Piestové čerpadlá na čistenie potrubí a kanalizácií v komunálnej oblasti

Vysokotlakové piestové čerpadlá sa s výhodou používajú na čistenie v komunálnej oblasti - čistenie potrubí, kanalizácií, ciest ako súčasť saco – kanalizačných vozidiel. taktiež sa využívajú na generovanie vysokorýchlostného vodného lúča pre aplikácie čistenia a rezania materiálov vodným lúčom. Taktiež sa s výhodou využívajú v chemickom priemysle ako procesné čerpadlá na dopravu rôznych látok pri vysokých tlakoch, teplotách a veľkých generovaných množstvách rôznych kvapalín s výkonom až 2 600 kW. Špecifickými sú aplikácie na dopravu suspenzií a abrazívnych zmesí, tzv. sllury pumpy. V neposlednom rade sa s výhodou využívajú v konštrukcii tlakovacích zariadení na vykonávanie tlakových skúšok. Využitie nachádzajú aj pri procesných membránových čerpadlách. Zaujímavé sú tiež aplikácie piestových čerpadiel na pohon hydraulických lisov a dopravu kvapalných plynov.

Vysokotlakové piestové čerpadlá umožňujú v súčasnosti efektívne dopravovať najrozličnejšie látky, napr.: riedke - pastózne, alkalické - kyslé, neutrálne - toxické, čisté - abrazívne, tzv. sllury. Dopravované množstvá materiálu sa pohybujú až do 5 000 l/min. Teplota prepravovaných médií sa môže pohybovať až do + 400 °C. Súčasné dosahované maximálne pracovné tlaky sú do 300 MPa, t.j. 3 000 bar. Pri vyššie uvedených parametroch dosahujú piestové čerpadlá hydraulický výkon až 2 600 kW.
Široké aplikačné spektrum piestových čerpadiel si vyžaduje prepracovanú konštrukciu, variabilnosť jednotlivých komponentov podľa druhu aplikácie a podľa pracovných parametrov a taktiež rôznorodosť použitých materiálov v konštrukcii samotných čerpadiel a jednotlivých prvkov.
Konštrukcia piestových čerpadiel
Typická konštrukcia vysokotlakového piestového hydrogenerá-tora - piestového čerpadla je zobrazená na obr.1. Potrebný pracovný tlak vzniká v pracovnom priestore valcov a to oscilačným pohybom piestov (utesnených manžetami) ovládaných cez kľukový mechanizmus a sústavu sacích a výtlačných ventilov uložených vo ventilovej hlave čerpadla.
V súčasnosti sa tieto čerpadlá vyrábajú už variabilným spôsobom, t.j. s možnosťou výmeny piestov a valcov na dosiahnutie odlišných pracovných parametrov, resp. stavebnicovým spôsobom pre možnosť stavby jedno-, troj-, päť- či sedempiestových zariadení.

Konštrukcia čerpadla principiálne pozostáva z troch základných častí (p. obr. 2):
a) pohonová časť čerpadla - kľukový mechanizmus,
b) hydraulická časť čerpadla - valce s piestami,
c) ventilová časť čerpadla - hlava s ventilmi sacími a výtlačnými.

Okrem toho môže obsahovať tlmič pulzácií na saní a tiež tlmič pulzácií na výstupe. Samozrejmosťou je filtračná jednotka kvapaliny. Súčasťou pohonovej časti čerpadla môže byť aj integrovaný prevod, t.j. prevodovka zabezpečujúca optimálne otáčky čerpadla, vzhľadom na strednú rýchlosť pohybu piestov (doporučuje sa pod 1,5 ms-1).

Obr. 1 Typická konštrukcia piestového čerpadla
Obr. 2 Konštrukčné usporiadanie piestového čerpadla

 

Obr. 1 Typická konštrukcia piestového čerpadla

 

