Jste zde

Principy průmyslových čerpadel – 12.díl - speciality

Antonín Vojáček, 24. Duben 2011 - 23:39

V posledním díle seriálu o principech čerpadel se již podíváme na vysloveně raritní konstrukce a principy, se kterými se v praxi již moc často nesetkáte. Na druhou stranu je jejich princip dost zajímavý... Jde o čerpadlo s ozubeným řemenem, hydrostatická a disková čerpadla.

V dnešním posledním díle dlouhého seriálu o principech a provedeních čerpadel se podíváme na ostatní doposud neuvedené principy čerpání kapaliny, které se sice také využívají, ale buď jen ve velmi omezené míře nebo jen ve speciálních případech. Jejich princip je však myslím si natolik zajímavý, že je alespoň zajímavé se s nimi seznámit.

Čerpadlo s ozubeným řemenem

Čerpadlo s ozubeným řemenem je variací na dříve uvedená lopatková čerpadla s pružnými lopatkami - viz článek Principy průmyslových čerpadel – 3.díl - lopatková čerpadla.

Toto čerpadlo je specifické kombinací rotačního a posuvného pohybu. Hlavní pracovní prvek je vyztužený pryžový řemen, který se pohybuje pomocí dvou drážkovaných hřídelí. Narozdíl od lopatkových čerpadel zde kapalinu nepohání jedno otáčející se poháněné lopatkové kolo, ale zuby ozubeného pružného řetězu napnutého mezi dvě oběžná kola, kde buď jedno nebo obě mohou být poháněná.

Princip funkce tedy spočívá ve změně velikosti zubové mezery, kdy při zatočení řemenu okolo jednoho z válců se zubová mezera zvětšuje a při jeho narovnání (přímém posuvném pohybu) dochází ke zmenšování mezery mezi zuby a tím se vytváří tlaková energie. Narozdíl od většiny ostatních čerpadel je toto provedení opatřeno dvěma sacími a dvěma výtlačnými kanálky, které jsou umístěny vždy na začátku nebo konci rotačního pohybu.

Výhoda tohoto řešení je, že může pracovat i nasucho a je tedy například schopno vyčerpat kapalinu z nádrže až do sucha.

Výhody čerpadla s ozubeným řemenem:

  • dobré samonasávací schopnosti
  • možnost přepravovat i pevné částečky
  • sání až z hloubky 8 m
  • výtlak až do výšky 45 m
  • možnost běhu naprázdno ("nasucho")
  • hladký nepulsující průtok

 

Nevýhody:

  • jen pro malé tlaky (do cca 5 barů)
  • jen pro malé a střední průtoky (do cca 1000 l/min)
  • jen pro teploty produktu do 100°C
  • složitější konstrukce než standardního pružného lopatkového čerpadla
  • vyšší cena

 

Použití: hlavně pro potravinářský průmysl

 

Hydrostatická čerpadla

Tento typ čerpadel je zase základním principem podobný tzv. Archimédově šroubu (uveden v článku Principy průmyslových čerpadel – 8.díl - vřetenová čerpadla). Narozdíl od něj však tato čerpadla pracují i v horizontální poloze, zatímco Archimédův šroub musí být vždy ve sklonu. Do skupiny hydrostatických čerpadel se obvykle zařazují dva principy:

  • Spirálové čerpadlo (Spiral pump, Wirtz pump)
  • Cívkové čerpadlo (Coil pump, Manometric pump)

Obě čerpadla pracují na podobném principu založeném na rotujícím dopravním kanále okolo horizontální osy a základ konstrukce obou čerpadel je tvořen kanálem zatočeným do tvaru spirály okolo osy otáčení. Cívkové provedení se obvykle realizuje v podobě hadice obtočené okolo bubnu ve tvaru válce, v případě spirálového čerpadla jde o spirálu ve tvaru hlemýždě. Spirálové čerpadlo je tedy proti cívkovému svojí konstrukcí o něco složitější na realizaci a vyžaduje větší vertikální výšku, zatímco cívkové čerpadlo zase více místa v horizontálním směru. Navíc cívkové čerpadlo může být nakloněno až v úhlu 45°, zatímco spirálové čerpadlo obvykle jen v horizontální poloze.

Princip funkce obou čerpadel je však podobný: Jeden konec hadice je otevřen a slouží jako sací vstup (otvor), který během každé otáčky se ponořuje do čerpané kapaliny, která vlivem gravitace do sacího otvoru vtéká (prostě čerpadlo nabírá vodu). Čerpadlo přitom musí být ponořeno do vody v rozsahu 30 až 70 % vnějšího průměru čerpadla (v případě nakloněné polohy to platí jen u prvního závitu čerpadla). Díky tvaru hadicového kanálu v podobě spirály či cívky se vždy nabere dostatečné množství kapaliny, aby zaplnila spodní část závitu, přičemž v horní poloze čerpadlo nabírá vzduch. Postupným dalším otáčením se tak kapalina postupně "posouvá" závity hadicového kanálu k výstupnímu otvoru (výtlaku), podobně jako je tomu u Archimédova šroubu. Vytváří se tak tzv. manometrický efekt vytvářející tlak rovnající se součtu hydrostatického tlaku sloupců posunující se kapaliny jednotlivých závitů. Výstupní otvor čerpadla tak musí být vystaven jen atmosférickému tlaku. Pokud čerpadlo pracuje do protitlaku, část čerpané kapaliny se vrací, jak se přibližuje výtlaku.

