Základní provozní parametry čerpadel

Provoz čerpadel se skládá ze dvou procesů: sání a výtlaku. Čerpadlo jakéhokoli typu se vyznačuje následujícími parametry: sací výška, výtlačná výška, celková dopravní výška, průtok, výkon a celková účinnost (účinnost).

Existují teoretické, vakuové a geometrické (praktické) sací výšky.

Ke stoupání vody v sacím potrubí čerpadla dochází působením rozdílu mezi atmosférickým tlakem a tlakem (vakuem) v samotném čerpadle. Proto teoretická sací výška čerpadla (H_т) rovný 1 atmosféře a dosahující 10,33 metrů vodního sloupce, neboli 760 mm rtuťového sloupce, neboli 1 kgf/cm2, neboli 10 Pa, je prakticky nedosažitelný. Zlepšením konstrukce a materiálů čerpadla lze jeho sací výšku přiblížit hodnotě H_т .

Podtlaková sací výška (N)_в) je hodnota podtlaku vytvořená vývěvou a v energetickém smyslu se jedná o energii vyjádřenou v metrech, která je potřebná k tomu, aby kapalina vystoupala do sací výšky._в závisí zpravidla na výkonu čerpadla vytvářejícího podtlak a měří se v metrech vodního sloupce. Údaje na vakuometru instalovaném na čerpadle odpovídají výšce podtlaku sání. Pro požární čerpadlo řady PN-40 a jeho analogy N_в = 8 m vodního sloupce

Geometrická (praktická) sací výška H_г je rozdíl ve výšce mezi hladinou vody a osou čerpadla. Geometrická sací výška závisí na hodnotách a velikostech několika parametrů:

Přímý vliv na hodnotu H_г vyvíjí atmosférický tlak, který se výrazně mění v závislosti na nadmořské výšce. Například v nadmořské výšce 0 m je atmosférický tlak 10,33 m vodního sloupce a v nadmořské výšce 2000 m – 7,95 m vodního sloupce.

Н_г silně závisí na tlaku nasycených par nasávané kapaliny. Tlak nasycených par je tlak, při kterém kapalina vře při dané teplotě (mluvíme o tlaku kapaliny pod atmosférickým tlakem). Tlak nasycených par a v důsledku toho i sací výška závisí do značné míry na teplotě a typu čerpané kapaliny. Je známo, že s klesajícím tlakem klesá i bod varu kapaliny. Pokud je sací tlak (přirozeně je pod atmosférickým tlakem) P_вс bude nižší než tlak nasycených par nasávané kapaliny P_n, pak se začne tvořit pára a čerpadlo přestane fungovat.

Povinnou podmínkou pro normální provoz čerpadla je tedy:

Například při teplotě vody 100 °C P_n = P_bankomat = 1 kg/cm2 (10 m vodního sloupce) a při teplotě vody 20 ºС P_n = 0,024 kg/cm2 (0,24 m HXNUMXO), proto čím vyšší je teplota kapaliny, tím obtížnější je její čerpání. Tento jev je spojen s kavitace – proces tvorby vzduchových bublin v kapalině. Během kavitace se kapalina sama vaří, bubliny páry jsou unášeny pohybujícím se proudem a při setkání s tvrdými povrchy skříně a oběžného kola se ničí („kolaps“). V tomto případě se uvolňuje velké množství energie, což způsobuje poškození a dokonce i zničení povrchů vnitřní dutiny čerpadla (kavitační eroze). Kavitace je doprovázena hlukem a praskáním uvnitř čerpadla. Aby se zabránilo předčasnému opotřebení pracovních částí čerpadla, není jeho provoz v kavitačním režimu povolen.

Kavitace se může vyskytnout, pokud čerpadlo pracuje s velkou geometrickou sací výškou. Proto musí být sací výška taková, aby ke kavitaci nedocházelo.

Maximální povolenou výšku sání lze určit podle vzorce:

kde: P_n – tlak nasycených par;

γ – měrná hmotnost kapaliny;

h_вс – tlaková ztráta v sacím potrubí;

ΔН – kavitační rezerva.

