Podstawy techniki pompowej. Elementarz techniki pompowej.

Transkrypt

1 Podstawy techniki pompowej. Elementarz techniki pompowej.

2

3 Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki pompowej WILO 2008

4 SPIS TREŚCI Podstawy techniki pompowej 5 Historia techniki pompowej 7 Zaopatrzenie w wodę 7 Odprowadzenie ścieków 8 Technika grzewcza 9 Systemy pompowe 12 Otwarty układ pompowania wody 12 Zamknięty system grzewczy 13 Woda środek transportu 15 Ciepło właściwe 15 Zwiększanie i zmniejszanie objętości 16 Wrzenie 17 Rozszerzalność wody grzewczej i zabezpieczenie przed nadciśnieniem 18 Ciśnienie 19 Kawitacja 19 Konstrukcja pomp wirowych 21 Pompy samozasysające i zwykłe 21 Działanie pomp wirowych 22 Sprawność 22 Pobór mocy 23 Pompy mokrobieżne 24 Nassläuferpumpen 25 Pompy suchobieżne 27 Pompy wirowe wysokociśnieniowe 29 Kennlinien 31 Pumpenkennlinie 31 Anlagenkennlinie 32 Betriebspunkt 33 Pumpenanpassung an den Heizungsbedarf 35 Witterungsschwankungen 35 Pumpendrehzahlschaltung 36 Stufenlose Drehzahlregelung 36 Regelungsarten 37 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

5 SPIS TREŚCI Überschlägige Pumpenauslegung für Standardheizungsanlagen 41 Pumpen-Förderstrom 41 Pumpen-Förderhöhe 41 Anwendungsbeispiel 42 Auswirkung der überschlägigen Pumpenauslegung 43 Pumpen-Planungssoftware 43 Das A und O der Hydraulik 45 Einstellung elektronisch geregelter Umwälzpumpen 45 Zusammenschaltung mehrerer Pumpen 46 Schlussbetrachtungen 50 Hätten Sie s gewusst? 51 Historie der Pumpentechnik 51 Wasser unser Transportmittel 52 Konstruktionsmerkmale 53 Kennlinien 54 Pumpenanpassung an den Heizungsbedarf 55 Überschlägige Pumpenauslegung 56 Zusammenschaltung von mehreren Pumpen 57 Gesetzliche Einheiten, Auszug für Kreiselpumpen 58 Informationsmaterial 59 Impressum 63 Elementarz techniki pompowej Wilo 2008

6 6 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

7 WPROWADZENIE Zużycie energii elektrycznej do napędu wszelkiego rodzaju pomp wynosi ok. 20% całej ilości produkowanej w kraju energii elektrycznej. Stanowi to ok % mld kwh/a, a odpowiadająca temu zużyciu emisja CO 2 wynosi ok. 35 mln ton rocznie. Dlatego w gospodarce naszego kraju zmniejszenie energochłonności pompowania ma szczególne znaczenie. Członkowstwo Polski w Unii Europejskiej związane jest z nowymi obowiązkami w zakresie zmniejszenia zużycia paliw i energii oraz ochrony środowiska. W Unii Europejskiej przyjęto plan 3x20, zgodnie z którym do 2020 roku mają być osiągnięte następujące cele: uzyskanie 20% udziału energii ze źródeł odnawialnych, zmniejszenie emisji CO 2 o 20% zwiększenie o 20% efektywności energetycznej wszelkich procesów produkcyjnych i eksploatacyjnych. W 2004 roku energochłonność wytworzenia jednostki Produktu Krajowego Brutto (PKB) była w Polsce 3-krotnie wyższa niż średnia w UE i 5,5-krotnie wyższa niż w Japonii. A zatem istnieją ogromne, potencjalne możliwości zmniejszenia zużycia energii we wszystkich dziedzinach gospodarki, a między innymi w gospodarce komunalnej i instalacjach budowlanych. Z dniem 17 maja 2006 r. weszła w życie dyrektywa 2006/32/WE w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych. Dyrektywa ta nakłada na Polskę obowiązek podjęcia działań zmierzających do ograniczenia zużycia energii przez użytkowników końcowych w 9 latach jej obowiązywania, począwszy od 1 stycznia 2008 r., o 1% w ciągu każdego z kolejnych lat. Dyrektywę tę nazywaną dyrektywą w sprawie usług energetycznych muszą stosować: dystrybutorzy i przedsiębiorstwa prowadzące detaliczną sprzedaż energii, odbiorcy końcowi (użytkownicy) energii. Podstawowym czynnikiem zmniejszenia zużycia energii jest poprawa efektywności energetycznej, przy czym efektywność ta zdefiniowana jest jako stosunek końcowego efektu użytecznego do ilości energii zużytej w celu uzyskania tego efektu. Całkowita efektywność energetyczna procesu pompowania (transportu) cieczy stanowi superpozycję efektywności poszczególnych ogniw składowych tego procesu. Aby ocenić możliwości poprawy całkowitej efektywności procesu pompowania należy ocenić udział strat energii w ogniwach składowych. Według danych amerykańskich struktura średnich strat energii w systemach pompowych jest następująca: instalacja pompowa (przewody, osprzęt) - 40% pompa - 20% silnik - 10% układ regulacji parametrów - 10% program doboru pomp - 20% Z zestawienia wynika, że największe oszczędności w zużyciu energii można uzyskać dzięki poprawnemu rozwiązaniu instalacji hydraulicznej i doborze pomp dostosowanych do specyficznych właściwości tej instalacji, a także zastosowaniu odpowiedniego układu regulacji. Najczęściej występującymi przyczynami strat energii w systemach pompowania są: nieracjonalna struktura instalacji i niewłaściwe jej rozwiązanie pod względem hydraulicznym nieodpowiedni dobór pomp do instalacji z nadmiernym zapasem wysokości podnoszenia H i wydajności Q zły system techniczny pomp, instalacji i urządzeń błędy w eksploatacji pomp i instalacjach pompowych Wilo od kilkudziesięciu lat prowadzi zarówno działalność konstrukcyjną, jak i oświatową (seminaria dla projektantów) w zakresie oszczędności energii i optymalizacji projektowania wszelkiego rodzaju instalacji pompowych i cieplnych. Powstają nowoczesne konstrukcje wysokosprawnych pomp obiegowych [pompy Wilo-Stratos z silnikami ECM (Electronic Comutated Motor)] oraz elektroniczne układy regulacji ze sterowaniem mikroprocesorowym. Prowadzone są badania nowoczesnych instalacji grzewczych wyposażonych, zamiast termostatycznych zaworów grzejnikowych regulacja dławieniowa, w zdecentralizowane pompy obiegowe montowane bezpośrednio przy poszczególnych odbiornikach ciepła. Wilo dostarcza również nowoczesne narzędzia do optymalizacji doboru pomp i projektowania instalacji pompowych, jak np. program doboru pomp Wilo-Select oraz narzędzia do projektowania: CAD-Profi Wilo, CAD-Profi System, BricsCAD Intelli CAD PL. Programy te są na bieżąco aktualizowane, przy czym odpowiednie informacje są przekazywane za pośrednictwem Internetu ( lub wilo@wilo.pl). Na podkreślenie zasługuje działalność wydawnicza Wilo, które publikuje zarówno podręczniki, poradniki, jak i periodyki. Celem tych publikacji jest zapoznanie Czytelników z tendencjami w rozwoju techniki pompowej, nowoczesnymi rozwiązaniami pomp i systemów pompowych, a także popularyzacja zagadnień oszczędności energii i ochrony środowiska. Przykładem tego rodzaju publikacji jest drugie wydanie elementarza techniki pompowej Podstawy techniki pompowej. Warszawa w lipcu 2008 r. Dr inż. Marian Rubik Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej Elementarz techniki pompowej Wilo