Obr. 2 Konštrukčné usporiadanie piestového čerpadla

a) Pohonová časť čerpadla
Pohonové časti čerpadiel rôznych typových a výkonových rád by mali mať aspoň jeden spoločný prvok, mali by byť robustné s vysokou prevádzkou bezpečnosťou. Samozrejme, pre rôzne aplikácie a výkony sú stavané rôzne druhy pohonov čerpadiel. Pre jednoduché aplikácie sú vhodné solídne a typizované sériové konštrukcie s odstredivým mazaním ponorom. Pre problematickejšie aplikácie sú nasadzované kompaktnejšie a prepracovanejšie pohonové časti. Pre vysoké výkony čerpadiel je kľuková skriňa často priečne šikmo delená s možnosťou bezproblémovej a rýchlej údržby.
Pohonová časť piestového čerpadla (obr. 3) pozostáva z kľukového mechanizmu s priamočiarym vratným pohybom. Pohonný agregát (elektromotor, dieselový motor či turbína) cez pružnú spojku a prevodový mechanizmus alebo momentový či frekvenčný menič (eventuálne integrovaný prevod do pomala) poháňa kľukový mechanizmus. Kľuka cez ojnicu, krížiak, prípadne cez predlžovací člen priamo poháňa piest. Vzhľadom na vysoké prenášané výkony je kľukový mechanizmus uložený v dvojradových valčekových ložiskách. Mazanie a chladenie celého mechanizmu je zabezpečené olejovým ponorom, resp. tlakovým mazaním pomocným agregátom pri vysokovýkonových zariadeniach. Vzhľadom na vysoké prenášané výkony fy. URACA pri niektorých čerpadlách zabezpečuje tzv. sledovanie preťaženia kľukového hriadeľa. Týmto spôsobom pri preťažení kľukového hriadeľa dochádza k jeho deformácii. Hodnota deformácie je snímaná snímačom a vyvedená do riadiaceho systému zariadenia. Pri preťažení čerpadla môže dôjsť k automatickému vypnutiu zariadenia, čím sa zabráni poškodeniu čerpadla a iným veľkým škodám. Vzhľadom na už uvedené veľké prenášané výkony kľukovým mechanizmom je zabezpečené chladenie celej pohonnej časti. Časť privádzanej kvapaliny je na saní čerpadla pomocou deliča prietoku (Venturiho dýzou) a hadicou vedená k pohonnej časti a zabezpečuje chladenie. Oteplená voda je potom vedená späť do sacieho potrubia.
Všetky pohybujúce sa časti pohonnej jednotky ako ojnice, ojničné ložiská a krížiaky sú vyrobené z kvalitných materiálov a adekvátne funkcie mechanicky a tepelne obrobené.

A. Sériová koncepcia pohonovej časti prevodového ústrojenstva až do výkonov ca 150 kW je na obr. 3a. Kľukový hriadeľ, ložiská a krížiaky sú mazané ponorom. Prevodová časť je medzikomorou oddelená od prírubou pripojených jednotlivých častí čerpadla. Náhon je možný všeobecne cez remeňový prevod, ale aj cez pevný prevod či prevodovku.
B. Bežné čerpadlá stredných a vyšších výkonov (obr. 3b) sú kompaktné a vyznačujú sa nízkym pomerom výkonu a hmotnosti. Všetky pohybujúce sa časti sú mazané tlakovým olejom, buď integrovaným mazacím čerpadlom so sledovaním tlaku mazania a olejovým chladičom alebo separátnym agregátom. Prevodová časť a kvapalinová časť sú medzikomorou a špeciálnym utesnením krížiaka oddelené. Náhon je možný cez remeňový prevod a E-motor a pri nižších radách aj cez predlohový hriadeľ.
C. Koncepcia pohonovej časti čerpadla pre podobný výkonový rad ako A, ale pre použitie najmä v chemickom priemysle (obr. 3c). Mazanie je najčastejšie zabezpečované separátnym mazacím agregátom. Konštrukcia utesnenia krížiaka a medzikomora bránia prístupu pracovného média do prevodovej časti čerpadla. Jednotlivé kvapalinové časti sú uložené v pohonovej časti a sú prostredníctvom vytvoreného mosta presne centrované.
D. Najvýkonnejšie čerpadlá s výkonom až do 2000 kW obsahujú šikmo delené teleso prevodovej časti, čo umožňuje jednoduchú demontáž kľukového mechanizmu a jeho údržbu (obr. 3d). Separátny mazací agregát s vlastným pohonom, chladičom, filtrom a snímačom teploty zabezpečuje mazanie všetkých pohybujúcich sa častí. Utesnenie krížiaka a kvapalinovej časti zodpovedá riešeniu ako v prípade C. Vodiace puzdra krížiaka sú výmenné. Náhon je cez prevodovku z elektromotoru, dieselového motoru alebo turbíny.