Hodnota kavitační rezervy je nastavena tak, aby nedocházelo k významnému poklesu tlaku a rychlost kavitační eroze byla omezena. Například u čerpadel řady PN-40 je kavitační rezerva 3 m.

Kavitační jevy se mohou vyskytovat i při vysokých průtokech čerpadla v důsledku poklesu tlaku (zvýšení vakua) na vstupu čerpadla. Proto je při vzniku kavitace nutné snížit průtok čerpadla.

Konečně, geometrická sací výška závisí na tlakové ztrátě v sacím potrubí nebo na velikosti odporu, který je třeba v sacím potrubí překonat.

kde: S – odpor sacího potrubí;

Q – napájení čerpadla.

Ze všeho výše uvedeného vyplývá, že geometrická (praktická) sací výška H_г jsou určeny výrazem:

kde: H_в – výška sání podtlaku;

h_вс – tlakové ztráty v sacím potrubí;

h_rp – ztráty teplotního tlaku (tlak nasycených par);

h_r.atm – tlakové ztráty v závislosti na nadmořské výšce oblasti.

Například pro požární čerpadlo řady PN-40 N_г prakticky nepřesahuje 7 m při provozu za normálních podmínek, tj. při atmosférickém tlaku P_bankomat =1 kg/cm2 (10,33 m vodního sloupce) a teplotě vody 20 °C.

Přípustnou sací výšku obvykle uvádějí výrobci čerpadel v technických listech výrobků.

Výška výtlaku.

Rozlišuje se mezi geometrickou a manometrickou výškou výtoku.

Geometrická výška výtlaku je svislá vzdálenost v metrech od osy čerpadla k nejvyššímu bodu výtlaku H._н.

Manometrická výtlačná výška je tlak vytvářený čerpadlem H_mansManometrická výška výtlaku (údaj na manometru) je vždy větší než geometrická výška výtlaku (skutečný bod výdeje kapaliny) kvůli ztrátám, ke kterým dochází v tlakovém potrubí.

kde: h_н – tlaková ztráta v tlakovém potrubí, h_н = S·Q² ;

S – odpor tlakového potrubí;

Q – napájení čerpadla.

Výtlačná výška není teoreticky omezena, ale v praxi je omezena pevností jednotlivých částí čerpadel a potrubí, jakož i výkonem pohonných motorů čerpadel.

Plnou silou.

Celkový tlak vyvinutý čerpadlem H se vynakládá na zvedání kapaliny, překonávání odporu v sacím a výtlačném potrubí a vytváření volného tlaku.

kde: H_г – geometrická výška vzedmutí vody (m);

h_вс +h_н – tlakové ztráty v sacím a výtlačném potrubí (m);

V praxi se celkový tlak vyvinutý čerpadlem odhaduje na základě údajů z tlakoměru a vakuoměru.

Napájení z čerpadla.

Průtok čerpadla je množství kapaliny čerpané čerpadlem za jednotku času. Rozlišuje se mezi hmotnostním průtokem (kg/s) a objemovým průtokem (m3/min nebo l/s). Nejčastěji se průtok požárních čerpadel udává v objemových jednotkách: m3/min nebo l/s.

Existuje vztah mezi množstvím kapaliny vstupující do čerpadla Q₁ a kapalina opouštějící čerpadlo Q₂:

kde: Q_у – velké objemy úniků kapaliny skrz těsnění mezer.

Výkon čerpadla.

Pracovní části čerpadla během provozu přenášejí energii do proudící kapaliny. Tato energie je dodávána z motoru.

Pro správné posouzení energetické účinnosti čerpací jednotky je nutné rozlišovat mezi užitečným (efektivním) a spotřebovaným výkonem.

Užitečný (efektivní) výkon (Ne) čerpadla se používá k vykonání práce při přesunu určitého objemu kapaliny Q do výšky H a je určen vzorcem.

kde: ρ – hustota kapaliny, kg/m3;

g – gravitační zrychlení, m/s²;

Q – průtok čerpadla, m3/s;

H – dopravní výška čerpadla, m.

