Pravděpodobně nikdy nepřemýšlíte o mechanismech, které pumpují kapalinu, dokud se něco nerozbije. Pak pochopíte, že bez pump se civilizace zastaví. Ve svém jádru jsou to jednoduchá zařízení: energie se spotřebovává, kapalina se pohybuje. Ale inženýrství potřebné k tomu, aby byl tento proces efektivní? Je to složitý, drsný příběh těžby, fyziky a materiálové vědy.
Nejčasnější verze byly hrubé povahy. Myslete na perská a římská vodní kola. Nebo o Archimedově šroubu. Roztočíte to a voda stoupá vzhůru. Jen. Ale jak se těžba ve středověku dále prohlubovala, jednoduchá kola přestala stačit. Vyžadovali čerpadla sacího typu.
George Agricola je popsal ve svém díle De re metallica již v roce 1556. Princip fungování je založen na atmosférickém tlaku. Píst se zvedne. Vznikne částečné vakuum. Vnější atmosférický tlak tlačí vodu dovnitř válce. To je elegantní trik. Dokud nenarazíte na pevný limit.
Atmosférický tlak může zvýšit vodu pouze o 34 stop (10 metrů). Zkusit odčerpat vodu z dolu hlubšího než je tato značka? Tohle nebude fungovat. Nevytváří se vakuum. Proto inženýři vynalezli tlaková čerpadla. Nyní zdvih pístu směrem dolů fyzicky vytlačuje vodu ven bočním ventilem. Výška zdvihu závisí na použité síle, nejen na tlaku vzduchu.
Klasifikace čerpadel
Jak klasifikujeme tento chaos? To vše závisí na přenosu energie. Existují tři hlavní způsoby přesunu kapaliny:
- Posun objemu. Pohyb určitého objemu kapaliny z bodu A do bodu B.
- Kinetická energie. Rychlé otáčení kapaliny nebo náraz s impulsem.
- Elektromagnetická síla. Použití magnetických polí k tlačení vodivých kapalin. K tomu musí být kapalina dobrým elektrickým vodičem.
Pokud pumpujete plyn, máte pravděpodobně na mysli kompresory, dmychadla nebo ventilátory. Pokud kapalinu vytlačujete mechanicky, jedná se o objemové čerpadlo. Pokud k udílení rychlosti používáte rotující oběžné kolo, jedná se o kinetické čerpadlo.
Zde platí obecné pravidlo. Objemová čerpadla poskytují nízké objemy při vysokých tlacích. Kinetická čerpadla poskytují vysoké objemy při nízkých tlacích. Je to kompromis. Bez specializovaného inženýrství nemůžete získat obě výhody.
Je tu jedno upozornění. Potřebujete určitý vstupní tlak, abyste jednoduše přinutili kapalinu proudit do čerpadla. Pokud je tento tlak příliš nízký, dochází ke kavitaci. Jedná se o tvorbu dutin, kde by měla být kapalina. V sacím potrubí se tvoří páry. Jdou do pumpy. Vstupují do oblasti s vyšším tlakem. Zhroutí se.
Výsledek? Nadměrný hluk. Vibrace. Koroze. Eroze. Čerpadlo se doslova požírá zevnitř.
Účinnost čerpadla není statická. Záleží na kapalině. Kapaliny s nízkou viskozitou, jako je voda, jsou čerpány efektivně. Viskózní kapaliny, jako je melasa? To není dobré. Viskozita klesá s rostoucí teplotou. To je důvod, proč průmyslové závody často ohřívají husté kapaliny před jejich čerpáním. Toto je praktická technika. Zahřejte to. Lépe to teče.
Objemová čerpadla
Tato čerpadla zvednou každý cyklus stanovený objem kapaliny. Jsou to spolehliví pracanti. Dělí se do dvou hlavních tříd: pístové a rotační.
Pístové typy zahrnují pístové, plunžrové a membránové typy. Rotační čerpadla zahrnují zubová, rotační (s vačkami), šroubová, lopatková a excentrická čerpadla.
