Możliwości i ograniczenia zwiększania sprawności pomp samozasysających

Prawidłowe działanie pomp wirowych wymaga całkowitego zalania pompy oraz instalacji ssawnej. Jest to łatwe do uzyskania w przypadku pomp pracujących z napływem, ponieważ ciecz grawitacyjnie spływa do pompy. W przypadku pomp pracujących ze ssaniem, dla których swobodne lustro cieczy w zbiorniku ssawnym znajduje się poniżej pompy, istnieje możliwość dostania się do rurociągu ssawnego oraz samej pompy oparów cieczy lub powietrza np. z nieszczelnej instalacji. Dla takich aplikacji wymaga się zastosowania zaworu stopowego zatrzymującego ciecz w instalacji w trakcie postoju pompy.

Należy jednak pamiętać, że zawór stopowy generuje określone opory przepływu i powoduje obniżenie dostępnej w układzie nadwyżki antykawitacyjnej. Dodatkowo w trakcie eksploatacji może dojść do rozszczelnienia układu lub samego zaworu, co powoduje, że cały układ należy na nowo zalać. Alternatywą dla zaworu stopowego jest zastosowanie układu próżniowego, który przed każdym uruchomieniem pompy będzie kontrolował stopień zalania instalacji. Jest to jednak układ złożony, wymagający poniesienia większych kosztów inwestycji.

Zaliczane do grupy pomp specjalnych wybrane konstrukcje pomp wirowych są projektowane w sposób umożliwiający samozasysanie cieczy. Można je podzielić na dwie grupy: pompy krążeniowe oraz pompy krętne (w szczególności odśrodkowe) z dodatkowym układem samozasysającym.

Klasyczne pompy samozasysające

Pompy krążeniowe – z kanałami bocznymi, peryferalne oraz z pierścieniem cieczowym – mają naturalną zdolność samozasysania pod warunkiem ich odpowiedniego zaprojektowania.

Pompy z pierścieniem cieczowym charakteryzują się na tyle dobrymi własnościami ssawnymi, że wykorzystuje się je powszechnie jako pompy próżniowe, np. w układach zalewania rurociągów lub odsysania oparów z procesów technologicznych.

Najbardziej rozpowszechnione, szczególnie w indywidualnych systemach wodociągowych oraz do przetłaczania cieczy łatwo parujących, są pompy samozasysające krążeniowe z kanałami bocznymi. Stopień pompy krążeniowej składa się z wielołopatkowego wirnika oraz kanału bocznego o zmiennym przekroju. Energia do cieczy przekazywana jest stopniowo poprzez tworzące się wiry, krążące między łopatkami wirnika i kanałem bocznym. Taki sposób przekazywania energii powoduje, że cząstka cieczy kilkukrotnie wpływa do wirnika danego stopnia i za każdym razem dostaje impulsowo pewną dawkę energii. Proces można przyrównać do pomp wielostopniowych, w których ciecz przepływa przez ustawione szeregowo wirniki. W pompach krążeniowych uzyskujemy podobny efekt w obrębie pojedynczego wirnika i kanału bocznego, z tego względu wysokość podnoszenia z jednego stopnia pompy krążeniowej o zadanej średnicy wirnika jest kilkukrotnie wyższa niż w pompie odśrodkowej.

Realizacja procesu samozasysania w pompach krążeniowych odbywa się na ostatnim stopniu pompy, który wyposażony jest w specjalnie ukształtowany kanał do zintensyfikowania procesu odpompowywania gazu. Warunkiem poprawnej pracy jest zalanie pompy cieczą roboczą. Mieszanina cieczy i gazu zasysana jest do stopnia samozasysającego, w którym na skutek siły odśrodkowej tworzy się pierścień cieczowy w pobliżu zewnętrznych ścian stopnia. Ze względu na kanał boczny o zmiennym przekroju tworzący się „tłok cieczowy” wypycha gaz gromadzący się w pobliżu piasty wirnika przez dodatkowy kanał do korpusu tłocznego pompy.

