WYBRANE ZAGADNIENIA UŻYTKOWANIA POMP WIROWYCH W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

D o u ż y t k u w e w n ę t r z n e g o Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego WYBRANE ZAGADNIENIA UŻYTKOWANIA POMP WIROWYCH W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM Ćwiczenia laboratoryjne Opracowanie: Maciej Kabziński Kraków, 015 1

WPROWADZENIE Pompy są maszynami przepływowymi, stosowanymi do transportu cieczy ze zbiorników o ciśnieniu niższym, do miejsc o ciśnieniu wyższym lub do przetłaczania cieczy z jednego miejsca w drugie. Pompy doprowadzają do cieczy dodatkową energię, niezbędną do pokonania (przede wszystkim) różnicy wysokości między punktem poboru i odbioru oraz oporów hydraulicznych w rurociągach. W zależności od sposobu wytwarzania różnicy ciśnień wyróżnia się pompy wyporowe i pompy wirowe, które scharakteryzowano w tabeli (1). Tabela 1. Pompy wirowe i wyporowe. Rodzaj pompy Działanie Przykłady Działanie polega na wypieraniu określonej objętości cieczy z obszaru Pompa wyporowa ssawnego do tłocznego, oddzielonych od siebie szczelnie wewnątrz pompy. śrubowe. Pompa wirowa Doprowadzenie do pompy energii powoduje zwiększenie momentu pędu lub krążenia cieczy w obrębie obracającego się wirnika. Pompy tłokowe (w tym nurnikowe), zębate, krzywkowe, przeponowe, Pompy odśrodkowe (turbinowe, z wirującym pierścieniem wodnym) W praktyce przemysłowej najczęściej wykorzystuje się pompy wirowe, ze względu na szereg zalet, takich jak: - duża wydajność - małe wymiary - równomierność ruchu (parametrów pracy) - duża trwałość - zdolność do samoregulacji (samoczynna regulacja przy zmiennych warunkach pracy) - możliwość bezpośredniego sprzęgnięcia z silnikiem elektrycznym. POMPY WIROWE Pompami wirowymi nazywa się maszyny przepływowe, w których głównym elementem roboczym jest obracający się wirnik z łopatkami na wale we wnętrzu korpusu. Ciecz w nich tłoczona (odmiennie niż w przypadku pomp wyporowych) płynie nieprzerwanym strumieniem od króćca ssawnego do króćca tłoczącego. Do napędu tego rodzaju pomp używa się szybkoobrotowych silników elektrycznych lub spalinowych energia dostarczona przez napęd jest zamieniana na energię potencjalną i kinetyczną płynu. Pompy wirowe dzielą się, w zależności od sposobu przemiany energii, na pompy krętne i krążeniowe. Pompy krętne działają poprzez spowodowanie przepływu cieczy przez wirnik z odpowiednio ukształtowanymi łopatkami. Zmniejszenie ciśnienia u wlotu pompy wywołuje zjawisko ssania, a energia mechaniczna przekazywana przez wirnik powoduje zwiększenie krętu przepływającej cieczy. Wśród pomp krętnych należy wyróżnić: a) pompy odśrodkowe o wypływie promieniowym z wirnika złożonego z szeregu łopatek o krawędziach równoległych lub nachylonych do osi wirnika. Wypływ cieczy wywoływany jest działaniem siły odśrodkowej na ciecz, b) pompy helikoidalne charakteryzują się ukośnym przepływem przez wirnik, posiadają kierownicę bezłopatkową i spiralny bądź cylindryczny kanał zbiorczy, c) pompy diagonalne o przepływie promieniowo-osiowym, z wirnikiem o łopatkach w obu krawędziach nachylonych do osi wirnika oraz posiadające osiową symetryczną kierownicę łopatkową, tworzącą jedną całość z kadłubem pompy,

