1 ČERPADLA! čerpadla, tlak, objemoý průtok, ýtlačná ýška, regulace čerpadel, oběžné kolo CÍL této kapitole se seznámíte s čerpadly, s jejich účelem, principem činnosti, se základy jejich konstrukce, ýpočtu a regulace. OSNOA 1.1 ROZDĚLENÍ ČERPADEL 1.2 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA 1.3 HYDRODYNAMICKÁ ČERPADLA 1.4 OSTATNÍ ČERPADLA 1.5 HLANÍ PARAMETRY ČERPADEL OPAKUJ! základy hydrostatiky ONDRÁČEK,. a kol. Mechanika I. 1. yd. Praha : SNTL, 1978, s. 23 52! základy hydrodynamiky - ONDRÁČEK,. a kol. Mechanika I. 1. yd. Praha : SNTL, 1978, s. 59 90 a 103-117 1.1 ROZDĚLENÍ ČERPADEL Čerpadla jsou stroje, které slouží k dopraě kapalin z místa níže položeného na místo položené ýše, nebo ke zyšoání tlaku kapaliny. Čerpadel je elmi mnoho proedení. Jejich základní rozdělení do třech skupin ychází z přeměny energie při čerpání: 1. Hydrostatická čerpadla (někdy zaná také objemoá) mechanická energie pohonu se přímo mění na tlakoou energii kapaliny, kinetická energie kapaliny je přitom nepatrná. Kapalina se přemisťuje prostřednictím ýtlačného tělesa, kterým může být píst, plunžr, membrána, ozubená kola, lamely, šroub atd. 2. Hydrodynamická čerpadla (někdy zaná také odstřediá či lopatkoá) mechanická energie pohonu se prostřednictím pohybu oběžného kola s lopatkami nejpre přeměňuje na kinetickou energii kapaliny a ta potom další části čerpadla na tlakoou energii kapaliny. 3. Ostatní čerpadla takto je označoána skupina čerpadel nezařaditelných mezi předchozí. Sronáme-li hydrostatická a hydrodynamická čerpadla, můžeme obecně konstatoat, že hydrostatická čerpadla se použíají pro menší objemoé průtoky a yšší tlaky, a tedy že hydrodynamická se použíají pro yšší objemoé průtoky a nižší tlaky. Hydrostatická čerpadla I - 1
mají při stejných ýkonech ětší rozměry, složitější konstrukci a yšší náklady na nákup a údržbu. Účinnost hydrostatických čerpadel je yšší (protože hydrodynamických čerpadlech probíhá dojnásobná přeměna energie a každý proces přeměny formy energie je ztrátoý). U některých hydrostatických čerpadel se kapalina přečerpáá neronoměrně, zatímco u hydrodynamických je dodáka kapaliny plně kontinuální. Přestože je čerpadel elmi mnoho různých typů, činnost šech čerpadel spočíá na tomtéž principu. Tlak čerpadle pro nasátí kapaliny je nižší, než je tlak kapalině. Kapalina tak musí proudit do čerpadla. Následně je tlak kapaliny čerpadle zýšen natolik, aby kapalina mohla ystupoat z čerpadla s přebytkem energie. " HEJZLAR, R. Stroje a zařízení jaderných elektráren. Díl 1. 3. yd. Praha : ČUT, 2000, s. 17 1.2 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA 1.2.1 Pístoá čerpadla Píst koná přímočarý ratný pohyb. Na činné straně pístu se střídá sání s ytlačoáním e smyslu pohybu pístu. Kapalina se přečerpáá liem měnící se rychlosti pístu neronoměrně a tlak e ýtlačném otoru čerpadla pulzuje. Pro zmenšení pulzoání tlaku se před sací otor a za ýtlačný otor zařazuje zdušník. zdušník je uzařený prostor, e kterém je nad hladinou přečerpáané kapaliny zduch, který sou stlačitelností napomáhá zronoměrnění ytlačoání i nasáání kapaliny. K otírání a zaírání sacího a ýtlačného otoru se použíají samočinné entily nebo klapky. Někdy býají pístoá čerpadla ještě dělena na pístoá a plunžroá. Za píst je poažoáno krátké ýtlačné těleso utěsněné kroužky a za plunžr dlouhé ýtlačné těleso utěsněné ucpákou nebo manžetoým těsněním. Jednočinná pístoá (plunžroá) čerpadla (obr. 1.1) se použíají pro malý objemoý průtok. Jednočinné znamená, že se jeho činnost odehráá na jedné straně pístu (plunžru). Činnost jednočinného pístoého (plunžroého) čerpadla na obr. 1.1 můžeme ysětlit následujícím způsobem. Plunžr se pohybuje směrem prao a prostor čerpadloého álce se zětšuje. Zároeň tlak e álci klesá, ýtlačný entil je uzařen a sací entil oteřen. důsledku podtlaku se álec naplní kapalinou. Jakmile se plunžr začne pohyboat dolea, prostor e álci se zmenšuje. Tlak e álci roste, sací entil je uzařen a ýtlačný entil se otírá. zniklým přetlakem se kapalina ytlačí do ýtlačného potrubí. I - 2
Obr. 1.1: Schéma jednočinného pístoého (plunžroého) čerpadla (1). Dojčinná pístoá (plunžroá) čerpadla (obr. 1.2 a) yužíají dojčinného pístu (plunžru). To znamená, že praconí prostor je po obou stranách pístu (plunžru). Nasáání a ýtlak nastáají při každém zdihu, a proto je čerpání ronoměrnější. Diferenciální čerpadla (obr. 1.2 b) nasáají jako jednočinná, ale ytlačují při obou zdizích. Část kapaliny nasáté při sacím zdihu (při pohybu plunžru dopraa) se při druhém zdihu (při pohybu plunžru dolea) ytlačuje do ýtlačného potrubí, ale zbytek přetéká na druhou stranu plunžru a ytlačuje se při sacím zdihu (při pohybu pístu dopraa). Síla působící na plunžr je při obou zdizích přibližně stejná (poloiční než u jednočinného). Je jednodušší než dojčinné čerpadlo (menší počet entilů), ale yroná se mu stejnoměrností dodáané kapaliny. a/ b/ Obr. 1.2: a/ Schéma dojčinného pístoého (plunžroého) čerpadla (1). b/ Schéma diferenciálního čerpadla (1). I - 3
" SKOPAL,., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Staba a prooz strojů I. 2. yd.praha : SNTL, 1987, s. 123-142 Pístoá čerpadla mají široké pole uplatnění například jako čerpadla palia u znětoých motorů, dákoací čerpadla pro chemikálie, čerpadla pitné ody, napájecí čerpadla pro parní kotle, čerpadla pro odádění ody při zakládání staeb nebo pro pohon hydraulických lisů. Použíají se pro tlaky až do 50 MPa. 1.2.2 Membránoá čerpadla Rozdělují se na čerpadla s pístem a bez pístu. Čerpadla s pístem pracují na obdobném principu jako čerpadlo na obr. 1.1, ale píst je od čerpané kapaliny oddělen membránou. U čerpadel bez pístu (obr. 1.3) je pohyb pístu zcela nahrazen pohybem membrány. U membránoých čerpadel nepřichází čerpaná kapalina do styku s pohybliými částmi čerpadel, s těsněními a ucpákami, mohou tedy dopraoat chemicky aktiní či znečištěné kapaliny. Použíají se tedy například chemickém průmyslu, jednoduché membránoé čerpadlo bez pístu se také použíá jako palioé čerpadlo u spaloacích motorů. Obr. 1.3: Schéma bezpístoého membránoého čerpadla; 1/ membrána, 2/ sací hrdlo, 3/ ýtlačné hrdlo, 4/ sací entil, 5/ ýtlačný entil (2). " SKOPAL,., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Staba a prooz strojů I. 2. yd.praha : SNTL, 1987, s. 143 http://www.cerpadla-horn.cz/membr.htm; http://www.kcerpadla.cz/sortb.htm; http://www.imu.cz/ 1.2.3 Rotační hydrostatická čerpadla U těchto čerpadel konají ýtlačná tělesa rotační pohyb. Zuboá čerpadla (obr. 1.4) jsou nejčastěji použíaným typem, protože jsou poměrně lená, lehká, málo rozměrná, konstrukčně i technologicky jednoduchá, proozně spolehliá, odolná proti nečistotám a nenáročná na údržbu. Zuboá čerpadla se obykle skládají ze dou spoluzabírajících ozubených kol uložených tělese. Čerpaná kapalina je unášena zuboými mezerami podél stěn skříně. I - 4