8

9 Thema Podstawy techniki pompowej Pompy tłoczą media zimne i ciepłe, czyste i brudne, przy czym proces pompowania powinien być przyjazny dla środowiska i przebiegać z najwyższą sprawnością. W technice budowlanej pompy odgrywają bardzo dużą rolę i są stosowane w różnych instalacjach. Najbardziej znana jest obiegowa pompa grzewcza i właśnie ona będzie tematem naszych dalszych rozważań. W urządzeniach zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków stosowane są pompy: w instalacjach do podnoszenia ciśnienia koniecznych zawsze tam, gdzie ciśnienie wody w sieci miejskiej nie wystarcza do zaopatrzenia budynku w wodę, jako cyrkulacyjne pompy w instalacjach c.w.u. zapewniające to, aby w każdym punkcie poboru była zawsze dostępna ciepła woda, do pompowania wody brudnej tam, gdzie ścieki lub fekalia gromadzą się poniżej poziomu cofki, w fontannach lub akwariach, do gaszenia pożarów, do wody ciepłej i zimnej, do wykorzystania deszczówki w toaletach, pralkach, do prac porządkowych i nawadniania, i do wielu innych celów. Należy pamiętać o tym, że różne media mają różną lepkość (np. fekalia i roztwór wody z glikolem). Należy też przestrzegać lokalnych norm oraz wytycznych i stosować pompy specjalne (np. w wykonaniu przeciwwybuchowym, do wody pitnej) Celem niniejszej broszury jest dostarczenie czytelnikom kształcącym się w zakresie techniki pompowej, podstawowych informacji w tej dziedzinie. Jasny i prosty opis, wraz z rysunkami i przykładami, powinien być wystarczającą podstawą do praktycznej działalności oraz prawidłowego doboru pomp (zgodnego z przeznaczeniem). W rozdziale Czy to znacie? można sprawdzić nabytą wiedzę. Patrz rozdział Materiały informacyjne, str. 59 Elementarz techniki pompowej Wilo

10

11 Historia techniki pompowej Zaopatrzenie w wodę Myśląc o pompie człowiek zdaje sobie sprawę z tego, że już w pradawnych czasach jego przodkowie szukali środków technicznych do podnoszenia cieczy, a w szczególności wody na wyższy poziom. Celem miało być zarówno nawadnianie pól, jak i napełnianie rowów obronnych wokół miast i zamków. Najprostszym czerpakiem wody jest dłoń, a jeszcze lepszym dwie dłonie.i tak nasi prehistoryczni przodkowie wpadli szybko na pomysł nadawania naczyniom glinianym kształtu niecki. Następnie wiele takich naczyń zawieszono na łańcuchu lub umocowano na kole. Te dawne urządzenia czerpalne były wprawiane w ruch za pomocą mięśni ludzkich lub zwierzęcych. Archeolodzy znaleźli takie konstrukcje datowane na ok lat p.n.e. zarówno w Egipcie, jak i w Chinach. Na poniższym rysunku pokazano rekonstrukcję chińskiego koła czerpalnego. Jest to koło z umocowanymi na nim glinianymi naczyniami, z których w punkcie szczytowym wylewa się woda. Rekonstrukcja chińskiego koła czerpalnego Rekonstrukcja kołowego urzadzenia pompowego Jacoba Leupolda Archimedes ( p.n.e.), największy matematyk i naukowiec starożytności opisał ok. roku 250 p.n.e. tzw. śrubę Archimedesa. W wyniku obrotu śruby/ślimaka w rurze woda jest podnoszona do góry. W rzeczywistości, ponieważ nie znano jeszcze dobrych uszczelnień, zawsze pewna jej ilość spływała z powrotem. W ten sposób wykryto zależność pomiędzy nachyleniem śruby, a tłoczonym strumieniem i można było wybierać pomiędzy większą wydajnością i większą wysokością podnoszenia. Im bardziej śruba jest stroma, tym większa jest wysokość podnoszenia i mniejsza wydajność urządzenia. Rekonstrukcja śruby Archimedesa napęd ślimak tłoczona woda Kierunek przepływu Genialnym rozwinięciem w/w idei był dokonany w roku 1724 przez Jacoba Leupolda ( ) wynalazek polegający na wygięciu rury w kształt koła. Obrót koła powodował podniesienie wody do poziomu jego osi, przy czym woda płynąca w rzece była jednocześnie napędem tego urządzenia. Szczególnie uderzający w tej konstrukcji jest kształt wygiętej rury, który bardzo przypomina współczesne wirniki pomp wirowych. W tym przypadku zachodzi podobieństwo do dzisiejszych pomp wirowych. Opisana dalej charakterystyka pomp wykazuje taką samą zależność pomiędzy jej wysokością podnoszenia i wydajnością. Z różnych historycznych źródeł wynika, że takie pompy śrubowe pracowały przy nachyleniach i wysokościach podnoszenia od 2 m do 6 m oraz maksymalnej wydajności 10 m 3 /h. Patrz rozdział "Wirniki", strona 22 Elementarz techniki pompowej Wilo

12 HISTORIA TECHNIKI POMPOWEJ Odprowadzanie ścieków O ile zaopatrzenie w wodę stało się dla ludzkości problemem życiowym, to problem odprowadzania ścieków dopiero później, i to wiele za późno, stał się tak samo ważny. Wszędzie tam, gdzie powstały osiedla i miasta, ścieki, brudy i odchody zanieczyszczały łąki, ulice i drogi, powodując nieprzyjemne zapachy, choroby i epidemie oraz zanieczyszczały wody gruntowe. Pierwsze kanały ściekowe zostały wybudowane lat p.n.e. Pod pałacem Minosa w Knossos na Krecie znaleziono murowane kanały i rury z terakoty odbierające deszczówkę i ścieki. Rzymianie także budowali w swoich miastach kanały ściekowe pod ulicami najbardziej znany to Cloaca Maxima w Rzymie odprowadzający ścieki do Tybru (również w Kolonii nad Renem znajdują się resztki podziemnych kanałów z czasów rzymskich). Pierwszy niemiecki centralny system kanalizacji i oczyszczania ścieków powstał dopiero w roku 1856 w Hamburgu. Natomiast do lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku uruchomiono wiele domowych instalacji ściekowych z osadnikami. Dopiero regulacje ustawowe i lokalne przepisy wymusiły przyłączenie tych instalacji do sieci kanalizacyjnej. Dzisiaj ścieki domowe są prawie wszędzie odprowadzane do publicznej sieci kanalizacyjnej, a tam, gdzie nie jest to możliwe stosowane są rurociągi tłoczne i kanalizacja ciśnieniowa. Ścieki przemysłowe i domowe są odprowadzane za pomocą rozgałęzionej sieci kanalizacyjnej. W oczyszczalniach ścieków są one oczyszczane biologicznie i chemicznie, a następnie są wprowadzane ponownie w naturalny obieg wodny. Ponieważ w zakresie utylizacji ścieków przez stulecia nie poczyniono żadnego postępu, to aż do ostatniego stulecia nieoczyszczone wody spływały do potoków, rzek, jezior i mórz. Wraz z uprzemysłowieniem i coraz bardziej rozrastającymi się miastami zaistniała potrzeba uporządkowania gospodarki ściekowej. W omawianych urządzeniach stosowane są różne pompy i systemy pompowe, jak np.: instalacje tłoczne, pompy zatapialne, stacje pompowe w studzienkach (z i bez urządzeń rozdrabniających) pompy odwadniające, pompy mieszające itd. 12 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