Spotřeba energie čerpadlem je vždy větší než užitečný výkon, protože část energie je vynaložena na mechanické, hydraulické a objemové ztráty v čerpadle. Spotřebovaný výkon je výkon N dodávaný do pracovních částí čerpadla. Je určen vzorcem:

kde: M – točivý moment na hřídeli čerpadla (motoru), Nm;

ω – úhlová rychlost otáčení hřídele, s⁻¹.

Plná účinnost čerpadla.

Při přenosu energie z čerpadla do čerpané kapaliny dochází k objemovým, hydraulickým a mechanickým ztrátám energie.

Objemová účinnost.

Je známo, že skutečný průtok čerpadla je vždy menší než teoretický průtok, tj. množství kapaliny opouštějící čerpadlo je vždy menší než množství kapaliny vstupující do čerpadla. To se děje v důsledku:

§ únik kapaliny přes těsnění, ventily a písty, přičemž stupeň úniku závisí na přesnosti výroby a stavu specifikovaných částí čerpadla;

§ zpoždění při otevírání a zavírání ventilů;

§ přítomnost vzduchu v kapalině.

Hodnota objemové účinnosti charakterizuje stupeň těsnosti čerpadla a je určena vzorcem:

kde: Q – množství kapaliny opouštějící čerpadlo;

Q_у – úniky kapaliny v čerpadle;

Q + Q_у – množství kapaliny vstupující do čerpadla.

Hydraulická účinnost.

Hydraulická účinnost je ztráta tlaku v čerpadle v důsledku tření a místního odporu. Důsledkem hydraulických ztrát je pokles tlaku.

Hodnota hydraulické účinnosti ukazuje míru spotřeby energie v čerpadle k překonání odporu pohybu kapaliny a je určena vzorcem:

kde: H – skutečný (vyvinutý) dopravní tlak čerpadla;

ΔН – tlaková ztráta potřebná k překonání odporu uvnitř čerpadla;

H + ΔH – teoretická dopravní výška čerpadla.

Mechanická účinnost.

Mechanická účinnost je ztráta výkonu v důsledku tření v ložiskách, hřídelových těsněních atd. Hodnota mechanické účinnosti charakterizuje kvalitu výroby a racionalitu konstrukce ložisek, těsnění (manžet) a dalších jednotek, kde dochází ke tření součástí.

Mechanická účinnost se určí podle vzorce:

kde: N – výkon na oběžném kole čerpadla;

ΔN – ztráty výkonu v důsledku tření v ložiskách a těsněních čerpadla;

N + ΔN – výkon na hřídeli čerpadla.

Celková účinnost čerpadla zohledňuje všechny ztráty, ke kterým v něm dochází při čerpání kapaliny. Je to součin tří parciálních koeficientů a charakterizuje poměr užitečného výkonu N_е ke spotřebovanému N:

Technické požadavky na čerpací jednotky hasičských vozidel

Vzhledem k provozním vlastnostem jsou na hasičské čerpací jednotky kladeny následující základní požadavky:

§ malé celkové rozměry a hmotnost, což je nezbytné pro racionální využití nosnosti a objemu karoserie hasičského vozu;

§ vysoká spolehlivost, a to i při práci se znečištěnou vodou;

§ neustálá připravenost k práci;

§ vysoké kavitační vlastnosti;

§ plochý tvar tlakové charakteristiky, tj. nevýznamná změna tlaku čerpadla v rozsahu průtoků od nuly do maxima při konstantní rychlosti otáčení (při strmě klesajícím tvaru tlakové charakteristiky má pokles průtoku za následek rychlý nárůst tlaku, což může způsobit prasknutí tlakových hadic, a zvýšení průtoku vede k významnému poklesu tlaku);

§ konzistence parametrů čerpadla a motoru, bez níž nelze parametry čerpadla implementovat na hasičském vozidle;

§ minimální doba pro naplnění sacího potrubí a čerpadla vodou před zahájením používání vakuového systému (ne více než 40 sekund při geometrické sací výšce nejméně 7,5 m);

§ jednoduchost a snadnost ovládání čerpací jednotky;