Zuboá čerpadla jsou schopna yodit tlak do 20 MPa. Nejčastěji se použíají jako čerpadla mazacího oleje e spaloacích motorech, čerpadla pro hydraulická zařízení obráběcích strojů či čerpadla oleje pro menší hydraulické regulační obody. Obr. 1.4: Zuboé čerpadlo (3) a jeho schéma (1). " http://www.cerpadla-horn.cz/zuboky.htm; http://www.kcerpadla.cz/sorta.htm; http://www.prominent.cz/ Lameloá čerpadla (někdy také zaná křídloá) (obr. 1.5) dodáají čerpanou kapalinu stejnoměrně a pro stejný ýkon jsou ještě menší a lehčí než čerpadla zuboá. Kapalina je edena prostoru mezi lamelami, které jsou posuně uloženy rotoru. liem excentrického uložení rotoru e skříni dochází při jeho rotaci k postupnému zětšoání objemu místě A a opět zmenšoání objemu místě B. Lameloá čerpadla se použíají do tlaku 14 MPa předeším hydraulických systémech automobilů, obráběcích strojů a automatizačních zařízeních. Obr. 1.5: Schéma lameloého čerpadla (e excentricita) (1). řetenoá čerpadla (někdy také zaná šrouboá) (obr. 1.6) mají e sronání se zuboými ronoměrnější průtok (bez pulsací) a tišší chod, neýhodou je obtížnější ýroba. yrábějí se jako jednořetenoá nebo íceřetenoá. Čerpaná kapalina je unášena mezerách mezi rotujícími řeteny a skříní. I - 5
Jednořetenoá čerpadla se použíají předeším pro doprau znečištěných či hustých kapalin potrainářském a chemickém průmyslu nebo při ýrobě bare. íceřetenoá se uplatňují například jako čerpadla mazacího oleje pro elké znětoé motory nebo pro posu brusek, použíají se do tlaku 20 MPa. Obr. 1.6: Schéma třířetenoého čerpadla (4). " SKOPAL,., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Staba a prooz strojů I. 2. yd.praha : SNTL, 1987, s. 145-151 DROST, A., OUWEHAND, J. Stroje pro přeměnu energií. 1. yd. Sezimoo Ústí : Gause, 1994, s. 138 142 http://www.doos.cz/ 1.3 HYDRODYNAMICKÁ ČERPADLA Důležitou částí šech hydrodynamických čerpadel je oběžné kolo s lopatkami. Princip funkce těchto čerpadel spočíá tom, že poté co čerpaná kapalina stoupí sacím otorem do čerpadla, dostane se mezi lopatky rotujícího oběžného kola. liem odstředié síly je tato kapalina tlačena en z oběžného kola, které jí zároeň přiádí stále íce energie, takže její rychlost případně i tlak narůstají. Oběžná kola mají elmi různorodé tary. Podle směru ýtoku kapaliny z oběžného kola rozdělujeme hydrodynamická čerpadla na (iz. obr. 1.7): 1. radiální kapalina stupuje do oběžného kola axiálně a ystupuje radiálně (kolmo k ose oběžného kola); 2. axiální kapalina stupuje i ystupuje z oběžného kola axiálně (ronoběžně s osou); 3. diagonální kapalina stupuje do oběžného kola axiálně a ystupuje diagonálně (šikmo k ose). a/ b/ c/ Obr. 1.7: Schéma taru oběžných kol; a/ radiální; b/ diagonální; c/ axiální (5). I - 6
Podle polohy hřídele se hydrodynamická čerpadla dělí na horizontální, ertikální a šikmo uložená (méně častá). případě potřeby býá praxi použíáno íce čerpadel najednou. Pak býají řazena sérioě (jedno čerpadlo za druhým) k dosažení yšších ýstupních energií nebo paralelně (edle sebe) k dosažení ětších průtoků. Někdy toto býá yřešeno přímo konstrukcí čerpadla. Existují čerpadla ícestupňoá, kdy je na jednom hřídeli uloženo íce oběžných kol. Čerpaná kapalina ystupující z prního oběžného kola je přeedena do následujícího oběžného kola, kde je jí opět zýšena energie (tedy sérioé řazení oběžných kol). Z posledního oběžného kola je čerpaná kapalina přeáděna k ýstupnímu otoru s požadoanými parametry. Existují také čerpadla s paralelním řazením oběžných kol, takoým říkáme íceproudoá čerpadla. ětšina hydrodynamických čerpadel musí být před spuštěním naplněna (zalita) kapalinou, protože prázdné čerpadlo si kapalinu samo nenasaje. ýjimkou jsou čerpadla konstruoaná jako samonasáací (například čerpadla hasičských stříkaček). 