2. DOPRAVA KAPALIN Zařízení pro dopravu kapalin dodávají tekutinám energii pro transport kapaliny, 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 přeměny mechanické energie v energii proudících tekutin a měrná spotřeba energie na jejich dopravu náleží k rozhodujícím parametrům zařízení pro dopravu tekutin. Sací výška čerpadla 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 se plyny v kapalině rozpuštěné. To má za následek snížení sací výšky. Kapalina v krajním případě může v sání vřít; sací potrubí je potom zaplněno pouze parami a čerpání kapaliny je tak znemožněno. Přitom dochází k jevu zvanému kavitace, kdy se kapalina odtrhne od např. lopatek odstředivého čerpadla nebo pístu čerpadla pístového. Účinnost a výkon čerpadla v takovém případě prudce klesají, v čerpadlech vznikají tlakové rázy, které mohou vážně poškodit skříň a pracovní plochy čerpadla. Pro čerpání horkých kapalin je volena nulová či záporná sací výška - sání čerpadla je umístěno pod úrovní hladiny čerpané kapaliny. Výtlačná výška je výšková vzdálenost mezi čerpadlem a hladinou kapaliny v nádrži kam je kapalina dopravována. Dopravní výška je součtem sací a výtlačné výšky, obr. 2.1. 2.1 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA Hydrostatická čerpadla jsou samonasávací objemová čerpadla (tzn. pracovní komora čerpadla nemusí být zpočátku zaplněna kapalinou) s přímou přeměnou mechanické energie v potenciální (tlakovou) energii. Sací výška je omezena podtlakem, při kterém čerpaná kapalina při dané teplotě vře; u vody je sací výška max. 8 m. Objemová čerpadla nasávají do pracovního prostoru definovaný objem kapaliny. Kapalina je mechanicky vytlačována z pracovního prostoru. Sací a výtlačné potrubí je uzavíráno ventily, které brání zpětnému toku kapalin. Objemová čerpadla mají tzv. tvrdou charakteristiku, což znamená, že objem čerpané kapaliny nelze měnit redukčním prvkem, např. ventilem, na výtlačném potrubí. Objem dopravované kapaliny však lze snadno měnit změnou zdvihu pístů, změnou počtem otáček motoru pohonu nebo vracením části vytlačované kapaliny do sání čerpadla. Pístová čerpadla, obr. 2.1.1, jsou vhodná pro malé čerpané objemy, vysoké dopravní výšky a tlaky až 200 MPa. Pracovním prostorem pístových čerpadel je válcová komora, v níž se pohybuje píst. Píst má těsnící kroužky umístěny ve stěně pístu a zcela vyplňuje prostor válce. Při pohybu pístu vzad se otevře sací a uzavře výtlačný ventil a komora čerpadla se zaplní kapalinou. Při pohybu pístu vpřed se uzavře sací a otevře výtlačný ventil a kapalina je 1 h v h s Obr. 2.1 Doprava kapalin čerpadlem h S sací výška čerpadla, h V výtlačná výška čerpadla
vytlačena do potrubí. Píst se nepohybuje rovnoměrně a proto je kapalina vytlačována nerovnoměrně, vznikají v potrubí rázy. Průtok nezávisí na dopravní výšce. Pro omezení rázů jsou čerpadla opatřena tzv. vzdušníky na sací i výtlačné straně, obr. 2.1.2. Menší část kapaliny jde při výtlaku do potrubí a zbytek do vzdušníku, kde stoupá hladina a vzduch nad kapalinou se stlačuje. Po uzavření výtlačného ventilu se vzduch ve vzdušníku rozpíná a vytlačuje kapalinu do potrubí. Obdobná je funkce vzdušníku na sací straně, kde vzniká při sání podtlak. Obr. 2.1.1 Pístové čerpadlo 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, obr. 2.1.2. Tok kapaliny ve výtlačném potrubí se tak zrovnoměrní a rázy v potrubí sníží. Pokud jsou těsnící kroužky ucpávky umístěny pevně ve dnu válce a píst nevyplňuje celý průřez pracovního prostoru válce, jedná se o tzv. plunžrové čerpadlo, obr. 2.1.3. Pro dosažení stejného průtoku jako u pístových čerpadel je třeba většího počtu zdvihů plunžru. Tento typ čerpadel je