Průmyslové technologie III

Transkript

1 Průmyslové technologie III Stroje a zařízení průmyslu Miroslav Richter a Otakar Söhnel

2 OBSAH 1. Úvod 2. Doprava 2.1 Mechanické dopravníky tuhých látek 2.2 Doprava kapalin Čerpadla 2.3 Doprava a komprese plynů Kompresory Dmychadla Ventilátory Vývěvy 3. Sklady 3.1 Skladování tuhých látek 3.2 Skladování kapalin 3.3 Skladování plynů 4. Drcení a mletí 4.1 Rozpojování drcení a mletí 4.2 Princip rozpojování 4.3 Zařízení pro rozpojování Zařízení pro hrubé drcení Zařízení pro střední a drobné drcení Zařízení pro jemné drcení a mletí 5. Granulace 6. Třídění 6.1 Metody stanovení velikosti částic 6.2 Základní metody třídění Ruční přebírka Mechanické třídění 6.3 Mechanické třídiče 6.4 Pneumatické třídění 6.5 Hydraulické třídění 7. Mísení a míchání 7.1 Základní cíle 7.2 Druhy míchání Mechanické míchání Cirkulační míchání Pneumatické míchání 8. Čištění plynů odprašování a odlučování kapek 8.1 Fyzikální principy odlučování Gravitační síla Odstředivá síla Elektrostatická síla Difúzní jevy Koagulační jevy Filtrace 8.2 Konstrukce a technické parametry odlučovačů Suché mechanické odlučovače prachu z plynů cyklony Mokré mechanické odlučovače 2

3 8.2.3 Elektrostatické odlučovače Textilní filtry 9. Filtrace a odstřeďování 9.1 Filtrace Filtrace s příčným tokem Filtrace průtočná 9.2 Odstřeďování Filtrační odstředivky Separační a sedimentační opdstředivky 10. Dělení složek plynné směsi (absorpce, adsorpce, membrány) 10.1 Absorpce Podmínky absorpce Zařízení pro absorpci Základní uspořádání absorpční jednotky 10.2 Adsorpce Podmínky adsorpce Zařízení pro adsorpci 10.3 Dělení na membránách 10.4 Kryogenní dělení 11. Výměníky 11.1 Vedení tepla 11.2 Povrchové výměníky 11.3 Směšovací výměníky 11.4 Teplosměnná media 12. Sušení 12.1 Kinetika sušení teplem 12.2 Způsoby sušení teplem 12.3 Sušárny s přímým sušením 12.4 Sušárny s nepřímým sušením 13. Odpařování 13.1 Uspořádání odparek 13.2 Typy odparek Odparky s cirkulací roztoku Filmové odparky 14. Destilace a rektifikace 15. Krystalizace 15.1 Krystalizace z roztoku Ochlazovací krystalizace Odpařovací krystalizace Vakuová krystalizace 15.2 Krystalizace z taveniny 16. Charakterizace a popis tuhých disperzních systémů 16.1 Distribuce velikosti částic 16.2 Střední veličiny distribuce 16.3 Distribuční funkce 17. Odhad ceny zařízení 18. Literatura 3

4 1.0 ÚVOD Skripta Průmyslové technologie III, Stroje a zařízení průmyslu podávají přehled strojů a zařízení používaných v průmyslu, především v průmyslu chemickém a potravinářském, při těžbě a úpravě minerálních surovin, získávání, úpravě a čištění vod, dopravě látek tuhých, kapalných nebo plynných apod. Publikace uvádí základní chemicko-inženýrské operace, jako je filtrace krystalizace, odprašování aj. Důraz je kladen na princip funkce, konstrukci a možnosti daného zažízení. Uvedeny jsou jen základní typy aparátů a ne jejich mnohé konstrukční variace, které se však principem funkce neliší od základního typu. Tím se předložený studijní materiál odlišuje od standardních učebnic chemického inženýrství, kde hlavní pozornost je soustředěna na postupy výpočtu zařízení, na základě kterých je možno stanovit velikost tak, aby plnilo požadovanou funkci. Posluchačí FŽP, snad až na vzácné výjimky, nebudou postaveni před problém navrhnout typ a velikost konkrétního zařízení, které by vyhovělo požadovanému opatření směřujícímu k snížení zatížení životního prostředí průmyslovou činností. Od toho jsou inženýrské kanceláře sdružující profesionální konstruktéry a technology. Posluchači však musí mít představu o možnostech současné techniky, tedy co je ve skutečnosti technicky dosažitelné při zachování ekonomických parametrů dané výroby tak, aby byla udržena konkurenceschopnost průmyslu. Nejlepší a nejúčinnější opatření ekologického charakteru jsou taková, která ve svém důsledku přináší realizátorovi pozitivní efekty formou snížení výrobních nákladů, např. snížení nebo úplnou eliminaci poplatků za ukládání odpadů, znečišťování ovzduší a odpadních vod, nebo zvýšení výnosů ekonomickým zužitkováním odpadů z výroby Vžitá představa mnohých ekologů, že chemický průmysl vyrábí nejrůznější chemikálie pro své potěšení navzdory zdravému rozumu a znečišťování životního prostředí, je nejen mylná, ale naprosto zcestná. Chemický průmysl, jako každé odvětví podnikání, musí produkovat zisk a proto může vyrábět jen to, co nalezne uplatnění na trhu, tedy to, co konečný spotřebitel požaduje a potřebuje a za co je ochoten zaplatit. Pokud by lidstvo přestalo užívat nejrůznější desinfekční, mycí, čistící a prací prostředky, barvy, laky a nátěrové hmoty, úmělá vlákna, plasty a stavební hmoty, léky, vitamíny a nutriční připravky, oleje a pohonné hmoty, dopravní prostředky jako auta, vlaky, lodě a letadla, chladící zařízení, žárovky, výbojky, televizory, telefony, mobily, počítače atd., potom by průmysl materiály nutné k realizaci těchto potřeb přestal vyrábět a tím by přestal zatěžovat životní prostředí. Lidstvo však není ochotno se vzdát všech výše uvedených vymožeností civilizace a vrátit se o mnoho století zpět. Z toho důvodu tady průmysl je a bude a bude svou činností i nadále zatěžovat životní prostředí. Úkolem dneška a zejména budoucnosti, je omezit nepříznivý vliv průmyslové činnosti na minimum tak, aby bylo dosaženo trvale udržitelného rozvoje. 4

