Pompy

Wśród energetycznych maszyn roboczych szczególne miejsce zajmują pompy. Służą one do:

• ● podnoszenia cieczy z poziomu niższego na poziom wyższy,

• ● przetłaczania cieczy z obszaru o niskim ciśnieniu do obszaru o wysokim ciśnie­niu,

• ● poziomego (lub prawie poziomego) przetłaczania cieczy przez długie przewody stawiające opór hydrauliczny.

Wymienione procesy wymagaja, dostarczenia do cieczy energii, zazwyczaj za po­mocą silnika napędzającego pompę. Zestaw złożony z przewodu ssawnego, pompy wraz z silnikiem i przewodu tłoczącego nosi nazwę układu pompowego (rys. 13.13).

Rys. 13.13. Układ pompowy: 1- zbiornik dolny, 2- przewód ssawny, 3- króciec ssawny, 4- pompa, 5- króciec tłoczny, 6- przewód tłoczny, 7- zbiornik górny.

• Wielkości charakteryzujące pompy i układy pompowe

Działanie przedstawionego na rysunku 13-13 układu pompowego określa kilka wielkości, m.in [1], (4):

wysokość podnoszenia – Hz – różnica poziomów cieczy pomiędzy górnym a dol­nym zbiornikiem,

wysokość ssania – Hs – różnica wysokości położenia wlotu króćca ssawnego i zwierciadła cieczy w dolnym zbiorniku,

wysokość tłoczenia – Ht – różnica wysokości położenia zwierciadła cieczy w zbiorniku górnym i wylotu króćca tłocznego,

wydajność pompy – V – strumień objętościcieczy w króćcu tłocznym,

moc napędowa – N_p – moc silnika napędzającego która podnosi strumień cieczy o ciężarze właściwym y na wysokość H,

gdzie η jest sprawnością pompy

2. Podział pomp

Pompy dzieli się ze względu na:

• ● rodzaj i stan pompowanego czynnika,

• ● miejsce zastosowania,

• ● zasadę działania i usytuowania w układzie pompowym,

• ● wydajność i wysokość podnoszenia.

Pompy służą do przemieszczania zarówno substancji czystych i jednorodnych, jak też roztworów i układów wielofazowych z jednego zbiornika do drugiego.

Szczegóły konstrukcyjne różnią pompy stosowane do cieczy konsumpcyjnych lub w aparaturze medycznej (wymagana sterylna czystość pompowania) od pomp prze­znaczonych do paliw płynnych i różnych substancji chemicznych, często szkodliwych dla otoczenia, i urządzeń transportujących (konieczność użycia specjalnych materia­łów konstrukcyjnych) czy pomp do ciekłych metali, czynników chłodniczych (solanki, freony) i kriogenicznych (ciekły wodór, azot, tlen, hel, metan) albo do zanieczyszczo­nej szlamem wody z kopalni, ścieków komunalnych i rolniczych.

Ze względu na zasadę działania pompy dzieli się na:

● wyporowe,

● wirowe.

• Pompy wyporowe

Działanie pomp wyporowych, jak sugeruje ich nazwa, polega na wypieraniu cie­czy z jednej przestrzeni (obszar ssania) do drugiej (obszar tłoczenia) za pomocą od­powiednio ukształtowanego, poruszającego się ruchem postępowo-zwrotnym, organu roboczego, którym może być tłok, nurnik, membrana lub wirnik (rotor) o zmiennym kształcie.

Pompa tłokowa jednostronnego działania (rys. 13.14) składa się z: tłoka (1) poruszającego się w cylindrze (2), który jest połączony z przestrzenią pośrednią (P). Na wlocie do obszaru P znajduje się zawór ssawny (Zs), a na wylocie zawór tłoczny (Zt). Strona ssąca jest połączona przewodem ssawnym (3) z cieczą w dolnym zbiorniku. Ciecz przez zawór tłoczny Z, przewodem tłoczącym (4) jest przemieszczana do zbior­nika górnego. Ruch obrotowy silnika przekazywany przez korbę (5), korbowód (6), wodzik (7) i tłoczysko (8) wywołuje ruch posuwisto-zwrotny tłoka o skoku s. Podczas ruchu tłoka ku korbie otwiera się zawór Zs i ciecz dopływa do przestrzeni P. Po zmia­nie kierunku ruchu tłoka ciśnienie w przestrzeni P rośnie, powodując otwarcie zaworu Zt i przemieszczenie części cieczy do przewodu tłoczącego.