vždy jednočinný a jsou používána pro extrémně vysoké tlaky, stovky MPa, dopravovaných kapalin. Plocha plunžru je menší než plocha pístu a proto síla působící na plunžr při jeho pohybu vpřed je menší než síla působící na píst při stejném protitlaku kapaliny (Síla = tlak x plocha). Motor o stejné síle pohybující plunžrem je schopen proto překonat větší protitlak kapaliny než tentýž motor pohybující pístem. Obr. 2.1.2 Dvojčinné čerpadlo 2.1.3 Plunžrové čerpadlo Účinnost přeměny energie mechanické v energii čerpané tekutiny dosahuje u pístových čerpadel kolem 95 %, objemová účinnost, tj. objem skutečně vytlačené kapaliny proti teoretickému objemu dosahuje až 98 %. Čerpadla s rotujícími písty, obr. 2.1.4, jsou tvořena oválnou skříní se dvěma tzv. rotujícími písty. Skříň je uzavřena z obou stran víky, která utěsňují pracovní prostor. Písty se po sobě odvalují a utěsňují v každé poloze při svém odvalování výtlak proti sání. Kapalina se dopravuje v prostoru mezi pístem a skříní. 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. Obr. 2.1.4 Čerpadlo s rotujícími písty Zubová čerpadla s vnějším ozubením jsou tvořena dvojící do sebe těsně zapadajících ozubených kol umístěných ve skříni, které se otáčejí v opačném směru, obr. 2.1.5. Ozubená 2
kola proti stěnám skříně čerpadla vytváří prázdné kapsy, v nichž je transportována čerpaná kapalina od sání, okolo vnějšího obvodu komory, do výtlaku čerpadla. Tato čerpadla jsou schopna vyvinout velmi vysoké tlaky (až 20 MPa). Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty jsou určena pro dopravu čistých kapalin bez mechanických nečistot. Obr. 2.1.6 Lamelové čerpadlo Lamelová čerpadla, obr. 2.1.6. Kapalina je dopravována do výstupu v mezerách mezi lamelami pohyblivě uloženými v excentricky uloženém rotoru. Probíhá-li lamela místem, v němž je rotor nejblíže stěně statoru, prostor mezi rotorem a statorem se začne zvětšovat a vyplňovat kapalinou, která je nasávaná ze sacího otvoru. Jakmile lamela mine místo maximální vzdálenosti mezi rotorem a stěnou statoru, prostor mezi lamelami se postupně zmenšuje a kapalina je v místě výtlačného otvoru dopravována do výtlačného hrdla. Čerpadla s pružným rotorem, obr. 2.1.7, mají pružné lopatky rotoru, které těsně přiléhají ke skříni čerpadla. Kapalina je dopravována v mezerách mezi lopatkami rotoru a skříní čerpadla. Čerpadlo pracuje v obou směrech otáčení rotoru. Tato čerpadla jsou vhodná pro čerpání suspenzí nebo viskózních kapalin. Částice tuhé fáze nejsou rozbíjeny rotorem. Obr. 2.1.8 Šroubové čerpadlo Šroubová čerpadla, obr. 2.1.8. U dvouvřetenového čerpadla je Obr. 2.1.5 Zubové čerpadlo Obr. 2.1.7 Čerpadlo s pružným rotorem kapalina dopravována v mezerách mezi závity vřeten otáčejících se proti sobě a skříní. Kapalina se přesunuje ve směru pohybu vřeten. Na výtlačném místě se mezera otevře a zmenšováním prostoru otevřené závitové mezery dojde k vytlačování kapaliny ven z čerpadla. Tato čerpadla jsou vhodná k čerpání lehce abrazivních, viskózních i mírně agresivních medií při tlacích do cca 2 MPa a vysokých průtocích. Je možné čerpat i horké kapaliny až do 300 C. Ve šroubovém čerpadle s excentrickým šnekovým rotorem, obr. 2.1.9, se kovové vřeteno (rotor) excentricky otáčí v pružném, obvykle pryžovém, vnitřním vřetenu (statoru). V prostoru mezi rotorem a statorem jsou velmi dobře utěsněné kavity pro dopravu kapaliny, které axiálně postupují od sání k výtlaku čerpadla. Tato čerpadla umožňují čerpat viskózní kapaliny obsahující tuhou fázi i nízkoviskózní kapaliny ve středotlakých systémech do 6 MPa při průtocích až 5 m 3 /min. Obr. 2.1.9 Šroubové čerpadlo s excentrickým rotorem 3