Pístové čerpadlo je nejběžnějším starým typem. Skládá se z válce. Píst nebo plunžr se pohybuje tam a zpět. U plunžrového čerpadla je těsnění stacionární. Píst je vtlačen do kapaliny. U pístového čerpadla se těsnění pohybuje s pístem.
Jak se píst pohybuje směrem ven, objem ve válci se zvětšuje. Kapalina vstupuje přes jednocestný vstupní ventil. Jak se pohybuje dovnitř, hlasitost se snižuje. Tlak prudce stoupá. Kapalina je vytlačována výstupním ventilem.
Rychlost čerpání není konstantní. Když píst změní směr, klesne na nulu. Vrcholí v polovině zdvihu. K vyhlazení tohoto procesu můžete použít obě strany pístu. Oboustranné lodičky. Nebo můžete přidat další válce.
Rychlost můžete měnit změnou frekvence vratného pohybu pístnice. Nebo změna délky zdvihu. Píst může být poháněn přímo párou, stlačeným vzduchem nebo hydraulickým olejem. Nebo prostřednictvím mechanického převodu, který převádí rotační pohyb na vratný pohyb.
Tato čerpadla jsou drahá. Ale jsou odolné. Pístová čerpadla fungují více než 100 let bez opravy nebo výměny. Nejedná se o překlep. Stoletá služba.
Membránová čerpadla fungují podobně, ale nahrazují píst pulzující, pružnou membránou. Žádná těsnění nejsou v kontaktu s kapalinou. Tím se řeší konkrétní problém. Netěsnosti. Pokud čerpáte toxické, korozivní nebo drahé chemikálie, únik těsnění je nepřijatelný. Membrána udržuje vše uvnitř utěsněné.
Kapalina vstupuje a vystupuje přes zpětné ventily. Membrána může být ovládána mechanicky nebo kapalinou, jako je stlačený vzduch nebo olej.
Poskytují pulzující výstupní proud. Tekutiny. Plyny. Směsi. Jsou užitečné pro kapaliny obsahující pevné částice. A mohou vyschnout po dlouhou dobu. Rychlost čerpání můžete měnit i za chodu stroje.
Jak externí zubová čerpadla vlastně pohybují kapalinou
Většina lidí si pod pojmem pumpy představí kouzelné krabičky, které nasávají věci dovnitř a vyplivují je. To je špatně. Jsou to prostě mechanické pasti. Externí zubové čerpadlo – tahoun průmyslové manipulace s kapalinami – spoléhá na překvapivě jednoduchý trik.
Jeden převod se otáčí. Je poháněn motorem nebo motorem. Druhý převod jednoduše zůstane na svém místě a nechá se zatlačit. Volně se otáčí.
Tady jsou věci z fyzikálního hlediska zajímavé. Když se zuby pohybují od sebe, vytvářejí prázdnotu. Částečné vakuum. Příroda nemá ráda vakuum, a tak tuto mezeru rychle zaplní. Kapalina je nasávána do prostoru mezi zuby a pouzdrem.
Past ale nezůstane otevřená navždy.
Ozubená kola opět zapadnou. Zuby jsou zablokované. Kapalina nemá kam jít, než ven. Tlak prudce stoupá. Vytlačuje kapalinu do tlakového potrubí.
Přemýšlejte o směru. Můžete změnit směr otáčení. Pokud otočíte převody na druhou stranu, sací a výfukové kanály se obrátí. Čerpadlo vypouští kapalinu v libovolném směru, pouze v závislosti na tom, kterým směrem se motor otáčí.
Je to účinné. Je to spolehlivé. Ale je to také primitivní.
Částečné vakuum vytvořené divergenci rotujících ozubených kol nasává kapalinu do čerpadla.
Právě tento mechanismus dělá zubová čerpadla všudypřítomným. Čerpají husté oleje. Čerpají palivo. Čerpají chemikálie, které by zničily choulostivější oběžné kolo.
Tělo je zafixováno. Nehýbe se. Zuby se v něm pohybují. Kapalina se pohybuje z jedné strany na druhou, uvězněná v kapsách mezi zuby a stěnou. Je to nepřetržitý cyklus.
Žádná pulzace. Žádné vibrace. Pouze stabilní, rytmický tlak.