§ možnost dlouhodobého nepřetržitého provozu v maximálním režimu v nastaveném rozsahu teplot okolního vzduchu (konstrukce čerpadel normálního tlaku musí zajistit jejich nepřetržitý provoz v nominálním režimu po dobu nejméně 6 hodin, u čerpadel vysokého tlaku – nejméně 2 hodiny);

§ volný přístup pro údržbu, její jednoduchost a pohodlí (absence prvků vyžadujících pravidelné seřizování, minimální počet mazacích a odvodňovacích bodů, možnost částečné demontáže jednotek přímo na hasičském voze);

§ nízká hladina hluku a absence vibrací během provozu (průměrná hladina hluku generovaná čerpadlem při provozu v nominálním režimu by neměla překročit 85 dB);

§ použití stejných typů olejů a maziv, jaké se používají pro jednotky a součásti podvozku hasičského vozu.

Hasičské vozy jsou obvykle vybaveny odstředivými čerpadly. To je dáno tím, že odstředivá čerpadla mají řadu důležitých výhod: rovnoměrné zásobování hasicími prostředky (zásobování bez pulzací); schopnost pracovat „na sebe“ (tj. když je požární tryska ucpaná, požární hadice ucpaná nebo ohnutá, tlak ve vodovodním systému se nadměrně nezvyšuje), snadné ovládání čerpadla a jeho údržba během provozu při požárech.

U hasičských vozidel je důležité, že odstředivá čerpadla nevyžadují složitý pohon motorem a jejich rozměry a hmotnost jsou relativně malé.

Zároveň mají odstředivá čerpadla řadu nevýhod, z nichž nejdůležitější je, že nejsou samonasávací – pracují až po předběžném naplnění sacího potrubí a čerpadla vodou. Tuto nevýhodu kompenzují zařízení, která umožňují plnění sacích traktů a dutiny čerpadla z cisteren. Kromě toho se na hasičských vozech instalují pomocná čerpadla, která plní dutinu sací hadice a tělesa čerpadla vodou. K tomuto účelu se používají plynová, rotační, pístová a další čerpadla. Pomocná čerpadla pracují krátkodobě, pouze když je zapnuto odstředivé čerpadlo. Instalace takových čerpadel komplikuje konstrukci čerpací jednotky a vyžaduje pro jejich provoz další pohon.

Tlaková a energetická charakteristika odstředivého čerpadla určuje závislost tlaku, spotřeby energie a účinnosti na průtoku čerpadla. Tyto závislosti jsou graficky znázorněny křivkami Q–H, Q–N a Q-η při konstantní frekvenci otáčení oběžného kola čerpadla n (viz obr. 3.7).

Tlakové a energetické charakteristiky se konstruují následovně. Nastavením stupně otevření ventilu na výtlačném potrubí se při konstantní rychlosti otáčení hřídele čerpadla získají různé hodnoty průtoku Q. Každá hodnota Q odpovídá tlaku H, výkonu N a účinnosti η čerpadla. Hodnoty průtoku se poté vynesou na osu x v přijatém měřítku a získané hodnoty H, N a η se vynesou na osu ordinát. Získané body jsou spojeny hladkými čarami. Z grafu charakteristiky Q-η (viz obr. 3.7) je zřejmé, že

Maximální hodnota účinnosti (bod A) odpovídá určitému posuvu Q_А a tlak H_АBod A se nazývá optimální a odpovídá optimálnímu provoznímu režimu čerpadla.

Vliv frekvence otáčení oběžného kola na provozní parametry odstředivého čerpadla se projevuje následovně.

Průtok odstředivého čerpadla se mění úměrně rychlosti otáčení oběžného kola: Q₁/Q₂ =n₁/n₂.

Tlak vyvíjený čerpadlem se mění úměrně druhé mocnině frekvence otáčení oběžného kola: H₁/Н₂ = (n₁/n₂) 2.

Výkon spotřebovaný čerpadlem se mění úměrně třetí mocnině otáček oběžného kola: N₁/N₂ = (n₁/n₂) 3.