 

Obr. 3 a, b, c, d. Rezy pohonnou časťou trojpiestového čerpadla.

b) Hydraulická časť čerpadla
V dôsledku oscilácie kľukového mechanizmu, piest vykonáva priamočiary vratný pohyb a zasúva sa do činného priestoru čerpadla, ktorý je oddelený výtlačným ventilom od výtlačného potrubia. Pri sacom zdvihu čerpadla je kvapalina sacím potrubím (najčastejšie cez jemný filter, tlmič pulzácií na saní a event. Venturiho dýzou, ktorá delí prietok kvapaliny na saní pre chladenie pohonovej časti čerpadla) privádzaná do valca nad piest. Pri výtlačnom zdvihu je kvapalina vytlačovaná cez výtlačný ventil do zberného výtlačného potrubia. Systém utesnenia piestov vo válcoch čerpadiel je rôzny. Závisí od prevádzkových parametrov čerpadla, druhu pracovného média, jeho čistoty, teploty a pod. Na obr. 4 sú znázornené rôzne koncepcie a riešenia kvapalinových častí čerpadiel. Veľmi dôležitou súčasťou sú potom valce čerpadla, piesty a tesnenia vysokých tlakov. Vzhľadom na skutočnosti sa na výrobu valcov najčastejšie používajú vysokopevné austenitické nehrdzavejúce ocele. Konštruujú a vyrábajú sa najčastejšie ako jednovrstvové hrubostenné valcové nádoby.
Piesty čerpadiel sa vzhľadom na pracovné médium vyrábajú z tvrdokovu, s alumínio-oxidovým povlakom alebo keramickým puzdrom. Hrúbka povlaku je až desatiny milimetra. Hrúbka keramických puzdier je vzhľadom na pracovné tlaky až niekoľko milimetrov hrubá. Vzhľadom na funkciu a požadované vlastnosti piestov sa v súčasnosti s výhodou vzhľadom aj na fakt už zvládnutej a lacnej výroby používajú najmä posledné dva druhy piestov a to povlakované a s keramickým puzdrom. Jadro piestu je potom z húževnatého materiálu, čo zabezpečuje jeho pružnosť a povrch piestu je potom tvrdý, ideálne kruhovitý a hladký čo vytvára predpoklady dobrej tesnosti média a tiež nízky koeficient trenia medzi piestom a tesnením.
Materiály a druh tesnenia závisí od pracovných tlakov. Používajú sa jednoduché upchávkové koncepcie tesnení a sady kombinovaných tesniacich manžiet z materiálov s nízkym koeficientom trenia, napr: teflón - PTFE nasycovaný grafitom, uhlíkom, molybdén sulfitom, sklennými vláknami a prípadne inými kompozíciami, ktoré dávajú teflónu vyššiu pevnosť a odolnosť voči oteru. Životnosť a kvalita tesnení limitujú garantovanie stanovených pracovných parametrov čerpadiel a ich životnosť. Najmodernejšie koncepcie tesnení dosahujú v mnohých prípadoch životnosť až 1 500 - 5 000 pracovných hodín.
Pre rôzne pracovné tlaky, pracovné média, pracovné teploty sú vypracované a používajú sa nasledovné koncepcie kvapalinových častí piestových čerpadiel.

A. Koncepcia štandartného vyhotovenia kvapalinovej časti čerpadla s dvojitým vedením piesta. Piest je vo valci utesnený manžetami a druhým tesnením proti presaku (obr. 4a). Táto koncepcia je vhodná pre nízkoviskózne pracovné médium vodu, emulzie a pod.
B. Kvapalinová časť čerpadla s tzv. labyrintovým tesnením je na obr. 4b. Medzera medzi piestom a labyrintovým tesniacim puzdrom bez trenia a teda "bez" opotrebenia zabraňuje úniku kvapaliny a tým utesňuje piest vo valci. Výsledkom je extrémne vysoká životnosť, tiež pri vysokých otáčkach čerpadla a vysokých tlakoch. Použiteľné sú pracovné média ako voda, emulzie a olej.
C. Na obr. 4 c je koncepcia kvapalinovej časti ktorá sa používa najmä pre kvapaliny so zlým mazacím účinkom. Obsahuje nastaviteľné puzdro s dvojitým vedením piestu, jednou sadou tesnenia s oporným krúžkom a sekundárnym tesnením. Následne možno piest mazať, izolovať, chladiť, ohrievať a pod.
D. V chemických procesoch pri doprave zapáchajúcich látok, toxických, agresívnych médiách sa používa systém s dvojitým utesnením (obr. 4d). Sada tesnení s oporným krúžkom môže byť separátne v nízko a vysokotlakovej zóne doťahovaná a môže tiež slúžiť ako obtok pre mazacie médium a izolátor.
E. Na obr. 4e je verzia podobná riešeniu D, avšak slúži najmä na abrazívne média a média obsahujúce pevné častice. Vytvorenými kanálmi možno do priestoru pred tlakové tesnenia vstrekovať kvapalinu ktorá znižuje, resp. zabraňuje nadmernému opotrebeniu tesnení.