Proč je to důležité? Protože když potřebujete přemístit něco, co se nechce hýbat – těžká kaše, lepkavá mastnota, hustý polymer – potřebujete objemové čerpadlo. Musíte fyzicky posunout molekulu dopředu.
Zubová čerpadla to dělají. Zachycují kapalinu. Zdržují ji. Vyhazují to na druhou stranu.
Jen. Hrubý. Efektivní.
Design zůstal prakticky nezměněn po celé století. To není známka stagnace. To je známka dokonalosti.
Nebo téměř dokonalé.
Jakmile tekutina opustí bod záběru, je pod tlakem. Vysoký krevní tlak. Dost na protlačení úzkými trubkami. Dost na překonání odporu.
Můžete změnit tok. Můžete změnit směr vykládání. Stačí změnit směr otáčení.
Tady leží krása. Jeden motor. Dva převody. Uzavřená smyčka.
Funguje to, dokud ne. Opotřebení nakonec zvyšuje vůle. Vzdálenost mezi zuby a tělem se zvětšuje. Účinnost klesá. Čerpadlo stále čerpá kapalinu, ale méně.
Ale to je problém zítra.
Mezitím se točí ozubená kola. Vzniká vakuum. Kapalina se pohybuje.
A nemusíme na to ani myslet.
Vnitřní zubová čerpadla: Principy provozu a omezení
Podívejte se na vnitřní zubové čerpadlo zobrazené na obrázku 2. Je to výmysl. Hnané kolo je rotor se zuby vyříznutými na jeho vnitřním obvodu. Tyto zuby zabírají s hnaným kolem (vložené kolo), které má vnější zuby. Hnané kolo je odsazeno od středu. Toto posunutí vytváří efekt pumpování. Pevná část těla, zvaná půlměsíc, rozděluje tok. Odděluje hnané kolo od rotoru.
Tento design funguje dobře s kapalinami obsahujícími zachycené páry nebo plyny. Ale je tu jedno upozornění. Čerpadlo se spoléhá na to, že kapalina je sama čerpána k mazání pohyblivých částí uvnitř. Co když budeme čerpat čistý plyn? Ozubená kola se o sebe třou bez ochranného olejového filmu. Rychle se opotřebovávají. Plyny proto nejsou vhodné.
U kapalin je výstupní průtok stabilní. Vlnky jsou zanedbatelné. Pokud budete udržovat konstantní otáčky rotoru, získáte konstantní průtok. Ale opotřebení mění hru. Eroze a koroze zvětšují mezery mezi ozubenými koly. Tekutina těmito mezerami proklouzne zpět, místo aby se pohybovala vpřed. Účinnost klesá.
Zubová čerpadla s vnitřním ozubením vyžadují k zajištění mazání kapalinu, a proto nejsou vhodná pro čerpání plynů.
Bodování je dalším nepřítelem. Pevné částice uvíznou v úzkých mezerách. Tato čerpadla by neměla být provozována s kaly nebo kapalinami obsahujícími velké množství nečistot. Nevyžadují však zpětné ventily. Tato jednoduchost jim umožňuje pracovat s vysoce viskózními kapalinami. Husté oleje? Žádný problém.
Lopatková čerpadla a kompresory
Lamelová čerpadla jsou podobná sestřenicím externích zubových čerpadel. Mají stejný základní tvar. Ale rotory jsou jiné. Místo ozubených kol mají lopatky. Dvě, tři nebo čtyři čepele. Klíčový rozdíl je v tom, jak se pohybují. Oba rotory jsou poháněny. Nezabírají do sebe jako ozubená kola.
Tato konstrukce znamená větší zvlnění výstupu. Externí zubová čerpadla pracují plynuleji. Lamelová čerpadla vytvářejí hrubší průtok. Ale méně se opotřebovávají. Rotory se nedotýkají. Nedochází ke kontaktu kov na kov. Díky tomu jsou odolné pro abrazivní materiály, i když jsou méně účinné při udržování konzistence toku.
Lopatkové kompresory používají stejný princip. Pumpují plyn. Každý rotor má dvě lopatky. Přesouvají vzduch nebo plyn do míst, kde by zubová čerpadla selhala kvůli nedostatku mazání.