d) pompy śmigłowe (o osiowym przepływie przez wirnik) posiadające wirnik o kształcie zbliżonym do śmigła wieloramiennego i kierownicę łopatkową umieszczoną poza wirnikiem. Z kolei działanie pomp krążeniowych polega na krążeniu cieczy w obrębie wirnika lub na jego obwodzie, proporcjonalnych do momentu przekazywanego wirnikowi przez wał. Budowę pompy wirowej promieniowej przedstawiono na rys. 1. Podstawowym elementem pompy tego typu jest wirnik, osadzony na wale napędzanym przez silnik, wyposażony w szereg łopatek zagiętych w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wału. Wirnik z wałem umieszczony jest w korpusie w kształcie spirali, przechodzącej w stożkowy dyfuzor. Do dyfuzora dołączona jest rura tłoczna. Ciecz doprowadzana jest do pompy przez rurę ssawną, która jest zaopatrzona w kosz oraz zawór, zapobiegający zawracaniu strumienia cieczy. Całość dopełnia, umieszczony na rurze tłocznej, zawór służący do regulacji wydajności urządzenia oraz dławnica, zapewniająca szczelność pomiędzy wałem, a pokrywą korpusu. Rys. 1. Schemat pompy wirowej: 1 wirnik, korpus, 3 dyfuzor, 4 przewód tłoczny, 5 przewód ssawny, 6 kosz, 7 zawór zwrotny, 8 zawór regulacyjny, 9 dławnica. UKŁAD POMPOWY Pompy pracują w układach zwanych układami pompowymi (rys. ). W skład takiego układu wchodzą: zbiorniki, przewody ssawny i tłoczny, pompa (lub kilka pomp) oraz osprzęt kontrolno-pomiarowy (np. manometry). W zależności od warunków pracy pomp, a także od rozwiązania konstrukcyjnego można wyróżnić układy pompowe: - pompy ssące (pompa znajduje się powyżej dolnego i górnego zwierciadła cieczy) - pompy tłoczące (pompa znajduje się poniżej górnego i dolnego zwierciadła cieczy) - pompy ssąco-tłoczące (znajdują się między dolnym i górnym zwierciadłem cieczy) W przypadku zainstalowania w układzie kilku pomp, mogą one współpracować równolegle bądź szeregowo. 3

Rys.. Schemat układu pompowego (objaśnienia oznaczeń podano poniżej). Symbole użyte do opisu schematu na rys.. oznaczają: Z g, Z d zbiornik górny, dolny P g, P d ciśnienie panujące w zbiorniku górnym, dolnym R s, R t przewód ssawny, tłoczny P - pompa M s, M t manometry na przewodach: ssącym, tłoczącym H g geometryczna wysokość podnoszenia H 0 - różnica poziomów odbioru ciśnienia na wlocie i wylocie pompy H s geometryczna wysokość ssania H t geometryczna wysokość tłoczenia H m manometryczna wysokość podnoszenia h s wysokość strat energetycznych w rurociągu ssawnym h t wysokość strat energetycznych w rurociągu tłocznym WIELKOŚCI CHARAKTERYSTYCZNE POMP Podstawowymi wielkościami charakterystycznymi służącymi do opisu pracy pomp są: wysokości podnoszenia (pompowania), wśród których możemy wyróżnić: geometryczną, statyczną manometryczną oraz użyteczną wysokość podnoszenia. Geometryczna (niwelacyjna) wysokość podnoszenia H g różnica poziomów pomiędzy zwierciadłami cieczy w zbiorniku górnym i dolnym: H = H + H g s t + H 0 Statyczna wysokość podnoszenia H st suma niwelacyjnej wysokości podnoszenia i wysokości strat ciśnienia wynikającej z różnicy ciśnień w zbiorniku ssawnym i tłocznym: 4

