalněn kaalinou. Nyní íst změní směr ohybu a začne se ohybovat oačným směrem, o uzavření sacího ventilu - S v se okamţitě otevře ventil výtlačný V v a sací tlak ve válci o velikosti 1 se změní na tlak výtlačný o velikosti. Čeraná kaalina je z válce ístem vytlačována do výtlačného (doravního) otrubí aţ do okamţiku, kdy íst dosáhl druhé úvratě. Nyní se íst začne ohybovat zět, uzavře se výtlačný ventil a otevře se sací ventil, tlak skokem klesne na tlak 1. Do válce se začne nasávat kaalina a celý cyklus se oakuje. Ve sodní části obr..1 je tzv. teoretický indikátorový diagram, ři sacím zdvihu je ve válci tlak 1 a ři výtlačném zdvihu je ve válci tlak. Teoretický indikátorový diagram tvoří obdélník, jeho locha je úměrná ráci, kterou íst vykoná za jeden zdvih. Přírůstek tlakové energie čerané kaaliny mezi sacím a výtlačným hrdlem čeradla je tzv. doravní tlak, ro který latí rovnice v v /. g y d mv ms v s, (.1), kde mv - manometrický tlak na výtlaku čeradla - tlak měřený na výtlačné řírubě ms v v v s y - manometrický tlak na sání čeradla tlak měřený na sací řírubě - rychlost ve výtlačném otrubí - rychlost v sacím otrubí - svislá vzdálenost mezi manometrem na výtlaku a na sání Ve většině raktických alikací je rychlost ve výtlačném a sací otrubí stejná - v v = v s a y = 0 (nebo je malé), otom ro doravní tlak čeradla latí d mv ms. Za ředokladu čerání nestlačitelné a nevazké kaaliny tvoří čelo ístu čeradla obr..1, a čelo válce tzv. činný rostor čeradla, tento je tvořen škodlivým rostorem Š a zdvihovým objemem (geometrickým objemem) V g, který je určen vztahem 3 V g d. s d. (.) 4 Síla F na ístu u čeradla ředává kaalině mechanickou energii E m, za jeden výtlačný zdvih má tato energie (ráce) velikost E m L F. s E V.. g. H V.. h g g Podle této rovnice je ráce za jeden zdvih úměrná loše obrazce (obdélníku) racovního stroje v souřadnicích V - obr..1, obrys obrazce je tvořen čarou sání, stlačení, výtlaku a uvolnění kaaliny. Přechod z jedné čáry na druhou je umoţněn dvěma ventily nebo jiným vhodným rozvodem (šouátkem aod.) Tento vztah vyjadřuje lochu indikátorového diagramu hydrostatického čeradla obr..1.

15 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 15 Pro výkon latí P F. c. Měrná energie kaaliny o hustotě ρ na výstuu čeradla (kinetická energie c / je zanedbána) je Y. (.3) Při otáčkách n je výkon hydrostatického stroje čeradla a kroutící moment na hřídeli stroje 3 P M. L. n Vg.. n d.. n M P Vg.. n Vg. 3 d., (.4).. n. z rovnice je vidět, ţe moment nezávisí na otáčkách. Při konstantním výkonu klesají otáčky s rostoucím kroutícím momentem, oř. s rostoucím geometrickým objemem V g. Příkon čeradla je definovaný jako výkon, řenášený hnacím zařízením na hřídel čeradla, zahrnuje tedy i ztráty v čeradle P ř P g, (.5) c V.. n c kde η c je celková účinnost čeradla ro kterou latí P c o. m. h. (.6) P ř U hydrostatických čeradel je nejvýznamnější účinnost objemová η o a mechanická η m hydraulické ztráty jsou obvykle malé, roto hydraulická účinnost η h 1. Princiy hydrostatických čeradel - z velkého mnoţství rinciů hydrostatických čeradel se ro čerání susenzí ulatňuje ouze následujících šest tyů obr... Pístová čeradla omaluběţný stroj s otáčkami n = 60 1/min, konstrukce ro hydraulickou doravu je odvozena od čeradel výlachových, která se ouţívají ři hlubinném vrtání (vrtání na naftu, zemní lyn,vodu a geologický růzkum). Vyrábí se jako jednočinná nebo dvojčinná, v rovedení dulex nebo trilex. Jsou vhodná ro susenze do růměru částic d = 0,15 mm. Pohon hydraulický nebo mechanický řes klikový hřídel a křiţák. Objemová koncentrace Cv aţ 0,45, je schoné čerat astovité susenze. Membránová čeradla omaluběţný stroj s otáčkami aţ n = 100 1/min. Pro otřeby hydraulické doravy nejrůznějších jemnozrnných susenzí se vyrábí v kombinaci ístovým čeradlem. Jsou vhodná ro susenze do růměru částic d = 0,15 mm. Pohon elektromotorem řes řevodovku nebo klínový řemen, regulace otáček frekvenčním měničem. Objemová koncentrace Cv aţ 0,45, je schoné čerat astovité susenze. Pístové čeradlo s ohonem hydraulickým válcem ouţívá se hlavně ro čerání betonu méně často ro čerání oílkových susenzí.

16 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 16 Hadicová čeradla - ouţívají se hlavně ro čerání betonu. Archimédovo čeradlo - (šroubová čeradla), šroub uloţený ve ţlabu, ouţívá se ro čerání vody s obsahem evných částic ři malých doravních výškách, nař. ve vodárenství. Pístová Menbránová Píst hydr. válec Q = m 3 /hod P = 1500 kw = 15 MPa n = /min. = cst d max = 0,15 mm Q = m 3 /hod P = 500 kw = 15 MPa n = /min. = cst d max = 0,15 mm Q = m 3 /hod P = 60 kw = 10 MPa n = /min. = cst d max = 0 mm Hadicové Jednovřetenové Archimédů šroub Q = 0, 60 m 3 /hod P = 50 kw = MPa n = /min. = cst d max = 0 mm Q = m 3 /hod P = 1500 kw = 1 4 MPa n = /min. = cst d max = 0,15 mm Q = m 3 /hod P = 400 kw H g = 10 m n = 18-91/min. = cst d max = 30 mm Obr.. Přehled hydrostatických čeradel vhodných ro čerání susenzí Charakteristika hydrostatických čeradel - Hydrostatická čeradla mohou racovat ři různém doravním tlaku a otáčkách. Jejich ohraničení závisí na mnoha faktorech, tlak je limitován mechanickou evností a ţivotností dílů čeradla, otáčky limitují sací schonost čeradla. Charakteristikou čeradla nazýváme závislost Y,H, =f(q), u hydrostatických čeradel se však ouţívá Q = f(,h,y).

17 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 17 Pro ideální čeradlo, tedy čeradlo beze ztrát je uvedena charakteristika čeradla na obr..3. Pro částečně ideální charakteristiky hydrostatického čeradla, kdy je uvaţován vliv objemové, mechanické a hydraulické účinnosti jsou charakteristiky uvedeny na obr..4. Sklon charakteristiky je ovlivňován ředevším vlastnostmi čerané kaaliny. Skutečná charakteristika hydrostatického čeradla, kterou ovlivňují objemové a mechanické ztráty se zjišťuje měřením. Obr..3 Teoretická charakteristika hydrostatického čeradla Hydrostatická čeradla se ouţívají nejen ro čerání vody, ale i různých jiných kaalin, jejichţ viskozita se od vody můţe značně lišit ( obvykle je větší). Velmi často se hydrostatická čeradla ouţívají ro čerání susenzí, objemová koncentrace můţe kolísat v širokém intervalu, od susenzí řídkých aţ o astovité látky. Zrnitost evných částic bývá obvykle menší neţ 0,15 mm. Obr..4 Částečně idealizovaná charakteristika hydrostatického čeradla [4] Obr..5 Charakteristika otrubí a hydrostatického čeradla ři čerání susenzí A heterogenní susenze, B homogenní susenze, C Binghamova kaalina Tlaková ztráta ři roudění susenzí je velmi sloţitý fyzikální roblém, tento je odrobně osán v [10]. Hydrostatickými čeradly se rakticky nejčastěji čerají susenze

18 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 18 homogenní, Binghamovy kaaliny (susenze s vysokou koncentrací), méně často se čerají heterogenní susenze, Y - Q diagram těchto susenzí je schematicky uveden na obr..5. Soluráce hydrostatického čeradla a otrubí je uvedena na obr..6 a to ro čistou vodu a tři druhy susenzí. Podrobnosti o chování susenzí jsou zracovány v ka. 3, zde je také zracována otázka, v jakých veličinách uvádět doravní výšku H. U heterogenních susenzí musí být rychlost roudění susenze větší neţ je rychlost kritická, homogenní susenze nemají ţádná omezení, chovají se rakticky stejně jako čistá kaalina s větší hustotou. Susenze s vysokou koncentrací se nejčastěji chovají jako Binghamova kaalina - obr..6d. Provozní bod je výhodné volit na hranici, kdy se laminární roudění mění v turbulentní, volba rovozního bodu v turbulentní oblasti zůsobuje neúměrně vysokou tlakovou ztrátu. Obr..6 Charakteristika otrubí a hydrostatického čeradla A čistá kaalina n = konst., B heterogenní susenze, C homogenní susenze, D Binghamova kaalina

19 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 19 Hydrostatická čeradla obr..7 v orovnání s čeradly hydrodynamickými mají obvykle vysokou účinnost. Toto je zaříčiněno hlavně objemovými ztrátami (růsaky), tedy tlakem a vůlemi mezi válcem a ístem. Účinnost není rakticky závislá na velikosti stroje, dosahuje velikosti okolo 90%, ro ístové stroje je obvykle i větší. Obr..7 Schéma ístového hydrostatického čeradla Měrné otáčky u hydrostatických strojů nesouvisí s tyem čeradla, ale síše charakterizují hydrodynamické oměry v rozvodu, u ístových strojů tedy oměry v sání a ve výtlaku (u jiných tyů ak oměry v rozvodu) - [1]. Charakteristiku čeradla nejvíce ovlivňují vlastnosti čerané kaaliny. Pro měrné otáčky hydrostatických čeradel latí rovnice n q n, Q Y 0,5 0,75. (.7) Stejný výraz jel odvozen i ro hydrodynamické stroje viz ka. 4, z toho vylývá, ţe hydrostatické i hydrodynamické stroje mají solečný obecný fyzikální základ. Objemová účinnost hydrostatických čeradel - Objemové ztráty tvoří hlavní odíl ztrát v hydrostatických čeradlech, hydraulické ztráty ro vodu jsou málo významné, ulatňují se více u viskozních kaalin. Objemové ztráty vznikají růsakem kaaliny kolem ístu, který je ochoitelně uloţen ve válci s jistou vůlí, tato je obvykle otimalizována. Malá vůle znamená velkou třecí sílu a malé objemové ztráty a naoak, velká vůle zmenšuje třecí sílu, ale zvyšuje objemové ztráty. Obr..8 Schéma ro stanovení objemových ztrát v mezeře

20 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 0 Vůle o hydrostatických strojů jsou malé, roudění v nich bude laminární, ři výočtu objemových ztrát vyjdeme z Hagen-Poiselleova vztahu v obdélníkové mezeře kde b. h. d.. h.. h. q, (.8) 1.. L 1.. k. d 1.. k L = k.d k konstanta b = π.d Velikost vůlí, těsnících sár aod. má u hydrostatických čeradle velký význam, rotoţe objemový růtok (objemové ztráty) je římo úměrný třetí mocnině tloušťky mezery. Výrobní tolerance či řesnost výroby dílů čeradel jsou roto závaţným faktorem. Protoţe h je malé, můţeme sáru ve tvaru mezikruţí ovaţovat s dostatečnou řesností o rozvinutí za sáru obdélníkovou, ro kterou latí ředcházející rovnice. Teoretický růtok Q t ro 1 íst ři střední ístové rychlosti c je Q d. 4 t c Definujme oměr růtoků. q Q t 3 h. 3. d. k. c konst.. (.9) d Objemová účinnost je definována vztahem q konst. v 1 1. (.10) Q d t Objemová účinnost ro daný ty čeradla rakticky nezávisí na velikosti stroje. Při čerání susenzí v důsledku abraze se vůle mezi ístem a válcem zvětšuje, roto se objemová účinnost u objemových čeradel s rostoucí dobou rovozu sniţuje. Vliv stlačitelnosti na objemovou účinnost - Protoţe čeraná kaalina (i susenze) je stlačitelná, roto na očátku zdvihu, kdy je ve válci nízký tlak a začne se íst ohybovat, dochází v rvní fázi ohybu ke stlačení kaaliny o Δ obr..9. Pro řešení vyjdeme z rovnice V V. (.11) K Změna objemu v racovním rostoru čeradla činí kde V V g V K V g - geometrický objem V š - škodlivý rostor Pro efektivní geometrický objem latí V gef š V V V V V. K g g g š

21 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 1 Objemová účinnost vlivem stlačitelnosti kaaliny je V V gef š o 1 1 V g V. (.1) g K Obr..9 Schéma ro výočet komresní ráce ři stlačování kaaliny Podle obr..9 definujme komresní ráci L V.. V k.. K Práce výtlačného zdvihu je L V.. Komresní ráci dostaneme jako oměr osledních dvou rovnic L k. L. K Pro susenzi a Δ = 10 MPa a K =,.10 9 MPa je L 7 10 k ,38%. 9 L.,.10 Pro kalová objemová čeradla, která racují s tlakem do 10 MPa je tedy komresní ráce zanedbatelná, začala by se rojevovat aţ ři tlacích nad 40 MPa. Je třeba řiomenout, ţe obsah vzduchu v susenzi nebo ve vodě sniţuje modul objemové stlačitelnosti kaaliny, čímţ se komresní ráce zvyšuje. Vliv obsahu vzduchu na objemovou účinnost - Předokládejme, ţe jednotka objemu obsahuje ři tlaku o objem lynu V o. Při sníţení tlaku v čeradlovém rostoru na s se zvětší jeho objem, ro isotermickou změnu stavu [1] latí

22 . Hydrostatická objemová kalová čeradla s o o s V V, naoak ři zvyšování tlaku se objem zmenší v o o v o s V V V V. Rozdíl (V s V v ) je zmenšení racovního rostoru vlivem stlačitelnosti lynu v s o o v o o s o o v s V V V V V V Efektivní geometrický objem V V V g gef, otom účinnost lnění racovního rostoru je v s o o v s o o g g š g gef o V k V V V V V V , (.13) kde k = V š /V g.. Klikový mechanismus a kinematické oměry u ístových čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Vyočítat kinematické veličiny klikového mechanismu Vyočítat nerovnoměrnost růtoku Výklad U hydrostatických čeradel se ro transformaci rotačního ohybu na římočarý ohyb ouţívá, kulisový, výstředník ro malé síly vačka nebo nakloněná rovina. Pro větší výkony u ístových kalových čeradel se nejčastěji ouţívá klikový mechanismus - obr..10. Rovnice ro kinematické veličiny klikového mechanismu a nekonečně dlouhou ojnici uvádí tabulka.1, stejné veličiny ro konečnou délku ojnice ak tabulka.. Pístové čeradlo má ulsující růtok, rotoţe racovní cyklus je řerušovaný. Pro více racovních rostorů (ístů) výsledný růtok je součet růtoků od jednotlivých ístů.

23 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 3 Geometrický objem V g vztahu Obr..10 Schéma klikového mechanismu jednoho ístu se v růběhu výtlačného zdvihu mění odle V g. d. s. d. smax 1 cos, (.14) 4 4 Tabulka.1 Přehled rovnic oisujících klikový mechanismus ro n = konst. a nekonečně dlouhou ojnici Číslo Veličina Rovnice 1 úhlová rychlost d konst. dt úhlové zrychlení d dt 0 3 obvodová rychlost u r.. n. r konst. 4 dráha smax s r. 1 cos 1 cos 5 rychlost ístu u. sin r.. sin c 6 zrychlení ístu dc a r.. cos dt 7 úhel sklonu a tg 1 s konst.

24 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 4 Tabulka. Porovnání rovnic ro kinematické veličiny kliky konečné a nekonečné délky. Ćíslo Veličina L 1 Dráha s r. 1 cos r L s r. 1 cos sin Rychlost ístu c r.. sin c r.. sin sin 3 3Zrychlení dc a dc r.. cos a r.. cos cos dt dt stejně jako okamţitý růtok dv g. d. s d 8 max.sin Důleţitou charakteristikou hydrostatického čeradla je střední ístová rychlost c stř. L. n (.15) Pro L má okamţitý růtok sinusový růběh, ro L tato odmínka nelatí obr..11. Obr..11 Průběh geometrického objemu V g, dv g /dφ a (dv g /dφ) stř na úhlu klikyro L

25 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 5 Pro ístové čeradlo nerovnoměrnost L s 1 aţ 6 ísty uvádí tabulka.3. Tabulka.3 Nerovnoměrnost ístového čeradla v % ro i = 1 aţ i = 6 - L Počet ístů - z Lichý % ,4 4,9 Sudý % 100 9,3 13,4 Obr..1 Okamžitý růtok ístového čeradla s 1 až 4 ísty

26 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 6 Na obr..1 jsou uvedeny změny zdvihového objemu ři ráci hydrostatického čeradla s více ísty. Pulzující růtok víceístového čeradla - obr..1 je dána součtem z okamţitých růtoků, které jsou v různých fázích zdvihu (úhlu φ) rozdílné, výsledný růtok lze zasat rovnicí dv g. d d sin sin sin z z n.... sin, (.16) z kde n = (z -1) z - očet ístů čeradla; očet sčítanců je roven očtu ístů čeradla, členy záorné se vylučují ( sací zdvih). Střední růtok čeradla za jednu otáčku je dvg. d z smax d. (.17) 4 stř Nerovnoměrnost růtoku v čase je dána vztahem Q Qmin. (.18) max Q stř Střídáním sacího a výtlačného zdvihu u ístových čeradel zůsobuje tlakové ulzace a nerovnoměrný růtok v sacím i výtlačném otrubí. Zmírnění těchto vlivů lze eliminovat ouţitím větrníků..3 Ztráty a účinnost hydrostatických čeradlech Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat ztráty hydraulické, objemové a mechanické Vyočítat celkovou účinnost objemových čeradel Vyočítat sací výšku Výklad a) hydraulické ztráty - obvykle dělíme na : - hydraulické ztráty třecí - místní hydraulické ztráty V říadě ístových čeradel jsou ztráty dynamické (ulzující), rotoţe v hydrostatických čeradlech je ulzující růtok i tlak.

