Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki pompowej

Transkrypt

1 Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki pompowej

2 Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki pompowej

3 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 nośnik ciepła 15 Ciepło właściwe 15 Zwiększanie i zmniejszanie objętości 16 Wrzenie 17 Rozszerzalność wody grzewczej i zabezpieczenie przed powstaniem nadciśnienia 18 Ciśnienie 19 Charakterystyka pomp wirowych 21 Wysokość ssania i kawitacja 21 Pobór mocy i sprawność 23 Działanie pomp wirowych 25 Wirniki 25 Pompy bezdławnicowe (mokrobieżne) 26 Pompy dławnicowe (suchobieżne) 28 Pompy wirowe wysokociśnieniowe 31 Charakterystyki 33 Charakterystyki pomp 33 Charakterystyki instalacji 34 Punkt pracy 34 Dobór pomp w zależności od zapotrzebowania na ciepło 37 Wpływ pogody 37 Regulacja wydajności pracy pompy 38 Rodzaje regulacji 39 Przybliżone obliczanie pompy do standardowej instalacji grzewczej 43 Wydajność pompy 43 Wysokość podnoszenia pompy 43 Przykłady zastosowania 44 Wpływ przybliżonego doboru pompy na działanie instalacji 45 Oprogramowanie projektowe 45 Przykład doboru pompy obiegowej do instalacji c.o. za pomocą programu Wilo-Select 3 46 Praca kilku pomp 50

4

5 Podręcznik techniki pompowej 5 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 do 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).

6

7 Podręcznik techniki pompowej 7 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 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. Rekonstrukcja kołowego urządzenia pompowego Jacoba Leupolda 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

8 8 Podręcznik 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). 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. 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. 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.

9 Podręcznik techniki pompowej 9 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. 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. 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. Rekonstrukcja Hypokaustum z czasów rzymskich ściana zewnętrzna piwnica grzewcza rynna z wodą do usuwania popiołu palenisko kanał grzewczy w ścianie ściana wewnętrzna filary nośne posadzki posadzka 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

10 10 Podręcznik techniki pompowej Schemat ogrzewania grawitacyjnego zasilanie T V =90 C odpowiada G=9,46 N Pierwsza pompa obiegowa Dopiero, gdy niemiecki inżynier Gottlieb Bauknecht wynalazł zamknięty silnik elektryczny, można było go zastosować do przyspieszacza obiegu. Inżynier Wilhelm Opländer, przyjaciel Bauknechta, opracował taką konstrukcję 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

11 Podręcznik techniki pompowej HISTORIA TECHNIKI POMPOWEJ 11 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

12 12 Podręcznik techniki pompowej 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. Zawór geodezyjna wysokość podnoszenia Zawór pływakowy 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. Zbiornik dopływowy Instalacja pompowa do tłoczenia wody na wyższy poziom 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. 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.

13 Podręcznik techniki pompowej 13 Zamknięty system grzewczy Zamknięty układ grzewczy Na schemacie przedstawiono różnice pomiędzy instalacją grzewczą, a układem pompowania wody. Urządzenie regulacyjne Odpowietrzenie Podczas gdy w przypadku tłoczenia wody występuje układ otwarty ze swobodnym wypływem (np. przez zawór wodny), to instalacja grzewcza jest układem zamkniętym. Zasilanie Pompa Odbiornik ciepła Powrót Zasadę jego działania można jeszcze łatwiej zrozumieć, gdy wyobrażamy sobie, że woda grzewcza jest po prostu utrzymywana w ruchu, tj. tylko cyrkuluje. Przeponowe naczynie wzbiorcze 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. 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. Układ obiegowy na przykładzie instalacji grzewczej Uwaga: Nie uwzględnia się wysokości budynku, ponieważ woda tłoczona przez pompę do przewodu tłocznego powraca do kotła. 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. 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.

14

15 Podręcznik techniki pompowej 15 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. 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

16 16 Podręcznik techniki pompowej Zwiększanie i zmniejszanie objętości 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 Objętość 1g wody [ml] 1,0016 1,0012 1,0008 1,0004 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, lub glikole. Ich stężenie określa producent. 1, T [C ] Zmiana objętości wody w czasie ogrzewania/ochładzania. Największa gęstość w 4 C: ρmax = 1000 kg/m 3 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.