pg pd H st = H g + g ρc g przyśpieszenie ziemskie (9,81 m s - ) ρ c gęstość pompowanej cieczy [kg m -3 ] Manometryczna wysokość podnoszenia H m suma statycznej wysokości podnoszenia i wysokości strat energetycznych w rurociągu ssawnym i tłocznym: pt ps H m = H st + hs + ht = + H 0 g ρc p s ciśnienie na wlocie pompy [Pa] p t ciśnienie na wylocie pompy [Pa] Użyteczna wysokość podnoszenia H u suma przyrostu wysokości ciśnienia, położenia i prędkości. Przyrosty te wyrażają się w metrach słupa podnoszonej cieczy: pt ps wt ws H u = + H 0 + g ρc g w t prędkość przepływu w króćcu wylotowym w s prędkość przepływu w króćcu wlotowym Kolejną istotną wielkością jest całkowita wysokość podnoszenia H określająca ilość energii, jaką należy doprowadzić do pompy, aby pokonać różnicę wysokości i opory przepływów: pt ps H = ρ c g Teoretyczna wysokość podnoszenia H t (wewnętrzna wysokość podnoszenia) obliczana w oparciu o dane konstrukcyjne pompy i prędkość obrotową jej wirnika. Jest zawsze większa od wysokości użytecznej o straty wewnętrzne występujące w pompie. Kolejną grupą parametrów, dzięki którym można opisać pracę pomp są moce: teoretyczna, efektywna oraz użyteczna. Moc teoretyczną N, pompy, wyznacza się z zależności: N = V& ρc g H V & - objętościowe natężenie przepływu [m 3 /s] Kolejną wielkością, charakteryzującą moc pompy, jest jej moc efektywna N ef. Wskaźnik ten jest stosunkiem mocy teoretycznej do sprawności mechanicznej pompy (η m, zwykle wynoszący 0,85 0,95), opisywany wzorem: N N ef = ηm Bardzo ważną, z punktu widzenia użytkownika jest również moc użyteczna N u. Wielkość tą oblicza się z równania (dla rzeczywistego objętościowego natężenia przeływu): N = V& ρ g H u rz c OPORY PRZEPŁYWU W RUROCIĄGACH UKŁADU POMPOWEGO Rzeczywiste parametry pracy pompy są najczęściej niższe od wartości teoretycznych. Przyczyną występowania tego zjawiska są opory przepływu cieczy, powstające wskutek 5

tarcia między warstewką cieczy a ściankami rurociągu. Opory te powodują spadki ciśnienia w instalacji. Spadki ciśnienia występują zarówno na odcinkach prostych rur, jak i w miejscach, w których występuje zmiana przekroju i kierunku przepływu. Wartość spadku ciśnienia, na prostym odcinku rury, dla płynów nieściśliwych, opisuje równanie: p r L = λ d w ρ d średnica przewodu [m] L długość przewodu [m] w prędkość przepływu [m s -1 ] ρ gęstość [kg m -3 ] Współczynnik λ nazywa się współczynnikiem oporu dla rur prostych i zależy on od rodzaju przepływu. W zakresie ruchu laminarnego płynu, współczynnik oporu λ zależy wyłącznie od wartości liczby Reynoldsa: λ = a Re a stała zależna od kształtu przekroju (dla przekroju kołowego 64, pierścieniowego 95, kwadratowego 57) Najczęstszym rodzajem przepływu, występującym w rzeczywistych układach pompowych jest przepływ turbulentny. Dla przepływu tego rodzaju, występującego w rurach gładkich, wartości współczynnika proporcjonalności λ, oblicza się na podstawie zależności: 316 λ = 1000 4 Re Występującą w powyższej zależności wartość liczby Reynoldsa (Re), oblicza się na podstawie wyrażenia podanego poniżej. Liczba ta określa stosunek sił bezwładności do sił lepkości, a w praktyce służy do określania charakteru przepływu. I tak, dla przepływu laminarnego, wartość Re jest mniejsza od 100, natomiast dla przepływu zdecydowanie burzliwego jest ona większa od 10 000. Wartość liczby Reynoldsa znajdująca się pomiędzy podanymi, świadczy o występowaniu przepływu przejściowego. w d ρ Re = η η lepkość dynamiczna płynu [Pa s] Jak wspomniano wcześniej, opory występują również w miejscach, w których występuje zmiana przekroju bądź kierunku przepływu. Takimi miejscami są najczęściej elementy armatury kolana, różnorodne zawory oraz przewężenia światła rurociągu. W tabeli. podano wartości współczynnika oporów miejscowych (ξ) dla wymienionych elementów. 6