27 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 7 Obr..13 Schéma ro vyšetřování tlaků v racovním rostoru čeradla a mezi sacím a výtlačným hrdlem [3] i - abs.indikovaný tlak, v, s - abs. tlak na výtlačném a sacím hrdle, mv, ms manometrický tlak (řetlak) na výtlačném nebo sacím hrdle Mezi tlakem na sacím hrdle s a tlakem ve výtlačném hrdle v a manometrickými tlaky latí obr [3] s ;. b ms v b mv Doravní výška ři zanedbání kinetické a olohové energie H sv v s sv mv ms.. g. g. g Měrná energie čerané kaaliny indikovaná ve válci čeradla H i is iv i.. g. g Hydraulická účinnost čeradla je tedy oměr výše definovaných doravních výšek H sv h. (.19) H i Podle obr..13 je absolutní tlak v racovním rostoru čeradla s odory ři sacím zdvihu menší, naoak ři výtlačném zdvihu je větší. Uvedený fyzikální model latí ro střední tlaky, ve skutečnosti hodnoty tlaků ulzují jako důsledek činnosti ístových čeradel. Hydraulické ztráty jsou u ístových čeradel nízké, výočet účinnosti vyţaduje indikaci tlaku ve válci. b) objemové ztráty vznikají jako následek unikání (růsaky) čerané kaaliny z činného rostoru čeradla.

28 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 8 Průsaky v čeradle definujeme rovnicí q c V, n Q, g č kde Q č - je skutečný růtok čeradla. Objemová účinnost čeradla je definována oměrem Q Q q č č č vč 1. (.0) Vg. n Qč qč Qč qč Podle druhu roudění růsaky definujeme: roudění ve sáře laminární q konst. H ; turbulentní q konst. Hi i Proudění ve sáře bývá obvykle laminární. Pro růtok čeradlem odle ředcházející rovnice latí Q V. n.. (.1) č g vč Na velikost objemové účinnosti má nezanedbatelný vliv obsah vzduchu v čerané kaalině. c) mechanické ztráty - do těchto ztrát se zahrnují ztráty třením v ucávkách, loţiskách, v ohybovém ústrojí, včetně ztrát třením ístu ve válci. Hydraulický výkon P h je definován P Q i h Q q.. (.) v h Výkon řiváděný na sojku hřídele čeradla je říkon P, odváděný hydraulický výkon je uţitečný výkon P u (je vztaţen na výstuní hrdlo čeradla). Mechanická účinnost je definována oměrem Ph Pu Pm m 1. (.3) P P P P Pro říkon čeradla latí h m P Pm Q. sv.. v h m Pu. (.4) Z této rovnice... (.5) v h m Celkovou účinnost odle rovnice (.4) lze také definovat Pu Q. sv Q. sv. (.6) P P M... n Dynamické oměry v hydrostatických čeradlech - Časový růběh tlaku ve válci čeradla určuje dynamické oměry v čeradle, růběh tlaku reaguje na energetické oměry hydraulického systému i na mechanismus zátěţe stroje [1].

29 9. Hydrostatická objemová kalová čeradla Nestacionarita se romítne do tlakové sloţky (tlak na čele ístu), závislé na hmotnosti urychlovaného nebo zoţďovaného slouce kaaliny a na zrychlení ístu a. Proudění v čeradle je moţné osat Bernoulliho rovnicí a to ro sací zdvih označení veličin odovídá obr..13, index s-sání, v- výtlak.. 1 s s s s c H g c. (.7) Z této rovnice ro měrnou tlakovou energii v činném rostoru ři sacím zdvihu. 1 s s s s c c H g. (.8) Výtlačný zdvih. v v v v c H g c, (.9) odkud ro měrnou tlakovou energii v činném rostoru ři výtlačném zdvihu. v v v v c c H g. (.30) Obr..14 Průběh tlaku ve válci (činném rostoru) ístového čeradla indikátorový diagram [3]

30 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 30 Rozdíl měrné energie výtlačného a sacího zdvihu je indikovaná měrná energie v s Yi. (.31) Hydraulické ztráty ři sacím a výtlačném zdvihu jsou vztaţeny k rychlosti ístu c (tato rychlost není konstantní a latí ro ni rovnice dle tab..) a jsou zahrnuty ve ztrátovém součiniteli s a v. Ztrátový součinitel je funkcí zdvihu a zahrnuje i energii otřebnou na otevření ventilu. Dynamické oměry ve válci ístového čeradla je vhodné sledovat na indikátorovém diagramu, tento uvádí růběh tlaku s v sání a v ve výtlaku jako funkci zdvihu ístu ři nestacionárním roudění kaaliny obr..14. Sací výška - Energie otřebná na urychlení slouce kaaliny během sacího zdvihu s /ρ ( s je tlak na čele ístu ři sání čeradla) je rozhodujícím faktorem ro dovolené otáčky stroje, oněvadţ na ní závisí tlak v činném rostoru, tento nesmí z důvodu vzniku kavitace klesnout od určitou kritickou hodnotu. Nejniţší tlak smin je ve válci na očátku sacího zdvihu, kdy zrychlení ístu je maximální rov. (.0) a r.. U samočinného rozvodu řistuuje ještě okles tlaku z otřebný na otevření sacího ventilu. Velmi odrobně je roblematika dynamických oměrů v hydrostatických čeradel osána v [3, 4]. Miximální dovolený tlak na ístu je roven tlaku nasycených ar, nebo tlaku, ři kterém se z čerané kaaliny uvolňují lyny. V obou říadech se čeraná kaalina oddělí od ístu. Sací výška je limitována velikostí tlaku smin. Předokládejme, ţe kde min, (.3) s kav kav je tlak, ři kterém nastává kavitace, nebo tlak nasycených ar. Pro mezní geodetickou sací výšku ro íst v úvrati ( c = 0) latí rovnice [1] H gsmax 1 1 s g max kav, (.33) kde 1 - tlak na hladině v sací nádrţi smax - max. okles tlaku na čele ístu ři sání tlak, tento je největší na začátku sání kav - tlak ři kterém nastává kavitace- uvolnění vzduchu nebo tlak nasycených ar Z rovnice je vidět, ţe velikost H s nejvíce ovlivňuje tlak s a kav. Vliv těchto tlaků se rakticky eliminuje sacím nebo výtlačným větrníkem, tyto jsou řiojeny co nejblíţe k činnému rostoru čeradla. Pro sací výšku objemových čeradel latí stejná rovnice jako ro čeradla odstředivá. Aby v objemovém čeradle nevznikla kavitace, otom ro tlak na čele ístu o celou dobu sacího zdvihu nesmí klesnout od tlak nasycených ar n.tlak nasycených ar je u kaalin závislý na telotě, ro vodu lze jeho velikost zjistit z arních tabulek. Pro dovolenou sací výšku latí rovnice 0 n ydov H sdov hsdov h. g g zs 0 n h dov h, (.34) zs

31 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 31 kde 0 - absolutní tlak na hladině v sací nádrţi n - tlak nasycených ar čerané kaaliny h zs - ztrátová výška v sacím otrubí včetně všech místních ztrát, je funkcí zdvihu y krit - čistá sací kavitační měrná energie, dynamická derese, nebo kavitační rezerva, v anglické literatuře Net ositive suction head NPSH rozměr [J/kg ] - [1]. ydov hdov je dovolená kavitační výška rozměr [ m ] g Energetická rezerva je v sacím kanále nutná ke krytí hydrodynamických ztrát v řívodních kanálech čeradla a ztrát na vstuu do válce. Aby nedocházelo ři rovozu ke kavitaci v čeradle, volí se dovolené hodnoty kavitační derese y 1,15.. dov y krit Při kaţdém zdvihu ístového čeradla se koná ráce, tato je ři sacím zdvihu S výrazně menší neţ ři zdvihu výtlačném V viz obr..13. Z indikovaného tlaku se získá obraz o ráci čeradla, říadně o oruchách racovního cyklu ístového čeradla [4]. Indikovaný tlak se vynáší v závislosti na zdvihu nebo na čase, tj. na velikosti úhlu kliky φ. Kinematické a dynamické oměry u čeradla solu úzce souvisejí a určují, ři jakých otáčkách lze čeradlo rovozovat. Velká ístová čeradla ro čerání susenzí mají obvykle otáčky okolo n = 60 1/min. Další odrobnosti uvádí odborná literatura nař. [1]..4 Konstrukce a alikace hydrostatických kalových čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat užití objemových čeradel ro čerání susenzí Uvést různé konstrukce objemových čeradel Výklad V technické raxi se uţívají objemová čeradla ro nejrůznější alikace včetně hydraulické doravy, ři hlubinném vrtání aod. Pro otřebu dálkové hydraulické doravy uhlí, ţelezné rudy, koncentrátů mědi a od. se ouţívají objemová čeradla, nejčastěji ístová, nebo menbránová, hlavně v těch říadech, kde se jedná o větší rovozní tlaky a menší objemové růtoky. Dosud se však nevyrábí seciální objemová čeradla ro hydraulickou doravu, ale s výhodou se dá vyuţít výlachových čeradel ouţívaných ro čerání výlachu ři hlubinném vrtání. Vzhledem k tomu, ţe jsou tato čeradla konstruována ro čerání zahuštěného výlachu hustoty 1,5 t/m 3 i více, vyhovují i ro otřeby hydraulické doravy.

32 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 3 Čeradla ístová - Na obr..15 je uveden zjednodušený řez kalovým jednočinným a dvojčinným výlachovým čeradlem fa Geho. Čeradlo je nízkootáčkové s transformací rotačního ohybu na římočarý omocí klikového hřídele a křiţáku. Tato čeradla jsou obvykle konstruována tak, ţe hnací část je navrţena na max. sílu s konst. zdvihem, hydraulický válec a íst jsou vyrobeny s různým růměrem a jsou konstrukčně řešeny tak, ţe se dají snadno vyměnit. Takové řešení čeradla umoţňuje dosáhnout různých doravních tlaků, ři čemţ latí, ţe s klesajícím růměrem ístu stouá tlak a klesá doravovaný objemový růtok. Čeradla ístová se vyrábějí horizontální, méně častěji i vertikální, mohou být rovedena jako jednočinná nebo dvojčinná dvouístová - dulex nebo třiístová trilex. Čeradla se vyrábějí jako nízkootáčková, velikost otáček bývá cca 60 1/min., vyrábějí se ro rovozní tlak 7-1MPa a ro objemový růtok aţ 0,14 m 3 /s, říkon aţ 1,5 MW. Objemová účinnost bývá velmi vysoká, dosahuje hodnoty 0,95-0,98, s časem se v důsledku abraze sniţuje. Pohon ístu omocí klikového hřídele a křiţáku, ro souštění čeradla je vhodné ohon oatřit hydraulickou sojkou nebo sojkou vířivou, které mohou současně slouţit i ro říadnou regulaci otáček. Čeradlo je na sací i výtlačné straně oatřeno vzdušníkem ro tlumení ulsací tlaku. Objemová čeradla se ro zvýšení růtoku dají bez roblémů řadit aralelně, toto se v růmyslových alikacích často ouţívá. Materiál doravovaný ístovými čeradly nesmí být říliš abrazivní a musí mít malý růměr částic velikosti do 0,1 mm s malým mnoţství částic aţ do 1 mm. Pohon čeradel se rovádí obvykle elektro motorem nebo salovacím motorem, sojení motoru s čeradlem řes řevodovku nebo je ohon řešen omocí klínových řemenů, toto rovedení tlumí ulzace mezi motorem a čeradlem. Pro regulaci otáček čeradla se také můţe ouţít elektromotor s frekvenčním měničem, salovací motor se ouţívá ouze ro výlachová čeradla u hlubiného vrtání. Ţivotnost exonovaných dílů ístových čeradel je v současné době vysoká a dosahují rovozních hodin i více. Zvýšení ţivotnosti bylo nař. u ístů a ventilů dosaţeno záměnou ůvodně ouţívané ryţe za olyuretan. Pístová čeradla jsou vzhledem na ootřebení některých dílů konstruována tak, aby výměna těchto dílů byla snadná a časově nenáročná. Ke zvýšení ţivotnosti můţe řisět olachování ventilů a jejich sedel čistou vodou. Obr..15 Čeradlo ístové jednočinné trilex a dvojčinné fa GEHO Ukázka rovedení ventilů, ístů a válců ístových čeradel je na obr..16. Pro těsnění ventilů se ouţívá ryţ, z hlediska ţivotnosti je výhodnější olyuretan, stejný

33 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 33 materiál se volí i ro těsnění ístů. Hydraulické válce se vyrábějí z otěruvzdorné oceli, mohou být i kalené. Obr..16 Ukázka rovedení ventilů, ístů a hydraulických válec - [1] Čeradla ísto-menbránová - Čeradla membránová ro čerání susenzí o tlacích do 10 MPA jsou obvykle rovedena jako čeradla ísto-menbránová. U této konstrukce je rostor susenze oddělen od vody membránou, roto ístové čeradlo čerá ouze čistou kaalinu vodu, jeho ţivotnost je vysoká, navíc toto ístové čeradlo nemá ventily. Obr..17 Čeradlo ístové-menbránové fa GEHO ty ZPM, ístové čeradlo je dvojčinné

34 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 34 Obr..18 Čeradlo ísto-menbránové fa GEHO ty TZPM, ístové čeradlo je jednočinné Samotné membránové čeradlo je vybaveno sacím a výtlačným ventilem a čerá susenzi tvořenou nejrůznějšími materiály, s zrnitostí částic do 0,15 mm. Na obr..17 a obr..18 jsou ukázky rovedení membráno-ístových čeradel fa Geho. Parametry jako tlak a růtok jsou srovnatelné s čeradlem ístovým. Pístová čeradla s hydraulickým ohonem - Pohon ístu čeradla omocí klasického klikového hřídele a křiţáku je technicky i ekonomicky náročné, roto se hledala vhodnější řešení, jedno z moţných rovedení je ohon ístu racovního válce římočarým hydromotorem obr..19. Pístnice racovního válce je vhodnou sojkou sojena s ístnicí hydraulického válce, tlakový olej ro ohon dodává hydraulický agregát, řízení ohonu čeradla je odvozeno od koncových oloh ístu (ístnice). Zdvih racovního válce je cca 500 aţ 1000 mm, očet zdvihů je malý a ohybuje se okolo 5 aţ 8 zdvihů za minutu, jedná se tedy o omaluběţné čeradlo. Z hlediska lynulosti rovozu je výhodné čeradlo realizovat jako dvouválcové, růměr hydraulického válce je obvykle menší neţ růměr racovního válce. Obr..19 Zjednodušené schéma ístového čeradla s hydraulickým ohonem

35 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 35 Pístová čeradla s hydraulickým ohonem se vyrábějí v mnoha rozmanitých rovedení, dvě řešení uvádí obr..0. Provedení HSP má na sací i výtlačné straně racovního válce hydraulicky ovládané ventily, rovedení KOS má naoak ventily nahrazeny hydraulicky ovládaným obloukem, tento roojuje racovní válce čeradla s doravním otrubím. Jsou moţná i další řešení jako nař. deskový hydraulicky ovládaný uzávěr, nebo samočinně řízené zětné ventily s kuličkou. V důsledku řerušovaného rovozu dochází u těchto čeradel k ulzacím tlaku, sníţení tlakových šiček se dosahuje ouţitím vhodných akumulátorů nebo jiných ruţných elementů, sníţení tlakových šiček se rovněţ dosáhne řidáním vzduchu do doravního otrubí. Pracovní tlak do 6MPa ři růtoku susenze 5 m 3 /min. Obr..0 Pístové čeradlo s hydraulickým ohonem fa Putzmeister ty HSP a KOS Pouţití hydraulicky oháněných čeradel je velmi rozmanité, nejlée se hodí ro čerání susenzí s vysokou objemovou koncentrací, jako jsou susenze oílku,mletých rud, kaolinu, bauxitu, jemného ísku, nejčastěji se však ouţívají ro čerání betonu. V tomto říadě je ístové čeradlo namontováno na automobilovém odvozku, zařízení má doravní otrubí oatřeno kloubovými soji a je vybaveno hydraulickými válci, omocí kterých se otrubí dá uravit tak, aby se beton mohl doravovat nař. na stavbách do míst kde má jiţ tuhnout obr..1. Na obr.. je ukázka čerání astovitých susenzí. Obr..1 Pístové čeradla ro čerání betonu stacionární a na automobilovém odvozku - fa Putzmeister

36 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 36 Obr.. Ukázka silně koncentrovaných susenzi o čerání [ ] Hledat Hadicová čeradla - Pro otřebu hydraulické doravy se ouţívají i čeradla hadicová obr..3 A, hlavně ro svoji jednoduchost. V čeradle je hadice ve tvaru ůlkruhu, na tuto hadici ůsobí dvě kladky, tyto jsou vhodným motorem otáčeny, ři otáčení je hadice od kladkami stlačena a kaalina susenze je takto doravována do doravního otrubí. Zařízení roto nemusí mít ţádné ventily na sání ani na výtlaku, v důsledku čehoţ je velmi jednoduché. Pro otřeby hydraulické doravy betonu se hadicová čeradla montují na automobilové odvozky obr..3 B. Obr..3 Hadicové čeradlo Putzmeistr A ohled na hadicové čeradlo, B hadicové čeradlo na automobilovém odvozku Jednovřetenová čeradla - Pro čerání susenzí je uţíváno konstrukční řešení s jedním kovovým rotorem který se excentricky otáčí v ryţovém vnitřním vřetenu (statoru). Rotor je nejčastěji vyroben z kovu, materiál statoru je obvykle ruţná ryţ nebo last. Součásti jsou lícovány s řesahem obr..4. Čeradlo se ouţívá ro neabrazivní susenze s velikostí částic do 0,5 mm, tlak do 1 MPa, růtok cca 10 dm 3 /s.