13 HISTORIA TECHNIKI POMPOWEJ Technika grzewcza Hypokaustum W Niemczech znaleziono resztki urządzeń grzewczych pochodzących z czasów rzymskich, tzw. Hypokaustum. Jest to wczesna forma ogrzewania podłogowego, w którym spaliny z otwartego paleniska kierowane były pod posadzkę. Ochładzane spaliny napływały przez kanał grzewczy umieszczony w ścianie. Rekonstrukcja Hypokaustum z czasów rzymskich kanał grzewczy w ścianie ściana zewnętrzna ściana wewnętrzna posadzka W późniejszych latach w zamkach i pałacach budowano kominki, z podobnie nachylonymi paleniskami, z których gorące spaliny przepływały przez przewody prowadzone wokół pomieszczeń - i to była pierwsza forma centralnego ogrzewania. Wynaleziono również sposób podziału strumienia spalin na poszczególne obiegi wykorzystując do tego celu murowane komory w piwnicy grzewczej. Ogień ogrzewał równocześnie świeże powietrze, które można było następnie doprowadzić do pomieszczeń mieszkalnych. piwnica grzewcza rynna z wodą do usuwania popiołu palenisko filary nośne posadzki Ogrzewanie parowe Wraz z upowszechnianiem się maszyny parowej w drugiej połowie XVIII wieku rozwijało się także ogrzewanie parowe. Para wodna częściowo rozprężona w maszynie parowej doprowadzana była do biur i mieszkań. Powstał też pomysł wykorzystania resztkowej energii ogrzewania parowego do napędzania turbiny. Ogrzewanie grawitacyjne Następną fazą rozwoju techniki grzewczej było ogrzewanie grawitacyjne. Z doświadczenia wynikało, że do uzyskania temperatury pokojowej równej 20 C trzeba podgrzać wodę tylko do ok. 90 C, a więc poniżej punktu wrzenia. Gorąca woda unosiła się ku górze w rurociągach o dużej średnicy i po oddaniu części swojego ciepła (ochłodzeniu) pod działaniem siły ciężkości wracała do kotła. Układ ogrzewania grawitacyjnego z kotłem, naczyniem wzbiorczym i grzejnikiem Elementarz techniki pompowej Wilo

14 HISTORIA TECHNIKI POMPOWEJ zasilanie T V =90 C odpowiada G=9,46 N Schemat ogrzewania grawitacyjnego Pierwsza pompa obiegowa Dopiero, gdy niemiecki inżynier Gottlieb Bauknecht wynalazł zamknięty silnik elektryczny można było go zastosować w przyspieszaczu obiegów. Inżynier Wilhelm Opländer przyjaciel G. Bauknechta opracował taką konstrukcją i opatentował ją w roku powrót T R =70 C odpowiada G=9,58 N Przepływ wody w ogrzewaniu jest skutkiem różnicy jej ciężarów właściwych. Duża bezwładność takich obiegów grawitacyjnych była na początku naszego stulecia przyczyną powstania pomysłu, tzw. przyspieszaczy obiegu. W tym okresie nie stosowano silników elektrycznych, gdyż ze względu na otwarte uzwojenia wirników mogły one, w obecności wody stanowić poważne zagrożenie. W kolanie rurociągu zabudowano wirnik pompy w postaci śmigła napędzanego silnikiem elektrycznym poprzez uszczelniony wał. W tamtym okresie taki przyspieszacz obiegu nie był jeszcze nazwany pompą, ponieważ pojęcie to, jak wcześniej wspomniano, wiązano z podnoszeniem wody na wyższy poziom. Te przyspieszacze obiegu były produkowane do ok. roku 1955 i dzięki nim można było stale obniżać temperaturę wody grzewczej w układzie. Dzisiaj mamy wiele systemów grzewczych, z których najnowocześniejsze mogą pracować przy bardzo niskiej temperaturze wody. Bez pompy obiegowej, a więc bez serca tego układu, stosowanie tych technik grzewczych nie byłoby możliwe. Pierwsza obiegowa pompa do układu grzewczego, tzw. pompa kolanowa, rok budowy 1929, typu HP, DN 67/0,25 kw 14 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

15 HISTORIA TECHNIKI POMPOWEJ Rozwój układów grzewczych Ogrzewanie podłogowe Ogrzewanie jednorurowe Ogrzewanie płaszczyznowe sufitowe/ścienne Wodne ogrzewanie pompowe Ogrzewanie dwururowe system Tichelmanna XX wiek, czasy nowożytne Przyspieszacz obiegu Wilhelma Opländera, 1929 Ogrzewanie parowe Ogrzewanie grawitacyjne Ogrzewanie piecowe XIX wiek, rewolucja przemysłowa Do ok n.e. średniowiecze Ogrzewanie kominkowe Ogrzewanie gorącym powietrzem w siedzibach władców Do ok. 465 n.e. Cesarstwo Rzymskie Rzymskie Hypokaustum Na początku był ogień Elementarz techniki pompowej Wilo

16 Systemy pompowe Otwarty układ pompowania wody Otwarty układ pompowania wody Zawór pływakowy Na schemacie przedstawiono składowe elementy systemu pompowego, tłoczącego ciecz z niskopołożonego zbiornika dopływowego do wyżej położonego zbiornika. Pompa tłoczy wodę na żądaną wysokość. geodezyjna wysokość podnoszenia Zawór Zawór pływakowy Zbiornik dopływowy Instalacja pompowa do tłoczenia wody na wyższy poziom Przewód tłoczny Pompa Zbiornik górny W tej instalacji nie wystarcza dopasowanie wysokości podnoszenia pompy do geodezyjnej wysokości położenia, gdyż w ostatnim punkcie poboru wody, np. w prysznicu na najwyższym piętrze budynku musi być jeszcze wystarczająco wysokie ciśnienie hydrauliczne (na wypływie). Uwzględnić trzeba także straty ciśnienia przy przepływie wody przez przewód tłoczny. Wysokość podnoszenia pompy = geodezyjna wysokość położenia + ciśnienie hydrauliczne + straty ciśnienia w rurociągach Aby można było wykonać niezbędne prace konserwacyjne, konieczne jest odcięcie poszczególnych odcinków rurociągu za pomocą zaworów. W szczególności odnosi się to do pomp, gdyż w przeciwnym wypadku, przed naprawą lub wymianą pompy, trzeba spuścić duże ilości wody z przewodów. Patrz rozdział Dobór pompy w zależności od zapotrzebowania na ciepło, str. 35. Poza tym w nisko położonych zbiornikach dopływowych i w zbiornikach górnych należy przewidzieć zawory pływakowe lub inne elementy regulacyjne, zabezpieczające zbiorniki przed przelaniem. Ponadto na przewodzie tłocznym można, w dogodnym miejscu zamontować wyłącznik ciśnieniowy, który wyłącza pompę w przypadku, gdy nie ma poboru wody. 16 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