Tabela. Wartość współczynnika oporów miejscowych dla elementów armatury rurociągu. Element armatury Kolano (symetryczne, o zmianie kierunku przepływu wynoszącej 90 o ) Kurek, zasuwa, klapa (przy pełnym otwarciu) Zawór normalny (przy pełnym otwarciu) Zawór skośny (przy pełnym otwarciu) Przewężenia rurociągu (A 1 pole powierzchni przekroju rury dolotowej, A pole pow. przekroju rury wylotowej, [m ]) Wartość ξ 0,51 0,05 3,9 0,6 1 1 A A Dla rurociągów, składających się z prostych odcinków rur i różnych elementów armatury, całkowity spadek ciśnienia ( p cał ), wynosi: p cał n n λ w = li + ξi d i= 1 i= 1 ρ l i sumaryczna długość prostych odcinków rur [m] ξ i suma oporów miejscowych elementów armatury [-] WYZNACZANIE PUNKTU PRACY POMPY Opór sieci, w której zainstalowano pompę, można opisać za pomocą tak zwanej charakterystyku sieci. Charakterystyka ta przestawia zależność oporów sieci (wyrażonej jako wysokość użyteczna) od wydajności układu pompowego. Zwykle, na wykresie charakterystyki sieci (rys. 3, krzywa 1 ), nanosi się również zależność przedstawiającą charakterystykę samej pompy (rys. 3, krzywa ). Charakterystyka ta jest ustalana w przedsiębiorstwie zajmującym się produkcją urządzeń pompowych i można ją przedstawić równaniem: H u = f ( V& ) W przebiegu krzywej widoczny jest początkowy odcinek wznoszący. Przy zamkniętej zasuwie na rurociągu tłoczącym, pompa wykazuje pewną wartość ciśnienia (wynoszącego H 0 ρg). Następnie, gdy zawór ten zostaje powoli odkręcony, krzywa wzrasta nieznacznie, po czym wraz z dalszym wzrostem wydajności (odkręcanie zaworu do położenia maksymalnie otwartego), krzywa ta opada. Omówiony, wznoszący odcinek krzywej dotyczy niestabilnego obszaru pracy pompy. Punkt przecięcia się charakterystyki pompy z charakterystyką sieci nosi nazwę punktu pracy pompy. Jedynie przy wydajności pompy odpowiadającej temu punktowi, użyteczna wysokość podnoszenia pompy H u równa się wysokości oporów danej sieci H ur. Co równie ważne, właściwy punkt pracy pompy powinien być tak dobrany, aby leżał na prawo od maksimum charakterystyki pompy (krzywa ), ponieważ na lewej gałęzi tej krzywej (w obszarze niestabilnym), możliwy jest przepływ w odwrotnym kierunku oraz przerw w tłoczeniu. 7

Rys. 3. Charakterystyka pracy pompy wirowej: 1 charakterystyka rurociągu, charakterystyka pompy, 3- wykres zapotrzebowania mocy, 4 wykres sprawności pompy, N punkt najlepszej sprawności pompy. Ponadto, wydajność pompy jest zwykle zasadniczą wielkością każdej instalacji, w związku z czym, pompa jest właściwie dobrana wtedy, gdy jej punkt pracy w tejże instalacji leży w pobliżu punktu jej najlepszej sprawności (punkt N na rys. 3). Punkt pracy pompy może ulec zmianie, wywołanej przez: zmianę statycznej wysokości podnoszenia w sieci, lub zmianę hydraulicznej charakterystyki sieci. Natomiast w przypadku zmiany poziomy cieczy na króćcu ssącym lub tłoczącym (powodującej zmianę statycznej wysokości podnoszenia), charakterystyka rurociągu zostaje przesunięta na wykresie równolegle w dół lub w górę. TYPOSZEREGI POMP KATALOG POMP SPOMASZ Typem pomp nazywa się grupę pomp charakteryzujących się jednakowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi w nich zastosowanych. Szeregiem pomp określa się rodzinę pomp o takiej samej konstrukcji, różniących się parametrami roboczymi najczęściej wydajnością, mocą silnika lub szczegółami wykonania. Zatem, typoszeregiem pomp jest zbiór pomp (najczęściej jednego producenta) o podobnych rozwiązaniach konstrukcyjnych oraz różnej wydajności. Należy przy tym pamiętać, że każdy producent lub dostawca samodzielnie ustala nazewnictwo wyrobów, zatem nazwy i klasyfikacja stosowane przez jednego producenta nie będą tożsame względem produktów drugiej firmy. Jednym z największych i najstarszych producentów pomp w Polsce, dedykowanych przemysłowi spożywczemu jest Spomasz Zamość SA. Poniżej (w tabeli 3.) przedstawiono typoszereg pomp tego producenta z podaniem ich przeznaczenia i podstawowych parametrów pracy. 8