1.3.1 Radiální hydrodynamická čerpadla Jsou to nejrozšířenější hydrodynamická čerpadla. Někdy býají také označoána jako odstřediá čerpadla. Jeho schéma je na obr. 1.8. Obr. 1.8: Schéma jednostupňoého radiálního čerpadla; 1/ oběžné kolo; 2/ difuzor; 3/ spirální skříň (6). Oběžná kola radiálních hydrodynamických čerpadel mají různé tary s různě zakřienými lopatkami podle účelu použití. Příklad je na obr. 1.9. I - 7
Obr. 1.9: Oběžné kolo radiálního hydrodynamického čerpadla (3) a schéma jeho taru. Z oběžného kola stupuje čerpaná kapalina po celém obodu do spirální skříně. Spirální skříň je zakřiený kanál jehož průřez se postupně zětšuje a ede kapalinu do ýtlačného hrdla (obr. 1.10). Průřezem I prochází ¼ čerpané kapaliny, průřezem II prochází ½, průřezem III prochází ¾ a tepre průřezem I prochází celé množstí čerpané kapaliny. Plocha jednotliých průřezů šak není přímo úměrná protékajícímu množstí kapaliny, protože se také mění rychlost jejího proudění. Obr. 1.10: Schéma taru spirální skříně. U radiálních hydrodynamických čerpadel je často mezi oběžné kolo a spirální skříň řazen difuzor (někdy označoaný jako přeaděč). Difuzor je pený lopatkoý kruh, který obklopuje oběžné kolo. Použíá se nejčastěji tehdy, když je potřeba část kinetické energie přeměnit na tlakoou, proto se jeho mezilopatkoé kanály postupně rozšiřují. Jak již bylo uedeno, radiální hydrodynamická čerpadla se yskytují mnoha proedeních. Jedno z nejmenších a nejjednodušších nalezneme automatické pračce nebo myčce na nádobí (obr. 1.11). Obr. 1.11: Jednoduché radiální hydrodynamické čerpadlo (1). I - 8
Radiální hydrodynamická čerpadla se uplatňují k dopraě pitné, užitkoé i odpadní ody, k zalažoání, k čerpání chladící ody, či k odčerpáání spodní ody. Běžný příklad celkoého konstrukčního uspořádání radiálního hydrodynamického čerpadla je ueden na obr. 1.12. Obr 1.12: Jednostupňoé radiální hydrodynamické čerpadlo k nucenému oběhu ody nízkotlakých teploodních soustaách ústředního ytápění (typ 80-NT, ýrobce SIGMA GROUP a.s., Lutín); 101/ těleso čerpadla;132/ mezistěna; 230/ oběžné kolo; 314/ opěrný kroužek; 412/ těsnící kroužek; 502/ těsnící kruh; 504/ dilatační kroužek; 545/ ložiskoé pouzdro; 685/ ochranné pouzdro; 811/ plášť elektromotoru; 813/ stator elektromotoru; 817/ odděloací ložka; 818/ rotor elektromotoru; 819/ hřídel; 922/ matice hřídele (7). Zláštní skupinou jsou kaloá čerpadla (obr. 1.13), která slouží k dopraě znečištěných kapalin, které mohou obsahoat i ětší tuhé přimíšeniny. Použíají se například k čerpání kalů, fekálií, močůky, e staebnictí ody z ýkopů, z kanalizace. Oběžná kola musí mít tary, které se snadno neucpáají, příklad je ueden na obr. 1.13. I - 9