37 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 37 Obr..4 Vřetenové čeradlo f. Seeex A řez čeradlem, B ohled, C rotor, D čerací stanice Dálková dorava uhlí s vysokou koncentrací Pro hydraulickou doravu uhlí do elektráren bylo v minulosti vybudováno několik zařízení, dále je uveden stručný ois vybraných tří takových zařízení: Ohio Cliveland - v roce 1957 bylo v USA ve státě Ohio ostaveno otrubí ro hydraulickou doravu jemně mletého uhlí do elektrárny, délka otrubí 174 km, otrubí mělo vnitřní růměr 54 mm, výkon doravy činil 16 tun/hod. ři rychlosti susenze 1,98 m/s. čerání zajišťovala ístová čeradla f. Wilson - Snyder, na trase byly tři čerací stanice, tlak čeradel byl 8 MPa, říkon 335 kw, otáčky 4 1/min. Uhlí ro salování bylo odvodněno a sušeno, byly rovněţ činěny okusy s římým salování susenze. V tomto říadě se susenze na konci otrubí nakládala na loď, tato doravovala susenzi o jezeře Erie a řece Hudsonu do elektrárny Werner ve státě New Jersey. Black Mesa - v USA ve státě Arizona bylo v roce 1970 uvedeno do rovozu zařízení ro hydraulickou doravu jemně mletého uhlí od města Kayenta ( Indiánská rezervace) do elektrárny Mohave. Potrubí má délku 439 km, růměr otrubí je 457mm osledních 1 km je růměr otrubí 305 mm, kaacita doravy je 4,5 mil. tuh za rok, elektrárna má výkon 1580 MW, rychlost roudění susenze je 1,65 m/s. Trasa otrubí a její výškový rofil je na obr..5. Na trase jsou 4 čerací stanice s ístovými čeradla f. Wilson Snyder Pums obr..6, čerací stanice č. 1, 3 a 4 jsou osazeny 3 čeradly s růměrem ístu 305mm, dvě čeradla jsou rovozní, jedno je náhradní, tlak čeradel je 4,5 aţ 6, MPa. V čerací stanici č. jsou 4 čeradla s růměrem ístu 48 mm a tlakem 8,6 aţ 11, MPa, tři čeradla jsou rovozní, jedno je náhradní. Čeradla jsou dvojčinná, rovedení dulex, otáčky 68 1/min, tlak max. 1 MPa, říkon 180 kw. Uhlí je drceno a následně mleto na zrnitost d < 1mm, ři čemţ 3% zrnitosti je d < 65μm, hmotnostní koncentrace susenze je 50%. Elektrárna Mohave byla v roce 005 odstavena z rovozu a následně byla zbourána.

38 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 38 Obr..5 Dálková hydraulická dorava uhlí USA Arizona Black Mesa Obr..6 Pístové čeradlo dvojčinné, rovedení dulex f. Wilson-Snyder Pums, říkon 180 kw, otáčky 68 1/min, tlak max. 1 MPa, účinnost 95 až 98%, ohon el. motorem řes hydraulickou sojku a řevodovku s možností regulace otáček odsynchroní kaskádou Belovo Novosibirsk - v bývalém SSSR bylo ostaveno zařízení ro hydraulickou doravu uhlí ro elektrárnu mezi městy Belovo a Novosibirsk. Délka doravy 56 km, růměr otrubí 50 mm. Na trase jsou vybudovány tři čerací stanice s ístovými čeradly. Uhlí se mlelo na zrnitost d < 0,35mm, susenze měla hmotnostní koncentraci 65%, na čerací stanici byla vţdy v rovozu dvě čeradla, kaţdé mělo růtok 50 m 3 /hod ři tlaku 8 MPa. V elektrárně o výkonu 130 MW se římo salovala vodo-uhelná susenze, salování robíhalo ři telotách okolo 850 o C čímţ se ve salinách velmi sníţil obsah kysličníků síry i dusíku.

39 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 39 Vedle uhlí se hydraulická dorava uţívá i ro doravu fosfátů, ţelezné nebo měděné rudy. V současné době se řiravují rojekty hydraulické doravy uhlí v Austrálii a v Číně. Čerání chlévské mrvy - Zajímavá alikace ístového čeradla je dorava chlévské mrvy odle obr..7. Ve stáji obr..7a je v odlaze vybudován řetězový doravník obr..7c, chlévská mrva se z rostoru stání dobytka (krav) ručně nahrne na řetězový doravník. Ve vhodném místě řetězového doravníku se od něj zabuduje jednočinné ístové čeradlo obr..7b, toto je oháněno hydraulickým válcem. Po suštění řetězového doravníku je chlévská mrva doravována do násyky čeradla, odkud je ístem stlačována do doravního otrubí, okud je chlévská mrva suchá řidává se do násyky voda. Doravní otrubí můţe být dlouhé aţ 100 m a je vyústěno ve středu betonové deskyobr..7d. Vytékající chlévská mrva z otrubí vytváří kuţel odobně jako krtek kdyţ vytlačuje zeminu ři vytváření svých chodeb. V říadě, ţe se řechodná skládka zalní chlévskou mrvou, otom se s vyuţitím vhodného nakladače a automobilu odveze na ole. Pístové čeradlo je oháněno hydraulickým válcem, očet zdvihů je cca 6 1/min., délka zdvihu 500 až 600 mm, válec čeradla je tvořen otrubím stejného růměru (obvykle mm) jako má samotné doravní otrubí. Píst čeradla má růměr cca o 1 mm menší neţ je růměr doravního otrubí a je asi o 100 mm delší neţ je jeho zdvih. Touto úravou a řiojením ístnice do čela ístu odle obr..7b se zamezí samosvornosti ři ohybu ístu. Při tlaku oleje v hydraulickém válci 0 MPa a růměru 100 mm je moţné zajistit doravu chlévské mrvy v otrubí růměru 300 mm na vzdálenost min. 100 m. Doravní otrubí je moţné rovést z oceli nebo z lastu. Pístové čeradlo má ve výtlaku ouze zětnou klaku, tato bezečně zabrání zětnému roudění doravované chlévské mrvy. Obr..7 Pístové čeradlo ro doravu chlévské mrvy A ůdorys kravína, B ístové čeradlo, C - řez řetězovým doravníkem, D - řechodná skládka chlévské mrvy

40 . Hydrostatická objemová kalová čeradla 40 Shrnutí ojmů 1.1. Pro čerání susenzí se oužívají následující tyy kalových objemových čeradel: ístová čeradla s klikovým mechanismem nebo s ohonem hydraulickým válcem, čeradla membránová, jednovřetenová a hadicová. Použití objemových čeradel je limitováno velikostí doravovaných evných částic, jejich velikost bývá obvykle menší než 0,15 mm, na druhou stranu tato čeradla zvládají čerání susenzí o vysoké objemové koncentraci i vysokém tlaku. Objemový růtok objemových čeradel je v čase roměnný, roto na sacím i výtlačním otrubí musí být instalovány vzdušníky aby ulzace tlaku byly snížený na řijatelnou velikost. Objemová čeradla lze řadit aralelně, regulace růtoku je vhodné rovádět změnou otáček ohonu. Otázky Naište rovnici ro sací výšku objemového čeradla. Nakreslete charakteristiku objemového čeradla a otrubí ři čerání susenzí 3. Poište a nakreslete indikátorový diagram objemového čeradla, teoretický i skutečný

41 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická KALOVÁ ČERPADLA ODSTŘEDIVÁ - HYDRODYNAMICKÁ U odstředivých čeradel robíhá řeměna mechanické energie na energii tlakovou zrostředkovaně řes změnu kinetické energie. Hnacím motorem je dodávána mechanická ráce energie oběţnému kolu, kde se řemění na hydraulickou energii kinetickou, která se ak ve sirále nebo v rozváděcím kole dále řemění na hydraulickou energii tlakovou. Ze sirály či rozváděcího kola odchází kaalina s nezbytnou rychlostí a s řevaţující energií tlakovou do otrubního systému Tato dvojí řeměna má za následek sníţení celkové účinnosti hydrodynamických čeradel v orovnání s čeradly hydrostatickými. Kaalina u hydrodynamických čeradel rotéká sojitě v neřetrţitém roudu. Čeradla racují s větším očtem otáček, mají roto menší rozměry i hmotnost a jsou roto i cenově výhodnější, zvládají i velké růtoky. Obr. 3.1 Hydrodynamická čeradla Hydrodynamická čeradla se odle směru roudění kaaliny v kanálech oběţného kola dělí na tři skuiny - obr. 3.1 : - čeradlo radiální kaalina do oběţného kola tohoto čeradla vstuuje axiálně (rovnoběţně s osou čeradla) a vystuuje z oběţného kola radiálně (kolmo na osu rotace), tato čeradla se ouţívají i ro čerání susenzí - čeradlo diagonální kaalina vstuuje do oběţného kola axiálně a vystuuje diagonálně (šikmo k ose rotace), tato čeradla se ro čerání susenzí ouţívají jen vyjímečně - čeradla axiální vrtulová - kaalina vstuuje a vystuuje z oběţného kola čeradla axiálně, tato čeradla se ro čerání susenzí rakticky neouţívají Přesnějším měřítkem rozdělení čeradel jsou jejich měrné otáčky, o kterých je ojednáno v dalším textu.

42 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická Pracovní rovnice čeradla Eulerova rovnice Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat Bernoulliho rovnici ro rotující kanál Definovat rovnici ro měrnou energii, říkon a účinnost odstředivého čeradla Výklad Bernoulliho rovnice ro rotující kanál - Při růtoku kaaliny kanálem, který se ohybuje, se změní energie kaaliny, neboť na ni vedle tíhy ůsobí i síly od ohybu kanálu. Nař. ři rovnoměrné rotaci konst. okolo svislé osy ůsobí v kaţdém bodě rotujícího kanálu na kaalinu gravitační a odstředivé zrychlení - obr. 3.. Práce, kterou odstředivá síla vykoná ři roudění kaaliny, má vliv na její energii. Při dalším řešení vyjdeme z obecné Bernoulliho rovnice v U konst, (4.1) kde otenciálu U zahrnuje ráci všech objemových sil, které ůsobí na roudící kaalinu, tedy odstředivé síly vznikající ři rotaci kanálu a gravitaci. Obr. 3. Rotující kanál

43 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 43 Na částici kaaliny v rotující roudové trubici ůsobí sloţky zrychlení a r ; a g; a 0. r y z Uváţíme-li, ţe ro vektor vnějšího objemového zrychlení latí rovnice U U U a0 gradu ax ; ay ; a z, (3.) x y z řičemţ také latí du a dx a dy a dy, x y z otom ro svislou osu rotace s vyuţitím výše uvedených rovnic se určí otenciál integrací U du a dx a x y dy g r dy rdr gh konst. (3.3) Dosazením do obecné Bernoulliho rovnice se dostane ro rotující kanál následující rovnice v u gh konst. (3.4) Rychlost v je relativní rychlost kaaliny, touto rychlostí roudí kaalina v rotujícím kanále vzhledem k jeho stěně, rychlost u je obvodová, neboli unášivá rychlost v uvaţovaném místě rotujícího kanálu. Při odstředivém růtoku rotujícím kanálem se unášivá rychlost u zvětšuje a energie kaaliny se zvyšuje. Tak je tomu nař. v odstředivých čeradlech. Obdobně ři dostředivém růtoku unášivá rychlost se zmenšuje a energie kaaliny se sniţuje. To je říad vodních turbin (nař. Francisových). Přihlíţí-li se k hydraulickým odorům ři ustáleném roudění skutečné kaaliny rotujícím kanálem, latí ro dva růřezy jedné a téţ roudové trubice Bernoulliho rovnice, která se obvykle zaisuje ve tvaru 1 v1 u1 gh1 v gh u gh z. ( 3.5) Pracovní rovnice čeradla Na obr. 3.3 je uvedeno schéma odstředivého čeradla s radiálním oběţným kolem. Čeradlo nasává kaalinu ze sací nádrţe, kde je tlak 0. Sacím otrubím roudí kaalina do rotujícíhi oběţného kola, vystuující kaalina z oběţného kola vstuuje do difuzoru, zde se sniţuje rychlost a zvyšuje odle Bernoulliho rovnice tlak. Z difuzoru (nebo sirály) roudí tekutina výtlačným otrubím do výtlačné nádrţe, ve které je tlak v. Protoţe v systému je rotující oběţné kolo, ro odvození racovní rovnice čeradla musíme ostuovat tak, ţe naíšeme Bernoulliho rovnice ostuně ro sací otrubí, rotující kanál, difusor a nakonec ro výtlačné otrubí. Jejich sečtením a úravou získáme vzomínanou racovní rovnici čeradla. Při odvození rovnice ro čeradlo je označení rychlostí následující: v relativní rychlost roudění tekutiny vzhledem ke stěně kanálu, u obvodová nebo unášivá rychlost zůsobená rotací kanálu nebo oběţného kola, c absolutní rychlost, tato rychlost je vektorovým součtem rychlosti v a u.

44 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 44 Obr. 4.3 Odstředivé čeradlo Sací otrubí - Bernoulliho rovnice ro sací otrubí úsek 0,1, saná ro hladinu ve sodní nádrţi a vstu do oběţného kola je 0 1 gh c 1 s gh zs. V rovnici jsou tyto veličiny: h s je geodetická sací výška, h zs jsou hydraulické odory v sacím otrubí čeradla, o tlak na hladinu v sací nádrţi. Veličiny označené indexem 1 se vztahují na vstu do oběţného kola čeradla. Oběžné kolo - zde latí Bernoulliho rovnice ro rotující kanál úsek 1,, která je ro vstuní a výstuní růřez 1 v1 u1 v u gh zo. Rychlosti v 1,v jsou relativní, u 1, u jsou rychlosti unášivé ( obvodové), index 1 značí vstu do oběţného kola, index výstu z oběţného kola. Ztrátová výška h zo zahrnuje ztráty sojené s růtokem kaaliny oběţným kolem (hydraulické). Mezi rychlostmi absolutní, relativní a unášivou latí ro vstu i výstu z oběţného kola vztah c v u. Absolutní rychlostí c vystuuje kaalina z oběţného kola a vstuuje do difuzoru, kde se kinetická energie mění v tlakovou. Protoţe růměr oběţného kola je obvykle značně menší neţ výška h v, výška mezi body 1- u oběţného kole se zanedbává. Difusor - ro difuzor (nebo sirálu) jako stojící kanál latí Bernoulliho rovnice saná ro vstuní a výstuní růřez úsek,3. c 3 c3 gh zd.

45 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 45 Ztráty třením v difuzoru včetně vstuních a výstuních místních ztrát jsou zahrnuty ztrátovou výškou v difuzoru h zd. Rychlost c 3 a tlak 3 jsou shodné s tlakem a rychlostí ve výtlačném hrdle čeradla, na které je řiojeno výtlačné otrubí nádrţe. Ze stejných důvodů jako u oběţného kola se zanedbává výška mezi body -3 u difuzoru. Výtlačné otrubí - Bernoulliho rovnice ro výtlačné otrubí úsek 3-V 3 c3 v ghv gh zv Celkové ztráty ve výtlačném otrubí jsou vyjádřeny ztrátovou výškou h zv. Veličiny označené indexem v se vztahují na výtlačnou nádrţ. Sečtením všech čtyř rovnic se dostane rovnice ro teoretickou měrnou energii čeradla Y g t 1 u v o h h gh h h h s u 1 v v v 1 c c 1 zs zv zo zd ( 3.6) Vedle měrné energie se v čerací technice také ouţívá veličina doravní výška, obě tyto veličiny jsou vázány vztahem Y g.. t H t S řihlédnutím k osledním dvěma rovnicím je teoretická doravní výška čeradla H t Yt g 1 g u v o h h h h h h u s 1 v v v. g 1 c c 1 zs zv zo zd. (3.7) Měrná energie Y t ředstavuje energii, která je ředána v čeradle kaţdému 1 kg hmotnosti kaaliny. Část této energie se sotřebuje ři roudění v oběţném kole a difuzoru čeradla hzo hzv g hzč g., coţ ředstavuje hydraulické odory čeradla. Skutečná měrná energie čeradla Y d nebo doravní výška je o tyto ztráty menší Y d H Y gh d t H t zč h zč g v 0 hs hv ghzs hzv gh d v o h h h h s v. g zs zv., (3.8) Vedle skutečné měrné energie Y d nebo skutečné doravní výšky H d se ouţívá i doravní tlak d, ro který latí d 1 1. g. H d. Yd hs hv v o hzs hzv. ( 3.9). g. g V rovnici ro skutečnou měrnou energii čeradla Y d je zahrnuta energie otřebná na

46 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 46 - zvedání kaaliny gh s h v, - zvýšení tlakové energie v 0, - doravu kaalin, která je sojena s řekonáním hydraulických odorů v sacím a g h zs h zv. výtlačném otrubí Eulerova rovnice - Teoretická měrná energie Y t, jak vylývá z odvozené rovnice (4.7), je dána rychlostními oměry na vstuu a výstuu z oběţného kola, tj. rychlostmi v 1,v,c1,c,u1, u,. které určují rychlostní trojúhelníky na vstuu a výstuu z oběţného kola obr Obr. 3.4 Rychlostní trojúhelník na vstuu a výstuu oběžného kola Kaalina se ohybuje v oběţném kole relativní rychlostí v, která svírá s unášivou rychlostí u úhel β. Aby nedocházelo k rázu, musí loatky oběţného kola mít směr relativní rychlosti. Určuje tedy úhel β 1 a β sklon loatek na vstuu a výstuu z oběţného kola čeradla. Podobně úhly loatek v difuzoru jsou dány směrem absolutních rychlostí c a c 3, jimiţ roudí kaalina stojícím difuzorem. Podle kosinové věty latí ro vstuní rychlostní trojúhelník obr. 3.4 v 1 u1 c1 u1c1 cos, a odobně ro výstuní rychlostní trojúhelník obr. 3.4 v čeradla Y t u c uc cos. 1 Dosazením obou těchto výrazů do rovnice (3.7) ro teoretickou měrnou energii Y t 1 u u1 v v1 c c, 1 se o úravě dostane u c cos u1c1 cos 1 ucu u1c u Yt ght 1 kde c1 u c1. cos 1, c u c. cos. Toto je Eulerova čeradlová rovnice., ( 3.10) Rychlosti c 1 u a c u jsou sloţky absolutní rychlosti c romítnuté do směru unášivé rychlosti u. Pro skutečnou měrnou energii Y d latí výrazy Yd gh d hght h ucu u1c1 u, ( 3.11) kde η h je hydraulická účinnost čeradla.

