Jste zde

Principy průmyslových čerpadel – 9.díl - proudová čerpadla

Antonín Vojáček, 26. Březen 2011 - 13:01

V tomto díle se seznámíme s již méně častým, ale stále ještě průmyslově i běžně používaným principem tzv. proudového čerpadla. I když z pohledu dříve uvedených principů nejde o čerpadlo jako takové, tedy není poháněno mechanickým pohybem, ale tlakovou vodou či vzduchem. Rozhodně však jde o zajímavý princip, byť dost jednoduchý.

V předchozích dílech seriálu o čerpadlech jsme prakticky již probrali všechny základní a nejběžnější principy čerpání kapalných látek, které lze běžně na trhu čerpadel potkat. To však neznamená, že seriál končí. Pouze se již dále budeme zabývat sice zajímavými, ale principy, které se buď komerčně příliš nevyužívají nebo se víceméně hodí a používají jen pro velmi úzké zaměření. Některé konstrukce, byť velmi jednoduché, jsou však svým principem natolik zajímavé, že je myslím si vhodné na ně upozornit. Třeba se v budoucnu více uplatní.

V dnešním díle přichází na řadu sice méně známý, ale stále ještě komerčně využívaný a nabízený princip. Jsou to tzv. proudová čerpadla (Water Jet Pumps).

Hned na úvod musím říct, že proudová čerpadla nejsou čerpadla v pravém slova smyslu, jak jsi asi každý člověk obvykle představí, tedy v podobě zařízení, které čerpá požadovanou látku prostřednictvím mechanického pohybu (otáčením hřídele například prostřednictvím motoru). V proudových čerpadlech se totiž vůbec nic nehýbe! Jsou tedy velmi odolná a spolehlivá. Také jsou levná na výrobu. To jsou velké výhody. Na druhou stranu potřebují pro svoji funkci jiné tlakové médium, tedy například tlakovou vodu, vzduch či páru. Proudová čerpadla tedy sama o sobě nejsou poháněna motory (případně lidskou silou). Protože však tlakové poháněcí médium je nutné někde vyrobit (natlakovat), prakticky vždy je najdete v kombinaci s nějakým čerpadlem, tedy buď vzduchovou vývěvou (dmychadlem) v případě tlakového plynu nebo s některým kapalinovým čerpadlem, případně s rozvodem vodovodu (vodovodního řadu).

Někoho tak napadne, k čemu takové čerpadlo je vlastně dobré? Umožní provádět čerpání v místech, kde by to bez něho z nějakého důvodu vůbec nebylo možné, nebo kde se vyžaduje ona vysoká spolehlivost. V případě čerpání kapalin (ve většině případů jde o vodu) se buď využívá pro čerpání vody z velkých hloubek, ve stísněných prostorách, v místech neumožňující přítomnost pohonu, nebo tam, kde je již tlaková voda přítomná pro jiné účely (např. přítomnost rozvodu vodovodu).

V kombinaci s vodovodem se proudové čerpadlo například používá pro odsávání nádrží vakuových záchodů některých železničních kolejových vozidel. Obejde se totiž bez nákladně vytvářeného podtlaku a tlakových nádob a nepotřebuje žádnou další energii. Na rozdíl od vakuového čerpání pracuje v jedné fázi, t.j. čerpanou kapalinu dopravuje ihned do kanalizace (klasická vakuová pumpa v první fázi vytvoří podtlak v tlakové nádobě, který odsaje čerpanou kapalinu, v druhé fázi vytvoří v nádrži přetlak, který načerpanou kapalinu vytlačí z tlakové nádoby).

V případě autonomního systému, tedy v přímé kombinaci s čerpadlem, se velmi často využívá v kombinaci s odstředivým čerpadlem, již popsaným ve 4.dílu - Principy průmyslových čerpadel – 4.díl - odstředivá čerpadla .