Membránová čerpadla, obr. 2.1.10, 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 nebo píst mechanicky vychylující membránu. Membránová čerpadla můžou být jednočinná nebo dvojčinná, Obr. 2.1.11 Membránové čerpadlo dvojčinné Obr. 2.1.10 Membránové čerpadlo jednočinné obr. 2.1.11. Membránová čerpadla jsou těsná a jsou. vhodná pro čerpání malých objemů čistých, mechanicky neznečištěných, agresivních kapalin (litry až stovky litrů za hodinu) pod tlakem do 0.5 MPa. Vlnovcová čerpadla, obr. 2.1.12, pracuje na stejném principu jako membránová čerpadla. Pružný vlnovec, který je vyroben z plastu, pryže, nebo kovu, je táhlem stlačován a natahován. Jelikož má při zdvihu větší objem než membrána, dopravuje větší množství kapaliny než membránové čerpadlo při stejné frekvenci pohybu táhla. Vlnovcová čerpadla jsou vhodná zejména pro čerpání agresivních kapalin. Obr. 2.1.12 Vlnovcové čerpadlo 2.2 HYDRODYNAMICKÁ ČERPADLA Hydrodynamická čerpadla jsou čerpadla s nepřímou přeměnou mechanické energie v tlakovou energii kapaliny přes kinetickou energii. Tato čerpadla se vyznačují tzv. měkkou charakteristikou, tj. dopravované množství kapaliny se může regulovat ventilem na výtlačném potrubí. Odstředivá čerpadla pracují na základě tzv. Bernoulliho principu. Rychlost toku kapaliny se v zúženém potrubí zvýší za současného poklesu jejího tlaku, rozdíl tlaků h na obr. 2.2.1. Je tomu tak proto, že platí zákon o zachování energie E kin + E tlaková + E ztrátová = konst Obr. 2.2.1 Bernoulliho princip kde ztrátová energie zahrnuje ztráty třením, odporem potrubí aj. V chemickém inženýrství tuto skutečnost vyjadřuje tzv. Bernoulliho rovnice. V odstředivém čerpadle, obr. 2.2.2, je energie čerpané kapalině dodávána oběžným kolem, kruhovým diskem s lopatkami, umístěným ve spirálové skříni. Lopatky na oběžném kole jsou zakřivené směrem dozadu vzhledem ke směru otáčení pro zvýšení energetické účinnosti 4
čerpadla. Spirálová skříň má sací hrdlo umístěno axiálně v ose hřídele. Osa výtlačného hrdla je umístěna ve směru radiálním na obvodu spirálové skříně. Oběžné kolo, které má běžně 1500 3000 ot. min -1, udělí kapalině kinetickou energii a tlačí ji ke stěně skříně čerpadla. Tím vzniká v ose hřídele podtlak a na obvodu oběžného kola přetlak. Kapalina je nasávána rozdílem tlaku vzduchu na spodní hladinu a tlaku při vstupu do oběžného kola. Na obvodu z oběžného kola kapalina vstupuje do spirálové skříně, kde se zvyšuje průtočný profil a rychlost kapaliny se postupně snižuje. Tím klesá její kinetická energie a úměrně vzrůstá energie tlaková v souladu s Bernoulliho rovnicí. Odstředivá čerpadla nejsou samonasávací a proto je nutné je provozovat již zavodněné, včetně sacího potrubí (tj. již plně zaplavené vodou, včetně celého přívodního potrubí). 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 dovolují zvýšit výtlačný tlak až na desítky MPa. Odstředivá čerpadla jsou vhodná pro čerpání velkých množství kapaliny do menších dopravních výšek. Jelikož kapalina protéká čerpadlem nepřetržitě, je i nepřetržitě vytlačována a tudíž v potrubí nevznikají rázy. Celková účinnost odstředivých čerpadel je nižší než u čerpadel pístových a prakticky vždy je pod 90 %. Odstředivá čerpadla jsou vůbec nejrozšířenějším typem čerpadel, protože mají jednoduchou konstrukci (malý počet pohyblivých součástí náchylných k poruchovosti), nízké investiční a provozní náklady a jsou schopna čerpat i agresivní kapaliny s obsahem mechanických nečistot. Proudová čerpadla, obr. 2.2.3, využívají pro čerpání kapalin proud vody, plynu nebo páry, vytékající vysokou rychlostí z trysky, který nasává a strhává dopravovanou kapalinu. Ve směšovací dýze má hnací kapalina vysokou rychlost a proto i vysokou kinetickou energii, ale velmi nízkou energii tlakovou (Bernoulliho princip). To umožňuje nasávání čerpané kapaliny Obr. 2.2.3 do prostoru směšovací trysky. Dopravní kapalina Proudové čerpadlo tak nasává čerpanou kapalinu a předává ji část své kinetické energie. Proudová čerpadla mají velkou spotřebu hnací kapaliny a velmi malou energetická účinnost 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 5 Obr. 2.2.2 Odstředivé čerpadlo
