Artykuł ukazał się w miesięczniku Rynek Instalacyjny.

dr inż. Marcin Janczak – Kierownik Działu Badawczo-Rozwojowego Hydro-Vacuum S.A.

Streszczenie

W artykule opisano problematykę ograniczenia sprawności krążeniowych pomp samozasysających. Przedstawiono konstrukcje oraz wyjaśniono zasadę działania pomp odśrodkowych wielostopniowych ze stopniem samozasysającym. Opisano wpływ zastosowania stopnia samozasysającego na energochłonność pomp odśrodkowych. Wykazano możliwe do uzyskania oszczędności dzięki zastosowaniu pomp odśrodkowych ze stopniem samozasysającym.

Słowa kluczowe: pompy samozasysające, pompy wielostopniowe, sprawność pomp samozasysających, samozasysanie cieczy

Zastosowanie zmodyfikowanych pomp odśrodkowych zamiast krążeniowych pozwala na oszczędności ok. 35% energii zużywanej na pompowanie. Tym samym w instalacjach przemysłowych, w których wymagana jest zdolność do samozasysania cieczy, pompy krążeniowe zastępowane są pompami odśrodkowymi z członami krążeniowymi. Takimi instalacjami są w szczególności bazy paliw płynnych, w tym gazu skroplonego.

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.

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:

gdzie:

• γ – ciężar właściwy pompowanej cieczy,
• Qk – natężenie przepływu w kanale bocznym,
• Hk – wysokość podnoszenia uzyskiwana w kanale bocznym,
• Qf – natężenie przepływu ruchu krążeniowego,
• fk – pole przekroju kanału bocznego,
• cwu – składowa obwodowa prędkości krążenia w wirniku,
• cku = Qk/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 cku jest równa zeru. Wymiana energii nie zachodzi w momencie, gdy prędkość obwodowa krążenia w kanale bocznym i wirniku są sobie równe cku = cwu, ponieważ ciecz w obu elementach obraca się jako jedna całość. Powyższe powoduje, że funkcja (1) osiąga maksimum dla cku = 0,5 cwu, czyli dla połowy teoretycznie maksymalnej wydajności stopnia Qk = 0,5 Qkmax.

Moc wewnętrzna teoretyczna określona jest zależnością:

wówczas sprawność wewnętrzna w kanale bocznym wynosi:

gdzie:

• j – 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:

Ze względu na liniową zależność wysokości podnoszenia od wydajności oraz fakt, że maksymalną moc wewnętrzną uzyskuje się dla wydajności Qk = 0,5 Qkmax, dla której sprawność wewnętrzna w kanale bocznym równa jest wydajności względnej j, 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.

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:

gdzie:

• n – prędkość obrotowa wału pompy,
• Qn – wydajność nominalna,
• Hi – wysokość podnoszenia jednego stopnia pompy wielostopniowej.

Sprawność samozasysających pomp wielostopniowych

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. Powoduje to, 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:

gdzie:

• i – liczba stopni,
• ηi – sprawność stopnia.

W przypadku pomp ze stopniem samozasysającym zależność ta przyjmuje postać:

gdzie:

• Qk – wydajność stopnia krążeniowego,
• ηk – sprawność stopnia krążeniowego,
• ηis – sprawność ostatniego odśrodkowego stopnia pompy,
• His – 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:

gdzie:

• qs – jednostkowa wydajność stopnia krążeniowego.

Współczynnik qs 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 His = Hi oraz ηis = ηi, uzyskujemy:

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

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

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 qs oraz uzyskiwanych sprawności stopnia krążeniowego ηk współczynnik obniżenia sprawności y 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.