Jste zde

Principy průmyslových čerpadel – 11.díl - elektromagnetická

Pod označením elektromagnetická čerpadla se bohužel skrývá hned několik konstrukčně velmi odlišných provedení. Dost často pod ním najdete již dříve uvedená membránová čerpadla jen poháněná elmag. polem (obdoba reproduktoru). Dále pak i méně častá, ale zajímavější elmag. pístová čerpadla a hlavně tzv. EM pumpy neobsahující žádné pohyblivé komponenty. O těchto dvou principech je tento díl.

Dalším zajímavým a hlavně v průmyslu využívaných čerpadlem jsou tzv. elektromagnetická čerpadla, která jsou poháněna pomocí přítomnosti střídavého elektromagnetického pole. Bohužel však výše uvedený název nemusí vždy znamenat jeden a tentýž funkční princip. Nebudeme-li uvažovat tzv. membránová čerpadla (viz článek Principy průmyslových čerpadel – 6.díl - pístová čerpadla), která mohou být poháněna jak elektromotorem, tak i střídavým elmag. polem (tzv. vibrační provedení) a tedy jde jen o čistě typ pohonu a ne jiný princip čerpání, najdeme často pod stejným názvem také následující:

  • Provedení bez mechanických částí určená pro čerpání jen elektricky vodivých kapalin = EM čerpadla (EM pumps)
  • Provedení s mechanickou částí schopná čerpat většinu kapalin (i el. nevodivé) = Elektromagnetická pístová čerpadla

Výrobci však někdy označují oba typy stejně jako "Electro-magnetic pumps" a podle názvu tak není hned bohužel možné určit o jaké provedení se jedná a je nutné se dále pídit po informaci o vnitřní konstrukci.

Prakticky starším řešením je verze elmag. čerpadla pro přepravu jen elektricky vodivých kapalin (tzv. tekutých kovů), tzv. EM pumpy či EM čerpadla. Zde se médiu (kapalině) uděluje pohyb prostřednictvím působení střídavého magnetického pole, stejně jako například na pevný el. vodič elektromotoru či reproduktoru. Tedy na ni působí vzniklá mechanická síla, která kapalinou pohybuje. Objektivní výhoda tohoto principu je absolutní mechanické oddělení čerpaného média od okolí, protože pole prochází skrze stěny potrubí, které tak nemusí být v žádném místě porušeno. Toho se například využívá u čerpání chladící vody primárního okruhu jaderného reaktoru, která je radioaktivní a nesmí se za žádných okolností dostat mimo primární okruh. Proto se zde využívá kombinace elektricky vodivé kapaliny (sodík) a elektromagnetického čerpadla. Také se dále využívá v průmyslů zpracování kovů (hliník, lithium, bismut apod.), které ve fázi roztavení jsou tekuté, ale jejich vysoká teplotu v mnoha stovek °C nedovoluje použít žádný jiných kontaktní princip čerpání.

Taková čerpadla však obvykle mají jen malý čerpací tlak 100 Pa až 100 kPa (1 atm) při dost vysoké spotřebě elektrické energie z důvodu vysokého "prokluzu". Jejich účinnost se proto pohybuje maximálně okolo 50%. Což není moc, ale také to není úplně málo. Jde tedy o nízkotlaká čerpadla, jejichž hlavní výhodou je právě konstrukce bez mechanických částí, čímž jsou velmi spolehlivá (bezúdržbová) a tedy vhodná zejména pro el. vodivé kapaliny nebezpečné pro své okolí (ať již teplotou či chemickým složením).

Příklad reálného zařízení na rtuťovou vodu s EM čerpadlem s průtokem 27 litrů/min (vlevo detail čerpadla).

Druhé provedení elektromechanických čerpadel sice využívá mechanicky pohyblivé konstrukce, ale pohonem je právě přímo proměnné pole. Prakticky funguje na stejném principu jako solenoidový ventil, kde se kovový váleček (jádro vzduchové cívky) vysune po přivedení stejnosměrného napětí a tím otevře ventil. V případě přivedení střídavého napětí se pohybuje periodicky sem a tam a vytváří tak lineární čerpací mechanismus podobný pístovému. Stačí, aby „váleček“ byl dutý a obsahoval miniventil zajišťující sání a výtlak. Proto jejich správné označení je elektromagnetická čerpadla.