jednoduchá konstrukce a malé nároky na čistotu čerpané kapaliny. Nevýhodou proudových čerpadel je ředění čerpané kapaliny dopravní kapalinou nebo parním kondenzátem. 2.3 SPECIÁLNÍ ČERPADLA Speciální čerpadla jsou zařízení, která čerpají a dopravují kapalinu na základě jiných principů, než je tomu u hydrodynamických a hydrostatických čerpadel. Princip funkce vřetenového čerpadla, obr. 2.3.1, je znám a využíván od antických dob. Ve šnekových čerpadlech je energie čerpané kapalině předávána otáčejícím se šnekem. Průměr šneku tvořeného ocelovou hřídelí s navařenou spirálou bývá cca 500 1000 mm i více. Dopravní šnek je umístěn v otevřeném ocelovém žlabu nebo trubce se sklonem 30-45 o. Čerpaná kapalina je šnekem unášena vzhůru ve spodní části žlabu. Vzhledem k tomu, že mezeru mezi žlabem a šnekem není možno dostatečně utěsnit, jsou tato čerpadla vhodná pouze pro dopravu hustších kapalin při menším výškovém rozdílu hladin. 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 %, energetická účinnost zpravidla nepřesahuje 90 %. Šneková čerpadla jsou určena k čerpání velkých objemů vody i silně znečištěné mechanickými nečistotami. Hadicová (peristaltická) čerpadla, obr. 2.3.2, 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 zcela ji přehradí. Po odjetí kladky hadice opět nabude počáteční tvar a tím vytvoří podtlak potřebný k nasátí kapaliny. Pohybem kladky je kapalina vytlačována z hadice do výtlačného potrubí. Sací a výtlačná hrdla jsou vůči kruhové skříni umístěna tečně. Objemový průtok kapalin je v ml až litrech za minutu, Obr. 2.3.2 výtlačný tlak nepřesahuje 1 MPa. Hadicová čerpadla jsou Hadicové čerpadlo používána pro čerpání malých objemů kapalin nebo suspenzí. Jsou vhodná pro čerpání viskózních kapalin nebo suspenzí i pastovitých látek. Monžíky jsou v principu hermeticky uzavřené nádoby, do nichž je napuštěna čerpaná kapalina. Z monžíku je kapalina vytlačována stlačeným vzduchem nebo inertním plynem. Doprava kapaliny je přetržitá. Výtlačný tlak a dopravní objem je limitován konstrukcí tlakové nádoby monžíku a tlakem dopravních plynů, které jsou k dispozici. Energeticky je tento způsob čerpání neefektivní, jeho účinnost se pohybuje mezi 15 20 %. Výhodou je jednoduchá konstrukce bez pohyblivých částí. 6 Obr. 2.3.1 Vřetenové čerpadlo
Mamutky, obr. 2.3.3, jsou v principu čerpadla využívající k dopravě kapalin rozdílu hydrostatického tlaku kapaliny v nádrži a kapaliny s bublinami vzduchu ve výtlačném potrubí. Do spodní části výtlačného potrubí se přivádí vzduch, kde se smíchává s kapalinou. Směs kapaliny a bublin má významně nižší hustotu, než čistá kapalina a proto stoupá výtlačným potrubím nahoru do odlučovače. V odlučovači se odloučí bubliny vzduchu a výtokovým žlabem vyteče čerpaná kapalina do horní nádrže. Obr. 2.3.4 Sifon Sifon, obr. 2.3.4, je jednoduché zařízení, které se používá k přečerpávání kapalin do níže položených nádrží. Kapalina začne v potrubí proudit, jakmile se v potrubí dostane pod úroveň hladiny v horní nádrži. Ovládací prvky, kterými měníme průtok v potrubí obr. 2.3.5. Přívod vzduchu Čerpaná kapalina Výtok Obr. 2.3.3 Mamutka Obr. 2.3.5 Ovládací prvky a) klapka, b) kulový kohout, c) ventil 7