47 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 47 Obr. 3.5 Rychlostní trojúhelník na vstuu kolmý vstu o Je-li úhel 1 90 tzv. kolmý vstu obr 3.5, coţ se v raxi často ouţívá, otom ředcházející rovnice se zjednoduší Yd h. u cu.. ( 3.1) Účinnost a říkon čeradla - U odstředivých čeradel ři řeměně kinetické energie na tlakovou vznikají ztráty: - hydraulické, - objemové, - mechanické. Hydraulické ztráty v kanálech odstředivého čeradla od sacího aţ k výtlačnému hrdlu neroudí kaalina o jednoduché dráze, ale dochází ke změně směru i velikosti rychlosti. Kromě toho část roudící kaaliny rotuje, coţ také řisívá k velikosti hydraulických ztrát. Mezi hydraulické ztráty očítáme ředevším ztráty třením, ztráty změnou růřezu i změnou směru roudu, turbulenci a víření kaaliny v kanálech čeradla. Hydraulickou účinnost můţeme definovat kde H g. H h, (3.13) Ht u. cu H dosaţená doravní výška H t teoretická doravní výška Ztráty objemové - vznikají zětným unikáním čerané kaaliny z výtlaku čeradla do sání, v důsledku netěsností těsnících rstenců oběţného kola obr Oběţným kolem rotéká větší růtok (Q + q) neţ je růtok, který dodává čeradlo do výtlačného otrubí. Objemovou účinnost můţeme definovat zlomkem

48 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 48 Obr. 3.6 Vznik objemových ztrát u odstředivého čeradla Q 0, (3.14) Q q kde Q objemový růtok dodávaný čeradlem q - zětný růtok z výtlaku čeradla do jeho sání, tento bývá 5 aţ 10 % růtoku Q. Obr. 3.7 Dosažitelná účinnost odstředivých čeradel Ztráty mechanické vznikají třením hřídele v ucávkách a loţiskách, ve sojkách a také třením diskovým, tj. třením bočních stěn čeradla a oběţného kola o kaalinu v tělese

49 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 49 čeradla. Mechanická účinnost bývá η m = 0,8 aţ 0,94 odle kvality rovedení a velikosti čeradla. Celková účinnost je oměr teoretického a efektivního výkonu, z čehoţ lyne, ţe účinnost je součinem jednotlivých dílčích účinností Pt c h. 0. m. ( 3.15) P ef Tato účinnost se obvykle stanovuje měřením, výočty dávají velkou nejistotu (chybu). Účinnost objemových čeradel bývá výrazně větší neţ u čeradel odstředivých. Podle Erharta je celková účinnost závislá na měrných otáčkách a růtoku obr.3.8. Příkon čeradla je dán rovnicí P. g. H. Q. Q. Y. Q d d d. ( 3.16) c c c 3. Měrné otáčky Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat, říadně odvodit měrné otáčky odstředivých čeradel Rozlišit tvar oběžného kola odle velikosti měrných otáček Výklad V souvislosti s odobností čeradel se zavádí ojem měrné otáčky, tyto označují očet otáček, které by mělo čeradlo geometricky odobné danému ři jednotkovém růtoku Q = 1m 3 /s a doravní výšce H = 1 m. Předokládejme, ţe v čeradle z hlediska odobnosti jsou rozhodující síly a to síla setrvačná F s, síla tlaková F, síla tíhová F g, síla třecí F t a síla imulsní F h. Z těchto sil se dají sestavit čtyři odobnostní kritéria (čísla) a sice Eulerovo Eu, Froudovo Fr, Reynoldsovo Re a Strouhalovo Sh - [10]. Slnění všech odobnostních čísel není reálné, roto budeme ředokládat, ţe dominantní jsou odobnostní čísla Froudovo (definuje dynamickou odobnost) a Strouhalovo (které definuje kinematickou odobnost) [1]. Tato dvě odobnostní čísla uvedeme do vztahu s arametry hydraulických strojů růtok Q, doravní výška H nebo měrnou energii Y. Vyjdeme z definice Strouhalova čísla c. t Sh, x kde za charakteristický délkový rozměr x dosadíme růměr oběţného kola D, místo času t dosadíme otáčky n (s -1 ), nebo za obě veličiny dosadíme obvodovou rychlost oběţného kola u n. D. Za těchto ředokladů je Strouhalovo číslo

50 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 50 c Sh, u toto udává úměrnost absolutních rychlostí a unášivých rychlostí v rychlostních trojúhelnících oběţných kol čeradel. Je-li Froudovo číslo definováno vztahem c Fr c Fr g. H, g. H o úravě dostaneme Fr. g. H Fr. Y Sh, u u odkud obvodová rychlost Fr. Y u n. D. ( 3.17) Sh U geometricky odobných hydrodynamických strojů souvisí růměr oběţného kola D s růtokem Q Q D. c D. Fr. Y, odkud ro růměr oběţného kola D Q D. Fr. Y Tento výraz dosadíme do rovnice (3.17) a obdrţíme Fr. Y Q n., Sh Fr. Y odkud ro otáčky hydrodynamického stroje (otáčky mají rozměr s -1 ) 1,5 0,75 Fr Y n. ( 3.18) 0,5 Sh Q Má-li hydrodynamický stroj hlavní arametry Q = 1 m 3 /s a Y = 1 J/kg, otom z ředcházející rovnice obdrţíme 1, 5 Fr n q ( s -1 ). (3.19) Sh Dělíme-li tuto rovnici rovnicí (4.18), otom ro měrné otáčky latí 0,5 n. Q n q ( s -1 ). (3.0) 0,75 Y V této rovnici se kritéria Fr a Sh krátila, oněvadţ se ředokládá hydrodynamická odobnost mezi hydrodynamickým strojem s otáčkami n a mezi hydrodynamickým strojem s otáčkami n, ak musí latit, ţe odobnostní kritérium Fr = konst. a Sh = konst. Ve starší literatuře, kde byla uţita technická soustava jednotek, ak mezi měrnými * otáčkami n q a n q latí n 333,3. n ( min -1 ). (3.1) q q * q

51 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 51 Původní definice měrných otáček zavedených u vodních turbín s označením n s se vztahovala k jednotkovému výkonu turbíny 1 ks (koňská síla) a sádu H = 1 m, otom řeočtový vztah je n 3,65. n 100. n ( min -1 ). s q q U objemových hydrostatických strojů ro měrné otáčky latí rovnice 0,5 1, 5 n. Q 1 Fr n q. ( 3.) 0,75 0,75 Y Sh. Eu Sh Při odvození byla ouţita závislost Eu Fr. Obr. 3.8 Změna tvaru oběžného kola a charakteristiky hydrodynamických čeradel - [1]

52 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 5 Tento výraz je totoţný s rovnicí (3.19), to tedy znamená, ţe hydrostatické stroje a hydrodynamické stroje mají solečný základ činnosti. Měrné otáčky váţou obě základní řeměny energie a to dynamickou (kinetickou) v kritériu Fr nebo Eu a kinematickou část energie v kritériu Sh. Je nutné řiomenout, ţe měrné otáčky neobsahují vliv viskozity (Re kritérium), která se rojeví ve formě hydraulických ztrát. Z tohoto důvodu účinnost modelu není stejná jako účinnost díla. Měrné otáčky mají významný vliv na tvar oběţného kola i na charakteristiku čeradla obr Čeradla kalová mají měrné otáčky obvykle n q = 15 až 30 1/min., vyjímečně jsou měrné otáčky větší - n q < 60 1/min. 3.3 Charakteristika čeradla ři čerání vody Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat charakteristiku odstředivého čeradla Definovat soluráci odstředivého čeradla a otrubí ro čerání vody Výklad Obr. 3.9 Teoretická a skutečná charakteristika radiálního hydrodynamického čeradla - [1]

53 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 53 Charakteristikou čeradla nazýváme závislost doravní výšky H d, nebo doravního tlaku d, nebo měrné energie Y d na objemovém růtoku Q ři stálých otáčkách čeradla. Pro kaalinu ideální za ředokladu nekonečného očtu tenkých loatek je charakteristikou čeradla římka, její sklon závisí na výstuním úhlu β - obr Pro kaalinu ideální a ro oběţné kolo s konečným očtem loatek se zanedbatelnou tloušťkou dostáváme menší teoretickou doravní výšku, rotoţe se změnil rychlostní trojúhelník na výstuu z oběţného kola - obr Obr Výstuní rychlostní trojúhelník Obr Průběh rychlosti a tlaku v kanále oběžného kola a) nekonečný očet loatek b) konečný očet loatek Teoretická doravní výška je menší v důsledku konečného rozměru kanálu. V jednotlivých elementárních vláknech se nastavují různé tlaky a relativní rychlosti - obr Na loatce se vytváří tzv. řetlaková a odtlaková strana. Výsledkem je, ţe se zmenší sloţka rychlosti c u. Skutečná doravní výška H d je vţdy menší neţ výška teoretická H t. Přibliţný tvar skutečné charakteristiky čeradla se dá vyočítat z růběhu hydraulických ztrát v čeradle. Ztráty jsou tvořeny hlavně třením, ohybem roudu a také změnou růřezu. Tyto ztráty jsou úměrné druhé mocnině rychlosti nebo růtoku a na obr. 3.9 jsou vyznačeny arabolou O. Další ztráty vznikají rázem vodního roudu, kdyţ není dodrţen směr vtoku roudu ve shodě se vtokovými úhly loatek. Tyto ztráty jsou tím větší, čím více se bude lišit růtok v čeradle Q od růtoku jmenovitého Q n, ro který byly stanoveny úhly loatek. Tyto ztráty se dají rovněţ aroximovat arabolou a na obr. 3.7 je to arabola označená P. Po odečtení araboly O a P od římky L A dostaneme charakteristiku čeradla H. u V očátečním bodě M skutečná charakteristika H má velikost řibliţně H0, rotoţe. g ři nulovém růtoku se voda otáčí s oběţným kolem a má kinetickou energii úměrnou rychlostní výšce. Skutečná charakteristika odstředivého čeradla ři čerání vody ro n = konst. se stanoví zravidla měřením na zkušebně výrobního závodu obr. 3.1A. Charakteristika bývá dolněna křivkou říkonu P =f(q), celkové účinnosti η = f(q), a někdy také měrnou kavitační energií Δy = f(q). Kdyţ se do grafu charakteristiky čeradla nakreslí i charakteristika otrubí, coţ je arabola, získá se růtok dodávaný čeradlem v rovozním bodě i velikosti ostatních veličin čeradla H, P, η, Δy.

54 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 54 Obr. 3.1 Skutečná charakteristika odstředivého radiálního čeradla A ři čerání vody ro n= konst, B ři čerání susenze, C ři čerání vody a roměnných otáčkách, D ři čerání vody a roměnném růměru oběžného kola Snahou rovozovatele čeradla musí být skutečnost, aby rovozní bod leţel v oblasti maximální celkové účinnosti čeradla obr. 3.1A. Na obr. 3.1C je charakteristika čeradla ři roměnných otáčkách, na obr. 3.1D ři roměnném růměru oběţného kola a n = konst. Na obr. 3.1B je uvedena ro srovnání i charakteristika kalového čeradla ři čerání susenzí, její odrobný ois je uveden v dalším textu.

55 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická Charakteristika kalového čeradla ři čerání susenze Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat soluráci odstředivého čeradla a otrubí ři čerání susenzí Přeočítat char. čeradla změřenou ro vodu na char. ři čerání susenzí Výklad Všechny oznatky uvedené ro čerání čistých kaalin vody ochoitelně latí i ro čerání susenzí, sloţitější je ovšem stanovení charakteristiky kalového čeradla. Susenze má větší hustotu v orovnání s vodou, evné částice se v susenzi chovají asivně, v důsledku čehoţ jsou ři roudění susenze větší ztráty neţ ři roudění vody. Prakticky ţádný výrobce těchto čeradel nemá k disozici zkušebnu na které by mohl měřit charakteristiku kaţdého vyrobeného kalového čeradla ři čerání susenzí o různých koncentracích nebo susenzí tvořených různými materiály charakterizované křivkou zrnitosti, říadně středním růměrem zrna d stř nebo d 50. Většina výrobců kalových čeradel roto uvádí ouze charakteristiku H = f(q) jako i ostatní důleţité závislosti P = f(q), η = f(q), Δy = f(q) ouze ři čerání čisté vody obr Z raktických důvodů vzniká otřeba řeočítat charakteristiky čeradla stanovené měřením ři čerání čisté vody na čerání susenzí. Je exerimentálně otvrzeno, ţe nelineární okles měrné energie a účinnosti čeradla souvisí s rostoucí koncentrací nebo téţ hustotou susenze, obě tyto veličiny u čerání susenze vzhledem k vodě rostou. U hydraulické doravy susenzí je nutné si uvědomit, ţe ojem doravní výška H nebo její změna ΔH je veličina vyjadřující měrnou energii ředanou čeradlem nebo sotřebovanou doravním systémem, vztaţenou na 1kg, vyjádřenou v metrech slouce této susenze o hustotě ρ s. Kdyţ energii čeradla vyjádříme jako energii tlakovou, otom mezi výškou a tlakem latí vztah s. g. H H. (3.3) Měrnou energii a doravní výškou latí známý vztah Y g. H [ J/kg ]. (3.4) U hydraulické doravy se tlakový sád ři roudění susenzí i s velmi často vyjadřuje (očítá) v [ m.v.sl./m ]. Tyto výše uvedené skutečnosti je zaotřebí si dobře uvědomit ři grafickém vyjádření charakteristiky čeradla a otrubí Hustota susenze je větší neţ voda ρ s > ρ v, okud budeme energii dodanou čeradlem susenzi vyjadřovat jako doravní výšku H, otom jsou dvě moţnosti v jakých jednotkách vyjádřit tuto doravní výšku čeradla. V rvním říadě lze výšku vyjádřit v metr slouce susenze [ m.sl. sus.], ve druhém říadě v metrech slouce vody [ m.v.sl.]. Samozřejmě místo výšky H můţe být ouţita měrná energie Y, tato má rozměr [ J/kg ], nebo doravní tlak d, tento má rozměr [ Pa ].

56 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 56 Obr Charakteristika otrubí a kalového čeradla ři n = konst. A výška H uvedena v metrech slouce susenze [ m.sl. sus. ] nebo jako měrná energie Y [ J/kg ] B výška uvedena v metrech vodního slouce [ m.v.sl. ]. Podle rovnice (3.4) je zvýšení tlaku dáno součinem hustoty susenze - ρ s a doravní výška čeradla (H ΔH) (ři doravě susenze sníţené oroti doravě vody). Oba vlivy ρ s i (H ΔH) mají oačnou tendenci, nedá se roto jednoznačně ředovědět, zda tlaková charakteristika čeradla Δ Q nebo Y Q bude leţet od nebo nad charakteristikou na čisté vodě. Protoţe celý roblém výrazně ovlivňují hydraulické ztráty, které jsou ři roudění větší neţ ři roudění čisté vody, dá se očekávat, ţe kdyţ výšku H vyjádříme v [ m.sl. sus.] obr. 3.13A, otom charakteristika kalového čeradla ři čerání susenze leţí od charakteristikou ři čerání vody, naoak ro výšku H vyjádřenou v [ m.v.sl.] obr. 3.13B, otom charakteristika kalového čeradla ři čerání susenze leţí nad charakteristikou ro čistou vodu. Oba zůsoby vyjádření rozměru výšky se ouţívají, vyjádření v [ m.v.sl.] je však četnější hlavně z toho důvodu, ţe většina autorů odle kterých se očítá tlaková ztráta třením ři roudění susenze je vyjádřena [ m.v.sl.].