17 SYSTEMY POMPOWE Zamknięty system grzewczy Na schemacie przedstawiono różnice pomiędzy instalacją grzewczą, a układem pompowania wody. Podczas gdy w przypadku tłoczenia wody występuje układ otwarty ze swobodnym wypływem (np. przez zawór wodny), to instalacja grzewcza jest układem zamkniętym. Zasadę jego działania można jeszcze łatwiej zrozumieć, gdy wyobrażamy sobie, że woda grzewcza jest po prostu utrzymywana w ruchu, tj. tylko cyrkuluje. Zamknięty układ grzewczy Zasilanie Urządzenie regulacyjne Pompa Odbiornik ciepła Odpowietrzenie Powrót W instalacji grzewczej można wyróżnić następujące elementy składowe: źródło ciepła, układ przesyłania i rozdziału ciepła, zamknięte naczynie wzbiorcze do utrzymywania ciśnienia i jego regulacji, odbiorniki ciepła, urządzenia regulacyjne, zawór bezpieczeństwa. Wytwornicę ciepła stanowi kocioł grzewczy opalany m.in. gazem, olejem lub paliwem stałym lub przepływowy podgrzewacz wody. Do przepływowych podgrzewaczy wody zalicza się także elektryczne podgrzewacze pojemnościowe z centralnym podgrzewaniem c.w.u., węzły cieplne i pompy ciepła. Układ przesyłu i rozdziału ciepła obejmuje wszystkie przewody rurowe, rozdzielacze i kolektory oraz oczywiście pompę obiegową. Wysokość podnoszenia pompy w instalacji grzewczej zależy tylko od całkowitych oporów przepływu. Nie uwzględnia się wysokości budynku, ponieważ woda tłoczona przez pompę do przewodu tłocznego powraca do kotła. Zamknięte naczynie wzbiorcze zapewnia kompensację zmieniającej się, w zależności od temperatury roboczej, objętości wody w instalacji grzewczej; ponadto stabilizuje ono ciśnienie w instalacji. Odbiorniki ciepła to elementy grzewcze w ogrzewanych pomieszczeniach (grzejniki, konwektory, ogrzewania powierzchniowe itp.). Ciepło przepływa z ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej tym intensywniej, im większa jest różnica temperatury. Zjawisko to może odbywać się trzema sposobami, a mianowicie przez: przewodzenie, konwekcję, tzn. ruch powietrza, promieniowanie. Bez dobrego układu regulacji nie można już dzisiaj rozwiązać żadnego problemu technicznego. A więc zrozumiałe jest, że urządzenia regulacyjne znajdują się w każdej instalacji grzewczej. W najprostszej postaci są to zawory termostatyczne utrzymujące stałą temperaturę w pomieszczeniach. Ale skomplikowane regulatory mechaniczne, elektryczne i elektroniczne są obecnie stosowane także i w kotłach, zaworach trójdrogowych i oczywiście w pompach. Przeponowe naczynie wzbiorcze Układ obiegowy na przykładzie instalacji grzewczej Uwaga: Nie uwzględnia się wysokości budynku, ponieważ woda tłoczona przez pompę do przewodu tłocznego powraca do kotła. Patrz rozdział Przybliżone dobory pomp do standardowej instalacji grzewczej, str. 41. Elementarz techniki pompowej Wilo

18

19 Woda - nośnik ciepła W instalacjach centralnego ogrzewania woda jest używana do transportu ciepła ze źródła do odbiornika. Najważniejsze właściwości wody to: ciepło właściwe, rozszerzalność objętościowa zarówno przy podgrzewaniu, jak i ochładzaniu, zmiana gęstości przy zwiększaniu i zmniejszaniu objętości, wrzenie pod ciśnieniem zewnętrznym, przepływ pod wpływem siły ciężkości. Poniżej opisano fizyczne właściwości wody. Ciepło właściwe Ważną właściwością każdego nośnika ciepła jest jego ciepło właściwe. Jest to wielkość zależna od masy i różnicy temperatury. Oznacza się ją przez c, a jednostką jest kj/ (kg K) Ciepło właściwe to ilość ciepła potrzebna do podniesienia lub obniżenia temperatury o 1K 1 kg substancji (np. wody). Średnie ciepło właściwe wody w zakresie temperatury 0 C, a 100 C wynosi: c = 4.19 kj/(kg K) lub c = 1.16 Wh/(kg K) Ilość doprowadzanego lub odprowadzanego ciepła Q, w J lub kj to iloczyn masy m w kg, ciepła właściwego c i różnicy temperatury t w K. Jest to np. różnica temperatury na zasileniu i powrocie układu grzewczego. Wzór do obliczania ilości ciepła ma postać: Q= m c t m= V ρ V = objętość wody w m 3 ρ = gęstość wody w kg/m 3 Masa m to iloczyn strumienia objętości V w m 3 i gęstości wody ρ w kg/m 3. A zatem wzór ten można także napisać w postaci: Q = V ρ c (t v - t r ) Gęstość wody zmienia się w zależności od jej temperatury. W rozważaniach energetycznych przyjmuje się, że w zakresie temperatury 4 C - 90 C gęstość wody w uproszczeniu wynosi ρ = 1 kg/dm 3. Fizyczne jednostki miary energii, pracy i ciepła są takie same. Do przeliczania J na inne dozwolone jednostki służy wzór: 1J = 1 Nm = 1 Ws lub 1 MJ = kwh Uwaga: Ciepło właściwe to ilość ciepła potrzebna do podniesienia lub obniżenia temperatury 1 kg substancji (np. wody) o 1K t = Theta r = Rho Elementarz techniki pompowej Wilo

20 WODA - NOŚNIK CIEPŁA Zwiększanie i zmniejszanie objętości Zmiana objętości wody w czasie ogrzewania/ochładzania. Największa gęstość w 4 C: ρmax = 1000 kg/m 3 Objętość 1g wody Większość substancji na Ziemi rozszerza się w czasie ogrzewania i kurczy w czasie ochładzania. Jedyną substancją odbiegającą od tej zasady jest woda. Właściwość ta nazywa się anomalną rozszerzalnością cieplną wody. Woda ma największą gęstość w temperaturze +4 C, a mianowicie: 1 dm 3 = 1 l = 1 kg. Zmiana objętości wody Także, gdy woda zostanie schłodzona do temperatury niższej niż +4 C, to jej objętość wzrasta. Tej anomalii wody zawdzięczamy to, że w zimie zamarza powierzchnia rzek i jezior. Dlatego tafle lodowe pływają na wodzie i wiosenne słońce może je roztopić. Nie nastąpiłoby to, gdyby lód miał większy ciężar właściwy i spoczywał na dnie. Ta szczególna właściwość wody jest przyczyną także pewnych zagrożeń, a mianowicie silniki samochodowe i przewody wodne pękają na skutek zamarzania wody i zwiększenia jej objętości. Aby temu zapobiec dodaje się do wody środki przeciw zamarzaniu. W układach grzewczych stosuje się, np. wodne roztwory glikoli, glikole; ich stężenie określa producent. Jeżeli począwszy od tej temperatury woda będzie ogrzewana lub ochładzana, to jej gęstość będzie coraz mniejsza, a więc mniejszy będzie też jej ciężar właściwy. Dobrą ilustracją tego zjawiska jest pojemnik z przelewem, w którym znajduje się dokładnie 1,000 cm 3 wody o temperaturze +4 C. Gdy woda jest ogrzewana, jej część wylewa się przez przelew do cylindra miarowego. Gdy woda ma 90 C w cylindrze znajduje się dokładnie 35,95 cm 3 wody, co odpowiada masie 34,7 g. W sześcianie o pojemności 1000 cm 3 znajduje się 1000 g wody o temperaturze +4 C 1000 cm 3 wody o temperaturze 90 C waży 965,3 g 4 C 90 C 10 cm 1000 cm 3 = 1 l 1000 cm 3 = 1 l Ilość przelanej wody 35,95 cm 3 = 34,7 g 10 cm W czasie ogrzewania lub ochładzania wody jej gęstość jest coraz mniejsza, a więc mniejszy jest też jej ciężar właściwy, a objętość wzrasta. 20 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