5 2. DOPRAVA Tato kapitola je zúžena na technologickou dopravu. Technologická doprava navazuje na vnější mezipodnikovou dopravu, meziobjektovou dopravu uvnitř areálů průmyslových podniků. Zajišťuje přísun surovin, polotovarů a pomocných látek z vykládacích míst do skladů a dále ze skladů do výroby. Dále zahrnuje dopravu polotovarů a pomocných látek mezi jednotlivými objekty, uvnitř objektů výroben (dílen) a mezi jednotlivými technologickými operacemi. Dále zajišťuje odsun hotových výrobků do skladů, do balících linek a na nakládací místa dopravních prostředků silničních, železničních nebo říčních. Doprava tuhých látek je technologicky nejkomplikovanější a tím i nejdražší v případě pevných sypkých surovin a materiálů, kusových zásilek, kusového materiálu a zboží baleného v krabicích nebo pytlích. S výhodou jsou v těchto případech pro uložení a dopravu využívány palety prosté nebo příhradové, kontejnery a big-bagy. Tím je docíleno snazší manipulace pomocí ručních, mechanických nebo automaticky řízených paletových vozíků a vysokozdvižných vozíků nebo zdvihacích zařízení, pro dopravu kusových zásilek bývají využívány válečkové tratě, ploché dopravní pásy, podvěsné lanové nebo řetězové dopravníky. Kontinuální doprava velkých objemů tekutin je zajišťována potrubními rozvody podzemními jsou dopravovány všechny druhy technologických vod a pitná voda, vody odpadní. Jsou vždy v nezámrzné hloubce, tj. 1,50 m pod povrchem, podzemními jsou dopravovány na velké vzdálenosti topné plyny (např. zemní plyn), ropa a motorová paliva, nadzemními na potrubních mostech je v areálech podniků dopravována např. vodní pára a parní kondenzát, technické a topné plyny, topné oleje, stlačený vzduch, meziprodukty (např. NH 3, HNO 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4, roztoky nebo taveniny solí s doprovodným otopem aj.). Diskontinuální doprava menších objemů kapalin je zajištěna v železničních nebo automobilových cisternách, nádržových kontejnerech, demižonech, láhvích, ocelových nebo plastových sudech. Diskontinuální doprava menších množství stlačených nebo zkapalněných plynů je zajištěna v tlakových láhvích (jednotlivých nebo v kontejnerech), Dewarových nádobách, železničních nebo automobilových cisternách. 5

6 2.1 MECHANICKÉ DOPRAVNÍKY TUHÝCH LÁTEK 1 Pásové dopravníky jsou používány pro horizontální a šikmou dopravu sypkých materiálů. Dopravníky jsou umístěny v ocelové konstrukci odkryté nebo zcela zakryté dle vlastností přepravovaného materiálu (prašnost, hygroskopičnost, lepivost). Pohon hnacího bubnu zajišťují elektromotory s redukcí otáček převodovou skříní, řemenicemi s klínovými řemeny nebo tzv. elektrobubny s vnitřní převodovou skříní se stálým převodem. Rychlost dopravního pásu je obvykle 1 2 m.s -1, šířka pásu je mm. Napínání pásů je zajištěno u krátkých pásů do délky cca 20m šroubovým posuvem vratného bubnu na konci pásového dopravníku, u delších pásů závažím na napínacím bubnu zavěšeném v napínací stanici pod konstrukcí dopravníku. Šířkou a rychlostí dopravního pásu je dán přepravní výkon. Sklon pásů musí být při šikmé dopravě cca o 10 o menší, než odpovídá sypnému úhlu dopravovaného materiálu. Materiál volně leží na dopravním pásu s hladkým povrchem nebo s příčnými zarážkami. Během dopravy se nerozdrobí a méně práší. Na koncovém přesypu je dopravní pás čištěn od ulpívajícího nebo přilepeného materiálu pryžovými nebo kartáčovými stěrači Obr. 2.1 Schéma pásového dopravníku násypka materiálu, 2 vratný a napínací buben, 3 válečky podpírající pás, 4 hnací buben, 5 stěrač a výsyp materiálu Obr. 2.2 Pásový dopravník 1 Dříve byly často používány i nákladní lanové dráhy. V používání zůstaly jen ve vertikálně členitém terénu, jinak byly nahrazeny převážně pásovými dopravami. 6

7 Výstavba pásových dopravníků je investičně náročná, ale provozní náklady jsou nízké, rovněž měrná spotřeba energie na dopravu (v kwh.t -1 ) je nízká proti dalším přepravním systémům. Obdobně jako pásové dopravníky jsou uspořádány válečkové tratě pro dopravu kusových zásilek na paletách, v bednách, kartonových obalech apod. Všechny válečky jsou poháněny řetězem. V praxi jsou používány tři základních systémů pásových dopravníků korýtkové transportéry s válečkovou tratí tvořenou dvěma nebo třemi válečky na jedné stolici, které skloněním směrem ke středu vytvoří z dopravního pásu korýtko. Stolice jsou od sebe vzdáleny cca 0,5 m. Na válečkové trati je umístěn zpravidla pryžový pás s textilní výztuží např. na bázi viskózových, polyesterových nebo polyamidových kordových vláken. Výjimečně je používána výztuž z ocelového pletiva a pásy na bázi polymerů (PVC, PP) nebo ocelové pásy (pro uhlí nebo horké substráty, např. popeloviny, cementový slínek). Korýtkové transportéry dopravují materiál jen v přímém směru na vzdálenosti desítek metrů až stovek metrů. Pokud se má směr dopravy změnit, musí se přesypem materiál nasypat na další navazující transportér vedoucí v žádaném směru. Přesypy bývají zdrojem prašnosti, proto se staví uzavřené, případně jsou odsávané do ventilačních systémů výroben vybavených odprašováním. Korýtkové transportéry jsou vhodné pro dopravu chladného materiálu s teplotou nepřesahující 100 o C, pokud jsou dopravní pásy z pryže nebo termoplastů. ploché transportéry pás z pryže nebo termoplastů je umístěn na stolicích s jedním válečkem. Jsou vhodné pouze na velmi krátké vzdálenosti, hlavně u pásových dávkovačů. Bývají také používány jako součást pásových montážních linek ve např. strojírenství a elektrotechnice, dopravníků kusových zásilek nebo pytlů. Do skupiny plochých pásových transportérů lze zařadit pohyblivé chodníky používané v areálech letišť, výstavišť, obchodních domů aj. trubkové pásy pryžový korýtkový transportér je po naplnění materiálem kladkami nebo válečky stočen do uzavřené trubky (hadice). Pryžový pás je plochý nebo s vylisovaným podélným zámkem po straně. Z trubkového dopravníku se materiál nerozpráší, dopravní trať může vést do oblouku bez potřeby přesypů. Na konci dopravní trasy se trubka dopravníku zpět rozvine do korýtkového dopravníku, ze kterého se materiál volně vysype na určené místo. Dopravní vzdálenosti jsou v desítkách až stovkách metrů. Šnekové dopravníky v ocelové trubce kruhového průřezu nebo zakrytém ocelovém žlabu U-profilu je umístěna ocelové šnekovnice poháněná přes převodovou skříň elektromotorem (obr. 2.3, 2.4). Materiál je posunován šnekovnicí po dně žlabu. Šnekový dopravník bývá používán rovněž jako dávkovač pak je krátký šnek umístěn na mechanické nebo tenzometrické váze a jeho otáčky jsou regulovatelné. Tím je měněno množství dávkovaného materiálu. Částice materiálu se ve šnekovém dopravníku vůči sobě neustále pohybují a vzájemně se odírají materiál se do jisté míry rozmělňuje. Tím se může zvyšovat obsah prachu v dopravovaném materiálu. Dopravní vzdálenosti jsou cca do 10 m, výjimečně větší, neboť při delších vzdálenostech se musí šnekovnice zavěšovat na ložiska pro omezení průhybu hřídele. 7