Rys. 13.14. Schemat pompy tłokowej jednostronnego działania [9] (opis w tekście)

Na rysunku 13.15 przedstawiono schemat pompy tłokowej dwustronnego działa­nia, będącej jak gdyby konstrukcją złożoną z dwóch pomp (rys. 13.14). Ruch tłoka w dowolną stronę wiąże się zarówno z fazą ssania, jak i tłoczenia; występują one na przemian po obu stronach tłoka.

Rys. 13.15. Schemat pompy tłokowej dwustronnego działania [91: 1 — tłok, 2 — tłoczysko, 3 — przewód
ssawny, 4 — przewód tłoczny, 5 — cylinder, Z, — zawór ssący, Z, — zawór tłoczny

Pompa nurnikowa z powietrznikiem (rys. 13.16) różni się od jednostronnie działa­jącej pompy tłokowej kształtem elementu wytłaczającego ciecz (nurnik 1), a taże istnieniem powietrznika (rodzaj gazowego akumulatora), który łagodzi pulsację ci­śnienia na wlocie (4). Nurnik różni się od tłoka nie tylko kształtem. Tłok porusza się w cylindrze, który stanowi integralną część kadłuba pompy, nurnik natomiast jest wprowadzony do kadłuba pompy niejako z zewnątrz, a jego prowadnicą jest dławnica (tj. element uszczelniający). Wydajność pomp nurnikowych można zwiększyć przez zastosowanie kilku cylindrów połączonych wspólną przestrzenią ssawną i tłoczną. Pompa jest napędzana za pomocą jednego walu, w którym wykorbienia są tak przesu­nięte względem siebie, że pulsacje ciśnienia na wylocie są znacznie mniejsze.

Rys. 13.16. Pompa nurnikowa jednostronnie działająca,
z powietrznikiem [6] (opis w tekście)

Do pomp o posuwisto-zwrotnym ruchu elementu wytłaczającego ciecz zalicza się również pompę membranową (rys. 13.17). Posuwisto-zwrotny ruch membrany (1) za­pewniają układ korbowy (4) i tłoczysko (5).

Rys. 13.17. Pompa membranowa: 1 — membrana, 2 —
króciec ssawny, 3 — króciec tłoczny,
4 — mechanizm korbowy, 5 — tłoczysko

Rys. 13.18. Pompa Rootsa [41: 1 — wirniki, 2 — króciec ssania, 3 — króciec tłoczenia

Osobną grupę stanowią pompy wyporowe, w których organ wypierający wykonu­je ruch obrotowy. Organami tymi są wirniki z wysuwanymi łopatkami, odpowiednio ukształtowane pary wzajemnie stycznych i toczących się po powierzchni cylindra rotorów, kola zębate, a także śruby. Na rysunku 13.18 przedstawiono krzywkową pompę Rootsa. Dwa rotory (1), z których jeden jest czynny (napę­dzający), drugi zaś bierny, toczą się po sobie, a jednocześnie toczą się po pobocznicy walca two­rzącego kadłub. Dzięki cykloidalnemu kształtowi rotorów, między wirnik a powierzchnię cylindra dostaje się z przestrzeni ssawnej ciecz, która pod­czas dalszego obrotu zostaje wtłoczona do prze­strzeni wysokiego ciśnienia.

Pompę zębatą, w któ­rej ciecz jest przenoszona z obszaru ssania do obszaru tłoczenia w przestrzeni międzyzrębnej przedstawiono na rysunku 13.19. Dwa koła zębate, tocząc się po sobie, odcinają cieczy możliwość ucieczki do obszaru niskiego ciśnienia, przy tym jeden z elementów wytłaczających jest czynny, drugi zaś bierny.

Wydajność pomp wyporowych, w zależności od typu i rozmiaru, mieści się w szerokich granicach, od 0,001 do 10⁴ m^3/h, wysokość podnoszenia sięga nato­miast 500 MPa, a sprawność η mieści się w granicach 0,65+0,99.

• Pompy wirowe

Działanie pomp wirowych polega na nadaniu cieczy w obracającym się wirniku dużej prędkości, a następnie zmianie energii kinetycznej cieczy (przez wyhamowanie cieczy) na energię potencjalną (ciśnienie).