57 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 57 Pro oba zůsoby vyjádření výšky latí, ţe závislost říkonu na objemovém růtoku P = f(q) ři čerání susenze leţí výkonové charakteristiky vţdy nad charakteristikou ři čerání čisté vody obr. 3.13, rozdíl mezi vodou a susenzí se zvětšuje s rostoucí hustotou susenze (ρ s > ρ v ) nebo s rostoucí koncentrací c v. U křivky účinnosti je tomu naoak, roudění susenze v oběţném kole čeradla je sojeno s většími ztrátami energie, roto křivka účinnosti - η = f(q) ro susenzi leţí od křivkou účinnosti ři roudění vody obr Stejná situace je i u kavitační derese Δy = f(q), tato je větší u susenze nebo jinak řečeno sací schonost ři roudění susenze je menší neţ ři roudění čisté vody obr.3.13 a klesá s rostoucí objemovou koncentrací nebo hustotou susenze. Charakteristika otrubí ři roudění čisté vody je arabola, ři roudění heterogenní susenze je charakteristika odle gravitační teorie (Velikanov) součet araboly a hyerboly obr. 3.14A jak je atrné z obrázku, charakteristika roto vykazuje minimum, které řísluší kritické rychlosti - [10]. Kalová čeradla je vhodné rovozovat v nadkritické oblasti, tedy vravo od minima. Homogenní susenze (nař. susenze vody a jemného ísku) nevykazují minimum, síše se blíţí arabole, která je ovšem strmější neţ ro čistou vodu obr. 3.14A. Obr Charakteristika otrubí a kalového čeradla A charakteristika otrubí ro vodu, homogenní i heterogenní susenzi B soluráce kalového čeradla a otrubí Na obr. 3.14B je schematicky uvedena charakteristika kalového čeradla a charakteristika otrubí, obě charakteristiky jsou uvedeny jak ro čerání vody tak i susenze. Při zahájení čerání je obvyklé, ţe otrubí je zalněno vodou a čeradlo rovněţ čerá vodu. Provozní bod tedy leţí v bodě 1, jakmile začne kalové čeradlo čerat susenzi, otom se rovozní bod osune o charakteristice otrubí ro čistou vodu do bodu na charakteristiku kalového čeradla ro čerání susenze. Kdyţ se celé doravní otrubí zalní susenzí, otom se rovozní bod řesune o charakteristice kalového čeradla ři čerání susenze do bodu 3. Jakmile nastane situace, ţe kalové čeradlo začne čerat čistou vodu (nař. ři rolachování otrubí), otom se rovozní bod čeradla řesune o charakteristice otrubí ři roudění susenze do bodu 4. Na konci čerání je nutné doravní otrubí roláchnout čistou vodou, aby o skončení čerání nebyla v otrubí susenze, ale ouze čistá voda. V oačném říadě hrozí nebezečí ucání otrubí. Potrubí, ve kterém roudila susenze se ostuně nalňuje čistou vodou a rovozní bod čeradla se řesouvá o charakteristice čeradla ři roudění vody zět do bodu 1. Z ředchozího výkladu je atrné, ţe ři čerání susenzí nemá kalové čeradlo ouze jeden rovozní bod jako u čerání čisté vody, ale existuje jistá racovní oblast daná čtyřúhelníkem 1,, 3, 4, ve kterém se racovní bod nachází, tato skutečnost je dobře atrná z obr. 3.14B.

58 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 58 Pokud nebudeme uvaţovat řechodný stav (tj. lnění otrubí susenzí nebo rolachování otrubí vodou), otom odle obr leţí rovozní bod kalového čeradla na křivce 1-3. Charakteristika čeradla je na obr dolněna o závislost P= f(q), rovozní bod se v tomto říadě bude ohybovat na křivce 1-3. Obr Charakteristika otrubí a kalového čeradla ři čerání susenze A - výška H uvedena v metrech vodního slouce [m.v.sl.] B - výška H uvedena v metrech slouce susenze - [m.sl.sus.], nebo jako měrná energie - Y [ J/kg ] Přeočet charakteristiky kalového čeradla z vody na susenzi - z ředcházejícího výkladu vylývá, ţe ři rovozu kalového čeradla je zaotřebí jeho charakteristiku řeočítat z exerimentálně zjištěné charakteristiky ři čerání čisté vody. Tento řeočet vychází z dlouholetých exerimentálních rací a rovněţ rovozních zkušeností. U řeočtu nelze soléhat na jeho vysokou řesnost, je nutné si uvědomit, ţe do roblému vstuuje 6 nezávisle roměnných c v,,ρ s,d 50 nebo d stř, ty čeradla a druh doravovaného materiálu. Exaktní řešení roto řesahuje moţnosti současného oznání. Celý roblém je ještě komlikován sloţitým ohybem susenze v rostoru oběţného kola či sirály, kaalina je vazká a roudí turbulentně, částice materiálu se chovají asivně, mají menší rychlost neţ voda ( vzniká skluz), interakce mezi roudící vodou a částicemi je sloţitý fyzikální roblém. Při roudění susenzí vstuuje do roblému šest sil a to síla odorová, síla setrvačná a odstředivá, tíha, vztlaková a Magnusova síla, z těchto 6 sil lze definovat aţ 5 bezrozměrných odobnostních čísel. Sloţitost roudění susenzí ještě dolňuje skutečnost, ţe roudící částice nejsou koule ale mají velmi rozmanitý tvar. Měrná energie - odle [1,] existuje několik emirických rovnic, které definují korelaci mezi měrnou energií čeradla ři čerání vody a susenze. Z uváděných cca 10 rovnic vybírám dvě rovnice, která byla odvozena z exerimentů ři čerání susenze vody a ísku. Poměrný úbytek měrné energie je osán následující emirickou rovnicí, která latí ro měrné otáčky n q = (0 až 30) 1/min. odle některých autorů n q < 60 1/min. - [].

59 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 59,46 4 3, v s H r c n v q Re w v H v v. (3.5) nebo rovnici odle [1] H H cv V rovnicích značí :. Y u 3 Re w 3 11,8 s. 1 nq v - tlakové číslo ( ro radiální čeradla 1 1 c m - objemové číslo u1 w. d50 Rew - Reynoldsovo číslo sedimentace v ) (3.6) c m1 - meridiánová rychlost na vstuu do oběţného kola m/s c T = c v objemová doravní koncentrace za ohybu, rychlost částic je vzhledem ke skluzu menší neţ je rychlost vody. Při statickém měření c T > c v. 05 0,75 n q 333. n. Q. H 1/min. Pro výočet změny energie ři čerání susenzí uvádí lit. [,6] nomogramy. Účinnost - definujme bezrozměrnou účinnost v otimálním rovozním bodě jako oměr s r, (3.7) v nebo faktor sníţení účinnosti R 1 s 1 r. (3.8) v Pro R latí obecná funkční závislost R f cv,, v, cx, w. Odborná lit. uvádí exerimentálně získané výsledky této funkce. Pro ísek d 50 = 0, 6 mm a ro c v < 30% latí emirická rovnice - [] (3.9) v s 0,33 0,05. cv.rew Tato rovnice v log. souřadnicích je římka, rovnice dobře odovídá skutečnosti. Příkon - údajů o změně říkonu v otimálním bodě není v lit. mnoho údajů, uvádí se rovnice, která síše odovídá rovnici ro výočet říkonu ro dvě kaaliny rozdílné hustoty Ps s. (3.30) Pv v Kavitační derese v odborné lit. ouze Smoldyrev A.E. uvádí následující vztah y krs s. (3.31) ykrv v Není uvedeno ro jakou oblast je ykr definováno.

60 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická Charakteristika kalového čeradla ři konstantním říkonu ohonu Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat soluráci odstředivého čeradla a otrubí ři čerání susenzí Definovat soluráci čeradla ři roměnné délce doravního otrubí nebo ři konstantním říkonu motoru Výklad Obr Charakteristika kalového čeradla a otrubí v režimu P = konst. K ohonu kalových čeradel se nejčastěji uţívá el. motor, je-li oţadována změna otáček, otom se ouţívá el. motor s frekvenčním měničem. Pro ohon kalových čeradel u sacích bagrů se ouţívá salovací naftový motor. Sací bagry racují s různou délkou doravního otrubí, u délek krátkých můţe nastat situace, ţe charakteristika otrubí je lochá a rovozní bod odovídá říkonu, který je větší neţ je výkon salovacího motoru. V tomto říadě se salovací motor rovozuje ři n = konst., M k = konst. a P = konst. - [5].

61 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 61 Pro odvození charakteristiky čeradla za těchto odmínek orovnejme výkon salovacího motoru a kalového čeradla v. g. H. Q P M k. konst. (3.3) c Z této rovnice ro součin H.Q dostaneme M k.. c H. Q. g v konst. (3.33) Tato rovnice je rovnoosá hyerbola, grafickou interretaci uvádí obr Doravní výška je vynášena v [m.v.sl.]. Charakteristika otrubí rotíná charakteristiku čeradla ři čerání susenze v bodě, v tomto okamţiku je dosaţen max. výkon P salovacího motoru.v bodě se začíná charakteristika čeradla lámat a s rostoucím růtokem Q charakteristika kalového čeradla má hyerbolický růběh. Při čerání vody zlom na charakteristice čeradla nastává ři větších růtocích ρ s > ρ v. Pracovní oblast kalového čeradla je vymezena čtyřúhelníkem o vrcholech 1,, 3, 4, směr je roti hodinovým ručičkám. Na křivce P = f(q) od bodu ro výkon latí P = konst., tomuto teoretickému růběhu odovídá vodorovná římka, skutečný růběh říkonu můţe být mírně klesající čára jak uvádí obr Pracovní oblast z hlediska říkonu je vymezena čtyřúhelníkem o vrcholech 1,, 3, 4, směr je roti hodinovým ručičkám. Podobně je tomu i u účinnosti čeradla, racovní oblast je vymezena čtyřúhelníkem o vrcholech 1,, 3, 4, směr je však ve směru hodinových ručiček. Obr Charakteristika kalového čeradla a otrubí v režimu P = konst. A racovní oblast čeradla kde se kříží charakteristika čeradla ro susenzi s charakteristikou ro vodu B racovní oblast kalového čeradla vravo od místa křížení charakteristik čeradla Obr uvádí další dvě oblasti, ve kterých můţe racovat kalové čeradlo s konstatním říkonem. Pracovní oblast odle obr. 4.17A leţí rávě v oblasti, kde se kříţí charakteristika čeradla ři čerání susenze a vody, je vymezena body 1,, 3, 4, oblast tvoří dva trojúhelníky. Z hlediska délky doravního otrubí této oblasti řísluší kratší otrubí neţ je říad oisovaný odle obr Pokud se dále sníţí hydraulické odory, nař. zmenšením délky doravního otrubí v orovnání s říadem odle obr. 4.17A, otom se racovní oblast kalového čeradla osune směrem k větším růtokům obr. 5.17B, oblast je vymezena čtyřúhelníkem o vrcholech 1,, 3, 4, směr je však roti říadu dle obr. 4.15A oačný, tedy ve směru hodinových ručiček. Soluráce kalového čeradla s otrubím různé délky v reţimu P = konst., ři konstantní hustotě nebo koncentraci susenze uvádí obr, Charakteristika otrubí

62 3. Kalová čeradla odstředivá - Hydrodynamická 6 s rostoucí délkou se osouvá směrem nahoru, délka L 1 je největší, naoak délka L 6 je nejkratší. Provozní bod čeradla je ro nejkratší délku otrubí 6, s rostoucí délkou otrubí se ostuně řesouvá aţ do bodu. Charakteristika otrubí s délkou největší L 1 se s charakteristikou čeradla nerotíná, roto kalové čeradlo do tohoto otrubí nemůţe susenzi čerat. Otáčky čeradla s klesající délkou doravního otrubí rovněţ klesají rotoţe musí být slněna odmínka, ţe říkon čeradla je konstantní P = konst. Další odrobnost uvádí literatura nař. [5]. Obr Charakteristika kalového čeradla a otrubí v režimu P = konst. ro různou délku otrubí Shrnutí ojmů 1.. Rovnice kalového odstředivého čeradla je stejná jak ro čerání vody tak i susenze. Měrné otáčky definují odobnost i u kalových čeradel, ro čerání susenzí jsou výhodnější čeradla s radiálním oběžným kolem, jejich měrné otáčky jsou 15 až 30 1/min. Charakteristika otrubí ři čerání susenzí je závislá na granulometrii a koncentraci, roto soluráci kalového čeradla a otrubí je třeba věnovat náležitou ozornost. Při grafickém řešení soluráce čeradla s otrubím je třeba si uvědomit, v jakých jednotkách se bude vyjadřovat doravní výška a hydraulické ztráty ři roudění susenzí. Pokud je kalové čeradlo oháněno motorem s konstantním říkonem, je zaotřebí řihlédnout ke změně charakteristiky kalového čeradla. Pro řeočet charakteristiky čeradla ři čerání vody na susenzi jsou uvedeny emirické rovnice. Otázky Naište rovnici ro měrnou energii odstředivého kalového čeradla. Porovnejte charakteristiku čeradla ři čerání vody a susenze 3. Jak se měří charakteristika kalového odstředivého čeradla a jaké jsou možnosti řeočítat tuto charakteristiku z vody na susenzi

63 4. Pois a charakteristika kalových čeradel POPIS A CHARAKTERISTIKA KALOVÝCH ČERPADEL 4.1 Kalová čeradla ois a konstrukce Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Posat konstrukci kalových čeradel Definovat regulaci růtoku, soluráci a souštění kalových čeradel Definovat sací schonost kalových čeradel Výklad Odstředivá kalová čeradla často také označovaná jako čeradla bagrovací tvoří nejdůleţitější část technologického zařízení hydraulické doravy a vzhledem k jednoduché konstrukci, nenáročné obsluze a solehlivému rovozu se velmi často ouţívají. Zhotovují se obvykle jako jednostuňová, ve vertikálním i horizontálním rovedení, růtok aţ 5000m 3 /hod, měrná energie do 100 J/kg ( doravní výška do 10 m). Od běţných čeradel ro čisté kaaliny se liší materiálovým a robustnějším rovedením. Čerané susenze jsou z hlediska tvrdosti sykých materiálů velmi rozmanité a jsou tvořeny materiály nejrůznějších tvrdostí, ři čemţ tvrdost materiálu římo souvisí s ţivotností kalových čeradel a jejich materiálovým rovedení. Kalová čeradla rovedená z lastů jsou vhodná ro měkké materiály do zrnitosti 0,15 mm, čeradla ogumovaná jsou schona čerat materiály tvrdé, zaoblené i ostrohranné do velikosti částic aţ 4 mm. Pro čerání křemenného ísku nebo štěrku do zrnitosti cca 0 mm nebo i více se ouţívají kalová čeradla rovedená z tvrdé litiny nebo ze seciálních ocelolitin na bázi manganu, niklu a chromu, další odrobnosti uvádí nař. lit.[10]. Konstrukce kalového čeradla je dobře atrná z obr tento uvádí rozloţené čeradlo s otevřeným oběţným kolem. Obr. 4.1 Kalové čeradlo rozložené fa Warman ty TC

64 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 64 Oběžné kolo se rovádí jako radiální, měrné otáčky obvykle n q = 15 až 30 1/min. Oběţné kolo, musí být u kalových čeradel vhodně uraveno. Musí mít dostatečně široké kanály, aby se umoţnil bezečný růchod materiálu. Vyznačuje se menším očtem loatek jedna aţ ěti, ojediněle je řešeno jako víceloatkové. Podle zrnitosti doravovaného materiálu a velikosti čeradla jsou oběţná kola konstruována v otevřeném, olouzavřeném a uzavřeném rovedení. Několik variant řešení oběţného kola uvádí obr. 4. a obr Oběţná kola kalových čeradel jsou vzhledem nízkým měrným otáčkám konstruována jako kola radiální s nezborcenou (válcovou) lochou loatek, ro zlešení sací schonosti se však radiální kolo ouţívá i se zborcenými loatkami. Oběţné kolo odle obr. 4.A je označované jako vírové kolo (tzv. ty TURO) - [1], kolo je otevřené, rotoţe sběrný rstenec je axiálně osunutý, umoţňuje ři čerání susenzí růchod velkých částic materiálu mimo oběţné kolo. Vyznačuje se menší hydraulickou účinností, je odolné roti ootřebení, rotoţe doravované částice ve vířivém ohybu většinou míjejí kanály oběţného kola. Jednoloatkové (jednokanálové) uzavřené kolo odle obr. 4.B má velký růchodný růřez, je tedy vhodné ro čerání susenzí s velkými částicemi materiálu, vstuní hrana loatky je zaoblena a vyhlazena, roto můţe čerat i vláknité materiály. Dvouloatkové kolo odle obr. 4.C je vhodné ro čerání jemnozrnných susenzí nař. strusky a oílku. Otevřené kolo se čtyřmi loatkami - obr. 4.D je vhodné ro čerání kašovitých susenzí. Oběţné kolo s ejektorovými kanály obr. 4.E je vhodné ro kašovité silně rolyněné susenze, nař. aírovinu. V ojedinělých říadech se ro kalová čeradla ouţívají oběţná kola šroubová. Vybraná řešení oběţných kol kalových čeradel uvádí ob Obr. 4. Tvary oběžných kol kalových čeradel [1,6] Obr. 4.3 Vybraná řešení oběžných kol kalových čeradel Oběţná kola u kalových čeradel mají šířku kanálu obvykle větší neţ kolo ro čerání čistých kaalin, šířka se volí s řihlédnutím k maximálnímu růměru doravovaných částic materiálu. Zvětšená šířka kanálu je v rotikladu s účinností i sací schoností, roto celková účinnost kalových čeradel je v důsledku širšího kanálu obvykle menší než u otimálně navrţeného kola ři čerání vody, říkon a měrná kavitační energie (NPSH) je naoak větší.