8 Investiční náročnost je ve srovnání s pásovou dopravou vyšší, provozní náklady rovněž větší množství energie se spotřebuje na překonání tření v dopravovaném materiálu. Výhodou je uzavřenost přepravního systému, která je důležitá pro minimalizaci ztrát a neznečištění dopravovaného materiálu. Lze takto dopravovat i horký materiál. Proto jsou šnekové dopravníky často používány v potravinářství a ve výrobách čistých materiálů, např. farmaceutickém průmyslu, výrobě čistých chemikálií apod Obr. 2.3 Schéma šnekového dopravníku 1 elektromotor, 2 převodová skříň, 3 - násypka materiálu, 4 trubka nebo zakrytý žlab se šnekovnicí, 5 - výsyp materiálu 5 Obr. 2.4 Šnekový dopravník ( nebo dávkovač) Redlerové dopravníky jsou tvořeny ocelovým žlabem, obvykle zakrytým (obr. 2.5). V něm se pohybuje vlečený ocelový řetěz s litinovými hrabicemi. Robustní konstrukce tato zařízení předurčuje do těžkých provozních podmínek a pro vysoké dopravní výkony. Často jsou redlery používány pro dopravu horkého materiálu s teplotou i kolem 300 o C, např. škváry. Pohon řetězu zajišťuje elektromotor s převodovou skříní. Redlerové dopravníky se běžně používají pro dopravu popelovin a škváry, lepivých materiálů (kalů) apod. Dopravní vzdálenosti nepřesahují několik desítek metrů. Řetěz s hrabicemi nebo korečky, tj. princip redleru, bývá součástí konstrukcí vyhrnovacích strojů ve skladech sypkých materiálů nebo je hlavním funkčním dílem korečkových rypadel. 8

9 Obr. 2.5 Redlerový dopravník a řetěz redleru s hrabicemi Vibrační dopravníky a třásadlové dopravníky - jsou tvořeny kovovým žlabem s mechanicky nebo elektromagneticky vyvozenými vibracemi (obr. 2.6). Materiál musí být nelepivý, lze ho dopravovat jak vodorovném směru tak i po mírně skloněné ploše vzhůru. Výhodou je kontakt materiálu s okolním vzduchem, což může přispět k jeho sušení. Dopravní vzdálenosti jsou omezeny několika desítkami metrů. Bývají používány v chemickém a potravinářském průmyslu, např. cukrovarech. Krátké vibrační dopravníky s celkovou délkou do 1-2 m bývají součástí dávkovačů materiálů do technologických zařízení, např. do drtičů a mlýnů, třídičů, rozkladných reaktorů, pecí, sušáren, chladičů rotačních nebo fluidních aj. Obr. 2.6 Vibrační dopravník (dávkovač) 9

10 Plnící zařízení (dávkovače) zajišťují rovnoměrné dávkování sypkých materiálů do dopravních linek dopravních zařízení dříve uvedených konstrukcí. Tím brání přetěžování dopravních linek a omezují dopravní ztráty. Mají obvykle plnění shora nebo šikmo shora se spodním výsypem. Jsou používány pro odběr materiálu ze zásobníků, sil či skladů surovin a hydraulicky je uzavírají. To je důležité zejména u zásobníků pod odlučovači prachu např. typu cyklonů, filtrů a elektrostatických odlučovačů. K tomuto účelu jsou používány: Turniket buben s otočnou hvězdicí na vodorovné hřídeli se vstupem materiálu shora a spodním výsypem (obr. 2.7). Volné prostory v hvězdici při otáčení zajišťují plynulé dávkování materiálu. Regulací otáček turniketu je měněn výkon dávkování. Turniket zároveň uzavírá prostor mezi vstupem a výstupem, čímž brání volnému vysypání materiálu a zároveň vzájemně hydraulicky odděluje prostory nad a pod turniketem. Obr. 2.7 Turniketový podavač Šnekový dávkovač je konstrukční obdobou šnekového dopravníku (viz dříve). Je tvořen vodorovnou ocelovou trubkou, v níž je umístěna šnekovnice. Regulací otáček šnekovnice je měněn výkon dávkování materiálu. Talířový nebo hvězdicový podavač - propeler podavače jsou tvořeny talířem nebo hvězdicí otáčející se ve vodorné rovině. Podávají nebo vyhrnují sypký materiál od výsypu ze zásobníku nebo skladu do dopravní linky. Změnou otáček je měněn výkon podavače. Ejektor štěrbinami definovaného průřezu je nasáván práškovitý materiál do rychle proudícího vzduchu. Změnou rychlosti proudění vzduchu je měněno množství přisávaného materiálu. Pneumatická doprava Při pneumatické dopravě je pohyb rozmělněného materiálu (často granulovaného nebo krystalického až práškovitého) v ocelovém, litinovém, skleněném i termoplastovém potrubí zprostředkován proudem vzduchu. Vzduch předává kinetickou energii částicím tuhého materiálu. Částice dopravovaného materiálu musí být pokud možno rozměrově homogenní. Jedná se o uzavřený dopravní systém, který minimalizuje ztráty do okolí rozprášením, ale také znečištění dopravovaného materiálu nečistotami z okolního ovzduší. Proto jsou 10

11 pneumatické dopravy často používány ve farmaceutickém, chemickém a potravinářském průmyslu a to jak ve skladovém hospodářství surovin a výrobků, tak i v technologických procesech (vykládací zařízení, sila obilnin, olejnin, mlýnské okruhy aj.). Dopravní vzdálenosti jsou od několika desítek metrů až na vzdálenosti několika set metrů i s převýšením až desítek metrů. Dopravní výkony dosahují až stovek t/hod. Jsou-li dopravovány tvrdé a abrasivní materiály, jsou používány pro výrobu potrubí či jen oblouků potrubí keramické hmoty nebo tavený čedič. Investičně a provozně je pneumatická doprava drahá. Vyšší náklady jsou vyváženy výhodami čistého dopravního systému s minimálními ztrátami často velmi drahého materiálu. V některých případech je k dopravě používán horký vzduch nebo spaliny zemního plynu. To umožňuje spojení dvou technologických operací - pneudopravy se současným sušením dopravovaného materiálu. Měrná spotřeba energie se pohybuje mezi 1-5 kwh/t materiálu, tj. více než u dopravy pásové. Zařízení pneumatické dopravy je možno podle fyzikálního principu rozdělit na několik druhů. Jedná se především o: fluidní pneumatickou dopravu - sem můžeme zařadit horizontální dopravu pneumatickými dopravními žlaby či fluidními dopravníky. Fluidní žlab je tvořen uzavřenou skříní čtvercového nebo obdélníkového průřezu s perforovaným dnem. Dopravní vzduch je přiváděn dnem pod vrstvu přepravovaného materiálu. Souběžně s dopravou tuhého materiálu může probíhat jeho sušení nebo chlazení dle teploty dopravního vzduchu. Mezi pneumatické systémy rovněž náleží provzdušňovací zařízení sil a jejich vykládku, pneumatická homogenizační zařízení a pneumatické separátory hrud a cizích těles. pneumatickou dopravu ve vznosu - to znamená dopravu na velké horizontální vzdálenosti a s poměrně značným převýšením, kterou můžeme dále dělit podle potřebného tlaku dopravního média na dopravu vysokotlakou, středotlakou a nízkotlakoupneumatickou dopravu speciální - např. dopravu v zátkách, dopravu těles, dopravu na vzduchovém polštáři. Jsou rozeznávány dva základní typy pneumatické dopravy ve vznosu: Podtlaková (sací) pneudoprava celý dopravní systém pracuje za tlaku nižšího, než je tlak atmosférický. Dopravovaný materiál je nasáván sací jehlou upevněnou na volně pohyblivé vrapované hadici spojené s potrubím. Sací jehla umožňuje současné přisávání dopravního vzduchu do systému. Dopravovaný materiál je oddělován z dopravního vzduchu na odlučovačích typu sedimentačních komor, cyklónů nebo filtrů, či jejich kombinací. Jelikož uvedené konstrukční typy odlučovačů jsou schopny zachycovat s odlišnou účinností částice různé velikosti, zajišťuje systém odlučovačů pneumatické třídění dopravovaného materiálu. Tento systém spojení pneumatické dopravy a pneumatického třídění je běžný v silech obilnin a olejnin. Pohyb dopravního vzduchu v systému je zajištěn vícestupňovými radiálními ventilátory (viz dále). Podtlaková sací pneumatická doprava je v principu shodná s vysavači prachu používanými např. v domácnostech, ale také s průmyslovými vysavači používanými pro úklid vozovek, ulic, provozních hal v průmyslu, nádražích aj. 11