Vyrábějí se obvykle v malých či miniaturních rozměrech v řádu jednotek cm, pro malé průtoky do několika stovek litrů za minutu a malé tlaky 0,5 až cca 20 barů. Proti EM pumpám se vyznačují dost vysokou účinností, ale obvykle i velmi negativní charakteristikou průtok-tlak, kdy lze stejným čerpadlem dosáhnout buď velký průtok při malém tlaku nebo malým průtokem naopak zvýšit výtlak, ale nikdy nelze mít obě hodnoty současně vysoké. S pohledu praktického použití je lze hlavně využít jako přesná dávkovací či rychlá cirkulační čerpadla malých množství pro různá malá laboratorní a výrobní zařízení či komerční čistící stroje, klimatizace a chladící či topné okruhy.

Příklady reálných sériově vyráběních elektromagnetických pístových pump společností Eckerle Industrie-Elektronik GmbH a GOTEC AS (obrázek výše).

Princip a provedení - EM čerpadla

Konstrukčně jednodušší elektromagnetická čerpadla pro tekuté kovy, tedy bez mechanicky se pohybujících komponent, využívají silového působení proměnného magnetického pole kolmého na směr pohybu kapaliny dle Flemingova pravidla levé ruky. To definuje směr elektrodynamické síly působící na vodič (u nás elektricky vodivá kapalina) umístěný v magnetickém poli, kterým protéká elektrický proud. Všechny tyto tři složky jsou pak na sebe kolmé. Tedy jde o stejný fyzikální princip, jaký se využívá pro elektromotory či reproduktory.

Jak je z principu patrné, konstrukce takového čerpadla je principielně velmi jednoduchá a skládá se prakticky jen ze cívky „obtočené“ okolo el. nevodivého potrubí opatřeného jen el. vodivými kontakty pro realizaci průchodu proudu vodivou kapalinou. Toto řešení bez pohyblivých částí je tak velmi spolehlivé a jedinou komponentu, která se může porouchat (cívka), je možné relativně snadno vyměnit, aniž by se muselo jakkoliv „řezat“ či rozebírat potrubí s nebezpečným dopravovaným médiem.

Fyzikální princip (vlevo) a teoretické provedení EM čerpadla (vpravo).

Typická závislost výkonu (tlaku) EM čerpadla na budícím proudu / mag. pole.

Reálná elektromagnetická čerpadla nejsou obvykle vyráběna sériově, ale realizována na míru a optimalizována na konkrétní čerpací požadavky a vlastnosti dopravované kapaliny. Hlavně v tomto směru jde o elektrický odpor kapaliny, kterou musí protékat el. proud. Čím větší je její odpor, tím menší proud je možné použití kvůli tepelným ztrátám generovaným na ohmickém odporu protékajícím proudem. Čím nižší proud však musíme použít tím menší je generovaný čerpací tlak, přičemž průtok je naopak dán frekvencí střídavého budícího signálu. Také vliv na celý průřez potrubí není stejný, zvláště u velkých čerpadel. Prakticky pro zajištění co největší účinnosti a parametrů čerpání tak konstrukce bývá výrazně složitější, než jak bylo „nastíněno“ výše. Reálná EM čerpadla tak obvykle neobsahují jen jednu „poháněcí“ cívku, ale i jednu či více pomocných cívek optimalizující tok média – viz obrázek níže.

Základní provedení s jednou cívkou (horní dva obrázky FIG. 1 a FIG. 2) je pro optimální průběh a vliv magnetického pole na čerpanou kapalinu doplněno dalšími cívkami (spodní obrázek FIG. 4).

Parametry a vlastnosti EM čerpadel pro „tekuté kovy“:

Typické vlastnosti:

  • max. průtok: v řádu desítek a stovek litrů/min
  • max. generovaný tlak: 0,01 až 1 bar
  • rychlost průtoku: 1 až 20 m/s
  • účinnost: cca 50%
  • teplota produktu: stovky °C (podle provedení)
  • příkon: několik W až 150 kW
  • spotřeba: 1 až cca 100 A

 

Oblasti použití:

  • čerpání nebezpečných látek
  • v metalurgii (zpracování kovů):
    Lithium
    Bismut
  • chemický průmysl
  • těžký průmysl
  • energetika

Nejnovější provedení EM čerpadla - ALIP (Annular Linear Induction Pump) od vývojové skupiny Molten Metal Research Group na Nevadské univerzitě (USA).