65 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 65 Materiálové rovedení oběţných kol musí resektovat skutečnost, ţe oběţná kola jsou abrazí silně oškozována, coţ je důsledkem vysokých rychlostí materiálu v samotném oběţném kole a také na výstuu z kola, které dosahují 50m/s i více. Podle exerimentů je ootřebení úměrné třetí mocnině rychlosti materiálu, roto vhodné materiálové řešení oběţného kola řisívá výrazně k celkové ţivotnosti kalového čeradla. Exerimenty otvrzují, ţe u oběţného kola se nejvíce ootřebovávají loatka na výstuu z oběţného kola, aby se taková kola dala oravit, je vhodné volit takové oceli, které umoţňují rovedení oravy navařením říadně i tvrdokovů obr Oběţná kola se roto nejčastěji z hotovují z ocelolitiny z větším obsahem chromu a niklu, ro jemnozrnné susenze jsou výhodná oběţná kola ogumovaná [10]. Při návrhu oběţného kola je třeba volit vhodné sojení kola s hřídelí, ro malá čeradle vyhoví uloţení na ero a dráţku, říadně ero a dráţka na kuţelovém čeu. Oběţná kola větších růměrů se sojují s hřídelí omocí lichoběţníkového nebo obdélníkového závitu. Obr. 4.4 Oběžné kolo čer.00 NUD detail ootřebení loatky na výstuu fa Sigma Sirála - kalová čeradla se aţ na vyjímky vyrábějí jako jednostuňová, roto jsou vybavena sirálou, moţná řešení sirály uvádí obr Nos sirály se dělá s ohledem na sinou abrazi zakulacený, mezera mezi nosem a oběţným kolem ro zlešení růchodnosti doravovaného materiálu je oroti běţným čeradlům zvětšená. Obr. 4.5 Provedení sirály u kalových čeradel A klasická sirála, B - seudocentrická, C centrická

66 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 66 U kalových čeradel vedle klasické sirály obr. 4.5A se ouţívá i sirála seudocentrická nebo centrická obr. 4.5B,C. Průřez sirály obdélníkový nebo kruhový se ouţívá u čeradel na čistou vodu, naoak sirála lichoběţníková nebo lichoběţníková rohnutá je ouţívána u kalových čeradel hlavně z toho důvodu, ţe je sníţená abraze sirály obr [,6]. Materiálové rovedení sirály vzhledem k velké abrazi je raktiky stejné jako o oběţných kol. Konstrukční řešení sirály i samotného čeradla musí umoţňovat snadnou montáţ a demontáţ. Tento oţadavek vylývá z nutnosti časté výměny ootřebovaných dílů čeradla. Aby se urychlila výměna oběţného kola, vyrábějí se jednostuňová čeradla s vertikálně dělenou sirální skříní. U velkých tyů čeradel je sirálová skříň sojena šrouby (nař. u čeradla 50 NBA), u malých čeradel se ouţívá různých rychlouzávěrů. ři dvoustuňových čeradlech se oţaduje, aby čeradlo bylo horizontálně děleno s výtlačným i sacím hrdlem na sodní části. Pro snadnější naojení výtlačného otrubí, nebo ři sériovém řazení kalových čeradel je výhodné, dá-li se sirála otočit okolo vodorovné osy obr [6]. Obr. 4.6 Výtlačného hrdla a sériové řazení u kalových čeradel A dvě možnosti sériového řazení kalových čeradel B možné úravy výtlačného hrdla kalových čeradel Ucávka - bývá nejčastěji řešena s měkkým těsněním lojovou šňůrou s rolachováním čistou vodou, tím je zaručena dlouhá ţivotnost a dobrá těsnost ucávky obr. 4.7 A,B,C. Měkké ucávky jsou rovedeny z letených kononých rovazců slisovaných do čtverce, často jsou rovazce nauštěny tukem, olejem a od. Tyto rovazce jsou šroubem a brýlemi stlačeny v těsnící mezeře, měkká ucávka můţe být v rovedení jako uzavřená, odváděná, smáčená nebo rolachovaná. Zdroj čisté vody musí mít ochoitelně větší tlak neţ je doravní tlak bagrovacího čeradla. Pouţívají se rovněţ mechanické ucávky nejrůznějších rovedení. Zvláštní ozornost si zaslouţí ucávky u sériově řazených čeradel sojených sériově v jednom místě, rotoţe kaţdé další čeradlo v sériové řadě má ucávku namáhanou dvojnásobným tlakem. Pro řetlaky do 1, MPa se ouţívají také manţetové ucávky (tzv. Gufera) mazaná olejem obr. 4.7D. Konstrukcí ucávek je velké mnoţství, zajímavá řešení ouţívá nař. fa Wilfley.

67 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 67 Obr. 4.7 Příklady rovedení ucávky u kalových čeradel - [6,7,8] A,B měkká ucávka, všechna voda z ucávky odchází do čeradla; B měkká ucávka, část vody z ucávky odchází do čeradla; D ucávka s těsněním omocí Gufera - [1] Síly na oběžném kole čeradla nesymetrické hydrodynamické zatíţení oběţného kola, coţ je ro kalová čeradla tyické vyvolává vznik sil, které na kolo ůsobí, tyto síly mají radiální tak i axiální směr. Protoţe v růtočných kanálech dochází k ulsacím rychlosti a roto i tlaku, jsou hydrodynamické síly ůsobící na oběţné kolo eriodicky roměnné. Periodičnost těchto sil je vázána na otáčky čeradla a také na interakci loatkových mříţí oběţného i rozváděcího kola. Časové změny těchto sil jsou říčinou vibrací a hlučnosti čeradel. Poněvadţ rozloţení tlaku na obou discích oběţného kola není stejné obr. 4.8, vzniká axiální síla, která musí být zachycena ve vhodném axiálním loţisku. Vhodnou volbou těsnící sáry a usořádáním oběţných kol se tato síla dá výrazně sníţit. Na oběţném kole vzniká radiální síla také z důvodu ohybu meridiánové rychlosti z axiálního do radiálního směru. Obr. 4.8 Vznik axiální síly u radiálního oběžného kola

68 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 68 Měrné otáčky - ro většinu kalových čeradel je charakteristický menší očet secifických otáček oběţného kola neţ u běţných odstředivých čeradel, secifické otáčky se ohybují v intervalu n q = (15 30) 1/min, vyjímečně do n q = 60 1/min. V orovnání s běţnými odstředivými čeradly na čistou vodu racují bagrovací čeradla s účinností o 10 až 0% niţší. Tento rozdíl se za rovozu v důsledku abraze ještě dále zvětšuje, rotoţe dochází ke zvětšení objemových ztrát, účinnost se sniţuje s rostoucí objemovou koncentraci nebo hustotou susenze Materiálové rovedení z rovozního hlediska se kladou na konstrukci kalových (bagrovacích) čeradel tyto oţadavky : zajištění maximální ţivotnosti čeradla, snadná montáţ a demontáţ a minimální rozměry a hmotnost. Ve většině říadů se doravuje čeradlem abrazivní materiál, který zůsobuje značné ootřebení funkčních částí čeradla. Nejvíce trí oběţné kolo, sirála a těsnící lochy, roto mají být tyto části vyrobeny z kvalitních otěruvzdorných materiálů a řizůsobeny snadné výměně. U čeradel menších tyů se z otěruvzdorných materiálů zhotovuje celá hydraulická část čeradla. Větší tyy čeradel se vyrábějí z běţných materiálů, ouze části odléhající abrazi a erozi, jako sací nátrubek, ouzdro ucávky, sirála, těsnící kruhy a oběţné kolo, se zhotovují z otěruvzdorného materiálu - tzv. dvoulášťové rovedení. Jako výhodné se jeví okrytí funkčních části čeradla ryţí, v tomto říadě by neměla obvodová rychlost oběţného kola řekročit hodnotu 5 m/s a růměr doravovaných částic menší neţ 1,5 mm. V současné době se běţně vyrábějí kalová (bagrovací) čeradla o výtlačné výšce 0 aţ 10 metrů na jeden stueň, ři objemovém růtoku 1 aţ 50 m 3 /min. i více. 4. Regulace růtoku u kalových čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat regulaci růtoku škrcením, tato není vhodná ro čerání susenzí Definovat regulaci růtoku změnou otáček, tato je vhodná ro roudění susenzí Výklad Tento roblém je v technické raxi velmi častý a důleţitý. Provozní bod daný charakteristikou čeradla a charakteristikou otrubí nemusí vţdy slňovat odmínku, ţe růtok v čeradle je stejný jako růtok oţadovaný. Proto i u kalových čeradel se musí rovádět regulace růtoku, tato je obvykle rovádí následujícím zůsobem: Regulace změnou otáček čeradla - změníme-li otáčky z ůvodních n 1 na n nebo dále na n 3 otom se změní i rychlostní trojúhelník u oběţného kola a tím i obvodová rychlost a v jejím důsledku i charakteristika čeradla, charakteristika čeradla ři niţších otáčkách leţí vţdy od charakteristikou čeradla ři vyšších otáčkách. Na obr. 4.9 jsou uvedeny tři charakteristiky čeradla ro troje různé otáčky, změna růtoku činí ΔQ = Q 1 Q 3.

69 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 69 Při čerání vody charakteristika otrubí je arabola, tato se rotíná ve třech bodech 1, a 3 s charakteristikou čeradla, ři nejvyšších otáčkách n 1 je růtok Q 1, tento se sniţováním otáček klesá, ro nejniţší otáčky n 3 dosahuje růtok velikosti Q 3, změna otáček čeradla tedy vyvolá změnu růtoku obr. 4.9 A. Obr. 4.9 Změna charakteristiky kalového čeradla ři změně otáček ro Cv = konst. A ři čerání vody, B ři čerání susenze Při roudění susenze je situace odobná, ouze charakteristika otrubí je křivka, která vznikla jako součet araboly a hyerboly, roto charakteristika otrubí vykazuje minimum, tomuto minimu odovídá minimální rychlost, často také nazývaná jako rychlost kritická - v kr. Jak jiţ bylo dříve uvedeno, čerací systém se musí rovozovat s rychlostí větší neţ je rychlost kritická, rovozní bod musí tedy leţet vravo od v kr obr. 4.9B. Při roudění susenze má char. otrubí ři c v = konst. minimum a můţe nastat mezní říad, kdy se charakteristika kalového čeradla dotkne char. otrubí v jednom bodě, jak je vyznačeno na obr. 4.9B. V tomto říadě je susenze čerána ři kritické rychlosti - v kr, dalším sniţováním otáček čeradla by byl rovoz hydraulické doravy rovozován v tzv. odkritické oblasti, coţ se vzhledem k moţnosti ucání otrubí nedooručuje. Pokud bude koncentrace susenze c v = konst., otom rovozní bod čeradla ři změně otáček n 1 až n 3 leţí mezi body 4 až 6, v říadě, ţe koncentrace susenze nebude konstantní a bude se měnit od nuly o c v, otom racovní bod čeradla leţí v oblasti omezené body 1,, 3, 4, 5 a 6. Na obr je uvedena charakteristika kalového čeradla ři změně otáček ro tři rozdílné koncentrace čerané susenze Cv = 0,1; 0, a 0,3. Pracovní bod se za těchto odmínek bude ohybovat v oblasti vymezené body 1 až 7. Charakteristika otrubí ři nejvyšší Cv = 0,3 se dotýká charakteristika čeradla ři otáčkách čeradla sníţených na 50%, roto bod 7 vytváří zlom na racovní oblasti čeradla. Při otáčkách sníţených na 50%, můţe kalové čeradlo doravovat susenzi ouze s koncentrací Cv = 0,, ři čemţ je slněna odmínka, ţe rychlost susenze je větší neţ je rychlost kritická. Na obrázku je také vymezená oblast výkonu, která odovídá ráci kalového čeradla v oblasti Y = f(q, Cv). Křivka účinnosti a měrné kavitační energie není na obr.4.10 uvedena, dá se však z ředcházejícího textu snadno definovat. Pro odstředivá čeradla ři změně otáček latí tzv. afinní vztahy, ři jejich odvození vyjdeme z oměru obvodových rychlostí u u n n c c 1 1 1u. (4.1) u

70 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 70 Obr Změna charakteristiky kalového čeradla ři změně otáček a objemové koncentrace Cv Pro oměr růtoků, doravní výšky, říkonu, kroutícího momentu a oměru otáček latí Q1 n1 H ; 1 n 1 P 1 n 1 M k1 n1 Q n ; H n ; P n. (4.) M k n Toto jsou tzv. afinní vztahy, omocí kterých se dají s jistou řesností řeočítat základní arametry čeradla ři změně otáček. Regulace růtoku škrcením tato regulace ředokládá, ţe na výtlaku čeradla je regulační armatura (nař. šouátko), jejím řivíráním se zvětšuje hydraulický odor, dochází ke změně charakteristiky otrubí, tato se stává strmější. Při konstantních otáčkách čeradla se řemísťuje racovní bod doleva ( z bodu 1 do bodu ), coţ vyvolá změnu růtoku. Doravní výška se zvětšuje víc, neţ vyţaduje otrubní systém. V armatuře se tento řebytek výšky (tlaku) maří jako ztráta. Obr ukazuje regulaci škrcením ouze ři čerání vody. Při sníţeném růtoku oklesne oněkud říkon čeradla obr Tato regulace je velmi jednoduchá, roto se často ouţívá, je však energeticky nevýhodná, její ouţití se rakticky omezuje ouze na malé výkony čeradel ři čerání vody. Pro kalová čeradla není tato regulace vhodná, regulační armatura má vzhledem k velkému ootřebení ři roudění susenze malou ţivotnost. 3

71 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 71 Obr Regulace odstředivého čeradla škrcením Regulace růtoku změnou růměru oběžného kola oběţné kolo odstředivého čeradla se obvykle vyrábí (odlévají) s max. růměrem. Má-li čeradlo s tímto kolem velký růtok, otom se u oběţného kola soustruţením jeho růměr sníţí tak, aby slňoval odmínku oţadovaného růtoku - obr. 4.1 ři n = konst. Tato úrava se však dá rovést ouze jedenkrát řed smontováním čeradla. Zmenšením růměru oběţného kola se neatrně sníţí celková účinnost čeradla, naoak se můţe zvýšit ţivotnost oběţného kola jako důsledek sníţení obvodové rychlosti u. Zmenšení růměru oběţného kola se nedooručuje více jako max. 0% z největšího růměru. Obr. 4.1 uvádí čtyři moţné varianty zmenšení růměru oběţného kola, nejčastěji se rovádí varianta odle obr. 4.1 D. Obr. 4.1 Charakteristika kalového čeradla ři změna růtoku růměru oběžného kola A lné kolo, B zmenšený růměr kola jen u loatek, C zmenšený růměr kola a jednoho disku, D zmenšený růměr kola i obou disků

72 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 7 Na obr je uvedena charakteristika kalového čeradla ři čerání susenze ři zmenšení oběţného kola čeradla a to ro tři koncentrace čerané susenze. Pracovní oblast je vymezena lochou definovanou vrcholy 1 až 5. Pro zmenšený růměr oběţného kola D je moţné čerat susenzi ouze s koncentrací C v = 0, a menší. Podobně je na obr definována oblast výkonu ři čerání susenze. Pro oměr růměrů oběţného kola a arametry čeradla latí odobné afinní vztahy jako ři regulaci změnou otáček čeradla, latí roto rovnice D1 Q 1 D, 1 H1 D Q D H, 3 D 1 D P1. (4.3) P Obr Charakteristika kalového čeradla ři změna růtoku růměru oběžného kola ro tři objemové koncentrace C v = 0,1 0, a 0,3 a dva růměry oběžného kola D 1 > D 4.3 Řazení čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Řadit kalová čeradla do série nebo aralelně Definovat jejich součtovou charakteristiku Výklad

73 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 73 a) aralelní soluráce čeradel Při aralelním řazení kalových čeradel (vedle sebe) se sčítají jejich růtoky ři konst. tlaku (výšce nebo měrné energii). Charakteristika aralelně racujících čeradel se získá sečtením říslušných růtoků ři stejné doravní výšce. Obr Paralelní řazení dvou čeradel se stejnou charakteristikou b) sériová soluráce čeradel Obr Sériové řazení dvou čeradel se stejnou charakteristikou Čára tlaku A čeradla na začátku trasy, B čeradla od sebe vzdálená

74 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 74 Prakticky se dá aralelně řadit několik odstředivých čeradel i s rozdílnou charakteristikou, nejčastěji jsou však řazena aralelně dvě čeradla s charakteristikou stejnou. obr Dvě stejná čeradla o charakteristikách C 1 = C o sečtení řejdou na solečnou charakteristiku C 1 + C, rovozní bod ři čerání vody leţí vravo od rovozního bodu ro susenzi, tzn., ţe čeraný růtok susenze je menší neţ čeraný růtok vody a osouvá se směrem k ose Y úměrně s rostoucí koncentrací susenze. Protoţe s rostoucím růtokem rostou kvadraticky i ztráty, roto ři aralelním reţimu se nedá očekávat, ţe nař. u dvou aralelně racujících čeradel bude i dvojnásobný růtok, tento je vţdy menší jak ukazuje obr Paralelní řazení čeradel je výhodné ři loché charakteristice otrubí, dobře se řizůsobuje oţadavkům otrubního systému, má i dobrou celkovou účinnost zařízeni, rovozně je zařízení solehlivé. Při sériovém řazení čeradel (za sebou) se sčítají jejich doravní výšky (tlaky nebo měrné energie) ři stejném růtoku Q obr Je třeba si uvědomit, ţe následující čeradlo má na sání tlak, který je roven výtlačnému tlaku čeradla ředchozího, na tento tlak musí být dimenzována ucávka, skříň druhého čeradla je namáhána rakticky dvojnásobným tlakem. Sériové řazení se ouţívá jak ro zvýšení růtoku tak i tlaku, tato skutečnost je zřejmá z obr I zde latí, ţe se dají sériově řadit čeradla s rozdílnou charakteristikou, nejčastěji se však řadí čeradla s charakteristikou stejnou. Sériové řazení čeradel zvyšuje stabilitu ři variabilních stavech čeracího zařízení. Podle obr ři čerání vody rovozní bod 1 leţí vravo od rovozního bodu 1 ři čerání susenze. Obr neukazuje změnu charakteristiky kalového čeradla ři změně objemové koncentrace susenze C v, řešení ro takový říad se odle ředcházejícího textu dá snadno odvodit. Při čerání susenzí se sériové řazení čeradel často ouţívá. V říadě, ţe kalová čeradla jsou umístěna v jedné čerací stanici, otom čára tlaku je na obr. 4.15A, druhé čeradlo i jeho ucávka je v tomto říadě namáhána dvojnásobným tlakem. Jednoduchá je situace, kdyţ kalová čeradla jsou rozmístěna o trase doravního otrubí, otom není ucávka i evnost skříně ţádným roblémem, čára tlaku je uvedena na obr. 4.15B. Sériové řazení čeradel v jedné čerací stanicí i řes výše citované roblémy se v rovozech často ouţívá, říkladem je obr. 4.16, kde je uvedeno řazení tří nebo sedmi kalových čeradel. Obr Seriové řazení kalových čeradel f. Warman Levý obr. Tři čeradla ty ASH x0, Q = 3600 až 5000 m 3 /hod., H = 1 31 m, P = 750kW, regulace otáček Pravý obr. Sedm čeradel ty AH, Q = 930 m 3 /hod.,h = 55 m, P = 315 kw, n = 740 1/min.