12 Přetlaková pneudoprava (tlačná - vysokotlaká, středotlaká a nízkotlaká) dopravní systém pracuje za tlaku vyššího, než je tlak atmosférický, obvykle do 1 MPa. Rozmělněný materiál je dávkován turniketovým podavačem z násypky do potrubí, jímž proudí stlačený vzduch dodávaný kompresorem. Turniketový podavač zároveň odděluje atmosféru od tlakového systému. Vícestupňové odloučení dopravovaného materiálu z proudu vzduchu je shodné jako u dopravy sací. Kombinovaná pneumatická doprava uplatňuje oba dříve uvedené systémy. Hydraulická doprava Hydraulická doprava využívá k dopravě tuhého materiálu proudu vody ve skloněném žlabu nebo potrubí s využitím gravitační síly samotížného toku. Suspenze také bývají čerpány odstředivými, peristaltickými nebo membránovými čerpadly za zvýšeného tlaku v potrubí. Hydraulické dopravní systémy jsou investičně i provozně drahé, ale s výhodou jsou používány tam, kde vlhkost neuškodí dopravovanému materiálu, materiál je třeba ochladit, potlačit nebo odstranit jeho prašnost, případně zápach. Hydraulická doprava může být současně technologickou operací praním nebo tříděním materiálu. S výhodou je používána pro dopravu např. fekálií aj. tuhých odpadů kanalizačními sítěmi z území obcí do čistíren odpadních vod, dále řepy ze skládek k dalšímu zpracování v cukrovarech, škváry a popelovin z energetických výroben na odkaliště, kalů z čistíren odpadních vod do kalových jímek, uhlí a rud v úpravnách. Vertikální doprava sypkých materiálů Korečkové elevátory Korečkové elevátory zajišťují vertikální nebo šikmou dopravu sypkých materiálů směrem vzhůru (obr. 2.8). Používány jsou zejména pro materiály s nízkým sypným úhlem a dopravu materiálu do výšky až několika desítek metrů ve stísněných prostorách. Malý zastavěný prostor je velkou výhodou proti např. pásovým nebo šnekovým dopravníkům, což je cenné v uzavřených průmyslových stavebních objektech. Výhodou konstrukce elevátoru je také úplné uzavření skříně ocelové šachty elevátoru, což potlačuje ztráty a snižuje prašnost v objektech výroben nebo skladů. Materiál je dopravován v korečcích ocelových vaničkách (kapsách). Korečky jsou přišroubovány na dvou paralelních článkových řetězech nebo pásu (pryžovém, textilním nebo termoplastovém). Pohon je zajišťován elektromotory s převodovou skříní

13 Obr. 2.8 Schéma a snímek korečkového elevátoru 1 řetězové kolo spojené s pohonem (elektromotor s převodovou skříní), 2 korečky, 3 řetěz nebo pás, 4 řetězové kolo napínací stanice se závažím, 5 směr vstupu materiálu, 6 - směr výsypu materiálu Ocelové korečkové elevátory jsou vhodné pro dopravu práškovitého nebo zrnitého sypkého a nelepivého i velmi horkého materiálu s teplotou až 300 o C. Používány jsou běžně v průmyslu stavebních hmot, chemickém a potravinářském průmyslu např. pro dopravu granulátů ze sušáren, kalcinátů nebo předchlazených cementářských slínků. Princip korečkového dopravníku je také užit v konstrukci korečkových rypadel používaných v povrchových lomech, plovoucích bagrů na čištění koryt řek nebo těžbu písku. Jsou rozeznávány následující základní typy elevátorů: rychloběžné s odstředivým vyprazdňováním korečků materiál je z korečků vyhazován odstředivou silou směrem do výstupního skluzu materiálu, pomaluběžné s gravitačním vyprazdňováním korečků materiál je z korečků vysypáván za horní kladkou na smyčce jen působením gravitační síly. Rychloběžné elevátory mají proti elevátorům pomaluběžným vyšší výkon při shodném zastavěném prostoru. Bývají ale poruchovější hlavně díky vyššímu opotřebení všech mechanicky namáhaných konstrukčních dílů. Skluzy a přesypy Pomocí skluzů a přesypů je zajištěn svod sypkých materiálů v technologických linkách ze zařízení umístěných ve vyšších podlažích směrem dolů. Jsou vyrobeny zpravidla z ocelového potrubí s kruhovým nebo obdélníkovým průřezem. Tyto dopravní cesty jsou obvykle odsávány ventilátory společně s technologickým zařízením. Prach je odlučován v odprašovacích zařízeních, obvykle je užita kombinace cyklonů a filtrů. Podtlakem v systému je zajištěno snížení ztrát a omezení prašnosti v prostoru výroben. Otevřené skluzy v kombinaci s plochými pásovými dopravníky jsou také používány na balené zboží, např. v papírových nebo polyetylénových pytlích či krabicích. Zajišťují rovněž dopravu z vyšších podlaží do skladů nebo k nakládacím - expedičním místům výrobků. 13

14 Skluzy balených výrobků bývají vyloženy deskami z termoplastů, což je výhodné pro snížení rizika poškození obalů. 2.2 DOPRAVA KAPALIN Oblast průmyslu, energetiky, dopravy, služeb, bydlení aj. se neobejdou bez zařízení na dopravu tekutin. Největší objemy tekutin na vzdálenosti desítek metrů až tisíců kilometrů jsou dopravovány zejména ve vodárenství, plynárenství, těžbě a dopravě ropy, dopravě ropných produktů, klimatizačních a ventilačních zařízení. V technologických zařízeních uvedených oborů bývají dopravovány řádově až 10 7 m 3.hod -1 tekutin. To je spojeno se značnou spotřebou materiálů pro výrobu příslušných zařízení (potrubí, armatur a čerpadel, kompresorů, dmychadel, ventilátorů nebo jiných strojů pro dopravu tekutin) a zejména s velkou spotřebou energií pro jejich pohony. Zařízení pro dopravu tekutin, tj. plynů a kapalin, dodávají tekutinám energii pro hrazení ztrát způsobených jejich viskozitou (vnitřním třením), překonání výškových rozdílů, umožnění dopravy tekutin do prostor s vyšším tlakem, krytí místních a inerciálních ztrát v potrubních rozvodech. Vyšší příkon energie umožňuje zvýšení průtoku tekutin, tj. přepravní kapacity potrubních rozvodů. Objemové průtoky a pracovní tlaky, účinnost transformace mechanické energie v energii proudících tekutin a měrná spotřeba energie na jejich dopravu náleží k rozhodujícím parametrům zařízení pro dopravu tekutin Čerpadla V praxi je velká část kapalin s výhodou dopravována čerpadly včetně zkapalněných plynů. Ty zaujímají cca o tři řády menší objem než v plynném skupenství za normální teploty a tlaku, což je pro dopravu a skladování velmi výhodné. Z hlediska čerpací techniky jsou rozlišovány tři základní skupiny kapalin voda, neagresivní kapaliny a suspenze (např. potravinářské suroviny a výrobky), agresivní kapaliny a suspenze (např. minerální kyseliny a hydroxidy, roztoky a suspenze solí, taveniny solí a kovů), těkavé kapaliny a hořlaviny (např. motorová paliva a organická rozpouštědla, zkapalněné technické plyny). d 3 1 h V II h S 2 c a b I Obr. 2.9 Základní schéma systému dopravy kapalin s čerpadlem 14