21 WODA - NOŚNIK CIEPŁA Wrzenie Jeżeli woda jest ogrzewana powyżej 90 C, to w otwartym naczyniu wrze ona w temperaturze 100 C. Temperatura wrzenia pozostaje stała, aż do odparowania całej ilości wody. A więc do całkowitego odparowania wody, czyli do zmiany stanu skupienia, konieczny jest stały dopływ ciepła. Ciepło konieczne do zmiany stanu skupienia nazywane jest ciepłem parowania utajonym. Przy dalszym podgrzewaniu temperatura pary wodnej zaczyna rosnąć. Warunkiem opisanego wyżej przebiegu jest to, że na powierzchni lustra wody panuje ciśnienie normalne (NN) równe 1013 hpa. Zmiana tego ciśnienia powoduje przesunięcie punktu wrzenia. Powtórzenie opisanego doświadczenia na wysokości 3000 m n.p.m., np. na Zugspitze wykazuje, że woda wrze tam w temperaturze 90 C. Przyczyną tego jest spadek ciśnienia powietrza wraz ze wzrostem wysokości położenia n.p.m. Im niższe ciśnienie panuje na powierzchni lustra wody, tym niższa jest temperatura wrzenia i na odwrót. Zasada ta znalazła zastosowanie np. w szybkowarach. Na poniższym rysunku wyraźnie widać, że temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia. Zmiany stanu skupienia w zależności od temperatury stan stały Ciepło przemiany (utajone) stan stały i ciekły ciecz ciecz i para para ilość ciepła Układy grzewcze pracują przy zamierzonym nadciśnieniu, a więc w stanach krytycznych nie tworzą się bańki pary. Nadciśnienie zapobiega także przedostawaniu się powietrza zewnętrznego do wody. Punkt wrzenia wody w zależności od ciśnienia ciśnienie Elementarz techniki pompowej Wilo

22 WODA - NOŚNIK CIEPŁA Rozszerzalność wody grzewczej i zabezpieczenie przed powstaniem nadciśnienia Instalacja grzewcza z zaworem bezpieczeństwa W wodnych obiegach grzewczych temperatura zasilania wynosi 90 C. Zwykle obiegi napełniane są wodą o temperaturze 15 C, a następnie jest ona podgrzewana. W czasie podgrzewania, a więc i zmiany objętości, nie można dopuścić do powstania nadciśnienia lub wypływu wody. W dotychczasowych rozważaniach pominięto fakt, że pompa obiegowa powoduje także przyrost ciśnienia. Należy bardzo starannie dobrać pompę, wielkość naczynia wzbiorczego i nastawy zaworu bezpieczeństwa do maksymalnej temperatury wody grzewczej. Kierowanie się tylko np. ceną przy doborze poszczególnych elementów instalacji jest niedopuszczalne. Urządzenie regulacyjne Odbiornik ciepła 90 C Odpowietrzenie Naczynie wzbiorcze jest napełnione azotem, którego ciśnienie musi być dopasowane do ciśnienia w instalacji grzewczej. Woda grzewcza napływa do naczynia wzbiorczego i poprzez przeponę działa na poduszkę gazową. Gazy są ściśliwe, a ciecze nie. Zasilanie Kompensacja zmiennej objętości wody w instalacji grzewczej: Pompa 1000 cm 3 = 1 l 34,7 g (1) Zamknięte naczynie wzbiorcze po zamontowaniu Powrót azot Przeponowe naczynie wzbiorcze Ciśnienie wstępne 1.0/1.5 bar (2) Zamknięte naczynie napełnione/zimne W lecie, gdy ogrzewanie jest wyłączone, woda powraca do swojej poprzedniej objętości. Należy więc w instalacji uwzględnić odpowiednio duży zbiornik przejmujący przyrost objętości wody, tzw. naczynie wzbiorcze. W starych instalacjach naczynia takie znajdowały się zawsze nad jej najwyższym punktem. Podczas wzrostu temperatury, a więc zwiększania się objętości, woda wypełniała to naczynie, a podczas spadku temperatury wypływała z niego. azot Zapas wody pod ciśnieniem wstępnym +0.5 bar (3) Zamknięte naczynie wzbiorcze przy max temperaturze zasilania Uwaga: Zawór bezpieczeństwa musi się otwierać przy nadciśnieniu i odprowadzać przyrost objętości wody W dzisiejszych instalacjach grzewczych stosuje się zamknięte przeponowe naczynia wzbiorcze (MAG). W przypadku wzrostu ciśnienia w instalacji musi się mieć pewność, że nie zostanie przekroczone ciśnienie dopuszczalne wynikające z wytrzymałości rur i innych elementów instalacji. Dlatego przepisy wymagają, aby instalacja grzewcza była wyposażona w zawór bezpieczeństwa. Zawór bezpieczeństwa musi otwierać się przy nadciśnieniu i odprowadzać przyrost objętości wody, którego nie może przejąć zamknięte naczynie wzbiorcze. Jednak w prawidłowo zaprojektowanej i konserwowanej instalacji takie zjawisko nie powinno w ogóle wystąpić. Ilość wody = zapas wody + przyrost objętości wody 22 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

23 WODA - NOŚNIK CIEPŁA Ciśnienie Definicja ciśnienia Ciśnienie - ciśnienie statyczne gazów lub cieczy w zbiornikach ciśnieniowych zmierzone w stosunku do ciśnienia atmosferycznego (Pa, mbar, bar). Ciśnienie spoczynkowe Ciśnienie statyczne przy braku przepływu medium. Ciśnienie spoczynkowe = wysokość napełnienia ponad punkt pomiaru + ciśnienie wstępne w zamkniętym naczyniu wzbiorczym Ciśnienie hydrauliczne Ciśnienie dynamiczne przy przepływie medium. Ciśnienie hydrauliczne = ciśnienie dynamiczne strata ciśnienia. Ciśnienie tłoczenia Ciśnienie w króćcu tłocznym pompy wirowej wytwarzane w czasie jej pracy. Wartość tego ciśnienia może być, w zależności od instalacji, inna niż różnica ciśnienia. Ciśnienie pompy (różnica ciśnienia) Ciśnienie wytworzone przez pompę wirową konieczne do pokonania wszystkich oporów instalacji mierzone pomiędzy króćcem ssawnym, a tłocznym pompy. Na skutek spadku ciśnienia tłoczenia spowodowanego stratami w rurociągach, armaturze i odbiornikach w każdym punkcie instalacji panuje inne ciśnienie robocze. Ciśnienie w instalacji erozja, hałasy, pękniecia dodatnia różnica ciśnienia ujemna różnica ciśnienia kawitacja, hałas, prasowanie w instalacjach grzewczych ciśnienie wyższe od roboczego ciśnienie hydrauliczne (ciśnienie dynamiczne) ciśnienie spoczynkowe (ciśnienie statyczne) ciśnienie przepływu (ciśnienie dynamiczne) ciśnienie niższe od roboczego Ciśnienie robocze Ciśnienie, które panuje lub powstaje w czasie pracy instalacji lub części instalacji. Dopuszczalne ciśnienie robocze Najwyższe, dozwolone ze względów bezpieczeństwa, ciśnienie robocze. w atmosferze (+) nadcisnienie ciśnienie atmosferyczne 1013 hpa (normalne) (-) podciśnienie (ciśnienie na ssaniu) zero absolutne Kawitacja Kawitacja polega na implozji pecherzyków pary (puste przestrzenie) powstających na skutek lokalnego spadku ciśnienia na dopływie do wirnika poniżej ciśnienia parowania pompowanej cieczy. Zjawisko to powoduje spadek wydajności (wysokości podnoszenia pompy), nierównomierną pracę i obniżenie jej sprawności, hałasy i zniszczenie materiałów (wewnątrz pompy). Mikroskopowe wybuchy spowodowane ekspansją, a potem zasilaniem (implozją) małych pecherzyków powietrza i pary w obszarach wysokiego ciśnienia (np. ekstremalnie na wypływie z wirnika) są przyczyną uderzeń ciśnień uszkadzających lub niszczących instalacje hydrauliczne. Pierwszymi tego oznakami są hałas lub uszkodzenia elementów na dopływie do wirnika. W pompach wirowych ważną wielkością jest NPSH (Net Positive Suction Head) (ciśnienie na ssaniu netto). Jest to minimalne ciśnienie na dopływie pompy, niezbędne do wyeliminowania kawitacji. Innymi słowy, jest to dodatkowe ciśnienie konieczne do zapobieżenia odparowaniu cieczy. NPSH zależy od kształtu wirnika, liczby jego obrotów, temperatury medium, wysokości zakrycia wodą pompy i ciśnienia atmosferycznego. Zapobieganie kawitacji Aby zapobiec kawitacji, na dopływie do pompy musi panować określone, minimalne ciśnienie, którego wartość zależy od temperatury i ciśnienia tłoczonego medium. Inne możliwości zapobiegania kawitacji polegają na: podwyższeniu ciśnienia statycznego obniżeniu średniej temperatury (redukcja ciśnienia nasycenia pary PD) doborze pompy o mniejszym NPSH Elementarz techniki pompowej Wilo