Czytaj też: Systemy awaryjne odwadniania dachów płaskich >>>

Sprawność pomp krążeniowych bocznokanałowych

Istotnym ograniczeniem stosowania pomp krążeniowych jest ich niska sprawność. W literaturze przedmiotu [1,5] można znaleźć matematyczne uzasadnienie braku możliwości uzyskania wysokiej sprawności pomp krążeniowych. Wyliczono, że teoretyczna moc użyteczna dla przypadku bez tarcia i strat mechanicznych wynosi:

(1)

gdzie:

γ – ciężar właściwy pompowanej cieczy,

Q_k – natężenie przepływu w kanale bocznym,

H_k – wysokość podnoszenia uzyskiwana w kanale bocznym,

Q_f – natężenie przepływu ruchu krążeniowego,

f_k – pole przekroju kanału bocznego,

c_wu – składowa obwodowa prędkości krążenia w wirniku,

c_ku = Q_k/fk – składowa obwodowa prędkości krążenia w kanale bocznym.

Wymiana impulsowa energii pomiędzy wirnikiem i kanałem bocznym jest największa dla przypadku, kiedy prędkość obwodowa krążenia w kanale bocznym c_ku jest równa zeru. Wymiana energii nie zachodzi w momencie, gdy prędkość obwodowa krążenia w kanale bocznym i wirniku są sobie równe c_ku = c_wu, ponieważ ciecz w obu elementach obraca się jako jedna całość. Powyższe powoduje, że funkcja (1) osiąga maksimum dla c_ku = 0,5 c_wu, czyli dla połowy teoretycznie maksymalnej wydajności stopnia Q_k = 0,5 Q_kmax.

Moc wewnętrzna teoretyczna określona jest zależnością:

  (2)

wówczas sprawność wewnętrzna w kanale bocznym wynosi:

  (3)

gdzie:

φ – wydajność względna pompy krążeniowej.

Moc strat mechanicznych w pompie krążeniowej praktycznie nie zależy od wydajności, natomiast moc wewnętrzna zmienia się z wysokością podnoszenia w sposób liniowy, a ich zależność można określić w sposób następujący:

(4)

Ze względu na liniową zależność wysokości podnoszenia od wydajności oraz fakt, że maksymalną moc wewnętrzną uzyskuje się dla wydajności Q_k = 0,5 Q_kmax, dla której sprawność wewnętrzna w kanale bocznym równa jest wydajności względnej φ, jej wartość nie może przekroczyć 50%.

W rzeczywistości sprawność całkowita pompy zależy jeszcze od strat mechanicznych i hydraulicznych na wejściu i wyjściu z kanału, strat tarcia w wirniku i kanale bocznym, a także strat objętościowych. Powoduje to w praktyce ograniczenie sprawności pomp krążeniowych do ~45% oraz zakresu stosowania do wydajności kilkudziesięciu m³/h i mocy silników do ~30 kW.

Pompy wielostopniowe odśrodkowe ze zdolnością samozasysania cieczy

W małych pompach wielostopniowych do wody czystej spotykane są konstrukcje, w których przed wlotem do wirnika pierwszego stopnia stosuje się strumienicę. Pobiera ona wodę z korpusu tłocznego pompy i na skutek wysokiej prędkości cieczy wysysa z rurociągu ssawnego powietrze i wtłacza mieszaninę do wirnika. Sprawność takich rozwiązań ze względu na dużą ilość krążącej w obiegu cieczy porównywalna jest do sprawności pomp krążeniowych, co powoduje, że ich stosowanie praktycznie ogranicza się jedynie do indywidualnych systemów wodociągowych.

Zdolność samozasysania przemysłowych pomp wielostopniowych odśrodkowych zazwyczaj realizowana jest poprzez dołożenie dodatkowego stopnia krążeniowego, który powoduje odsysanie gazu z rurociągu ssawnego. W starszych rozwiązanych pomp występują konstrukcje, w których człon krążeniowy zasysa mieszaninę gazu i cieczy tuż zza krawędzi wlotowej łopatki wirnika pierwszego stopnia [6,7], co jednak powoduje konieczność rozbudowania konstrukcji pompy.

Nowsze rozwiązania (rys. 1) są bardziej kompaktowe i charakteryzują się tym, że stopień krążeniowy umieszczony jest za wirnikiem ostatniego odśrodkowego stopnia pompy (1).