15 1 dolní zásobník čerpané kapaliny, 2 čerpadlo, 3 horní zásobník čerpané kapaliny, h S sací výška čerpadla (zde je záporná), h V výtlačná výška čerpadla, H = h S + h V - geometrická (dopravní) výška čerpadla L = a + b + c + d - odpovídá geometrické délce potrubí, l EKV - tvoří zdroje místních ztrát - vstup do potrubí, 2 kolena 90 o a výtok z potrubí I a II - průřezy zvolené pro energetickou bilanci (viz dále) Bilanci energie v systému dopravy kapaliny s čerpadlem popisuje Bernoulliho rovnice v upraveném tvaru: 2 2 v 1 p 1 v 2 p g h S = g h V E Z + E Č (2.1) V potrubí s čerpadlem je prakticky vždy turbulentní proudění, proto se korekční člen = 1,0. Indexy 1 se vztahují k průřezu I, tj. výstupu potrubí z dolní nádrže na sání čerpadla, indexy 2 se vztahují k průřezu II na výtlačném potrubí při vstupu do horní nádrže. v 1 je střední rychlost proudění v sacím potrubí, v 2 je rychlost proudění ve výtlačném potrubí, g je gravitační zrychlení, h S je sací výška, h V je výtlačná výška čerpadla, p 1 je celkový tlak kapaliny v potrubí na sání čerpadla z dolní nádrže, p 2 je tlak kapaliny v potrubí v ústí do horní nádrže, E Č je měrný příkon energie dodávaný kapalině čerpadlem, E Z je ztrátová energie v úseku potrubí mezi průřezy I a II způsobená vnitřním třením (viskozitou). Ztrátová energie je přímo úměrná ekvivalentní délce L EKV, která je součtem délek přímých úseků potrubí a všech ekvivalentních délek armatur l EKV. Do Bernouliho rovnice je potom za d dosazen průměr potrubí a za délku potrubí je dosazena ekvivalentní délka L EKV p Z v 2 L EKV E Z = = (2.2) d Součinitel (koeficient) tření je závislý na charakteru proudění. Pro turbulentní oblast proudění, kdy je Re v rozmezí , platí rovnice Nikuradzeho 0,221 = 0, (2.3) Re 0,25 Sací výška čerpadel je závislá na hustotě čerpané kapaliny, střední rychlosti proudící kapaliny, tlakových ztrátách a teplotě kapaliny. S rostoucí teplotou roste parciální tlak par kapaliny a desorbují plyny v kapalině rozpuštěné. To má za následek snížení sací výšky kapalina v sání v krajním případě může vřít a sací potrubí je zaplněno pouze parami a desorbovanými plyny, čerpání kapaliny je tak znemožněno. Přitom dochází k jevu zvanému kavitace tj. stav, kdy se kapalina odtrhne od např. lopatek odstředivého čerpadla nebo pístu čerpadla pístového. Účinnost čerpadla a výkon prudce klesají, v čerpadlech vznikají tlakové rázy, které mohou vážně poškodit skříň a pracovní plochy čerpadla. Kavitaci lze předejít minimalizací tlakových ztrát v sacím potrubí (volí se větší průměr sacího potrubí, než je u výtlačného potrubí), teplota čerpané kapaliny musí být pokud možno co nejnižší. Pro čerpání horkých kapalin je volena nulová či záporná sací výška - sání čerpadla je umístěno pod úrovní hladiny čerpané kapaliny. 15

16 Objemová čerpadla Objemová čerpadla se vyznačují tím, že nasávají do pracovního prostoru definovaný objem kapaliny. Kapalina je vytlačována z pracovního prostoru pístem nebo membránou. Sací a výtlačné potrubí je uzavíráno ventily různých konstrukcí, které brání zpětnému toku kapalin. Objemová čerpadla jsou velmi často používána pro dávkování kapalin do technologických procesů. Objem dopravované a dávkované kapaliny lze snadno měnit změnou zdvihu pístů a počtem otáček motoru pohonu. U dvou a víceválcových čerpadel je nastavením zdvihu regulovatelný poměr dávkovaných kapalin. Obr Konstrukce ventilů I kuličkový ventil 1 pouzdro, 2 ventil, 3 víko ventilové komory, II zpětná klapka, 1 víčko, 2 sedlo Pístová čerpadla Pracovním prostorem pístových čerpadel je válcová komora, v níž se pohybuje píst. Jsou rozlišována čerpadla jednočinná, kdy je kapalina nasávána přes sací ventil jen z jedné strany pístu, a čerpadla dvojčinná, kdy je čerpaná kapalina střídavě nasávána a vytlačována z obou stran pístu. Z hlediska počtu válců jsou rozlišována čerpadla jedno a víceválcová. Pokud má píst těsnící kroužky umístěny ve stěně pístu a zcela vyplňuje prostor válce, jedná se o klasické pístové čerpadlo. Pokud jsou těsnící kroužky - ucpávky umístěny pevně ve dnu válce a píst nevyplňuje celý průřez pracovní prostoru válce, jedná se o konstrukci tzv. plunžrového pístového čerpadla. Na válci jsou zpravidla kuličkové sací a výtlačné ventily. Tento typ čerpadel je vždy jednočinný. Podle počtu válců jsou opět rozlišována jedno a víceválcová plunžrová čerpadla. Písty jsou vyrobeny z oceli nebo keramiky. Tato čerpadla jsou používána pro extrémně vysoké tlaky dopravovaných kapalin - až stovky MPa. Užívána jsou pro dávkování kapalin do vysokotlakých chemických reaktorů, vysokotlaká čistící zařízení, řezání betonu, zařízení pro řezání kovů apod. Účinnost přeměny energie mechanické v energii čerpané tekutiny dosahuje u pístových čerpadel hodnot kolem 95 %, objemová účinnost, tj. objem skutečně vytlačené kapaliny proti teoretickému objemu dosahuje hodnot kolem 98 %. 16

17 Obr Konstrukce jedno a dvojčinného pístového čerpadla 1 sací potrubí se sacími ventily, 2 válec, 3 pístní tyč s pístem a těsnícími kroužky, 4 výtlačné ventily Obr Schéma konstrukce jednoválcového plunžrového čerpadla 17