Tabela 3. Typoszereg pomp dla przemysłu spożywczego Spomasz Zamość SA (Q - wydajność, P moc silnika) Q P H Typ Model Zastosowanie Zdjęcie [m 3 /h] [kw] [mh O] transport produktów WPs-4 3,5 0,37 5,8 ciekłych o lepkości do 1 WPs Pa s WPs-6 6,0 0,55 10,0 dla mleczarstwa i przetwórstwa owocowowarzywnego GH-15 15,0 1,5 19,0 GH-0 1,0,0 0,0 pompy typu GH mają podgrzewany korpus GH GH-5 5,0 3,0,0 zewnętrzny GA GU SPw LR Pompy specjalne GH-5/4 9,0 4,0,0 GH-5/4-160 1,0 4,0 3,0 GA-11 1,0 0,75 1,0 GA-1 14,0 1,1 13,5 GA-13 16,0 1,5 19,0 GA-14 0,0,,0 GU-13 1,5 1,5 1,0 GU-14 14,0, 3,5 GU-15 18,5 6,0 46,0 GU-15/4 14,0 4,0 4,0 GU-30/30 30,0 5,5 30,0 GU-30 30,0 7,5 4,0 GU-50/15 50,0 7,5 15,0 GU-46 46,0 7,5 7,0 GU-4 4,0 11,0 50,0 GU-4/60 30,0 11,0 60,0 GU-50 47,0 7,5 30,0 GU-50/15 50,0 7,5 15,0 GU-70 68,0 15,0 45,0 SPw-11 1,5 0,75 1,0 SPw-1 14,0 1,1 13,5 SPw-13 16,0 1,5 19,0 SPw-14 0,0,,0 LR-0 0,0 7,5,0 LR-40 40,0 11,0 43,0 GH-5Ex 5,0 4,0,0 G-U30Ex 30,0 11,0 4,0 transport mleka i soków transport kwasów i alkalii transport produktów ciekłych o lepkości do 1 Pa s dla mleczarstwa, przetwórstwa owocowowarzywnego oraz gorzelnictwa i farmacji transport ośrodków zawartości suchej masy do 50% i o temperaturze do 95 o C z uszczelnieniem podwójnym transport produktów spożywczych o temperaturze do 00 o C (olejów, syropów, soków, wody gorącej) pompa samozasysająca do transportu cieczy spienionych bądź napowietrzonych możliwa praca w warunkach niedoboru czynnika pompy w wykonaniu przeciwwybuchowym, transport cieczy palnych do transportu, m. in.: spirytusu, alkoholi i rozpuszczalników 9

WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest poznanie przez studentów zasad obliczania oporów instalacji pompowych, badania pomp oraz ich doboru do określonych zadań. Wykonanie ćwiczenia składa się z następujących czynności: 1. Wykonanie pomiarów geometrii układu pompowego. Odczytanie znamionowych parametrów zainstalowanej pompy. Obliczenie prędkości płynu (średniej) w przewodach, na podstawie wyrażenia 4 V& w = π d. Obliczenie oporów przepływu występujących w instalacji. Obliczenie geodezyjnej, statycznej, manometrycznej, użytecznej i całkowitej wysokości podnoszenia. 3. Na dostarczonych przez prowadzącego charakterystykach pompy wirowej wykreślenie charakterystyki rurociągu (dla podanych przez prowadzącego wartości natężenia przepływu) oraz określenie punktu pracy badanej pompy. 4. Sformułowanie wniosków dotyczących poprawności doboru pompy w badanej instalacji oraz zaproponowanie (z załączonego katalogu pomp SPOMASZ) dostępnej na rynku pompy wirowej dla badanej instalacji. 5. Uruchomienie instalacji pompowej i sprawdzenie w praktyce poprawności wykonanych obliczeń. LITERATURA 1. Ciesielczyk W., Kupiec K., Wiechowski A. (1995): Przykłady i zadania z inżynierii chemicznej i procesowej. Część I. Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków.. Koch R., Noworyta A. (1995): Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa. 3. Wołek M. (red.) (198): Maszynoznawstwo. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa. 4. Katalog produkowanych pomp spożywczych. Spomasz Zamość SA (www.spomaszbiz.pl). 10