Pompy wirowe – ze względu na kierunek przepływu cieczy w wirniku – dzieli się na: odśrodkowe, helikoidalne, diagonalne i śmigłowe. Na rysunku 13.20 przedstawio­no schemat pompy odśrodkowej, w której ciecz przepływa przez wirnik promienio­wo. Składa się ona z wirnika (1) osadzonego na wale napędowym (5), króćca wlo­towego (3), spirali zbiorczej (2) i króćca wylotowego (4). Ciecz, dopływając króćcem (3), trafia do wirnika, obracającego się z pewną prędkością kątową w. Wir­nik w kształcie tarczy, na której znajdują się łopatki przypominające łuki, zmienia kierunek przepływu napływającej cieczy z osiowego na promieniowy. Ciecz porusza się wzdłuż łopatki wirnika po promieniu ruchem obrotowym, nabierając znacznej szybkości. U wylotu z kanału międzyłopatkowego następuje wyhamowanie cieczy i zamiana energii kinetycznej na potencjalną, w wyniku tego rośnie ciśnienie sta­tyczne cieczy na wylocie.

Rys. 13.20. Pompa odśrodkowa (opis w tekście)

Wysokość podnoszenia w jednym stopniu pompy odśrodkowej jest niewielka (od kilku do kilkudziesięciu metrów), aby ją zwiększyć, należy ciecz kierować do szeregowo następujących po sobie wirników. Sposób organizacji przepływu przez pompy odśrodkowe wielostopniowe pokazano na rysunku 13.21.

Rys. 13.2 1. Przepływ czynnika przez wielostopniową pompę odśrodkową [61

Ciecz w pompie heiikoidalnej przepływa początkowo osiowo, a następnie zmienia kierunek na skrośny względem walu. Wyhamowanie szybkości uzyskanej przez ciecz w wirniku następuje w ślimakowym kanale zbior­czym (2), który przechodzi w króciec wylotowy (rys. 13.22). Pompy helikoidalne buduje się jako jednostopniowe, co ogranicza ich wysokość podno­szenia.

Rys. 13.22. Pompa helikoidalna [6]:
1 — wirnik, 2 — kolektor zbiorczy,
3 — króciec wlotowy, 4 — króciec
wylotowy, 5 — wał Rys. 13.23. Pompa diagonalna: 1— wirnik, 2 — wał,
3 — lej wlotowy, 4 — wylot, 5 — kierownica

Pompa diagonalna (rys. 13.23) charakteryzuje się tym, że przepływ cieczy w wirniku jest promieniowo­-osiowy. Po wylocie z wirnika ciecz jest wyhamowywa w kierownicach osiowych. Podobnie działa pompa śmigłowa, której wirnik ma kształt wielołopatkowego śmigła, a kierownice są odpowiednio przestrzennie uksztaltowane (rys. 13.24). Pompy diagonalne i śmigłowe są budowane głównie jako jednostopniowe i pracują w układzie pionowym [21.

Rys. 13.24. Pompa śmigłowa [4]: 1 — wirnik, 2 — kierownice, 3 — lej
wlotowy, 4 wylot

• Porównanie właściwości pomp

Zalety pomp wirowych są następujące:

• ● duża wydajność mimo stosunkowo niewielkiej wysokości podnoszenia V do około 5÷7 m³/s),

• ● małe rozmiary pompy,

• ● równomierność pracy (stałe parametry na wylocie pompy),

• ● bezpośrednie sprzężenie wału pompy z silnikiem,

• ● duża niezawodność i zdolność samoregulacji.

Pompy wirowe mają jednak także wady, do których zalicza się m.in.:

• ● brak zdolności samozasysania się,

• ● wrażliwość na zanieczyszczenia mechaniczne,

• ● wrażliwość na zawartość gazu w cieczy.

Pompy wyporowe charakteryzuje:

• ● bardzo duża wysokość podnoszenia,

• ● niezmienna wydajność, mimo znacznych zmian warunków pracy pompy,

• ● duża sprawność,

• ● zdolność samozasysania,

• ● niewrażliwość na obecność gazu w cieczy.

• Do wad pomp wyporowych zalicza się m.in.:

• ● ograniczoną wydajność,

• ● pulsację ciśnienia na wylocie,

• ● zawodność związaną z wieloma wzajemnie poruszającymi się elementami.