Důvody? Jsou hlavně dva:

1) Odstředivé čerpadlo umí „vytáhnout“ vodu jen z hloubky cca 3 – 5 m (míněno výška čerpadla nad jeho sacím košem). Jinak obecně hloubka nasávané vody pod čerpadlem je max. 10 m. Pokud je hloubka větší, je nutné dát čerpadlo blíže k hladině, použít ponorné čerpadlo nebo právě kombinaci s proudovým čerpadlem. Nejen, že umožňuje zvýšit sací hloubkou až na cca 9-10 m, ale díky jeho malým rozměrům a tím možnosti jej instalovat přímo do sacího koše pod hladinu, lze takto bez problémů čerpat vodu až z hloubek 50 m. Proudové čerpadlo tak zde vlastně pracuje jako ponorné čerpadlo a pro svojí funkci je napájené vodou právě z odstředivého čerpadla na povrchu. Jeho výhoda je tady v miniaturních rozměrech, čímž se vejde i do úzkých šachet. Navíc celkově systém nepotřebuje nic jiného než elektřinu pro pohon odstředivého čerpadla, které navíc nemusí být příliš výkonné (tedy ani poháněcí elektromotor) a které prostě jen část vyčerpané kapaliny „posílá“ trubkou zpět dolů proudovému čerpadlu, které ji využije pro vynesení většího množství vody na povrch. Je to takový uzavřený okruh (viz obr. níže).

Příklad zabudování proudového čerpadla (Ejektor, Nozzle, Venturi) do sacího koše v kombinaci s odstředivým čerpadlem na povrchu (centrifugal pump).

2) Přímé kompaktní provedení odstředivého čerpadla s proudovým čerpadlem má výrazně vylepší sací efekt, který je jinak u klasických odstředivých čerpadel, z principu jejich funkce, obvykle dost mizerný. Takto skombinované čerpadlo, pak navíc může nasávat směs vody a vzduchu i běžet naprázdno, přičemž mezi odstředivým a proudovým čerpadlem trvale cirkuluje voda, a tedy odstředivé čerpadlo je trvale zavodněné, i když sací potrubí není ve vodě.

Příklad kompaktní kombinace proudového a odstředivého čerpadla pro získání lepších sacích vlastností a možnosti běžet i naprázdno.

Vodní průtokové čerpadlo, jak se také dost často kombinace odstředivého a proudového čerpadla nazývá, je obvykle určené k čerpání velkých objemů čisté užitkové vody a často se využívá například k napouštění nádrží a rybníků či odčerpávání vody v záplavové oblasti (např. zatopených sklepů apod.). Zde se ideálně uplatní velká výhoda v podobě čerpání i mělké vody (nízké hladiny), kde se zároveň s vodou může přisávat i vzduch. Dost často je proto také ve výzbroji hasičů ať již v podobě mobilního čerpadla či jako součást hasičských vozů. V běžném prodeji však tuto konstrukci můžete najít jak pod názvem "elektrické proudové čerpadlo", tak i jako kalové čerpadlo. Poznámka: pod pojem kalové čerpadlo, tedy ponorné čerpadlo vhodné i pro bahnitou a zakalenou vodu, bývají častěji použity jiné konstrukce (nejběžněji samotné odstředivé čerpadlo často doplněné mechanismem rozmělňování.).

Příklady provedení běžně prodejných "elektrických proudových či vodních průtokových čerpadel", resp. kombinace proudového a odstředivého čerpadla uvnitř pouzdra (viz schéma výše), jejichž výhodou je schopnost dlouhodobého provozu i naprázdno nebo s přisáváním vzduchu.

Princip a provedení

Jak již bylo výše naznačeno, u proudových čerpadel je kapalina dopravována energií hnacího média, kterým může být kapalina, plyn nebo pára. V případě vodních čerpadel to pak obvykle bývá opět voda či vodní pára, ale lze třeba použít i stlačený vzduch.

Proudové čerpadlo se skládá obvykle z následujících částí:

  • Vtokové hrdlo napojené na trysku (též označení injektor či ejektor)
  • Sací / směšovací prostor přístupný přes sací hrdlo (sací koš)
  • Difuzor (tlačná tryska, venturiho trubice)
  • Výtokové hrdlo

Případně může být ještě doplněno u vtokového hrdla regulačním ventilem a u výtokového hrdla uzavíracím ventilem či zpětnou klapkou. Jak je z konstrukce patrné nic se zde neotáčí ani nehýbe (samozřejmě případně mimo přídavných ventilů).

Příklad klasického provedení požárního proudového čerpadla.

Hnací médium vstupuje s vyšším tlakem do vstupního napájecího otvoru proudového čerpadla, které je uvnitř tvarováno do trysky (injektor či ejektor). V ní je tedy látka zavedena do zúženého místa, kde mění svoji tlakovou energii na kinetickou. Prostě a jednoduše na výstupu s trysky má větší rychlost než na jejím vstupu. Za tryskou se hnací médium mísí s čerpaným médiem, které unáší do difuzoru. Ten je naopak ve tvaru obrácené trysky. Zde se v důsledku rozšiřování průtočného průřezu snižuje rychlost a kinetická energie směsi se mění na energii tlakovou (tedy obrácený děj), která vynáší smíchané poháněcí i čerpané médium ven z čerpadla. Sací prostor s difuzorem pak prakticky realizuje známou Venturiho trubici.