• Stopień samozasysający (3) składa się z wielołopatkowego wirnika (6) oraz członu ssawnego (4) i tłocznego (5), w których umiejscowione są dwa kanały boczne.
• Człon ssawny i tłoczny wraz z wirnikiem stanowią zamkniętą całość (stopień krążeniowy), natomiast wokół nich poprowadzony jest kanał obiegowy (7) umożliwiający pompowanie cieczy z pominięciem wirnika krążeniowego.
• Podczas samozasysania mieszaniny gazu i cieczy (rys. 2) wirnik odśrodkowy ostatniego stopnia (1) separuje ciecz (kolor niebieski) od gazu (kolor czerwony).
• Gaz pozostaje w pobliżu piasty wirnika, natomiast ciecz wtłaczana jest do kierownicy odśrodkowej (2).
• Gaz poprzez otwory w wirniku (1a) zasysany jest do stopnia krążeniowego i przetłaczany do korpusu tłocznego (8 na rys. 1).
• Ciśnienie generowane w stopniu krążeniowym powoduje, że gaz wypełniający korpus tłoczny napiera na ciecz wypełniającą kanał obiegowy (7), próbując ją wepchnąć na wirnik odśrodkowy.
• Wirnik na skutek siły odśrodkowej utrzymuje ciecz w kierownicy.

Taki stan równowagi utrzymuje się do momentu całkowitego odessania gazu i wypełnienia wirników cieczą, co powoduje, że wszystkie stopnie zaczynają równomiernie przekazywać energię do cieczy, natomiast zdecydowana większość pompowanej cieczy transportowana jest kanałem obiegowym z pominięciem stopnia krążeniowego (rys. 3).

Wysokość podnoszenia pompy oraz poszczególnych stopni odśrodkowych uzależniona jest od zadanej wydajności pompy. Wysokość podnoszenia stopnia krążeniowego, ze względu na panujące różnice ciśnień przed i za ostatnim odśrodkowym stopniem pompy, zrównuje się z przyrostem wysokości podnoszenia na tym stopniu, natomiast wydajność przetłaczanej cieczy w stopniu krążeniowym zależy od jego indywidualnych parametrów.

Czytaj też: Hydranty – wymagania prawne i podstawowe parametry hydrauliczne >>>

Sprawność samozasysających pomp wielostopniowych

W przypadku pomp odśrodkowych (wielostopniowych) istnieją nieco odmienne ograniczenia sprawności niż dla pomp krążeniowych. Ich sprawność zależy w szczególności od wielkości kanałów wewnętrznych oraz wyróżnika szybkobieżności:

    (5)

gdzie:

n – prędkość obrotowa wału pompy,

Q_n – wydajność nominalna,

H_i – wysokość podnoszenia jednego stopnia pompy wielostopniowej.

Ogólne zależności opisujące poszczególne sprawności pomp odśrodkowych są znane i dobrze opisane w dostępnej literaturze [3, 4, 8], dlatego nie zostały szczegółowo opisane w artykule. W praktyce oznacza to, że sprawność pomp odśrodkowych wielostopniowych obniża się wraz ze zmniejszeniem pola przekroju kanałów hydraulicznych oraz obniżeniem wartości wyróżnika szybkobieżności, tj. im większy przyrost wysokości podnoszenia ze stopnia, tym niższa sprawność.

Powyższe powoduje, że w zakresie niskich wydajności (do kilku–kilkunastu m³/h) sprawność pomp odśrodkowych jest niższa niż krążeniowych lub wymaga budowy pomp o kilkukrotnie większej liczbie stopni, co przekłada się na jej wysoki koszt i dyskwalifikuje takie rozwiązanie. W zakresie wydajności powyżej kilkunastu m³/h oraz mocy silników powyżej kilkunastu kW zaczyna się opłacać stosowanie pompy wielostopniowej pomimo jej bardziej złożonej budowy niż pomp krążeniowych. Sprawności takich pomp plasują się w zakresie od 50 do 84% [3].

Sprawność samozasysających pomp wielostopniowych jest nieco niższa niż pomp standardowych ze względu na straty w stopniu krążeniowym oraz kanale obiegowym. Moc nominalną pobieraną przez standardową pompę wielostopniową można określić jako:

   (6)

gdzie:

i – liczba stopni,

η_i – sprawność stopnia.

W przypadku pomp ze stopniem samozasysającym zależność ta przyjmuje postać:

  (7)

gdzie:

Q_k – wydajność stopnia krążeniowego,

η_k – sprawność stopnia krążeniowego,

η_is – sprawność ostatniego odśrodkowego stopnia pompy,

H_is – wysokość podnoszenia ostatniego odśrodkowego stopnia pompy.

W stopniu samozasysającym znajdują się niejako dwa równolegle pracujące stopnie: odśrodkowy i krążeniowy. Ilość cieczy pompowanej przez stopień krążeniowy można określić jako:

  (8)

gdzie:

q_s – jednostkowa wydajność stopnia krążeniowego.