24

25 Konstrukcja pomp wirowych W ciepłownictwie, ogrzewnictwie, klimatyzacji i technice sanitarnej powszechnie stosowane są pompy wirowe. Można je podzielić w zależności od konstrukcji pomp oraz rodzaju przemian energetycznych w nich zachodzących. Pompy samozasysające i zwykłe Pompa samozasysająca to pompa, w której przewód ssawny jest odpowietrzony. W czasie uruchomienia pompa musi być kilka razy napełniona. Teoretyczna wysokość podnoszenia wynosi 10,33 m i zależy od ciśnienia powietrza (ciśnienie normalne = 1013 hpa). W praktyce, ze względów technicznych, maksymalna wysokość zasysania h s wynosi 7-8 m. Wartość ta składa się z różnicy wysokości pomiędzy najniżej położonym lustrem wody, a króćcem ssawnym i wysokości strat ciśnienia na oporach przewodów, pompy i armatury. Przy projektowaniu pompy należy pamiętać o odjęciu wysokości zasysania od wysokości podnoszenia pompy. Minimalna średnica przewodu ssawnego musi być równa średnicy nominalnej króćca pompy, a o ile to możliwe, powinna być większa. Ponadto przewód powinien być możliwie krótki. W przypadku długich przewodów ssawnych rosną opory tarcia, co znacznie zmniejsza wysokość zasysania. Wysokość zasysania h s minimalny poziom wody Ułożenie przewodu ssawnego dobrze źle Przewód ssawny nie powinien być ułożony poziomo względem pompy, a w przypadku stosowania węży należy preferować węże spiralne (szczelność, sztywność). Bezwzględnie trzeba wyeliminować wszelkie nieszczelności, gdyż w przeciwnym wypadku może nastąpić uszkodzenie pompy i zakłócenia w jej pracy. Zasysanie zawór zwrotny/klapa zwrotna W celu zapobieżenia pracy pompy na sucho zaleca się montaż zaworu stopowego na przewodzie ssawnym. Poza tym zawór stopowy z koszem ssawnym zabezpieczają pompę i pozostałe przyłączone urządzenia przed grubymi zanieczyszczeniami (liście, gałęzie, kamienie, robactwo itp.). Gdy nie ma zaworu stopowego, to na przewodzie ssawnym przed pompą należy zamontować zawór zwrotny (klapę zwrotną). zawór stopowy Pompa normalnie zasysająca nie może usunąć powietrza z przewodu ssawnego i musi być, wraz z przewodem ssawnym, cały czas zalana. Jeżeli na skutek nieszczelności, np. dławnicy zasuwy odcinającej, albo przez nie zamykający się zawór stopowy, do przewodu ssawnego przedostanie się powietrze, to pompę i przewód trzeba ponownie zalać. instalacja z zaworem stopowym lub zaworem zwrotnym / klapą zwrotną Elementarz techniki pompowej Wilo

26 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Działanie pomp wirowych Przekrój pompy mokrobieżnej korpus pompy wirnik przestrzenny Zadaniem pomp jest transport cieczy i pokonanie oporów jej przepływu w instalacji. W przypadku instalacji pompowych o różnych poziomach cieczy pompa powinna dodatkowo pokonać geodezyjną różnicę poziomów. Pod względem konstrukcyjnym i przemian energetycznych pompy wirowe zalicza się do hydraulicznych maszyn przepływowych. Wspólną cechą wielu wariantów pomp wirowych jest osiowy dopływ cieczy do wirnika. Silnik elektryczny obraca wał pompy z nasadzonym na nim wirnikiem. Napływająca osiowo przez króciec ssawny do wirnika ciecz jest przez łopatki wirnika odchylana w kierunku promieniowym, a wywierana przez nie na ciecz siła odśrodkowa powoduje zwiększenie prędkości przepływu i ciśnienia. Z wirnika ciecz przepływa do spiralnej obudowy, w której dzięki jej konstrukcji prędkość przepływu spada, a w wyniku przemian energetycznych wzrasta ciśnienie. Medium wpływa do wirnika osiowo i jest w nim odchylane promieniowo Pompa składa się z następujących, głównych elementów: obudowy (korpusu), silnika, wirnika. Wirniki Kształty wirników Rozróżnia się wirniki otwarte i zamknięte. Innym kryterium podziału wirników jest ich kształt. Obecnie, w większości pomp, wirniki stanowią konstrukcję przestrzenną, która łączy zalety wirnika osiowego i promieniowego. wirnik promieniowy wirnik promieniowy 3D wirnik półosiowy wirnik osiowy 26 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

27 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Sprawność pompy Sprawność każdej maszyny definiuje się jako stosunek mocy oddawanej do mocy pobieranej i oznacza grecką literą η (eta). Ponieważ nie istnieje napęd bez strat, η jest zawsze < 1 (100 %). W przypadku pompy obiegowej całkowita sprawność η ges stanowi iloczyn sprawności silnikaη M (elektrycznej i mechanicznej) oraz sprawności hydraulicznej η P : η ges = η M η P Sprawność całkowita zmienia się w szerokim zakresie, zależnie od rodzaju i wielkości pomp. W przypadku pomp mokrobieżnych wynosi ona od 5 do 54 % (pompy wysokosprawne), a w przypadku pomp suchobieżnych od 30 do 80 %. Sprawność zmienia się także w polu charakterystyki pompy od zera do wartości najwyższych. Gdy pompa pracuje przy zamkniętym zaworze na przewodzie tłocznym, to uzyskuje się wprawdzie najwyższe ciśnienie, ale ponieważ woda nie płynie sprawność jest równa zero. To samo odnosi się do zaworu otwartego - pomimo dużego przepływu brak jest ciśnienia i sprawność znowu równa się zero. Pompa nigdy nie pracuje w jednym określonym punkcie i dlatego przy jej projektowaniu należy pamiętać o tym, aby punkt pracy pompy przez większą część okresu grzewczego leżał w środkowej części charakterystyki (ok. 1/3 jej długości), tj. w obszarze największej sprawności. Sprawność pompy oblicza się z następującego wzoru: Q H r h p = P 2 h P = sprawność pompy Q [m 3 /h] = wydajność H [m] = wysokość podnoszenia P 2 [kw] = moc na wale pompy 367 = stała przeliczeniowa r [kg/m 3 ] = gęstość medium Sprawność oraz wydajność pompy zależy od jej konstrukcji. W poniższych tabelach podano zależność sprawności od mocy silnika i konstrukcji pompy (mokro-/suchobieżna) Charakterystyka pompy i jej sprawność Sprawność standardowych pomp mokrobieżnych (dane orientacyjne) wysokość podnoszenia H [m] wydajność Q [m 3 /h] Moc pompy P 2 h ges do 100 W ok. 5 % ok. 25 % od 100 do 500 W ok. 20 % ok. 40 % od 500 do 2500 W ok. 30 % ok. 50 % Sprawność pomp suchobieżnych (dane orientacyjne) Moc pompy P 2 h ges do 1,5 kw ok. 30 % ok. 65 % od 1,5 do 7,5 kw ok. 35 % ok. 75 % od 7,5 do 45,0 kw ok. 40 % ok. 80 % Największa sprawność całkowita pompy obiegowej układu grzewczego znajduje się w środku pola charakterystyki. Producenci pomp podają w swoich katalogach optymalne punkty pracy każdej pompy. Elementarz techniki pompowej Wilo