17 Podręcznik techniki pompowej 17 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. Na poniższym rysunku wyraźnie widać, że temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia. Punkt wrzenia wody w zależności od ciśnienia Zmiany stanu skupienia w zależności od temperatury Ciepło przemiany (utajone) ciśnienie stan stały stan stały i ciekły ciecz ciecz i para para 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. ilość ciepła 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.

18 18 Podręcznik techniki pompowej Rozszerzalność wody grzewczej i zabezpieczenie przed powstaniem nadciśnienia 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. Instalacja grzewcza z zaworem 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. W dotychczasowych rozważaniach pominięto fakt, że pompa obiegowa powoduje także przyrost ciśnienia. Zasilanie Pompa Urządzenie regulacyjne Odbiornik ciepła 90 C 1000 cm 3 = 1 l 34,7 g Odpowietrzenie 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. 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. Powrót Przeponowe naczynie wzbiorcze Kompensacja zmiennej objętości wody w instalacji grzewczej: 1 Zamknięte naczynie wzbiorcze po zamontowaniu 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. 2 azot azot Ciśnienie wstępne 1.0/1.5 bar Zamknięte naczynie napełnione/zimne 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. 3 Zapas wody pod ciśnieniem wstępnym +0.5 bar Zamknięte naczynie wzbiorcze przy max temperaturze zasilania Ilość wody = zapas wody + przyrost objętości wody

19 Podręcznik techniki pompowej 19 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 robocze Ciśnienie, które panuje lub powstaje w czasie pracy instalacji lub części instalacji. Dopuszczalne ciśnienie robocze Najwyższe, dozwolone ze względów bezpieczeństwa, ciśnienie robocze. Ciśnienie w instalacji w instalacjach grzewczych w atmosferze erozja, hałasy, pękniecia ciśnienie wyższe od roboczego dodatnia różnica ciśnienia ciśnienie hydrauliczne (ciśnienie dynamiczne) (+) nadciśnienie ujemna różnica ciśnienia ciśnienie spoczynkowe (ciśnienie statyczne) ciśnienie przepływu (ciśnienie dynamiczne) ciśnienie atmosferyczne 1013 hpa (normalne) (-) podciśnienie (ciśnienie na ssaniu) kawitacja, hałas, prasowanie ciśnienie niższe od roboczego zero absolutne

20

21 Podręcznik techniki pompowej 21 Charakterystyka 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. Wysokość ssania i kawitacja Przyczyną zdolności zasysania pomp jest ciśnienie działające na lustro cieczy w zbiorniku na ssaniu pompy. W zbiornikach otwartych jest to ciśnienie atmosferyczne. Jego średnia wartość na wysokości poziomu morza wynosi p b = N/m 2 (= 1,0132 bar) i odpowiada ciśnieniu słupa wody o wysokości 10,33 m w temp. 4 C. Zgodnie z tym, normalne ciśnienie powietrza powinno zapewnić pompie możliwość zassania wody z głębokości ok. 10 m. Rzeczywista osiągalna, geodezyjna wysokość zasysania HS geo jest jednak znacznie mniejsza, ponieważ: pompa nie wytwarza idealnej próżni, w rurociągu ssawnym występują starty ciśnienia na skutek tarcia i zmian prędkości przepływu. W praktyce, ze względów technicznych, maksymalna wysokość zasysania hs 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. Zazwyczaj z jednego końca rurociągu podciśnienie wytwarza pompa, a z drugiego na powierzchnię cieczy działa ciśnienie atmosferyczne. Mówi się wówczas, iż pompa pracuje ze ssaniem, co oznacza że poziom wody w zbiorniku zasilającym znajduje się poniżej króćca ssawnego pompy. Warunek instalacyjny: Przewód ssawny powinien być ułożony wznosząco w kierunku króćca ssawnego pompy. Ponadto przewód powinien być możliwie krótki (dłuższy przewód = większe straty) oraz pozbawiony lewarów. Zalecane jest również instalowanie zaworów stopowych na przewodzie ssawnym zabezpieczającym przewód przed odpływem wody do zbiornika. dobrze źle Pompy można podzielić na samozasysające i normalnie zasysające. Konstrukcja pomp normalnie zasysających nie pozwala im na odprowadzenie powietrza z przewodu ssawnego, w wyniku czego przed każdym uruchomieniem wymagane jest zalanie wirnika pomp wraz z przewodem ssawnym. Konstrukcja pomp samozasysających, poprzez zastosowanie dyfuzora, pozwala na odpowietrzenie przewodu ssawnego. Tego rodzaju pompy wymagają zalania wyłącznie przy pierwszym uruchomieniu. minimalny poziom zasysania W celu zabezpieczenia pompy przed pracą na sucho zaleca się montaż zaworu stopowego na przewodzie ssawnym.