18 Obr Řez konstrukcí vysokotlakého tříválcového plunžrového čerpadla Membránová čerpadla Membránová čerpadla mají v pracovní komoře umístěnu pružnou membránu obvykle kruhového průřezu z ocelového plechu, technické pryže nebo termoplastu. Jejím průhybem je měněn objem pracovní komory a tím objem nasávané a vytlačované kapaliny. Průhyb membrány zajišťuje obvykle táhlo mechanicky vychylující membránu. Pohyb táhla zajišťuje excentr poháněný elektromotorem nebo elektromagnet. Membránová čerpadla jsou vhodná pro čerpání malých objemů čistých mechanicky neznečištěných kapalin (cca litry až stovky litrů za hodinu) pod tlakem přibližně do 0,5 MPa. Často bývají používána pro dávkování kapalin, podobně jako čerpadla pístová a plunžrová. Běžně jsou používána pro čerpání benzinu do karburátorů a vstřikovacích trysek zážehových spalovacích motorů. Materiálové provedení je podřízeno pracovnímu tlaku a chemickým vlastnostem čerpaných kapalin. Skříň pracovní komory bývá vyrobena z oceli, hliníku, ale i z termoplastů. 18

19 Obr Membránová čerpadla 1 skříň pracovní komory čerpadla s membránou, 2 kuličkový sací ventil, 3 táhlo zajišťující průhyb membrány, 4 kuličkový výtlačný ventil, 5 membrána, Odstředivá čerpadla V odstředivém čerpadle je energie čerpané kapalině dodávána oběžným kolem kruhovým diskem s lopatkami. Lopatky na oběžném kole jsou zakřivené směrem dozadu vzhledem ke směru otáčení. Z hlediska dodávky energie kapalině je toto uspořádání nevýhodné, ale jsou podstatně nižší hydraulické ztráty v čerpadle dosahuje se vyšší energetické účinnosti čerpadla. Oběžné kolo je umístěno na hřídeli ve spirálové skříni. Spirálová skříň má sací hrdlo umístěno axiálně v ose hřídele. Osa výtlačného hrdla je umístěna ve směru radiálním na obvodu spirálové skříně. Oběžná kola jsou konstruována jako otevřená nebo uzavřená (prostor lopatek oběžného kola je uzavřený mezikružím). Oběžné kolo kruhový disk s prohnutými lopatkami - má běžně ot. min -1, např. dle použitého elektromotoru pro pohon. Tím v něm vzniká odstředivá síla, která v ose hřídele vytváří podtlak a na obvodu oběžného kola naopak přetlak. Velikost odstředivé síly lze změnit průměrem oběžného kola nebo počtem jeho otáček. Lopatky odstředivého kola kapalině udílejí velké zrychlení. Tak v oběžném kole získává kapalina vysokou kinetickou energii. Na obvodu z oběžného kola kapalina vytéká do spirálové skříně, kde klesá její kinetická energie a úměrně vzrůstá energie tlaková v souladu s Bernoulliho rovnicí. Odstředivá čerpadla jsou konstruována jako jednostupňová, tj. s jedním oběžným kolem, kdy tlak ve výtlaku zpravidla nepřesahuje 1 MPa. Vícestupňová odstředivá čerpadla s několika oběžnými koly řazenými v sérii za sebou dodávají čerpané kapalině více energie a dovolují zvýšit výtlačný tlak až na desítky MPa. Průměr a výška lopatek oběžných kol rozhodují spolu s otáčkami také o objemech čerpaných kapalin. Ty se podle konstrukce oběžných kol a spirálových skříní mění v rozsahu od mililitrů až do tisíců litrů za sekundu. Prostor oběžného kola a spirálové skříně, kde je čerpaná kapalina, je od okolí oddělen. Je-li oddělen mechanicky ucpávkou z vláknitých materiálů nebo těsnícími kroužky s pružinami, pak je hovořeno u čerpadlech s ucpávkou. Je-li pracovní prostor od okolí oddělen hydraulicky 19

20 pomocným oběžným kolem většího průměru s delšími lopatkami, než je průměr pracovního oběžného kola, jedná se o tzv. bezucpávková čerpadla. Je-li hřídel čerpadla umístěn v horizontální rovině, jedná se o čerpadla horizontální. Je-li hřídel umístěn svisle, jedná se o čerpadla vertikální. V konstrukci oběžného kola a spirálové skříně není zásadní rozdíl, podstatný je jen způsob montáže a připojení na potrubí. Celková účinnost odstředivých čerpadel, jako součin účinnosti mechanické a hydraulické, je o % nižší než u čerpadel pístových, prakticky vždy je pod 90 %. Odstředivá čerpadla mají řadu konstrukčních a praktických výhod: malý počet pohyblivých součástí náchylných k poruchovosti, jednoduchou konstrukci, snadnou montáž, opravy a demontáž, relativně snadnou vyrobitelnost všech dílů z kovů, skla, keramiky nebo termoplastů, možnost čerpání mechanicky znečištěných kapalin možnost čerpání kapalin agresivních z hlediska korozních a abrasívních účinků, nízké investiční a provozní náklady. To odstředivá čerpadla předurčuje k nejširšímu použití v technologické praxi jsou vůbec nejrozšířenějším typem čerpadel pro dopravu vody, vodných roztoků, tavenin a kapalných ropných látek. Jsou schopna čerpat i agresivní kapaliny s obsahem mechanických nečistot. Proto jsou používána pro čerpání kapalin v průmyslu chemickém a papírenském, úpravárenství rud, těžebním průmyslu, průmyslu potravinářském, strojírenském, farmaceutickém aj., ve vodárenství a čistírnách odpadních vod aj. aplikacích. Pohon odstředivých čerpadel zajišťují nejčastěji elektromotory, spalovací motory, parní nebo spalovací turbíny. 20

21 Obr. Obr Řez jednostupňovým Řez jednostupňovým odstředivým odstředivým čerpadlem čerpadlem s uzavřeným s uzavřeným oběžným kolem oběžným kolem 1 oběžné kolo, 2 spirála, 3, 7, 8 těsnící kruh, 4 ploché těsnění, 5 víko 1 - oběžné čerpadla, kolo, 62 - spirála, lucerna, 3,7,8 9 ložisková - těsnící kruh, konzola, 4 - ploché 10 ložisko, těsnění, 511 víko víko čerpadla, ložiska, 612 lucerna, 9 ložisková odstřikovací konzola, kroužek, 10 ložisko, 13 hřídel, víko matice, ložiska, 15, odstřikovací - pojistná podložka, kroužek, hřídel, pero, 14 matice, 17, 15, pojistné pojistná kroužky, podložka, 1916 matice, pero, 21 17,18 opěrný pojistné kroužek, kroužky, 22 těsnění 19 matice, hřídele, 2123 opěrný kroužek, ochranné 22 pouzdro, těsnění hřídele, 24 patka 23 konzoly ochranné pouzdro, 24 patka konzoly ucpávky, 25 provazcové Ucpávky: těsnění, ucpávkový provazcové kroužek, těsnění, zahlcovaní ucpávkový kroužek, 2827 ucpávková zahlcovaní příruba, 29 m,echanická ucpávka, kroužek, těsnění ucpávková mechanické příruba, ucpávky, mechanická doplňovač ucpávka, oleje, zátka těsnění mech. Ucpávky, 31 doplňovač oleje, 32 - zátka Závislost pracovní výšky odstředivého čerpadla H (m) na objemovém průtoku čerpané kapaliny V (m 3.s -1 ) pro určitý počet otáček oběžného kola n (ot.min -1 ) je tzv. univerzální charakteristika čerpadla. Je využívána k volbě typu čerpadla dle potřebného objemu a tlaku čerpané kapaliny. Pro určitý typ čerpadla se křivka v případě vyšších otáček posunuje směrem nahoru k vyšším výtlačným výškám, při nižších otáčkách naopak. Její tvar se při změně otáček příliš nemění. Při návrhu vhodného typu čerpadla je nutná také znalost charakteristiky potrubí, na které bude čerpadlo připojeno. Charakteristika potrubí (4) na obr uvádí závislost ztrátové výšky h z na objemovém průtoku kapaliny potrubím. 21