28 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Pobór mocy Patrz rozdział Charakterystyki, strona 31 Zależności pomiędzy charakterystykami pompy Patrz rozdział Bezstopniowa regulacja liczby obrotów, str. 36 Silnik elektryczny napędza wał pompy, na którym jest osadzony wirnik. Elektryczna energia napędu jest przetwarzana w pompie na wzrost ciśnienia i przepływ, tj. na energię hydrauliczną. Energia pobierana przez silnik nazywana jest mocą pobieraną przez pompę P 1. Charakterystyki mocy pompy Charakterystyki mocy pomp wirowych są przedstawianew postaci wykresu: na osi pionowej (rzędnych) znajduje się moc pobierana przez pompę P 1 w [W], a na osi poziomej (odciętych) tak samo, jak w przypadku charakterystyk pompy, wydajność w [m 3 /h], (oczywiście w takiej samej skali). Obie te charakterystyki są często umieszczane w katalogach jedna pod drugą, tak by można je było łatwo porównać. Kennlinie Wilo-TOP S Przebieg charakterystyki mocy pompy wykazuje następujące zależności: przy małym przepływie silnik pobiera małą moc. Wraz ze wzrostem przepływu wzrasta pobierana moc, przy czym zmienia się ona w większym stopniu niż przepływ. Wpływ liczby obrotów silnika Jeżeli przy niezmiennych warunkach pracy instalacji zmieni się liczba obrotów wirnika pompy, to pobór mocy P zmieni się w przybliżeniu proporcjonalnie do trzeciej potęgi liczby obrotów n: Na tej podstawie można pompę odpowiednio regulować i dopasować parametry jej pracy do zapotrzebowania na moc cieplną. Jeżeli liczba obrotów podwoi się, to wydajność wzrasta w takim samym stosunku, a wysokość podnoszenia czterokrotnie. Natomiast pobierana energia wzrasta ośmiokrotnie. Gdy liczba obrotów maleje, to wydajność, wysokość podnoszenia i zapotrzebowanie na moc zmniejszają się w podobnych proporcjach. Stała liczba obrotów uwarunkowana konstrukcyjnie Cechą odróżniającą pompy wirowe jest wysokość podnoszenia, która zależy od zastosowanego silnika i zadanej liczby obrotów. I tak w przypadku liczby obrotów n > 1500 min -1 mówimy o wirnikach szybkoobrotowych, a w przypadku liczby obrotów n < 1500 min -1 mówimy o wirnikach wolnoobrotowych. Silniki niezbędne do napędu wirników wolnoobrotowych wymagają większych nakładów robocizny i przez to pompy takie mogą być nieco droższe. Natomiast zastosowanie ich tam, gdzie mogą lub muszą być użyte wirniki wolnoobrotowe, powoduje niepotrzebnie duży pobór prądu. Nakłady poniesione na zainstalowanie regulacji obrotów umożliwiają znaczne oszczędności energii napędowej, a więc i obniżenie kosztów eksploatacji. Zmniejszenie liczby obrotów wirnika pompy w zależności od zapotrzebowania na moc cieplną za pomocą elektronicznego, bezstopniowego układu regulacji przynosi wyraźne oszczędności. 28 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

29 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Pompy mokrobieżne Zamontowanie pompy mokrobieżnej (na zasileniu lub powrocie) powoduje szybki przepływ wody i dzięki temu można zastosować przewody rurowe o mniejszych przekrojach, co zmniejsza koszt instalacji grzewczej. Poza tym w instalacji grzewczej znajduje się mniej wody i układ może szybciej reagować na wahania temperatury i jest łatwiejszy do regulacji. Układ grzewczy Cechy Wirnik pompy powoduje zwiększenie składowej promieniowej prędkości wody. Wał, na którym jest osadzony wirnik, wykonany jest ze stali nierdzewnej, a łożysko wału zbudowane jest z węglików spiekanych lub materiałów ceramicznych. Wirnik osadzony na wale silnika obraca się w tłoczonym medium, które smaruje łożysko i chłodzi silnik. Izolację oddzielającą wirnik od stojana przewodzącego prąd stanowi rura rozdzielcza wykonana ze stali niemagnesującej się lub z włókien węglowych o grubości ścianki od 0,1 do 0,3 mm. W warunkach specjalnych, np. do tłoczenia wody, stosuje się silniki o stałej liczbie obrotów. Jeżeli pompę mokrobieżną zastosuje się np. w obiegu grzewczym, a więc do zasilania grzejników, to musi się ona dopasować do zmieniającego się zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku. W zależności od temperatury zewnętrznej i obcych źródeł ciepła potrzebna jest różna ilość wody grzewczej. Zamontowane przed grzejnikami zawory termostatyczne regulują jej przepływ. korpus pompy rura rozdzielcza wirnik przestrzenny wirnik uzwojenie Dlatego silniki pomp mokrobieżnych mogą pracować przy różnych prędkościach obrotowych. Przełączanie prędkości obrotowych może być dokonywane za pomocą przełączników lub modułów wtykowych. Możliwa jest też automatyzacja tego procesu za pomocą dodatkowych układów przełączającoregulacyjnych działających w funkcji czasu, różnicy ciśnienia lub temperatury. Od roku 1988 istnieją konstrukcje ze zintegrowaną elektroniką regulującą bezstopniowo liczbę obrotów wirnika pompy. Zależnie od wielkości i wymaganej mocy pompy mokrobieżne są zasilane prądem zmiennym jednofazowym 230 V lub prądem zmiennym trójfazowym 400 V. Pompy mokrobieżne charakteryzują się spokojną pracą i nie wymagają żadnych uszczelnień wału. Dzisiejsze pompy mokrobieżne mają budowę modułową, uwzględniającą zmienne wymagania co do wydajności oraz naprawy. Ważną cechą tej konstrukcji jest zdolność do samoodpowietrzenia się pompy przy jej uruchomieniu. Zalety: mniejsze średnice rurociągów, mniejsza ilość wody, szybszy czas reakcji na wahania temperatury, mniejsze koszty instalacji Pierwsza w pełni elektroniczna pompa mokrobieżna ze zintegrowaną, bezstopniową regulacją obrotów Elementarz techniki pompowej Wilo