75 4. Pois a charakteristika kalových čeradel Sací schonost a kavitace v čeradle Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Co je kavitace a jaká význam má měrná kavitační energie Definovat rovnici ro sací výšku kalového čeradla Výklad Pro sací otrubí čeradla odle obr.4.17 naíšeme Bernoulliho rovnici mezi hladinou v sací nádrţi a sacím hrdlem (řírubou) čeradla 0 s cs ghs hzs. Kaalina u hydrodynamického čeradla nejdříve vstuuje do sacího hrdla a ak roudí k loatkám oběţného kola. Tlak řed vstuem do oběţného kola bude menší o ztrátu Δ 1 s, kde 1 - tlak na vstuní hraně loatky oběţného kola, s - tlak v místě sacího hrdla, zde se u reálných čeradel dá tlak změřit. c s - rychlost kaaliny v sacím otrubí viz obr..7 Obr Schéma sacího otrubí u odstředivého čeradla

76 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 76 Poklesne-li tlak 1 na hodnotu tlaku nasycených ar n dochází k odařování kaaliny a vznikají arní bublinky. Tyto jsou okolní roudící kaalinou unášeny dále do čeradla do oblasti vyššího tlaku, zde arní bublinky náhle zanikají. Kdyţ zánik bublinky je v blízkosti ovrchu součástí čeradla (nař. loatky oběţného kola), otom do zaniklé bublinky roudí voda vysokou rychlostí, coţ vyvolá stounutí tlaku (totální hydraulický ráz) a v jeho důsledku dojde v materiálu čeradla k jeho namáhání, které nakonec vede aţ k jeho oškození. Tento jev se nazývá kavitace, ři kterém vedle oškození materiálu vznikají i zvukové efekty. Měřítkem vzniku kavitace je kavitační derese Δy, která lyne z Bernoulliho rovnice sané ro hladinu v sací nádrţi (index 0) a vstu do oběţného kola (index 1) 0 1 cs ghs hzs, označíme c y s, otom se Bernoulliho rovnice uraví 0 1 y gh s h zs. (4.4) Aby v čeradle nevznikla kavitace, otom ro tlak v bodě 1 na hraně loatky a ro tlak nasycených ar n, musí latit nerovnost 1 n. Tlak nasycených ar je u kaalin závislý na telotě, ro vodu lze jeho velikost zjistit z arních tabulek. Definujeme-li kritickou hodnotu měrné kavitační energie (kavitační derese) rovnice (4.4) se uraví 1 0 ykrit ghs h odkud ro kritickou sací výšku zs, ykrit, otom 0 n ykrit hskrit hzs. (4.5). g g Veličina ykrit se také nazývá čistá sací měrná energie, dynamická derese, nebo kavitační rezerva, v anglické literatuře Net ositive suction head NPSH - [1]. Pro dovolenou sací výšku odle ředcházejících úvah latí 0 n ydov 0 n hsdov hzs hdov hzs, (4.6). g g ydov kde zlomek hdov je dovolená kavitační výška [ m ]. g Energetická rezerva je v sacím kanále nutná ke krytí hydrodynamických ztrát v řívodních kanálech čeradla a ztrát na vstuu do oběţného kola. Při bez kavitačním rovozu čeradla musí být v místě 1 ohroţeném kavitací tlak 1 n. Aby nedocházelo ři rovozu ke kavitaci v čeradle, volí se dovolené hodnoty kavitační derese y 1,15.. (4.7) D y krit

77 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 77 Obr Tlakové oměry v sacím otrubí ři kladné ositivní sací výšce Vyočtená sací výška h s vyjde buď kladná - ositivní obr. 4.18, otom čeradlo kaalinu nasává a je umístěno nad hladinou v sací nádrţi, nebo je h s záorné - negativní (nátok) obr. 4.18, v tomto říadě je čeradlo umístěno níţe neţ je hladina v sací nádrţi. Čeradlo v tomto říadě racuje s nátokem, takové říady se často vyskytují u kalových čeradel a ři čerání telých nebo těkavých kaalin. V čeradle rovozovaném v kavitačním reţimu dochází k oklesu měrné energie Y. Pokles Y o 1% je směrodatný ro vyhodnocování kritické kavitační derese. Někdy se kritický stav určuje odle oklesu účinnosti nebo vzrůstu říkonu. Změna η nebo P vlivem kavitace nebývá však tak jednoznačná jako změna Y. Výkonové arametry Y, P, η reagují na kavitaci aţ tehdy, kdyţ je v čeradle kavitací zasaţena celá vstuní hrana oběţné loatky. Kavitace u čeradel je také rovázena generováním hluku do okolí. Na obr. 4.0 je oběţné kolo čeradla oškozené kavitací. Obr Tlakové oměry v sacím otrubí ři záorné negativní (nátoku) sací výšce

78 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 78 Obr. 4.0 Oběžné kolo čeradla oškozené kavitací [11] Pro konstrukci a alikaci čeradel je významná vnitřní kavitační charakteristika (kavitační derese Δy ři kritické hodnotě), definované odle ČSN rovnicí y krit s cs n. (4.8) Hodnota ykrit je řevýšení energie nasávané kaaliny na vstuním hrdle čeradla nad velikostí tlakové energie nasycených ar čerané kaaliny n a nazývá se kritická hodnota kavitační derese obr Kavitační derese se zjišťuje měřením, odrobněji o tom bude ojednáno v ka. 5. Kavitační vlastnosti čeradel se v literatuře vyjadřují zobecněnou bezrozměrnou charakteristikou omocí Tomova vnitřního součinitele σ, který je definován oměrem y. (4.9) Y Obr. 4.1 Závislost měrné kavitační energie y f Q Tento součinitel závisí na arametrech čeradla Q, n, H, n s, v literatuře bývá uváděn emirickým vztahem ro čistou vodu ns, (4.10) kde σ 0 je konstanta velikosti σ 0 = (, až,) Kavitační ootřebení (itting) vzniká v místech zániku kavitačních bublin o určité tzv. inkubační době, která je závislá na stádiu kavitace. U očáteční kavitace se nevytváří souvislé kaverny, naoak u rozvinuté kavitace se tvoří kaverny, které se u suerkavitace rozšíří o celé délce loatky (v celém rostoru). Kavitační ootřebení je charakterizováno oškozením ovrchu a oddělováním částic materiálu v oblasti zániku kavitačních dutin (kaverny) - [1]. Kavitační ootřebení vzniká v důsledku následujících účinků:

79 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 79 a) mechanických ři zániku kavitačních bublin vzniká tlakový (hydraulický) ráz, tento je větší neţ je mikroevnost materiálu. Vznikají roto v materiálu trvalé deformace, vnitřní naětí, mikrotrhliny a únava materiálu, b) elektrických, c) teelných dochází k ohřevu ovrchové vrstvy materiálu, coţ vyvolá nutí v materiálu jako důsledek teelné dilatace. V současné době není znám materiál, který je absolutně odolný roti kavitačnímu ootřebení. 4.5 Souštění čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat souštění kalového čeradla do uzavřeného i otevřeného výtlaku Výklad a) uzavřený výtlak Obr. 4. Souštění odstředivého čeradla ři uzavřeném výtlaku Radiální čeradla s niţšími měrnými otáčkami, coţ je slněno i u kalových čeradel, u nichţ říkon i moment roste s rostoucím růtokem je výhodné souštět s uzavřeným

80 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 80 výtlakem. Zatěţováním čeradla otevíráním armatury na výtlaku roste růtok z Q = 0 aţ na Q 1. Postuné otevírání armatury (nař. šouátka) je na obr. 4. naznačeno řadou charakteristik otrubí P n až P 1. Souštění čeradla začíná s minimálním říkonem, který stejně jako růtok roste aţ na hodnotu Q 1, ři čemţ otáčky čeradla jsou konstantní. Souštění kalových čeradel osaným zůsobem je nutné rovádět ouze s čistou vodou. Pokud by se ři souštění čerala susenze, otom by uzavírací armatura byla oškozována abrazí a její ţivotnost by se výrazně sníţila. Při čerání hrubodiserzních susenzí by mohlo ři souštění kalového čeradla docházek i k ucání otrubí. b) souštění čeradla ři otevřeném výtlaku Jedná se o říad, kdy ve výtlačném řadu není ři rozběhu čeradla uzavírací armatura, ale rozbíhající se čeradlo začne čerat do výtlaku roti zětné klace, a ta se účinkem kaaliny samočinně otevírá, ři čemţ výtlačné otrubí je nalněno kaalinou Při rozběhu čeradla dochází k hydraulickému zatěţování odle charakteristiky otrubí, a to ro charakteristiku otrubí Y = 0 ihned od n = 0 - obr Pro otrubní řad, u něhoţ je Y st > 0 ( h g > 0) je čeraný růtok stále nulový aţ do okamţiku, kdy ří otáčkách n je dosaţeno, ţe Y > Y st charakteristika C. Od tohoto okamţiku s rostoucími otáčkami čeradla roste i růtok, aţ do okamţiku kdy nastane ustálený stav s růtokem Q 0 a n 0 = konst. Kdyţ výtlačné otrubí ři souštění nebude zalněno kaalinou, otom charakteristika čeradla je římka rovnoběţná s osou růtoku Q, která se s řibývajícím zalněním vodou mění na arabolu. Doravovaný růtok čeradlem můţe být i několikrát větší neţ růtok nominální, tato skutečnost se můţe rojevovat nestabilitami v sacím otrubí. Protoţe takové souštění netrvá dlouho, nehrozí nebezečí oškození čeradla nebo řetíţení elektromotoru [1]. Obr. 4.3 Provozní body systému ři souštění s otevřeným výtlakem Pokud by se ři souštění čerala místo vody čerala susenze, otom by v systému začala susenze roudit od okamţiku, kdy ří otáčkách n je dosaţeno stavu, ţe se charakteristika čeradla C dotkne v bodě v kr charakteristiky otrubí ro susenzi růtok má velikost Q smin. Provozní bod se ostuně osouvá z bodu v kr řes bod 3 s do bodu 5 s, od tohoto okamţiku nastane ustálený stav s růtokem Q so a otáčkami n 0 = konst. Souštění ři otevřeném výtlaku se ouţívá i ři malých hodnotách Y st, a to u čeradel s vyššími měrnými otáčkami, kde výkon roste s klesajícím růtokem. Čeradlo se souští ouze zanutím motoru. Pro jednoduchost maniulace se tento zůsob souštění ouţívá i u menších radiálních čeradel s malým říkonem. Záběrový roud u elektromotoru je větší neţ ři souštění s uzavřeným výtlakem, oněvadţ kromě říkonu na urychlení

81 4. Pois a charakteristika kalových čeradel 81 rotoru se řenáší i hydraulický výkon. Elektromotory malých výkonů lze snadno na takové odmínky dimenzovat. Při rychlém rozběhu můţe vyvola časová změna růtoku nestability v systému, které mohou ovlivnit fázi zatěţování [1]. Shrnutí ojmů 1.3. Kalová odstředivá čeradla se velmi často oužívají ro čerání rakticky všech druhů susenzí, zvládají čerání i kusovitého materiálu. Čeradla se dají bez větších roblémů řadit sériově i aralelně, ro regulaci růtoku není vhodné oužívat regulaci škrcením, výhodnější je oužití regulace změnou otáček ohonu. Při návrhu čeradla je zaotřebí věnovat ozornost srávnému návrhu sací výšky a s tím je sojena i otázka vhodné volby a disozice sací jímky. Otázky Nakreslete charakteristiku čeradla ři regulaci růtoku ro vodu i susenzi. Nakreslete součtovou charakteristiku ři sériovém i aralelním řazení dvou čeradel

82 5. rovoz kalových čeradel 8 5. PROVOZ KALOVÝCH ČERPADEL 5.1 Čerací stanice Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Definovat vhodný tvar sací jímky a její naojení na sací otrubí čeradla Definovat měření charakteristiky a měrné kavitační energie čeradla Získáte řehled o kalových čeradlech a jejich konstrukci i alikaci Výklad Čerací stanice tvoří velmi důleţitou část technologického zařízení rovozu hydraulické doravy. Proto je zaotřebí jiţ ři zracování rojektu věnovat čerací stanici náleţitou ozornost. Půdorysné a výškové usořádání čerací stanice je vhodné volit vzhledem k rozměrům růmyslově vyráběných stavebních rvků (refabrikátů). Strojovna musí být vybavena vhodným zdvíhacím zařízením, které musí být dimenzováno se zřetelem k montáţi nejtěţšího celku. Čerací stanice je výhodné řešit tak, aby se zvedací zařízení dalo vyuţít ro skládání a nakládání různého zařízení z doravního rostředku, oř. na něj. Proto je výhodné zabezečit vjezd nákladního auta se strojním zařízením od dosah zvedacího zařízení. Čerací stanice můţe mít i vhodnou místnost ro obsluhu, do níţ je soustředěno dálkové ovládání a řízení čeracích agregátů. U kalových čeradel je třeba mít na zřeteli, ţe jejich ţivotnost je ve srovnání s ostatními čeradly malá, vznikají velké nároky na údrţbu. Protoţe části bagrovacího čeradla značně trí abrazí a musí se často vyměňovat, je nutné vybavit kaţdou čerací stanici rezervním kalovým čeradlem. Velikost rezervy bývá aţ 100% rovozních čeradel. Není-li k disozici zdroj tlakové vody ro rolachování ucávek a těsnících mezer bagrovacích čeradel, je třeba v čerací stanici ještě instalovat omocná čeradla ro tyto účely. Tvar jímky má vzhledem k oţadavku roudění bez vírů a bez řisávání vzduchu vliv na rozmístění čeradel v čerací stanici. Tvoření vírů můţe zůsobit řisávání vzduchu do čeradla a tím nastanou ulsace doravovaného růtoku a tlaku čerané susenze. Při čerání susenzí je ouţití ravoúhlých sacích nádrţí nevhodné, neboť v rozích se hromadí materiál, který zmenšuje uţitečný objem jímky. Kromě toho vzniká i nebezečí, ţe se nahromaděný materiál můţe sesunout k sacímu otrubí a ucat je, nebo můţe nastat velké kolísání objemové koncentrace se všemi neříznivými vlivy na rovoz doravy. Proto se sací jímky ro bagrovací čeradla navrhují tak, aby v jímce nebyly rostory, kde by se mohl hromadit doravovaný materiál. Jímky mají obyčejně šikmé dno, které je sádováno do rostoru, kde je umístěno sací otrubí. Aby se zajistilo solehlivé souštění čeradla, montují se do sacího rostoru různé trysky, kterými se usazený materiál u sacího otrubí řed suštěním čeradla rozvíří.

83 5. rovoz kalových čeradel 83 Výše uvedené důvody ovlivňují i umístění bagrovacích čeradel, která aţ na malé výjimky se vţdy navrhují s negativní sací výškou, tzn. hladina v jímce je za rovozu vţdy výše neţ je osa čeradla. Toto usořádání se říznivě rojevuje ři souštění čeradel, rotoţe je vţdy zaručeno zalnění čeradla vodou. Je-li čeradlo navrţeno s ozitivní sací výškou, zde se nedá ouţít nař. sací koš, coţ je běţné u čerání čisté vody, nejčastěji se zavodnění čeradla i sacího otrubí rovede omocí vývěvy. Objem sací jímky se stanovuje rozborem vodního okruhu. Zravidla se vychází z minimálního objemu, který zajišťuje solehlivý rovoz a odovídá oţadavku minimální výšky hladiny. Objem se ak zvětší se zřetelem k moţné oruše v řívodu do jímky a k oruše na bagrovacím čeradle. V rvním říadě je zvětšení objemu dáno růtočným mnoţstvím čeradla a časem otřebným k odstavení čeradla. Výška hladiny odovídající tomuto zvětšenému objemu jímky je výškou, ři níţ je celá hydraulická dorava rovozována. Druhý říad vyţaduje, aby objem jímky byl zvětšen o mnoţství, které je dáno řítokem do jímky a časem otřebným k zastavení řítoku. V říadě, kdy část nebo i celé doravní otrubí má sád směrem k čerací stanici a ři vzniku oruchy se jeho objem musí vyustit, je-li vyouštěný objem malý, otom se tento vyustí do rovozní jímky, v oačném říadě se buduje ještě jímka havarijní obr Při návrhu čerací stanice je třeba vhodně navrhnout i sací otrubí bagrovacích čeradel. Při čerání susenzí musí latit, ţe v s v kr,. Proto je u většiny bagrovacích čeradel růměr sacího a doravního otrubí stejný. Z rovozních důvodů není vhodné sojovat sací otrubí aralelně, neboť uzavírací armatury o určité době rovozu ztrácejí těsnost. Příklad klasického řešení jímky odle výše definovaných zása je na obr Obr. 5.1 Průchod sacího otrubí řes betonovou stěnu sací jímky 1- kalové čeradlo, armatura na sacím otrubí, 3 čistící T kus, 4 ryžová membrána oddělující sací otrubí od betonové stěny jímky, 5 výtlačné otrubí, 6 sací jímka Na sacím otrubí v těsné blízkosti sací říruby čeradla je vhodné zabudovat T kus oatřený rychlouzávěrem. Tímto otvorem se můţe oběţné kolo v říadě jeho ucání doravovaným materiálem vyčistit. Při rovozu kalového čeradla vznikají vibrace, které se řenese na sací otrubí. Prochází-li sací otrubí řes betonovou stěnu jímky, otom v důsledku chvění dochází k uvolnění betonu okolo sacího otrubí a tím k rosakování vody do čerací stanice. Přenos chvění se výrazně sníţí vloţením gumové membrány obr. 5.1, nebo gumového komensátoru do sacího otrubí. Do sacího otrubí je vhodné ještě zabudovat