22 22 Podręcznik techniki pompowej Kawitacja Właściwy dobór Podciśnienie pompy obejmuje także wyeliminowanie możliwości powstania zjawiska kawitacji. Kawitację należy uwzględnić szczególnie w systemach otwartych (np. wieże chłodnicze) oraz także przy bardzo wysokich temperaturach i niskich ciśnieniach w instalacji. Zjawisko kawitacji, skomplikowane w swojej naturze, polega na tworzeniu się pęcherzyków mieszaniny powietrza i pary w obszarze, w którym ciśnienie bezwzględne spada poniżej ciśnienia parowania cieczy (np. wskutek oporów). Pęcherzyki pary porywane są przez przepływającą ciecz a zderzenie z powierzchnią ścianki lub wirnika pompy prowadzi do implodowania pęcherzyków. Procesowi kawitacji towarzyszy wiele zjawisk pochodnych, jak efekty energetyczne, akustyczne, wibracyjne, mechaniczne i termodynamiczne. Powoduje to spadek mocy (wysokości podnoszenia), nierównomierność pracy, spadek sprawności, emisję dźwięków i zniszczenie materiału (we wnętrzu pompy). W przypadku ponownego wzrostu ciśnienia, powyżej ciśnienia parowania cieczy, pęcherzyki zanikają. Jeżeli ciśnienie w instalacji na dopływie pompy (ciśnienie statyczne) spada poniżej potrzebnej dla pompy wartości naddatku antykawitacyjnego NPSH, to należy przynajmniej zapewnić równość tych wartości. W celu zapobiegania kawitacji należy: podwyższyć ciśnienie statyczne (zmienić usytuowanie pompy) obniżyć temperaturę przetłaczanej cieczy (redukcja ciśnienia pary nasyconej) - dobrać pompę o mniejszej wartości NPSH. Nadciśnienie Podciśnienie Nadciśnienie NPSH Ważną wielkością dla pompy wirnikowej jest wartość NPSH (Net Positive Suction Head). Podaje ona minimalne ciśnienie na dopływie do pompy, jakiego wymaga ten typ pompy, aby móc pracować bez kawitacji, tzn. dodatkowe ciśnienie, jakie jest wymagane, aby zapobiec parowaniu cieczy i utrzymać ją w stanie ciekłym. Wartość NPSH podawane jest przez producenta pomp i przedstawiana jest na jej charakterystyce. H [m] charakterystyka pompy Na wartość NPSH ze strony pompy wpływ ma kształt wirnika i prędkość obrotowa pompy, a ze strony otoczenia temperatura medium, wysokość słupa cieczy nad wlotem pompy oraz ciśnienie atmosferyczne. Rozróżnia się dwie wartości NPSH: 1. NPSH pompy = NPSH wymagane Określa ciśnienie dopływu, jakie jest wymagane, aby uniknąć kawitacji. Jako ciśnienie dopływu rozumiane jest również zatopienie (w przypadku pomp zatapialnych różnica wysokości pomiędzy dopływem do pompy a poziomem wody w studzience/zbiorniku). NPSH Q [m 3 /h] 2. NPSH instalacji = NPSH obecne Podaje, jakie ciśnienie obecne jest na dopływie pompy. NPSHinstal >NPSHpompy lub NPSHobec.>NPSHwymag. W przypadku pomp w ustawieniu mokrym wartość NPSH instalacji obliczana jest poprzez zsumowanie ciśnienia atmosferycznego, wysokości słupa cieczy nad wlotem pompy minus ciśnienie parowania medium. W ustawieniu suchym odejmuje się dodatkowo straty wysokości ciśnienia w rurociągu ssawnym.