Obr. 1.13: Kaloé čerpadlo (3) a schéma tarů oběžných kol (5). Čerpadla k dopraě řepy cukroarech mají oběžné kolo oteřené se děmi lopatkami (obr. 1.14), které jsou upraeny tak, aby se řepa nepoškodila. Řepa se doprauje e směsi s odou (obykle okolo 10 % tuhého podílu, maximálně 25 %). Takoá čerpadla se také mohou použít k dopraě brambor či ooce. Obr. 1.14: Oběžné kolo čerpadla na řepu (3) a schéma jeho taru (5). K čerpání kapalin z elkých hloubek, z úzkých rtů, šachet a studní se použíají ponorná čerpadla (obr. 1.15). Elektromotor a nad ním umístěné čerpadlo toří monoblok álcoého taru, který se snadno spouští do úzkých prostor, elektrická energie je přiáděna odotěsným kabelem. Obr. 1.15: Schéma čtyřstupňoého ponorného čerpadla (5). " SKOPAL,., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Staba a prooz strojů I. 2. yd.praha : SNTL, 1987, s. 214-237 DROST, A., OUWEHAND, J. Stroje pro přeměnu energií. 1. yd. Sezimoo Ústí : Gause, 1994, s. 164 190 KYSELA, F. Stroje.1. yd. Praha : SNTL, 1982, s. 92 106 I - 10
1.3.2 Axiální hydrodynamická čerpadla Podle taru oběžného kola se jim také říká rtuloá. Použíají se pro nejětší objemoé průtoky a minimální dopraní ýšky. Oběžné kolo má náboji etknuto 2 až 6 lopatek, které jsou obykle uloženy peně, mohou být šak i nastaitelné (natáčié), čehož se yužíá při regulaci čerpadla. Pro usměrnění toku čerpané kapaliny býá za oběžným kolem umístěno tz. přeáděcí kolo s penými lopatkami (iz. obr. 1.16). Tato čerpadla se použíají například jako čerpadla oběhoá k zrychlení oběhu ody topných a chladících systémech nebo jako čerpadla zálahoá. Obr. 1.16: Schéma ertikálního axiálního hydrodynamického čerpadla; 1/ álcoá skříň (stator); 2/ ucpáka; 3/ oběžné kolo; 4/ pené lopatky přeaděče (4). 1.3.3 Diagonální hydrodynamická čerpadla Zjednodušeně řečeno předstaují sou konstrukcí, lastnostmi a použitím přechod mezi radiálními a axiálními hydrodynamickými čerpadly (obr. 1.17 a). Proedení oběžného kola se může íce blížit proedení oběžných kol axiálních čerpadel (obr. 1.17 b) nebo radiálních čerpadel (obr 1.17 c). Za oběžným kolem býá spirální skříň (jako u radiálních čerpadel), skříň taru prstence nebo lopatky přeaděče (jako u axiálních čerpadel). Použíají se například k dopraě chladící ody na elektrárenských chladících ěžích, pro kanalizační účely, k ododňoání či zaodňoání. a/ b/ c/ Obr. 1.17: a/ Schéma horizontálního diagonálního hydrodynamického čerpadla s axiálním difuzorem (5); b/ c/ příklady taru oběžného kola (1). " http://www.cerpadla.cz; http://www.remont-cerpadla.cz/; http://www.sigma.cz/; http://www.cerp.kgb.cz/ http://mujweb.cz/obchod/ol-cerpadla/; http://www.k-h.cz/; http://www.doos.cz/ http://www.sigmahra.cz/news/katalog.php3; http://www.sulzerprocesspumps.f-m.cz/ I - 11
1.4 OSTATNÍ ČERPADLA 1.4.1 odní injektory (obr. 1.18) Tato čerpadla yužíají lastnosti difuzoru a dýzy. Proud ody ycházející z dýzy (trysky) s elkou kinetickou energií strháá čerpanou kapalinu do difuzoru. Tady se zužující se části směs hnací a čerpané kapaliny nejpre zrychluje (získáá kinetickou energii), a potom se rozšiřující se části postupně mění kinetická energie na tlakoou. Použíají se předeším k čerpání iskózních kapalin. Obr. 1.18: Řez odním injektorem; 1/ dýza (tryska); 2/ difuzor; 3/ příod hnací ody; 4/ příod dopraoané kapaliny; 5/ ýstupní hrdlo (4) 1.4.2 Parní injektory Pracují na obdobném principu jako odní injektory, ale místo proudu ody yužíají energii proudu páry. Protože se čerpaná kapalina od páry ohříá, použíají se s ýhodou k čerpání ody do parních kotlů. Stejně jako odní injektory mají poměrně nízkou účinnost (okolo 0,3). 1.4.3 odní trkače (obr. 1.19) yužíají energie odního rázu, oda se jimi doprauje přetržitým proudem. Oteřeným ypouštěcím entilem 1 ytéká oda do odpadu. Proudem ody je tento entil stržen a prudce uzařen. Tím zroste tlak ody trkači, oteře se ýtlačný entil 3 a část ody přejde do ýtlačného zdušníku. Tlak ody ihned zase poklesne, ýtlačný entil 3 se uzaře, ypouštěcí entil 1 oteře a oda zase začne ytékat do odpadu. Celý tento praconí cyklus se opakuje, až oda ytéká do horní nádrže. I - 12