84 5. rovoz kalových čeradel 84 uzavírací armaturu, aby se mohla rovést demontáţ čeradla bez vyouštění vody nebo susenze z jímky. Obr. 5. Schéma čerání kalovým čeradlem horizontálním A klasická nádrž, B nádrž kuželová Provedení jímek ři čerání susenzí je velmi rozmanité, obr.5.a uvádí nejrozšířenější rovedení betonové jímky a kalového čeradla s vodorovnou osou, na sací otrubí je T kus ro otřeby vyčistění říadně ucaného kalového čeradla. Jímka je hranatá, dno řechází ve válcovou část, do které je zaústěno sací otrubí. Toto usořádání je z hlediska sání velmi výhodné. Tangenciálně můţe být do válcové části jímky řivedena tlaková voda, touto se můţe materiál usazený na dně jímky rozvířit, suštění čeradla je otom snadnější. Na obr. 5.B je klasické řiojení sacího otrubí horizontálního čeradla na jímku rovedenou z ocelového lechu. Obr. 5.3 uvádí dvě varianty instalaci čeradla s vertikální osou do tzv. suché jímky. V tomto říadě se vertikální kalové čeradlo nachází od hladinou susenze, sání je naojeno na evné sací otrubí, rovněţ i výtlak. Toto řešení je neatrně náročnější na rostor, čeradlo můţe být běţné konstrukce, motor není třeba chránit roti vniknutí vody. Obr. 5.3 Schéma čerání kalovým vertikálním čeradlem čeradlo v suché jímce A el.motor nad hladinou, B el.motor od hladinou Na obr. 5.4A je kalové čeradlo situováno v tzv. mokré jímce. Toto usořádání šetří rostor, motor musí být náleţitě těsný a vhodně uravený ro ráci od vodou, jde hlavně o utěsnění rostoru mezi motorem a čeradlem. Motor můţe být nalněn olejem, který vedle mazání loţiska zlešuje i chlazení motoru. Ponorné čeradlo musí být zavěšeno na

85 5. rovoz kalových čeradel 85 vhodném zvedacím zařízení, aby se v říadě otřeby dalo snadno dalo vytáhnout nad hladinu. Přiojení onorného čeradla na výtlačné otrubí je rovedeno omocí seciálního zámku - závěsu, ten je roveden tak, aby ři suštění čeradla do jímky se toto automaticky řiojilo na výtlačné otrubí, kloný moment čeradla s motorem musí zajistit těsnost řiojení - [1]. Na obr. 5.4B je kalové čeradlo rovněţ situováno do mokré jímky, el.motor je však umístěn nad hladinou susenze. Obr. 5.4 Schéma čerání kalovým vertikálním čeradlem čeradlo v mokré jímce A el.motor od hladinou, B el.motor nad hladinou fa Warman ty SPR Obr. 5.5 Řez čerací stanicí ro hydraulické odstruskování 1 Kalové čeradlo, omocná čer. ro rolachován ucávek, 3 - armatura, 4 doravní otrubí, 5 kanál, 6 řívod vody, 7- čeradla ro slachování strusky v kanále

86 5. rovoz kalových čeradel 86 Na obr. 5.5 je uveden řez čerací stanicí ro hydraulické odstruskování s kalovým čeradle 50 NBA, s jímkou ro susenzi a jímkou havarijní. Na obr. 5.6 je uvedena čerací stanice, ve které jsou dvě kalová čeradla zaojena do série, tato úrava se ouţívá tehdy, kdyţ se oţaduje zvětšená doravní vzdálenost. Kalové čeradlo 1 má negativní sací výšku (tzv. nátok), touto úravou se řeší velikost sací výšky a současně i souštění čeradla, rotoţe čeradlo je stále zalněnou vodou nebo susenzí, jeho suštění je jednoduché a není zaotřebí řešit jeho zavodnění. Výtlačné otrubí je římo naojeno na kalové čeradlo, toto je namontováno na betonovou desku situovanou římo nad jímkou. Čeradlo musí být v tomto zaojení evnostně dimenzováno na dvojnásobný racovní tlak, to stejné latí i ro ucávku. Při sériovém řazení kalových čeradel mohou být zaojena do série v jedné čerací stanici, nebo jsou čeradla instalována o trase doravního otrubí. V tomto říadě jsou moţné dvě varianty řešení. V rvním říadě je výtlak ředcházejícího čeradla zaojen římo na sání následujícího čeradla. Toto řešení je jednoduché, v řečerávací stanici není však moţné akumulovat čeranou susenzi, toto můţe být na závadu z hlediska solehlivosti rovozu čeracího systému. Druhá varianta je rovedena tak, ţe v řečerávací stanici je jímka, susenze z ředcházejícího čeradla je svedena do této jímky a další kalové čeradlo si ak tuto susenzi nasává. Toto usořádání je draţší, akumulace susenze v jímce je ro rovoz čeracího systému nezanedbatelnou výhodou. Obr. 5.6 Čerací stanice se dvěma čeradly zaojenými do série 1, kalové čeradla 3 jímka ro susenzi, 4 sací otrubí, 5 doravní otrubí, 6 snímač hladiny, 7 - čistící kus

87 5. rovoz kalových čeradel Zkoušení čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Měřit charakteristiku kalového čeradla Měřit měrnou kavitační energii kalového čeradla Výklad Pro realizaci hydrodynamických strojů je nezbytně nutné rovádět měření jejich důleţitých arametrů. Měření se u menších strojů rovádí na skutečných zařízeních, ro stroje větších rozměrů se měření realizuje na zmenšených modelech a s vyuţitím teorie odobnosti se naměřené veličiny z modelu řeočítají na dílo. Rozsah zkoušek u rototyových čeradel můţe být velmi rozsáhlý, měří se celá řada fyzikálních veličin jako nař. tlak na výtlaku a sání, růtok, otáčky, kroutící moment, telota, vibrace, hlučnost, ulsace tlaku a od. Z hlediska uţivatele čeradel je důleţité rovést měření charakteristiky čeradla a kavitační zkoušku čeradla. Na obr. 5.7 je uveden jednoduchý zkušební okruh ro měření charakteristiky čeradel. Zkoušené čeradlo je oháněno motorem, měří se kroutící moment M k a otáčky n, které se o celou dobu měření udrţují na konst. velikosti. Současně se ve výtlačném otrubí měří růtok Q, z tohoto růtoku se výočtem stanoví rychlost v sacím v s a výtlačném otrubí v v, regulace růtoku je rováděna škrcením armaturou na výtlaku. Obr. 5.7 Zkušební okruh ro měření charakteristiky čeradla Z naměřených tlaků se vyočítá doravní výška čeradla z rovnice

88 5. rovoz kalových čeradel 88 v s vv v s Hd. g. y. ( 5.1). g g kde y je svislá vzdálenost mezi manometry, jsou-li oba tlakoměry ve stejné výšce ak oslední člen rovnice je nulový a rovnice se tedy zjednoduší. U kalových čeradel často bývá stejný růměr sacího i výtlačného otrubí, roto jsou stejné rychlosti v sání i na výtlaku a rovnice se dále ještě zjednoduší. Z naměřených veličin se vyočítá výkon, říkon a celková účinnost čeradla, otom se nakreslí zkušební diagram. Po celou dobu měření se telota vody udrţuje na konst. velikosti. Pro měření kavitačních vlastností čeradel (sací schonosti) je zkušební okruh ve zjednodušené odobě uveden na obr Podávací čeradlo doravuje kaalinu do vakuové nádrţe, na kterou je naojeno sací otrubí měřeného čeradla. Ve vakuové nádrţi se nastavuje odtlak omocí vývěvy V. Na zkoušeném čeradle se měří tlak v sacím s a výtlačném otrubí v, dále se měří růtok ve výtlačném otrubí Q, barometrický tlak, telota kaaliny a otáčky motoru. Obě oslední jmenované veličiny se o celou dobu měření udrţují konstantní. Z teloty vody se z arních tabulek odečítá tlak nasycených ar n. Doravní výška čeradla se stanoví z rov. (5.1). Celková měrná energie roudící kaaliny v sacím otrubí nad tlakovou energií nasycených ar se určí z rovnice vs h, ( 5.) g g kde s n Obr. 5.8 Zkušební okruh ro měření kavitačních vlastností čeradel Měření se rovádí tak, ţe ve vakuové nádrţi se zvětšuje odtlak tak dlouho, aţ tlak ve výtlačném hrdle čeradla začne klesat, ři čemţ růtok je konst., ten se reguluje škrcením na výtlaku čeradla. Takto se měření oakuje ro dalších několik růtoků rozloţených rovnoměrně kolem jmenovitého růtoku. Zjištěné hodnoty doravní výšky H se vynášejí v závislosti na h jako tzv. kavitační křivky obr. 5.8B. Z těchto kavitačních křivek (charakteristik) se ak zjišťuje kritická hodnota h kr. Je to hodnota, ři níţ klesne doravní výška H o %. Prakticky se zjišťuje tak, ţe se ve vzdálenosti % H vede rovnoběţka s charakteristikou H. Průsečík této rovnoběţky s charakteristikou H určuje kritickou hodnotu kavitační výšky h kr ři daném růtoku obr. 5.8B. Poněvadţ čeradlo musí racovat bezečně i mimo oblast kavitace, zvyšuje se změřená hodnota kavitační výšky o 15 až 0%, ro dovolenou velikost kavitační výšky ak latí

89 5. rovoz kalových čeradel 89 h ( 0,15až0,0) (5.3) dov h kr Hodnota h dov říadně i hkr se kreslí solečně s charakteristikou čeradla do zkušebního diagramu čeradla. Je-li známa velikost dovolené kavitační výšky, otom říustná sací výška se stanoví z rovnice b n hs hzs hdov. (5.4) g g Ukázku zkoušení kalových čeradel uvádí obr Obr. 5.9 Ukázka zkoušení kalových čeradel na zkušebně fa IHC, Warman a Peterson Cooke 5.3 Alikace kalových čeradel Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po rostudování tohoto odstavce budete umět Alikovat kalová čeradla na raktické úlohy čerání nejrůznějších susenzí Výklad Pouţití čeradel v technické raxi je velmi časté a rozsáhlé a zasahuje rakticky do všech růmyslových odvětví. Asi nejčetnější alikace čeradel jsou v chemickém růmyslu, vodárenství, energetice, hornictví, zemědělství, čeradla se ouţívají rovněţ v medicíně, jsou součástí různých strojů a zařízení jako jsou automobily, letadla, rakety a od. Čeradla se vyrábějí nejen ro čerání vody, ale i ro čerání nejrůznějších kaalin a susenzí. Parametry kalových čeradel se ohybují v širokých mezích a to jak z hlediska tlaku tak i růtoku, konstrukce kalových čeradel, jejich materiálové rovedení je velmi rozmanité, Kalové čeradlo domácí rodukce, které se ouţívalo ři hydraulickém odstruskování na elektrárnách je na obr. 5.10, kde je rovněţ uvedena jeho charakteristika. Čeradlo má vertikálně dělenou sirálovou skříň, tím je usnadněn řístu k oběţnému kolu v říadě jeho výměny a je rovedeno jako dvoulášťové. Všechny části čeradla (oběţné kolo, duše sirály, disky, sací nátrubek) která řicházejí do styku s roudící susenzí jsou zhotovena z otěruvzdorné ocelolitiny s vysokým obsahem chromu (asi 6%) a niklu. Ucávka je klasická měkká s moţností rolachování čistou vodou. Čeradlo je konstruováno jako jednostuňové, sirální, odstředivé, horizontální s axiálním vstuem čerané kaaliny do oběţného kola. Toto čeradlo se vyrábí s maximálním růměrem oběţného kola 605 mm,

90 5. rovoz kalových čeradel 90 má tři loatky a šířka kanálu je 80 mm, coţ umoţňuje doravovat materiál do zrnitosti 60 mm. Těsnění oběţného kola na sací straně je rovedeno dvojitou štěrbinou s moţností rolachování čistou vodou z jiného zdroje. Stejným zůsobem je rovedeno těsnění oběţného kola na straně ucávky. Prostor mezi ucávkou a těsněním je sojen třemi odlehčovacími otvory se sáním, čímţ je ucávka odlehčena. Oběţné kolo je na hřídeli uloţeno letmo na kuţelové části hřídele rodlouţeným nábojovým nástavcem, který je nataţen na oběţné kolo za tela. V místě styku ucávkových těsnění je náboj oběţného kola chráněn výměnným ouzdrem. Hřídel čeradla je uloţena v evném loţiskovém kozlíku ve dvou nakláěcích válečkových loţiskách.. Obr Řez kalovým čeradlem 50 NBA fa Sigma s dělenou dvojitou sirální skříní Kozlík sám je evně sojen šrouby ke skříni čeradla. Axiální síla, která je vzhledem k stejnému růměru těsnících kruhů na oběţném kole minimální, je zachycena kuţelíkovým axiálním loţiskem. Skříň je vertikálně dělena na dvě části a je sojena šrouby. Ve skříni čeradla je uloţena výměnná sirála s říloţkou. Konstrukce čeradla umoţňuje snadnou montáţ a demontáţ oběţného kola i ostatních částí čeradla, které trí zvýšeným ootřebením. Některé další vybrané konstrukce kalových čeradel f. Sigma uvádí obr. 5.11, starší konstrukce kalového čeradla Sigma ty 50 NBB, které bylo velmi často ouţíváno ro hydraulické odoelňování na elektrárnách uvádí obr. 5.1.

91 5. rovoz kalových čeradel 91 Obr Vybrané konstrukce bagrovacích čeradel f. SIGMA Obr. 5.1 Kalové čeradlo 50NBB f. Sigma

92 5. rovoz kalových čeradel 9 Obr Kalové čeradlo s otevíracím víkem fa Wilfley ty K Kalové čeradlo odle obr je konstrukčně uraveno tak, ţe sací víko je uloţeno na závěsech a je tedy otevírací, tato úrava usnadňuje řístu k oběţnému kolu a zkracuje dobu otřebnou na jeho výměnu. Sání čeradla je roto řesunuto na stranu kozlíku, ucávka u této konstrukce není dimenzována na doravní tlak čeradla, ale musí být schona těsnit odtlak na sání. Obr Kalová čeradla ro sací bagry V současné době je vyráběna celá řada kalových čeradel různých velikostí a různého rovedení, není moţné uvést úlný řehled vyráběných kalových čeradel, vzhledem k jejich velkému očtu. Na obr jsou uvedena bagrovací čeradla ouţívaná ro sací bagry. firem. Na obr je uvedeno několik konstrukcí bagrovacích čeradel zahraničních

93 5. rovoz kalových čeradel 93 Obr Kalová čeradla některých zahraničních výrobců Většina velkých výrobců čerací techniky vyrábí i kalová čeradla, relativní velikost kalových čeradel s vodorovnou osou odle fa Warman uvádí obr Obr Relativní velikost kalových čeradel odle fa. Warman A horizontální čeradla, B vertikální čeradla Obr Kalové čeradlo ve vertikálním rovedení, ty SP a SPR f. Warman Na obr je uvedeno kalové čeradlo fa Warman ty SP a SPR s vertikální osou, tato čeradla vzhledem k úsoře rostoru se často v růmyslových alikacích ouţívají. Čeradla se vyrábějí v několika velikostech, Q = aţ 500dm 3 /hod., doravní výška ro vodu H = 30 aţ 40 m.v.sl.

94 5. rovoz kalových čeradel 94 Dvoustuňová čeradla. na obr je uveden řez dvoustuňovým kalovým čeradlem 10 UVLx, toto čeradlo se vyrábělo v bývalém SSSR, kde se ouţívalo ro vertikální hydraulickou doravu uhlí na hydromechanizovaných dolech. Uhlí zdaleka není tak abrazivní jako nař. ísek, roto tato čeradla vykazovala řijatelnou ţivotnost i solehlivost. Čeradlo mělo doravní výšku h = 40m, růtok Q = 15m 3 /min a říkon P = 1050 kw. Obr Dvoustuňové kalové čeradlo 10 UVLx Konstrukčně toto dvoustuňové kalové čeradlo bylo rovedeno jako dvoulášťové, těleso čeradla bylo horizontálně děleno, oběţná kola otočena ro vyváţení osových sil roti sobě. Díly řicházející do styku s roudící susenzí byly vyrobeny z ocelolitiny odolné roti abrazi. Hřídel uloţen ve válečkových loţiskách. Byla vyráběna a ouţívána i větší dvoustuňová kalová čeradla, nesla označení 16 UVT. Ponorná kalová čeradla - ro čerání susenze nebo i vody ze stavebních jímek se ouţívají onorná čeradla, která se onoří od hladinu a volně se ostaví na dno jímky, výtlak je nad hladinu obvykle roveden omocí hadice. Čeradel ro tyto účely se vyrábí velké mnoţství, jedno z moţných řešení uvádí obr Čeradla mají otevřené oběţné kolo, motor je chráněn roti vniknutí vody, čeradlo má kabel odolný roti vodě a je zavěšeno na laně nebo řetězu, aby se dalo vytáhnou nebo sustit do jímky.

95 5. rovoz kalových čeradel 95 Obr Kalové čeradlo onorné f. FLYNT Shrnutí ojmů 1.4. Kalová čeradla ro čerání susenzí se vyrábějí ve dvou rovedeních a to s osou vodorovnou nebo svislou. Čeradla se svislou osou jsou z hlediska otřebného rostoru úsornější, mají však menší doravní výšku i růtok. Sací jímku kalových čeradel je otřebé navrhnout tak, aby se doravovaný materiál dostával lynule k sacímu otrubí. Měření charakteristiky kalových čeradel se rovádí odle mezinárodních norem ve výrobním závodě většinou ouze s čistou vodou. Pokud není charakteristika změřena i ro susenzi, otom se řeočet z čisté vody na susenzi rovede odle emirických rovnic. Materiálové rovedení čeradel určuje jejich životnost, ro abrazivní materiály je nutné volit seciální ocelolitiny na bázi chromu, ro jemné částice lze oužít ogumované oběžné kolo. Konstrukce čeradel musí být navržena s řihlédnutím na častou výměnu ootřebených částí čeradla, ředevším oběžného kola. Otázky Porovnejte alikace kalových čeradel s vodorovnou a svislou osou. Vysvětlete, jaký je otimální tvar sací jímky ro kalová čeradla