Dvě různá možná provedení proudového čerpadla (vlevo jako součást hlubinného sacího koše).

Jinak řečeno: z ejektoru prudce tryskající hnací médium naráží do přítomného čerpaného média (ať je to plyn či kapalina) ve směšovací komoře, které je spolu s hnacím médiem unášeno ven. U sacího vstupu (koše) tak vzniká podtlak a čerpadlo tedy nasává a to jak kapalinu, tak plyn.

Proudová čerpadla (injektory či ejektory), jak se také podle vstupní trysky nazývají obvykle využívají jako hnací médium proud stlačeného vzduchu, vodní páry nebo tlakové vody. Provedení s párou má o něco lepší sací efekt, který podporuje i kondenzace par.

Příklad tepelného výměníku s instalovaným proudovým čerpadlem, které zde zastává úlohy regulačního čerpadla (hnací médium se přivádí vstupem 01, čerpané médium vstupem 03 a obě vystupují z čerpadla výstupem 04 - tryska je zde v elektronickém regulačním provedení).

Fyzikální princip proudového čerpadla vychází z kombinace trysky a difuzoru (venturiho trubice), jako transformátorů tlaku na kinetickou energii (tryska) a zpět (difuzor). Při transformaci vždy snížením hodnoty jedné veličiny roste veličina druhá (např. u trysky se snižuje tlak kapaliny při zvýšení její rychlosti tečení).

Ukázky možného provedení principu proudového čerpadla (provedení vlevo nahoře využívá jako hnacího média tlakového plynu, ostatní pak kapalinu).

Parametry a vlastnosti:

Typické vlastnosti:

  • max. sací hloubka: až 9 m
  • max. výtlak: až 50 m
  • max. průtok: 600 až 4000 l/min
  • výtok vs. vtok hnacího média: cca 2-3:1
  • viskozita média: cca 0 až cca 100 tis. cP
  • teplota média: cca 0 až 150°C (dle materiálu čerpadla)
  • průchodnost (max. vel. pevných částic): cca 2 až 50 mm (dle průměru difuzoru)

Oblasti použití:

  • hasičská a protipožární technika
  • hloubkové čerpání
  • kanalizace
  • zavlažování zahrad
  • odčerpání vody ze zatopených prostor
  • napouštění nádrží
  • různé regulační a výměníkové okruhy
  • zvýšení sací schopnosti a výkonu odstředivých či jiných čerpadel
  • velkoprůtoková čerpadla
  • čerpadla do výbušných prostředí

Výhody:

  • pro velké průtoky
  • dobrá sací schopnost
  • velký výtlak
  • relativně malé rozměry
  • neobsahuje žádné pohyblivé části
  • jednoduchá konstrukce a levná výroba
  • velká spolehlivost
  • vhodný pro kalovou vodu, bahno apod.
  • může běžet libovolně naprázdno

Nevýhody:

  • nutná „výroba“ hnacího média
  • jen pro malé viskozity čerp. kapaliny
  • jen pro trvalé čerpání velkého množství kapaliny
  • nevhodné pro plnění a dávkování
  • nízká účinnost čerpání

Závěrem...

I když se postupně blížíme ke konci seriálu, stále ještě existuje několik zajímavých čerpacích principů - např. Mamutové čerpadlo. A tak za týden na stránkách serveru automatizace.HW.cz budeme pokračovat některým dalším typem čerpadel.

Článek vytvořil z informací níže uvedených výrobců a vlastních zkušeností: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

Matin (neověřeno) - 22. Duben 2013 - 15:18

Dobrý den,

snad mi někdo odpoví - doufám. Mám dotaz, zda neznáte charakteristiky, či možnosti nastavení ejektoru tak, abych ho mohl použít k ředění plynů. Mám k dispozici hnací plyn pod menším tlakem, průtok asi 100 - 500l/min., a rád bych ho ředil se vzduchem z okolí - například pomocí ejektoru. Je možné dosáhnout poměru zředění cca 1 ku 10 až 1 ku 100? (hnací ku okolní vzduch) Bude směšovací poměr konstantní v širším rozmezí průtoků? Znáte řešení podobně jednoduché jako ejektor, který mi pomůže?

Díky.