Obr. 1.19: Schéma odního trkače; 1/ ýtlačné potrubí; 2/ ýtlačný zdušník; 3/ ýtlačný entil; 4/ záaží; 5/ ypouštěcí entil; 6/ příod ody z dolní nádrže (6). odní trkače se použíají zláště tam, kde není k dispozici zdroj elektrické energie, ale kde je dostatek hnací ody se spádem H alespoň 1 m. Jejich ýhodou je samočinný chod bez obsluhy. Na poměru h/h záisí účinnost (max. 0,92), na stejném poměru záisí také poměr objemoého průtoku e ýtlačném a příodním potrubí (max. 0,5). 1.4.4 Mamutoá čerpadla (obr. 1.20) yužíají lastnosti spojených nádob. Skládají se z trubky, do které se určité hloubce pod hladinou přiádí zduch (z kompresoru o tlaku okolo 0,2 MPa) přes otory sperloače o průměru 4 až 6 mm. zniklé bublinky zduchu ytoří hlaní trubce směs s kapalinou. Kapalina je čerpána důsledkem přetlaku zniklého rozdílnou hustotou této směsi a kapaliny. Na horním konci hlaní trubky je separátor, který opět odděluje kapalinu od zduchu. Tato čerpadla se použíají například k čerpání ody z podzemních rtů, k dopraě kalů, mohou se použíat i při dopraě řepy cukroarech. Obr. 1.20: Schéma mamutoého čerpadla; 1/ odděloač zduchu; 2/ hlaní trubka; 3/ potrubí pro příod stlačeného zduchu; 4/ sperloač (6). I - 13
1.4.5 Elektromagnetická čerpadla (obr. 1.21) Použíají se k dopraě elektricky odiých kapalin (obykle tekutých koů) na základě elektromagnetického pole a kapaliny, jako pohybliého odiče. Obr. 1.21: Schéma elektromagnetického čerpadla (4). " HEJZLAR, R. Stroje a zařízení jaderných elektráren. Díl 1. 3. yd. Praha : ČUT, 2000, s. 51-52 1.5 HLANÍ PARAMETRY ČERPADEL Dopraoaná kapalina může při čerpání měnit sou:! ýšku o H a tím sou potenciální energii o m g H (kde m hmotnost dopraoané kapaliny, g tíhoé zrychlení),! rychlost o a tím sou kinetickou energii o! tlak o p a tím sou tlakoou energii o 1 2 2 m, p m (kde ρ - hustota dopraoané kapaliny). ρ Čerpání kapaliny probíhá e dou částech. Před čerpadlem je část nasáací, za čerpadlem část ýtlačná. Schéma čerpací stanice je na obr. 1.22. Nasáání kapaliny zniká obykle ytořením rozdílu mezi atmosférickým tlakem p a a sacím tlakem čerpadla p s, tedy p = p a ps. Hodnota p záisí na nadmořské ýšce a na bodu aru kapaliny (kapalina nesmí při nasáání dosáhnout bodu aru). Na tomto rozdílu tlaků záisí nasáací ýška kde liy. H s a měrná sací energie čerpadla Ys podle Bernoullioy ronice: 2 s p a ps Y s = H s g + + Yzs = (1.1), 2 ρ s - sací rychlost, Y zs - ztrátoá měrná energie nasáací ěti daná třením a místními I - 14
Obr. 1.22: Schéma čerpací stanice; 1/ horní nádrž; 2/ ýtlačné potrubí; 3/ manometr ýstupního tlaku z čerpadla; 4/ motor; 5/ čerpadlo; 6/ sací koš; 7/ manometr sacího hrdla; 8/ sací potrubí (6). ytlačoání kapaliny probíhá důsledku rozdílu ýstupního tlaku kapaliny z čerpadla p a tlaku nad hladinou ytlačené kapaliny p a, tedy p = p p a. Podle Bernoullioy ronice je měrná ýtlačná energie čerpadla: kde 2 2 s p p a Y = H g + + Yz = (1.2), 2 ρ H - ýtlačná ýška, - ýtlačná rychlost, Y z - ztrátoá měrná energie e ýtlačné ěti. případě, že nad hladinami nasáané nebo ytlačoané kapaliny jsou jiné tlaky než atmosférické, musíme jimi samozřejmě p a ronicích (1.1) a (1.2) nahradit. Měrná energie čerpadla: pa ps p pa p ps Y = Ys + Y = + = (1.3). ρ ρ ρ Dopraní ýška čerpadla: H = H s + H = Příkon čerpadla: Y g (1.4). ρ Y P = (1.5), η kde - teoretický objemoý průtok (skutečný objemoý průtok je dán součinem teoretického a objemoé účinnosti), η - celkoá účinnost čerpadla. I - 15