Princip konstrukce spirálového čerpadla + ukázka možného funkčního provedení.

Maximální hodnota výtlaku je přibližně dána součinem průměru válce a počtu závitů čerpadla. U cívkového čerpadla, které pracuje v náklonu, pak ještě násobíme cosinem úhlu náklonu. Pak lze vynášet kapaliny (typicky vodu) až do výšky cca 5 až 10 m. Přesný popis teorie okolo hydrostatických čerpadel a manometrického efektu, včetně vzorců, najdete na odkazu http://lurkertech.com/water/pump/belcher/fish/ a http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.

Princip konstrukce cívkového čerpadla + možnost "nejprimitivnějšího" funkčního provedení.

Tento princip čerpání je již znám několik staletí, ale aktuálně byl znovu "oprášen" v posledních letech některými univerzitními laboratořemi a vývojovými odděleními některých společností jako levné čerpadlo pro realizaci zavlažování půdy (čerpání vody z řeky). Právě snadný princip a prakticky i realizace takového čerpadla společně s dostatečným výtlakem je dělá dostatečně univerzálním. Z pohledu požadavků na pohon takového čerpadla jsou pak nutné pomalé otáčky a velký točivý moment, což například splňují podmínky přímo pohonu vodním kolem, takže v případě čerpání vody z řeky lze vodu zároveň využít jako poháněcí sílu.

Hlavní nevýhodou uvedených dvou principů je jejich malý průtok nezávislý na velikosti (průměru) použité hadice / kanálu. Výtlak je totiž úměrný objemové kapacitě spodní části otáčky. Pokud však zvolíme velký průměr spirály hadice, aby se výkon zvětšil, výrazně narůstá spotřeba materiálu na realizaci čerpadla.

 

Diskové lopatkové čerpadlo

Na závěr jsem vybral ukázku velmi zajímavého principu tradičního čínského čerpadla pro hlubinné čerpání vody. Je jím tzv. diskové čerpadlo (Washer Pump nebo též Liberation Pumps či Paternoster Pumps) využívající sériovou posloupnost za sebou umístěných disků připevněných společném laně, které jsou protahovány čerpacím potrubím. Jde tedy prakticky analogii na lopatková čerpadla, zde pouze realizované v axiálním směru. Tento princip je již starý více jak 2000 let a byl obvykle poháněn lidskou silou v podobě pákového či šlapacího mechanismu nebo pomocí zvířecí síly. Protože však jde o mechanismus vyžadující konstantní kontinuální tažnou sílu, lze jej pohánět i libovolným rotačním motorem (elektromotorem, spalovacím motorem).

V závislosti na čerpané hloubce pak je nutná vhodně přesná výroba. Pro malé hloubky lze využít systém s větší tolerancí mezi diskovými lopatkami a stěnou potrubí, kdy sice mezerami při vynášení kapaliny může docházet k jejímu malému zpětnému vracení vlivem mezer mezi disky a stěnou trubky, které však není významné.

Výhodou je pak menší tření a tím i snazší chod a potřeba menšího čerpacího výkonu. U čerpání z velkých hloubek je pak nutné tolerance minimalizovat. Jako materiál kotoučů se obvykle dnes využívá kůže či pryž zpevněná malými kovovými podpěrnými disky. Průtok čerpadla je víceméně dán průměrem disků, jejich vzdáleností mezi sebou a rychlostí otáčení pohonu. Samozřejmě s rostoucím počtem disků roste i větší poháněcí síla, protože se současně vynáší větší množství vody.

Například pro diskové čerpadlo, která vynáší vodu z hloubky 6 m s průtokem cca 140 litrů/min o průměru disků 100 mm stačí síla dvou mužů otáčející čerpadlem rychlostí 34 ot./min. Při čerpání vody z hloubky 15 m při průtoku 650 litrů/min je však již nutné využít motor o výkon cca 3 kW. Přitom účinnost dosahuje poměrně vysoké hodnoty 76% (obecně dle provedení čerpadla v rozpětí 60 až 80 %). Je tedy dost vysoká i v porovnání s některými moderními čerpadly. Další důležitou charakteristikou je fakt, že k roztočení čerpadla je nutný menší moment než následně při jeho chodu, což zjednodušuje rozběhy i snižuje nároky na kvalitu pohonu.

Příklad základního ručního provedení diskového čerpadla

Závěrem...

Tímto 12. dílem končí seriál o principech různých čerpadel, se kterými se lze více či méně v praxi setkat. Právě principy a konstrukce čerpadel jsou krásnou ukázkou možností fyzikálních zákonů a že často v jednoduchosti je nejen krása, ale i spolehlivá funkce a nízké náklady na výrobu i provoz.

Článek vytvořil z informací níže uvedených odkazů: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

bora (neověřeno) - 8. Červenec 2016 - 11:10

Je to zajímavá stránka. Schází mi ale čerpadlo na nožní pohon. Hlavně do míst, kde není elektřina a není k dispozici vodní tok na využití jeho energie. Máme čerpadla ruční (pumpy), ale ty mají malý výkon. Na nožní pohon by mohl být výkon větší. Najde se někde nebo je zapotřebí ho teprve vymyslet a zkonstruovat?