Princip činnosti šroubového čerpadla
Progresivní dutinová čerpadla fungují jinak. Rotor se šroubovým závitem se otáčí uvnitř pevného krytu. Tělo je tvarováno tak, aby tvořilo dutiny. Jak se šroub otáčí, tyto dutiny se pohybují od sání k vypouštění.
Když se na vstupu vytvoří dutina, vytvoří se částečné vakuum. Toto vakuum nasává kapalinu do čerpadla. V této progresivní dutině se pohybuje tekutina. Nestříká. Pohybuje se v přímé linii.
Na výstupu se tělo zužuje. Dutina se uzavře. Toto uzavření zvyšuje tlak. Tlak tlačí kapalinu do tlakového potrubí. Toto je metoda objemového přemístění.
Progresivní dutinová čerpadla vytvářejí stálý průtok zachycováním kapaliny v progresivních dutinách, které se pohybují axiálně čerpadlem.
Tato čerpadla jsou univerzální. Poradí si s kapalinami obsahujícími páry. Poradí si také s částicemi. Konstrukce šroubu umožňuje průchod nečistot, aniž by se zasekl. Výstupní tok je stabilní. Pulsace jsou při dané rychlosti rotoru zanedbatelné.
Nevyžadují vstupní ani výstupní zpětné ventily. Díky tomu jsou ideální pro viskózní kapaliny. Husté látky snadno procházejí. Nejsou zde žádné další ventily k ucpání.
Kompromis mezi cenou a trvanlivostí
Progresivní dutinová čerpadla nejsou levná. Oni
Plovoucí lamelové čerpadlo zobrazené na obrázku 3 spoléhá na jednoduchou, ale sofistikovanou mechanickou konstrukci. Rotor je umístěn excentricky uvnitř pouzdra. Obdélníkové desky jsou vloženy do štěrbin podél okraje rotoru. Když motor otáčí rotorem, odstředivá síla vymršťuje desky směrem ven. Jsou pevně přitlačeny k zakřivené vnitřní stěně pevného pouzdra. Tím se vytvoří vzduchotěsné těsnění.
Při otáčení rotoru vzniká na straně sání částečný podtlak. Kapalina se vrhne dovnitř a vyplní výsledný prostor. Otočné desky zachycují části kapaliny mezi rotorem a skříní. Přenášejí tuto tekutinu na výtlačnou stranu. Tam se objem prostoru zmenšuje. Tlak stoupá. Kapalina je tlačena do tlakového potrubí.
Jak regulovat průtok
Rychlost čerpání lze řídit změnou excentricity. To znamená změnu stupně posunutí rotoru od středu. Pohybem měníte objem pokrytý deskami. Design se při nošení samoreguluje. Destičky se při opotřebení pohybují dovnitř a ven. Udržují kontakt s tělem. Výkon čerpadla se nesníží, dokud nejsou desky silně opotřebeny.
Tato čerpadla jsou spolehlivá. Poskytují konstantní průtok se zanedbatelnými pulzacemi při jakékoli rychlosti. Nepotřebujete zpětné ventily na sání nebo výtlaku. To zjednodušuje systém. Dobře si poradí s kapalinami smíchanými s parami nebo plyny. Ale nepracují s pevnými částicemi. Pokud vaše kapalina obsahuje pevné látky, nepoužívejte lamelové čerpadlo. Desky se okamžitě zaseknou nebo selžou.
Existují také kompresory lopatkového typu, ale čerpají spíše plyny než kapaliny.
Přechod na kinetická čerpadla
Kinetické pumpy fungují na jiném principu. Nejprve udělují rychlost kapalině a poté přeměňují tuto kinetickou energii na tlak. Většina rychlosti se mění ve statický tlak. Tato třída zahrnuje odstředivá a regenerační čerpadla.
Odstředivá čerpadla existují asi od roku 1680. V průběhu staletí se používaly jen málo. Proč? Technologie ještě nebyla dostatečně vyvinuta. Kinetické pumpy se staly běžnými až ve 20. století. Materiály a výrobní přesnost potřebné pro efektivní provoz při vysokých rychlostech konečně dorazily. Dnes dominují velkému pohybu tekutin.