22 (3) H (2) (m) (1) H p (4) n = 1500 h z n = 1250 h g n = 1000 V (m 3.s -1 ) Obr Univerzální charakteristika odstředivého čerpadla H - pracovní výška čerpadla, n - otáčky čerpadla, (1,2,3) - charakteristika čerpadla, (4) - charakteristika potrubí, h g - geometrická výška potrubí, h z - ztrátová výška potrubí Průsečíky křivky charakteristiky potrubí a křivek charakteristiky (pracovní čáry) čerpadla určují objemový průtok a nezbytnou pracovní výšku čerpadla - H p = h z + h g. Obr Vícestupňové odstředivé čerpadlo s pohonem 22

23 Šneková čerpadla Princip funkce šnekového čerpadla je znám a využíván od antických dob (Archimédův šroub). Ve šnekových čerpadlech je energie čerpané kapalině předávána otáčejícím se šnekem (obr. 2.18, 2.19). Průměr šneku bývá cca mm i více. Šnek je tvořen ocelovou hřídelí s navařenou spirálou šnekovnicí z ocelového plechu. Dopravní šnek je umístěn v otevřeném ocelovém žlabu nebo trubce se sklonem o. Dopravní výška šnekových čerpadel zpravidla nepřesahuje 20 m, objemový průtok může být dle konstrukce až v tisících m 3.hod. -1. Hydraulická účinnost přesahuje 95 %. Je omezena přesností výroby a montáže celého čerpadla šíří štěrbiny mezi žlabem a šnekovnicí. Energetická účinnost zpravidla nepřesahuje 90 %. Šneková čerpadla jsou určena k čerpání velkých objemů vody i silně znečištěné mechanickými nečistotami. Používána jsou pro čerpání odpadních vod z kanalizačních stok do čistíren odpadních vod, vody ze zavlažovacích kanálů na obdělávané pozemky (např. rýžoviště) k odvodňování zamokřených pozemků nebo proláklin (např. z poldrů v Nizozemsku). Pohon nyní zajišťují elektromotory přes převodové skříně. Dříve se k pohonu používalo lidské síly, tažných zvířat, vodní nebo větrné energie. Obr Schéma šnekového čerpadla 23

24 Obr Šneková čerpadla na ČOV Vřetenová čerpadla Vřetenová čerpadla jsou tvořena skříní kruhového nebo oválného průřezu, v níž je umístěno jedno, dvě nebo tři rotující vřetena poháněná přímo elektromotorem nebo přes převodovou skříň. Energii čerpané kapalině dodávají rotující vřetena. Jsou určitou obdobou šnekových čerpadel. Vřetena i skříň jsou vyrobeny z oceli. Konstrukce je náročná na přesnost výroby, životnost závisí hlavně na kvalitě použitých materiálů. Trubka jednovřetenových čerpadel určených k čerpání pastovitých látek nebo koncentrovaných suspenzí bývá vyložena technickou pryží těsnící prostor mezi stěnou trubky a vřetenem. Celková účinnost vřetenových čerpadel nepřesahuje 90 %. Dopravní tlaky jsou obvykle do deseti MPa, objemové průtoky bývají až v desítkách litrů za sekundu. Vřetenová čerpadla jsou určena k dopravě viskózních kapalin, např. těžkých topných olejů, ale také pastovitých látek nebo koncentrovaných jemných suspenzí relativně měkkých látek. Bývají součástí výrobních linek v chemickém, potravinářském, kosmetickém nebo farmaceutickém průmyslu. Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty jsou tvořena oválnou skříní se dvěma ozubenými koly nebo dvěma tzv. rotujícími písty. Skříň je uzavřena z obou stran víky, která utěsňují pracovní prostor. Skříň a pracovní kola jsou vyrobena z oceli, v případě zubových čerpadel lze všechny díly vyrobit z termoplastů. Výroba je vždy náročná na přesnost obrobků a montáž, zejména u čerpadel s rotujícími písty. Pohon čerpadel zajišťují elektromotory přímo bez převodových skříní. 24

25 Celková účinnost těchto typů čerpadel se pohybuje kolem 90 %. Objemový průtok kapalin bývá na úrovni litrů za sekundu, pracovní tlak dosahuje běžně 1,0-1,5 MPa. Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty jsou určena pro dopravu čistých kapalin bez mechanických nečistot. Nejčastěji jsou používána v uzavřených okruzích pro dopravu mazacích, chladících, a těsnících olejů v motorech, převodových skříních pohonů, turbínách, rotačních kompresorech apod. Běžně jsou součástí mazacích okruhů spalovacích motorů všech typů., kde jsou na výtlaku čerpadel svíčkové filtry. Také jsou užívána pro čerpání topných olejů i pro čerpání vody do ostřikovačů skel a reflektorů automobilů aj. dopravních prostředků. Obr Zubové čerpadlo 1 skříň čerpadla, 2, 3 ozubená kola, 4 sací hrdlo, 5 výtlačné hrdlo Hadicová a peristaltická čerpadla Hadicová a peristaltická čerpadla jsou tvořena kruhovou skříní, kde je cca po polovině vnitřního obvodu umístěna hadice. Na centrální hřídeli jsou umístěny zpravidla dvě kladky, které hadici stlačují a tím zužují její vnitřní průřez. Pohybem kladek je kapalina před kladkami vytlačována z hadice a po uvolnění stlačení za kladkou je do hadice nasávána čerpaná kapalina. Princip čerpání je analogií peristaltickým stahům střevních stěn. Sací a výtlačná hrdla jsou vůči kruhové skříni umístěna tečně. Kruhová skříň s hrdly a čelními víky je vyrobena z kovů nebo plastů, hadice je vyrobena z technické pryže nebo měkčených plastů. Objemový průtok kapalin je v ml až litrech za minutu, výtlačný tlak nepřesahuje zpravidla 1 MPa. Hadicová a peristaltická čerpadla jsou používána pro čerpání malých objemů kapalin nebo suspenzí. Jsou vhodná pro čerpání viskózních kapalin nebo suspenzí i pastovitých látek. Často jsou používána i jako čerpadla dávkovací, hlavně u laboratorní techniky, např. kapalinových chromatografů, isotachoforetických analyzátorů aj. přístrojů. Jsou rovněž důležitou součástí mimotělních nucených krevních oběhů. 25