30 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Pozycja montażowa Pompy mokrobieżne o średnicy przyłącza do R 1 ¼ są dostarczane jako pompy nakręcane na rurociąg. Większe pompy są wyposażone w połączenia kołnierzowe. Montaż tych pomp może odbywać się bezpośrednio na rurociągu (bez fundamentów) w pozycji pionowej lub poziomej. Jak już wspomniano łożyska pompy są smarowane przez medium, które również chłodzi silnik. Dlatego musi być zapewniony ciągły przepływ medium przez rurę rozdzielczą. Poza tym wał pompy musi zawsze być ustawiony poziomo. Montaż pompy z wałem w pozycji pionowej lub wałem wiszącym powoduje niestabilną pracę i szybkie jej uszkodzenie. Pozycje montażowe pomp mokrobieżnych (wyciąg) Pozycje niedozwolone Pozycje dozwolone w przypadku pomp z bezstopniową regulacją liczby obrotów Pozycje dozwolone w przypadku pomp z 1-, 3- lub 4-stopniową regulacją liczby obrotów Dokładne wskazówki montażowe są podane w instrukcji obsługi i montażu pompy. Opisane pompy mokrobieżne mają, dzięki swojej konstrukcji, dobre właściwości eksploatacyjne i są stosunkowo tanie. 30 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

31 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Pomy suchobieżne Cechy Pompy suchobieżne stosowane są do większych wydajności. Lepiej nadają się one również do tłoczenia wody chłodzącej i mediów agresywnych. W przeciwieństwie do pomp mokrobieżnych w tym przypadku medium nie styka się z silnikiem. Następna różnica polega na tym, że uszczelnienie obudowy z wodą / wału względem atmosfery stanowi dławnica lub pierścień ślizgowy. Silniki standardowych pomp suchobieżnych to zwykłe silniki prądu zmiennego ze stałą liczbą obrotów. Obecnie dostępne są pompy suchobieżne ze zintegrowaną elektroniczną regulacją liczby obrotów o coraz większych mocach. Całkowita sprawność pomp suchobieżnych jest znacznie wyższa niż pomp mokrobieżnych. Pompy mokrobieżne są dostarczane zasadniczo w trzech wykonaniach: Pompy In-line Króćce ssawny i tłoczny leżą w jednej osi i mają takie same średnice nominalne. Pompy In-line wyposażone są w znormalizowany silnik kołnierzowy chłodzony powietrzem. W instalacjach budowlanych ten rodzaj pomp stosuje się do większych wydajności. Mogą one być bezpośrednio montowane na rurociągu, który może być zamocowany w konsoli. Innym rozwiązaniem jest pompa na fundamencie lub montowana na własnej konsoli. Budowa pompy suchobieżnej Pompy blokowe Są to jednostopniowe, niskociśnieniowe pompy wirowe zblokowane ze znormalizowanym silnikiem chłodzonym powietrzem. Spiralna obudowa ma osiowy króciec ssawny i promieniowo ustawiony króciec tłoczny. Pompy są standardowo mocowane na kątownikach lub łapach silnika. Pompy standardowe W przypadku tych pomp wirowych z osiowym dopływem, pompa, sprzęgło i silnik są montowane na wspólnej płycie fundamentowej. W zależności od medium i warunków pracy są one uszczelniane albo pierścieniem ślizgowym, albo dławnicą. Średnia pionowego króćca tłocznego określa nominalną wielkość pompy. Poziomy króciec ssawny jest zwykle większy o rząd wielkości. pokrywa wentylatora silnik standardowy osłona pierścień ślizgowy wirnik nakrętka kołpakowa korpus pompy Patrz rozdział Uszczelnienie wału, str. 28 Elementarz techniki pompowej Wilo

32 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Uwaga: Pierścienie ślizgowe to części zużywające się i w ich przypadku nie jest dopuszczalna praca na sucho, gdyż prowadzi to do zniszczenia powierzchni uszczelniających. Uszczelnienie wału Jak wspomniano wał może być uszczelniony względem atmosfery za pomocą pierścienia ślizgowego lub dławnicy (do wyboru zwłaszcza w pompach standardowych). Poniżej omówiono dokładniej oba rodzaje uszczelnień. Pierścień ślizgowy w pompie suchobieżnej Pierścienie ślizgowe W zasadzie są to dwa pierścienie o bardzo dokładnie wypolerowanych powierzchniach uszczelniających. Są one dociskane do siebie za pomocą sprężyny i w czasie pracy obracają się w kierunkach przeciwnych względem siebie. Jest to uszczelnienie dynamiczne, które stosowane jest do uszczelniania obracających się wałów w zakresie od średniego do wysokiego ciśnienia. przeciwpierścień (uszczelnienie główne) pierścień ślizgowy (uszczelnienie główne mieszek gumowy (uszczelnienie dodatkowe) sprężyna Powierzchnia uszczelnienia składa się z dwóch oszlifowanych, płaskich, mało zużywających się powierzchni (np. pierścieni z węglika krzemu lub węgla) dociskanych do siebie siłami osiowymi. Pierścień ślizgowy (dynamiczny) obraca się wraz z wałem, a przeciwpierścień (statyczny) jest stacjonarnie umieszczony w obudowie. Pomiędzy obiema ślizgającymi się powierzchniami powstaje cienki film wodny, który zapewnia smarowanie i chłodzenie. W czasie pracy na powierzchnie ślizgowe mogą działać różne rodzaje tarcia: tarcie półpłynne, półsuche i suche, przy czym to ostatnie (brak filmu smarującego) prowadzi do natychmiastowego zniszczenia uszczelnienia. Żywotność uszczelnienia zależy od warunków pracy, np. składu medium, temperatury itp. Dławnice Materiałem uszczelniającym są, np. wysokiej jakości włókna jak Kevlar lub Twaron, PTFE, spieniony grafit, syntetyczne włókna mineralne oraz włókna naturalne, jak np. konopie lub ramia. Materiały te są dostarczane luzem (trzeba wyciąć pierścień), albo w postaci prasowanych pierścieni jako suche lub impregnowane (zależnie od zastosowania). Pierścień dławnicy zakładany jest na wał i dociskany dławikiem. 32 Elementarz techniki pompowej WILO 2008

33 KONSTRUKCJA POMP WIROWYCH Pozycje montażowe Dopuszczalne pozycje montażowe Pompy In-line są przeznaczone do bezpośredniego pionowego i poziomego rurociągu. Należy przy tym przewidzieć wystarczająco dużo miejsca do demontażu silnika, osłony i wirnika. Po zamontowaniu pompy rurociąg nie może być naprężony, a pompa w razie potrzeby wsparta na łapach. W przypadku pomp blokowych Ustawić je na odpowiednim fundamencie lub konsoli. Nie jest dozwolony montaż z silnikiem i skrzynkami zaciskowymi skierowanymi ku dołowi. Każda inna pozycja jest dozwolona. Dokładne wskazówki montażowe podane są w instrukcjach obsługi i montażu. Pozycje montażowe niedopuszczalne Montaż z silnikiem i skrzynkami zaciskowymi skierowanymi ku dołowi. Od pewnej mocy silnika montaż pomp z wałem poziomym powinien być wykonany przez producenta. Pompy wirowe wysokociśnieniowe Główne cechy konstrukcyjne tych pomp to konstrukcja członowa z komorami stopniowymi. Wydajność takiej pompy zależy m.in. od wielkości wirników. Żądaną wysokość podnoszenia uzyskuje się dzięki kilku umiejscowionym jeden za drugim wirnikom/ kierownicom. Energia kinetyczna jest przekształcana w ciśnienie częściowo w wirniku i częściowo w kierownicy. Duża liczba stopni umożliwia uzyskanie wysokości podnoszenia, które są nieosiągalne w pompach jednostopniowych. Bardzo duże pompy mają nawet do 20 stopni i osiągają wysokość podnoszenia do 250 m. Omawiane pompy należą prawie w całości do rodziny pomp suchobieżnych, choć dawniej stosowano też silniki mokrobieżne. Przekrój wysokociśnieniowej pompy wirowej wirniki Charakterystyka wysokociśnieniowej pompy wirowej Przykład charakterystyki wysokociśnieniowej pompy wirowej z silnikiem mokrobieżnym Elementarz techniki pompowej Wilo