Rozdíl je zásadní. Lamelová čerpadla zachycují diskrétní objemy kapaliny. Kinetická čerpadla urychlují nepřetržitý průtok. Jeden se týká objemových čerpadel, druhý dynamických. Každý má své vlastní využití. Pokud ale čerpáte vodu městem, pravděpodobně používáte kinetické čerpadlo. Pokud dávkujete olej do malého stroje, můžete použít lopatkové čerpadlo.
Historie čerpadel je historií účinnosti. Přešli jsme od chytání kapaliny k jejímu házení. Od mechanických těsnění po aerodynamické lopatky. Plovoucí lamelové čerpadlo zůstává užitečné. V jednoduchosti je jeho síla. Ale škálovatelnost kinetického čerpadla změnila průmysl. Přestali jsme vyrábět menší, silnější auta. Začali jsme stavět rychlejší a větší.
Existuje důvod, proč v některých aplikacích stále používáme wafery. Na spolehlivosti záleží. Budoucnost ale patří těm, kteří se dokážou pohybovat více tekutin s menší energií. Kinetická pumpa to dělá. Není to jen o tlaku. Je to o hybnosti. A hybnost je těžké překonat, když se pohybujete miliony galonů.
Standardní odstředivá čerpací jednotka
Pravděpodobně si jich nevšimnete, ale radiální čerpadla odvádějí hlavní práci – od zásobování vodou vašeho domova až po průmyslové chladicí systémy. V této třídě dominují zejména spirálová čerpadla. Toto je dříč, o kterém byste měli vědět.
Kapalina vstupuje do oběžného kola poblíž jeho středu. Kolo se otáčí vysokou rychlostí. To vrhá kapalinu směrem ven ke skříni čerpadla. V důsledku toho se vytvoří částečné vakuum. Toto vakuum nasává novou část kapaliny. Cyklus pokračuje.
Proč vítězí volutová čerpadla
Tato zařízení jsou spolehlivá. Jejich výroba je také relativně levná. Pokud požadujete tichý chod a spolehlivost, je to skvělá volba. Výkon zůstává stabilní i při vystavení korozi a erozi.
Design je jednoduchý. Na kompaktnosti záleží ve stísněných podmínkách. Nepotřebujete zpětné ventily na sacích nebo výtlačných přípojkách. To zjednodušuje potrubí. Sníží se počet potenciálních bodů selhání.
Odstředivá spirálová čerpadla jsou spolehlivá, tichá a bezproblémová a jejich výkon je prakticky neovlivňován korozí a erozí.
Když mají potíže
Nejsou dokonalé. Mohou čerpat kapaliny s pevnými částicemi. Pokud však do směsi přidáte příliš mnoho páry, dojde k oddělení toku. Následuje kavitace. To je špatné pro trvanlivost.
Dalším nepřítelem je viskozita. Tato čerpadla nejlépe fungují s kapalinami s nízkou viskozitou. Pokud budete pumpovat hustou kapalinu, zaznamenáte výrazný pokles výkonu.
Alternativa s difuzorem
Ne všechna radiální čerpadla používají pouzdro ve tvaru spirály. K dispozici je čerpadlo s difuzorem. Když kapalina opustí oběžné kolo, vyžaduje to jiný přístup.
Kapalina prochází prstencem pevných vodicích lopatek. Tyto lopatky rozptylují kapalinu. Poskytují řízený průtok. Ještě důležitější je, že převádějí rychlostní hlavu na geometrickou (statickou) hlavu efektivněji.
Jde o efektivitu. Šnek je designově jednoduchý. Optimalizovaný difuzor. Vyberte si na základě vašich požadavků na proces.
Mechanika axiálního a smíšeného proudění
Oběžné kolo odstředivého čerpadla s axiálním průtokem je v podstatě vrtule. Kapalina se pohybuje rovnoběžně s osou, jak je znázorněno na obrázku 5. Lopatky difuzoru jsou instalovány ve výstupním potrubí. Tlumí rychlost otáčení, kterou kapalině uděluje oběžné kolo. Axiální kompresory také pohybují plyny pomocí stejného principu.