26 1 2 3 Obr.: Hadicové (peristaltické) čerpadlo 1 sací hrdlo, 2 skříň s rotorem a kladkami, 3 výtlačné hrdlo Obr Hadicové čerpadlo Ostatní typy čerpadel (injektory, monžíky, trkače, mamutky) Injektory a ejektory, proudová čerpadla - jsou využívána pro čerpání kapalin zpravidla pomocí proudu dopravní tekutiny - tlakové vody nebo páry (injektory vytlačují kapalinu, ejektory nasávají kapalinu) proudící potrubím se zmenšeným průřezem. Ve směšovací dýze má hnací kapalina vysokou rychlost a proto má i vysokou kinetickou energii, ale velmi nízkou energii tlakovou (viz Bernoulliho rovnice). To umožňuje nasávání čerpané kapaliny do prostoru směšovací dýzy. Dopravní kapalina tak nasává čerpanou kapalinu a předává ji část své kinetické energie. Proudová čerpadla mají velkou spotřebu hnací kapaliny, jejich energetická účinnost je pouze kolem 10 %. Výtlačný tlak je závislý na tlaku hnací tekutiny a nepřesahuje většinou 0,1 MPa. Objemový průtok je v desítkách litrů za sekundu. Výhodou proudových čerpadel je jednoduchá konstrukce a nevelké nároky na čistotu čerpané kapaliny. Na sání čerpadla je ale nutné vždy instalovat sací koš, který odfiltruje hrubší nečistoty. Nevýhodou proudových čerpadel je ředění čerpané kapaliny kapalinou dopravní nebo parním kondenzátem. Injektory jsou běžně užívány v průmyslu pro zajištění cirkulace chladící vody nebo vody pro ohřev v případě použití páry. Dále jsou často používána hasiči a záchranáři pro odčerpávání vody ze zatopených prostor. Proudová čerpadla jsou rovněž používána k provzdušňování a míchání obsahu aktivačních nádrží biologických stupňů čistíren odpadních vod jako jeden z možných systému aerace. Atmosférický vzduch je nasáván hrdlem 3 proudem cirkulující čištěné vody Obr Schéma proudového čerpadla 26

27 1 přívod hnací tekutiny, 2 směšovací dýza, 3 přívod nasávané kapaliny, 4 difuzor, 5 výtlak čerpané kapaliny Monžíky jsou v principu hermeticky uzavřené nádoby, do nichž je napuštěna čerpaná kapalina. Z monžíku je kapalina vytlačována stlačeným vzduchem nebo inertním plynem. Jejich užití je oprávněné v malotonážních diskontinuálních výrobách, poloprovozních nebo laboratorních podmínkách pro dopravu agresivních kapalin nebo tavenin. Výtlačný tlak a dopravní objem je limitován konstrukcí tlakové nádoby monžíku a tlakem dopravních plynů, které jsou k dispozici. Doprava kapaliny je diskontinuální přetržitá. Energeticky je tento způsob čerpání neefektivní, jeho účinnost se pohybuje mezi %. Výhodou je konstrukce bez pohyblivých částí jinak trpících korozí a abrazí čerpaných kapalin s nečistotami v nich obsaženými Obr Schéma monžíku 1 přívod čerpané kapaliny, 2 přívod plynu (stlačeného vzduchu), 3 tlaková nádoba monžíku, 4 výtlak čerpané kapaliny Trkače 2 jsou typem čerpadel, která využívají k čerpání kapaliny energie rychle proudící kapaliny, prakticky výhradně vody. Prudkým přerušením toku se mění kinetická energie kapaliny v tlakovou to umožňuje prudké zvýšení tlaku a vytlačení části objemu kapaliny do výtlačného potrubí. Mamutky jsou v principu čerpadla využívající k dopravě kapalin rozdílu hydrostatického tlaku kapaliny v nádrži a kapaliny s bublinami vzduchu ve výtlačném potrubí. Směs kapaliny a bublin má významně nižší hustotu, než má čistá kapalina. 2 Pomocí trkače byla v Krkonoších čerpána voda z Obřího dolu na vrchol Sněžky. S výhodou bylo využito velkého spádu potrubí na straně vstupu vody do trkače. Tím byla získávána dostatečná kinetická energie, která pak umožnila překonání výškového rozdílu dosahujícího téměř 500 m. 27

28 1 2 3 Obr Schéma mamutky 1 přívod tlakového vzduchu, 2 výtlačné potrubí, 3 směšovací komora 2.3 Doprava a komprese plynů Ve výrobních procesech se často dopravují a zpracovávají plyny za tlaků odlišných od tlaku atmosférického. Stlačené plyny bývají užívány i k pomocným účelům míchání nebo rozstřikování kapalin, jejich přečerpávání, pohon ručního nářadí (sbíječek) apod. Během stlačování nebo expanze plynů, s ohledem na jejich stlačitelnost, dochází kromě změny tlaku také ke změně jejich objemu a teploty. Vztah mezi tlakem p (Pa), objemem V (m 3 ) a absolutní teplotou T (K) vyjadřuje ve zjednodušeném vyjádření stavová rovnice ideálního plynu, kde n je počet molů plynu a R (J.kg -1.K -1 ) je univerzální plynová konstanta p V = n R T (2.1) Tato stavová rovnice vyhovuje s dobrou přesností i reálným plynům za nízkých tlaků a teplot, kdy se molekuly plynů vzájemně ovlivňují nejméně. Komprese plynů může teoreticky probíhat isotermně (za konstantní teploty, kdy je nutný odvod veškerého tepla vznikajícího kompresí) nebo adiabaticky (bez výměny tepla s okolím). Ke kompresi plynu za isotermních podmínek je nutné vynaložit mechanickou práci: p 2 A = n R T ln (2.2) p 1 T p 1 p 2 T 1 S 1 S 2 S 28

29 Obr Isotermní komprese v diagramu T S Množství tepla uvolněného při isotermní kompresi je úměrné součinu teploty T 1 a rozdílu entropie: Q = T 1. ( S 2 - S 1 ) (2.3) Ke kompresi plynů za adiabatických podmínek je nutné vynaložit mechanickou práci: kde je Poisonova konstanta: p 2 A = n R T ( ) ( - 1)/ - 1 (2.4) - 1 p 1 C P = (2.5) C V kde C P a C V je molární tepelná kapacita za konstantního tlaku a konstantního objemu. Zvýšení teploty při adiabatické kompresi je dáno rovnicí adiabaty: p 2 T 2 = T 1 ( ) ( - 1)/ (2.6) p 1 kde s indexem 1 je značen stav výchozí a s indexem 2 stav konečný. Reálná komprese probíhá za podmínek, které se více či méně blíží uvedeným podmínkám isotermním a adiabatickým bývá hovořeno o polytropické kompresi. Polytropický exponent m v rovnici spotřeby mechanické práce pro adiabatickou kompresi nahrazuje exponent. m = ( 1, ). Roztřídění strojů na dopravu a kompresi plynů Podle poměru tlaků před a po kompresi jsou rozlišovány Kompresory - poměr stlačení 3,0 Dmychadla - poměr stlačení 1,1 3,0 Ventilátory - poměr stlačení pod 1,1 Vývěvy tlak je snižován pod úroveň tlaku atmosférického Kompresory Obecně platí, že pro menší tlaky a velké objemy stlačených plynů jsou používány přednostně kompresory rotační, naopak pro vysoké tlaky a menší objemy stlačených plynů jsou používány kompresory pístové vícestupňové (viz dále uvedené dělení). Kompresory jsou stlačovány plyny s kompresním poměrem p 2 / p 1 3,0. Jejich pohon je většinou zajištěn elektromotory napájenými třífázovým střídavým elektrickým proudem, vznětovými nebo zážehovými spalovacími motory, parními turbínami, spalovacími plynovými nebo expanzními turbínami. 29