Współczynnik q_s dobierany jest indywidualnie podczas projektowania pompy, a jego wartość zawiera się w przedziale 0,03–0,1. Powoduje to, że ostatni odśrodkowy stopień pompy pracuje z nieco mniejszą wydajnością niż pozostałe, a uzyskiwana wysokość podnoszenia zgodnie z charakterystyką pomp odśrodkowych dla mniejszej wydajności jest nieco wyższa niż w pozostałych stopniach pompy.

Zakładając jednak dla uproszczenia H_is = H_i oraz η_is = η_i, uzyskujemy:

  (9)

Wzrost poboru mocy ψ (współczynnik obniżenia sprawności) na skutek zastosowania stopnia samozasysającego można określić jako:

  (10)

Po podstawieniu równań (8) i (9) do (10) i wykonaniu niezbędnych uproszczeń otrzymujemy:

  (11)

Biorąc pod uwagę projektowane w ramach projektu „Modelowe pompy wielostopniowe o podwyższonych zdolnościach ssania” pompy WH, ich sprawność w zależności od wielkości wyniosła od 64 do 70%.

Dla założonych parametrów q_s oraz uzyskiwanych sprawności stopnia krążeniowego η_k współczynnik obniżenia sprawności ψ wyniósł od 0,04 do 0,15. Wartości największe uzyskano dla pomp najmniejszych o najniższej liczbie stopni (i = 2). W związku z powyższym rzeczywista uzyskiwana w badaniach sprawność pomp z członem samozasysającym wyniosła od 54 do 68%, co jest wartością znacznie wyższą niż osiągana dla pomp krążeniowych.

Podsumowanie

Ze względu na ograniczenia pomp krążeniowych oraz rzeczywiste straty w nich występujące ich sprawność w zależności od wielkości i liczby stopni zawiera się w przedziale 35–45%.

Przyjmując średnią sprawność pomp krążeniowych jako 40% oraz średnią sprawność pomp odśrodkowych wielostopniowych ze stopniem samozasysającym jako 61%, łatwo zauważyć, że zastosowanie zmodyfikowanych pomp odśrodkowych zamiast krążeniowych pozwala na oszczędności średnio 35% energii zużywanej na pompowanie. Powoduje to, że w instalacjach przemysłowych, w których wymagana jest zdolność do samozasysania cieczy, coraz chętniej pompy krążeniowe zastępowane są pompami odśrodkowymi z członami krążeniowymi.

Takimi instalacjami są w szczególności bazy paliw płynnych, w tym gazu skroplonego. Czynniki te w trakcie pompowania mają skłonność do zmiany fazy z ciekłej na gazową. Proces ten zachodzi szczególnie po stronie niskiego ciśnienia, czyli w instalacji ssawnej pompy, powodując dostawanie się do króćca ssawnego pompy mieszaniny gazu i cieczy. Tradycyjna pompa odśrodkowa uległaby bardzo szybkiemu zagazowaniu i przestałaby przetłaczać ciecz. Pompa wyposażona w człon samozasysający umożliwia na bieżąco odpompowywanie fazy gazowej, co umożliwia jej pracę w bardzo szerokim zakresie, w szczególności przy ciśnieniu na ssaniu bliskim ciśnieniu parowania, a dla wybranych paliw nawet poniżej tej wartości, zachowując niską energochłonność transportu cieczy.

Literatura

1. Bajbakow O.B., Wihrewyje gidrawlicieskie masziny, Maszinostroenie, Moskwa 1981.
2. Janaczak M., Opracowanie, wykonanie i badania modelowego układu mechanicznego, przepływowego i samozasysającego modułowej pompy wielostopniowej serii WH o wielkość DN80, Sprawozdanie merytoryczne z realizacji wykonanego zadania nr 6, dokument wewnętrzny Hydro-Vacuum S.A., Grudziądz 2014.
3. Jędral W., Pompy wirowe, WNT, Warszawa 2001.
4. Lazarkiewicz S., Troskolański A.T., Pompy wirowe, WNT, Warszawa 1968.
5. Plutecki J., Zieliński M., Pompy krążeniowe z kanałem bocznym. Cz. 1, „Przegląd Mechaniczny” Wyd. XXXI, Zeszyt 13/1972.
6. Sigma, Samonasavaci odstrediva clankova cerpadla S-LV-D, katalog produktów Sigma Pumpy Hranice.
7. Sihi, Centrifugal Pumps, Self-priming, segmental type TKH, TLH, katalog produktów Sterling Sihi GmbH.
8. Stępniewski M., Pompy, WNT, Warszawa 1978.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!