Čerpadla se smíšeným průtokem používají jinou cestu. Kapalina vystupuje jak radiálně, tak axiálně. Vchází do pouzdra spirálového typu (šnek). Geometrie současně mění směr a tlak.
Dynamika regeneračních čerpadel
Regenerační čerpadlo je také známé jako turbínové čerpadlo nebo periferní čerpadlo. Oběžné kolo má lopatky na obou stranách svého věnce. Otáčí se uvnitř prstencového kanálu v pouzdře.
Kapalina nevytéká volně z obvodu oběžného kola. Místo toho recirkuluje zpět do nižšího bodu průměru kola. Tento proces se nazývá regenerace. Zvyšuje tlak vytvářený čerpadlem.
Vůle v těchto čerpadlech jsou velmi malé. Nelze je použít pro kapaliny s pevnými částicemi. Pevné částice mohou zablokovat mechanismus. Čerpají kapaliny s párami a plyny. Mohou dokonce čerpat plyny, pokud je dostatek kapaliny k utěsnění malých mezer. Jsou určeny výhradně pro tekoucí kapaliny.
Principy elektromagnetických čerpadel
Elektromagnetická čerpadla mají jedno velké omezení. Pracují pouze s kapalinami, které dobře vedou elektrický proud. Potrubí, kterým kapalina protéká, je v magnetickém poli. Proud prochází kapalinou kolmo ke směru proudění. To vytváří elektromagnetickou sílu. Síla tlačí tekutinu ve směru proudění.
Proudové a magnetické pole lze generovat různými způsoby. Princip činnosti odpovídá principu činnosti elektromotoru. Tato čerpadla jsou kritická pro chlazení jaderných reaktorů. Účinně pohybují tekutými kovy bez přítomnosti pohyblivých mechanických částí v proudu tekutiny.
Systémy plynového výtahu fungují bez jediné pohyblivé části. Stlačený plyn působí na kapalinu na dně vrtu. Směs se stává lehčí. Vstoupí v platnost vztlaková síla. Zvedne se a vystrčí se. Tento design se snadno vyrovná s pevnými částicemi. Kdysi široce používané pro vodu a olej, vzduchové výtahy jsou nyní vzácné.
Princip tryskového ejektoru
Kapalina prochází Venturiho tryskou. Rychlost se prudce zvyšuje. Tlak klesá. To vytváří sací efekt. Druhý proud kapaliny je zachycen a nese se spolu s ním.
Aspirátory k tomu používají vodu. Parní ejektory pohybují párou. Jsou schopny zpracovávat velké objemy při nízkých tlacích. Pára vstupuje do čerpadla vysokou rychlostí. Přenáší hybnost plynu. Směs vstupuje do difuzéru. Kinetická energie se přeměňuje na tlak. Plyn se pohybuje z oblasti nízkého tlaku do oblasti vysokého tlaku. Tato čerpadla se objevila již v roce 1850.
Hydraulické výtahy a vodní kladiva
Sestupný proud vody zvedá část této kapaliny do větší výšky. Zpětný ventil na přívodním potrubí se uzavře. Kinetická energie se náhle zastaví. Podobně jako efekt dopadu vody. Tlak prudce stoupá. Druhý ventil se otevře. Voda vstupuje do vzduchové komory. Vytlačuje vodu do tlakového potrubí.
Vstupní tlak klesá. První ventil se opět otevře. Stlačený vzduch utěsňuje komoru. Cyklus se opakuje. Asi 15 procent vody vstupující do vody vystoupá do výšky pětinásobku výšky, ve které padá. Tato zařízení, vyvinutá na konci 18. století, stále napájejí některé domácí systémy.
Vytvoření vakua
Vakuová čerpadla jsou kompresory. Přijímají plyn při tlaku nižším než je atmosférický. Zmáčknou ho. Vybíjení při atmosférickém tlaku. Plyn při nízkém tlaku zabírá velký objem. Tato čerpadla jsou objemná.
V tomto odvětví dominují parní tryskové ejektory. Pracují také čerpadla s vratným pístem. Rotační lamelová čerpadla jsou široce používána. Všechny slouží k odvodu vzduchu.