Způsob ýpočtu teoretického objemoého průtoku záisí na typu čerpadla:! u jednočinného a diferenciálního pístoého čerpadla 2 π D = S L n = L n 4 kde S plocha pístu, L zdih pístu, n otáčky klikoého hřídele, D průměr pístu;! u dojčinného pístoého čerpadla π 2 2 = (2 D d ) L n 4 kde d průměr pístní tyče;! u zuboého čerpadla = 2 m b r kde m modul ozubených kol, b šířka zubů,! u lameloého čerpadla = 2 π D b e n l (1.6), (1.7), (1.8), r obodoá rychlost na roztečné kružnici; kde D nitřní průměr statoru, b l šířka lamely, e excentricita, n otáčky rotoru;! u řetenoého čerpadla = π D h b n p p (1.9), (1.10), kde D roztečný průměr řetena, h p ýška profilu záitu, b p šířka drážky záitu na roztečném průměru, n otáčky řetena;! u radiálního hydrodynamického čerpadla = π D b c k (1.11), m kde D průměr oběžného kola, b šířka kanálu oběžného kola na průměru D, c m meridiánoá rychlost na průměru D, k součinitel zúžení průtočného průřezu;! u axiálního hydrodynamického čerpadla π = (D 4 2 2 2 D ) c 1 m k (1.12), kde D 2 nější průměr oběžného kola, D 1 průměr náboje oběžného kola, c m meridiánoá rychlost, k součinitel zúžení průtočného průřezu. " SKOPAL,., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Staba a prooz strojů I. 2. yd.praha : SNTL, 1987, s. 126 151 a 216-234 DROST, A., OUWEHAND, J. Stroje pro přeměnu energií. 1. yd. Sezimoo Ústí : Gause, 1994, s. 131 137, 144 164, 167 174 a 182 190 DOŘÁK, R. Stroje. 4. yd. Praha : SNTL, 1975, s. 210 224 a 236 240. Mezi hlaní technické parametry čerpadel tedy patří ýkon a příkon, objemoý průtok, dopraní, nasáací a ýtlačná ýška, měrná energie čerpadla, dále otáčky, maximální (případně minimální) teplota dopraoané kapaliny, rozměry a hmotnost. I - 16
Př ypočítejte skutečný objemoý průtok a potřebný příkon zuboého čerpadla pro doprau oleje, je-li dán modul 3, počet zubů 24, šířka zubů 30 mm, otáčky 1080 min -1, ýstupní tlak 6 MPa, objemoá účinnost 0,85 a celkoá účinnost 0,65. Dáno: m = 3 mm = 3 10-3 m z = 24 b = 30 mm = 30 10-3 m n = 1080 min -1 = 18 s -1 p = 6 MPa = 6 10 6 Pa η = 0,85 =? η= 0,65 P =? Skutečný objemoý průtok je dán ztahem (1.8) a objemoou účinností, tedy: = 2 m b r η Nezadanou obodoou rychlost na roztečné kružnici ozubených kol yjádříme známým ztahem r = π D n, kde za průměr roztečné kružnice dosadíme D = m z, tedy: = 2 m b π D n η = 2 3 10 3 = 6,229 10 m 30 10 4 m 3 s 1 3 = 2 m b π m z n η m π 3 10 3 m 24 18s 1 0,85 Příkon čerpadla je dán ztahem (1.5), měrnou energii čerpadla yjádříme pomocí ztahu (1.3): P = ρ Y ρ p = η η p ρ s Protože je sací tlak ps nižší než atmosférický, iz. ztah (1.1), a tedy e sronání s ýtlačným tlakem p = 6MPa nepatrný, můžeme ho zanedbat. Pokud ještě ykrátíme hustoty ρ, pak: = p P η 6,229 10 P = P = 5750 W = 4 3 m s 0,65 1 5,75 kw 6 10 6 Pa Skutečný objemoý průtok tohoto čerpadla je 6,229 10-4 m 3 s -1 a potřebný příkon 5,75 kw. Budeme-li počítat s možností přetížení 50 %, musí mít hnací elektromotor ýkon 8,625 kw. 1.5.1 Regulace čerpadel Průtok čerpadel se reguluje:! změnou otáček například pomocí přeodoky;! škrcením e ýtlaku použíá se například škrtící klapky zařazené e ýtlačné ěti (méně hospodárné, ale technicky nejjednodušší); I - 17