Výhody:

  • hermeticky uzavřený a oddělený prostor přepravy
  • přesná elektronická regulace průtoku
  • dlouhá životnost
  • bezúdržbové provedení
  • pro vysoké teploty média

Nevýhody:

  • jen pro el. vodivé kapaliny
  • pro nízkotlaké aplikace
  • pro nízkoprůtokové aplikace
  • nízká účinnost
  • velký příkon

Princip a provedení - elmag. pístová čerpadla

Složitější elektromechanická konstrukce také využívá elektromagnetického pole generované cívkou, ale to nehýbe přímo se samotným čerpaným médiem, ale s mechanickým kovovým pístkem na pružině, který pak sám uděluje pohyb kapalině. Prakticky jde o speciální princip axiálního pístového čerpadla.

Princip funkce takového čerpadla je tedy podobný solenoidové hlavici ventilu, která svým pohybem při přítomnosti magnetického pole uzavírá či otevírá ventil. Zde u čerpadla je však pístek dutý, aby jím mohla procházet kapalina a je na jednom konci opatřený miniventilem. Ten se otevírá při sání (pohybu pístku ve směru proti sacímu otvoru) a je zavřený při výtlaku, tedy při pohybu pístku směrem k výtlačnému otvoru.

K napájení budící cívky se obvykle používá obdélníkové či pulsní střídavé napětí vyráběné uvnitř čerpadla z klasického sinusového napájecího napětí 24 či 230 V AC / 50 Hz. A právě základní budící signál určuje rychlost pracovního cyklu čerpadla a tedy ve spojení s průřezem čerpadla jeho max. průtok. Naopak velikost proudu (příkon čerpadla) určuje generovaný tlak.

Hodnoty průtoků a výtlaků sortimentu elektromagnetických pístových čerpadel švýcarské společnosti Gotec SA.

Konkrétně pracovní cyklus je následující: Nejdříve kladné napětí obdélníkového signálů způsobí tlačení pístu proti pružině při otevřeném pístním ventilu a provádí se nasávání čerpaného média. Následně se v "horní" úvrati pístní ventil zavírá a poté nulové napětí na cívce a tlakové energie pružiny vytlačí nasátou kapalinu do výstupu čerpadla.

Pracovní cyklus elektromagnetických pístových čerpadel Gotec (stejný cyklus však i další výrobci).

Popis konstrukce elmag. pístového čerpadla Gotec (podobnou strukturu však využívají i další výrobci).

Parametry a vlastnosti elmag. pístová čerpadla:

Typické vlastnosti:

  • max. průtok: 1 až cca 300 litrů/min
  • max. tlak: 0,1 až cca 30 barů
  • sací výška: max. 4 m
  • max. viskozita: 1 až cca 1000 cP
  • teplota produktu: cca -10 až 110°C
  • max. vel. pevných částic: 0,1 až 1 mm
  • hmotnost čerpadla: typ. v řádu desítek či stovek gramů
  • rozměry: typ. v řádu jednotek až desítek cm
  • napájení: 24 až 230 V AC / 50 Hz nebo příp. spínané 24 V DC
  • příkon: 10 až 200 W

Oblasti použití:

  • tiskárny
  • klimatizace
  • tlaková čistící zařízení
  • lékařská zařízení
  • laboratorní zařízení
  • malá přesná dávkovací zařízení
  • cirkulace chlad. či topných kapalin
  • automobilový průmysl (např. ostřikovače)
  • bateriově napájení aplikace



Elektromagnetické pístové čerpadlo

Výhody:

  • vhodné pro široké spektrum kapalin
  • pro málo i středně viskózní média
  • vhodné pro přesné dávkování
  • vysoká účinnost
  • možnost čerpat směs kapaliny a vzduchu
  • možnost běhu naprázdno
  • malé rozměry

Nevýhody:

  • jen pro malé průtoky
  • jen pro malé a střední tlaky
  • při velkých průtocích jen malé tlaky
  • náročnější konstrukce
  • vyšší cena
  • jen pro čisté kapaliny

Závěrem...

Uvedením elektromagnetických čerpadel se již pomalu blížíme ke konci našeho seriálu o principech různých čerpadel. Ještě však existuje několik mechanických "historických" principů, které však jsou natolik zajímavé, že myslím si alespoň stojí za zmínku. O nich tak v příštím posledním 12. díle na stránkách serveru automatizace.HW.cz .

Článek vytvořil z informací níže uvedených odkazů: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 



Informace obsažené v článcích jsou platné k datu vydání uvedeném v hlavičce článku a jejich platnost může být časově závislá

Komentáře a diskuse vyjadřují názory autorů, nikoliv redakce, která za jejich obsah nenese zodpovědnost.