! škrcením sání obdobné jako předchozí způsob, ale škrtící člen je zařazen sací ěti;! přepouštěním do sání kapalina se přepouští z ýtlaku do sání (obtokoým potrubím) přes regulační šoupátko;! změnou zdihoého objemu použíá se u některých hydrostatických čerpadel, například změnou zdihu pístu u pístoých čerpadel nebo změnou excentricity u lameloých čerpadel;! doupolohoě dodáá-li čerpadlo (obykle hydrostatické) do tlakoého zásobníku, postačuje ětšinou regulace zapnuto ypnuto;! natáčením lopatek oběžného kola použitelná u rtuloých hydrodynamických čerpadel s přestaitelnými lopatkami (hospodárné, ede šak ke složitější konstrukci oběžného kola a potřebě mechanismu k oládání natáčeni). " SKOPAL,., ADÁMEK, J., KRATOCHÍL, J. Stroje a zařízení. 2. yd.praha : SNTL, 1989, s. 135-137 SKOPAL,., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M Staba a prooz strojů I. 2. yd.praha : SNTL, 1987, s. 261-264 KYSELA, F. Stroje.1. yd. Praha : SNTL, 1982, s. 89 90 a 102 104? 1. Co je to čerpadlo? 2. Doplňte: Sronáme-li hydrostatická a hydrodynamická čerpadla můžeme obecně konstatoat, že hydrostatická čerpadla se použíají pro ší objemoé průtoky a ší tlaky. 3. Mezi hydrostatická čerpadla nepatří: a/ membránoá čerpadla b/ řetenoá čerpadla c/ odní injektory 4. Nakreslete schéma pístoého čerpadla. 5. Nakreslete schéma taru oběžných kol hydrodynamických čerpadel a směr proudění dopraoané kapaliny. 6. ysětlete princip činnosti odního trkače. 7. K dopraě jakých kapalin se použíají elektromagnetická čerpadla? 8. Jaké se použíají způsoby regulace radiálních hydrodynamických čerpadel? 9. Určete minimální objemoý průtok a příkon čerpadla, kterým je možno přeprait 1000 m 3 ody za den, přičemž dopraní ýška je 5m; celkoou účinnost čerpadla uažujte 0,6. 10. Najděte (na pracoišti, domácnosti, apod.) čerpadlo, zjistěte jeho konstrukční proedení, typ, technické parametry a ýrobce. Jaký jiný typ čerpadla by se dal použít? I - 18
" 1. Čerpadlo je stroj, který slouží k dopraě kapalin z místa níže položeného na místo položené ýše, nebo ke zyšoání tlaku kapaliny. 2. Sronáme-li hydrostatická a hydrodynamická čerpadla můžeme obecně konstatoat, že hydrostatická čerpadla se použíají pro menší objemoé průtoky a yšší tlaky. 3. c/ 4. iz. obr. 1.1 5. iz. obr. 1.7 6. odní trkače yužíají energie odního rázu, oda se jimi doprauje přetržitým proudem. Oteřeným ypouštěcím entilem ytéká oda do odpadu. Proudem ody je tento entil stržen a prudce uzařen. Tím zroste tlak ody trkači, oteře se ýtlačný entil a část ody přejde do ýtlačného zdušníku. Tlak ody ihned zase poklesne, ýtlačný entil se uzaře, ypouštěcí entil oteře a oda zase začne ytékat do odpadu. Celý tento praconí cyklus se opakuje, až oda ytéká do horní nádrže. 7. Elektromagnetická čerpadla se použíají k dopraě elektricky odiých kapalin (obykle tekutých koů). 8. U radiálních hydrodynamických čerpadel se použíá regulace změnou otáček, škrcením e ýtlaku, škrcením sání a přepouštěním do sání. 9. Dáno: = 1000 m 3 τ = 1 den = 24 60 60 s = 86400 s ρ = 1000 kg m -3 H = 5 m =? η = 0,6 P =? Podle ztahu známého z hydromechaniky: = τ 3 1000m = 86400s = 1,158 10 2 m 3 s 1 Podle ztahu (1.5) s dosazením ze ztahu (1.4): P = ρ Y η = ρ H g η 1,158 10 = 2 m 3 s 1 1000 kg m 0,6 3 5m 9,81m s 1 = 946,7 W Minimální objemoý průtok čerpadla podle zadání je 1,158 10-2 m 3 s -1 a jeho příkon 956,7 W. I - 19