 

Obr. 4 a, b, c, d, e. Koncepcie riešení kvapalinových častí čerpadiel.

 

c) Ventilová časť čerpadla
Súčasné riešenia ventilových jednotiek predstavujú najmodernejšie technické a ekonomické riešenia pre rôzne pracovné média a tlaky. Podľa druhu aplikácie sú vyrobené najvhodnejšie riešenia napr.: spoločné teleso pre všetky 3 sacie a výtlačné ventily, eventuálne v niektorých prípadoch je riešenie s delenými blokmi pre každý ventil vhodnejšie (p. obr. 5). V každej verzii môžu byť použité buď guľové, kužeľkové alebo platňové ventily z bežnej uhlíkovej alebo z vysokokvalitnej austenitickej legovanej ocele. Pre vysoké pracovné tlaky sa osvedčili tzv. koncepcie s centrálnym ventilom. Pri tejto koncepcii možno na T-vŕtaní utlmiť a znížiť vznikajúce tlakové špičky. Napriek rôznym koncepciám ventilov platia nasledovné principiálne zásady pri konštruovaní ventilov: minimálne škodlivé priestory, vhodné tvary ventilov s ohľadom na max. prierez ventilov a malú saciu dráhu. Výsledkom potom je vysoká objemová účinnosť a malé tlakové straty na ventiloch. Súčasné možnosti využitia počítačovej simulácie prúdenia kvapaliny cez úzke štrbiny so simulovaním skutočných stavov tlakových špičiek umožňujú presne definovať najvhodnejší tvar, druh a materiál ventilov s ohľadom na primeranú životnosť jednotlivých koncepcií ventilov. V praxi sa používajú najmä nasledovné vyhotovenia ventilových jednotiek.

A. Malé čerpadlá s výhodou využívajú koncepciu spoločnej kvapalinovej časti s ventilovou jednotkou, ktoré sú vyrobené z kvalitného kovateľného materiálu. Používajú sa kužeľové ventily, ktoré sú zabudované nad sebou. Sací a výtlační zberací blok sú prírubou pripojené na teleso (obr. 5a).
B. Masívna jednodielna koncepcia ventilového telesa so všetkými ventilmi je na obr. 5b. Pričom sacie a výtlačné ventily sú uložené nad sebou. Sací a výtlačný vývod sú zboku na ventilové teleso priskrutkované alebo pripojené prírubou. Pri údržbe kvapalinovej časti nemusia byť demontované.
C. Pre vysokovýkonové, veľké chemické a procesorové čerpadlá sa tiež používa masívny ventilový blok (obr. 5c). Platí zásada, že sacie a výtlačné ventily sú usporiadané nezávisle. Môžu sa použiť platňové ventily, ale tiež guľové, či kužeľkové koncepcie.
D. Pre vysoké a veľmi vysoké tlaky sa s výhodou používajú tzv. centrálne ventily (obr. 5d). Vyznačujú sa veľkou životnosťou v dôsledku vhodného tvaru vŕtania, ktoré redukuje výstupné napätia. Pre všetky 3 ventily je spoločné teleso, pričom každý sací a výtlačný (centrálny) ventil tvorí samostatnú jednotku, ktorá sa vyznačuje jednoduchou údržbou.
E. Pre vysokoagresívne pracovné média ako napr. karbamat sa používajú dobre prekované, tepelne spracované a mechanicky dobre obrobiteľné austenitické ocele. Ventilové telesá sú potom vyrobené zo samostatných elementov. Jednotlivé ventilové bloky (s vonkajšími sacími a výtlačnými ventilmi) sú navzájom spojené so sacími a výtlačnými zbernými telesami (obr. 5e). Usporiadanie umožňuje racionálne hospodárenie s náhradnými dielcami.

 

Obr. 5 a, b, c, d, e. Koncepcie riešení ventilov čerpadiel.

 

Záverom treba zdôrazniť, že čerpadlá veľakrát pracujú v nepretržitom režime, t.j. bez prestávky. Bežné sú aj aplikácie v oblasti polárneho kruhu či v tropických klimatických oblastiach a veľakrát aj vo veľkých nadmorských výškach. Pre takéto extrémne a tiež dlhodobé zaťaženia musí byť tiež zabezpečená spoľahlivosť a bezporuchový chod s adekvátnou životnosťou.

Veľmi špecifickými sú tiež špecifické pracovné podmienky pri doprave extrémne teplých médií (napr. tekutý asfalt pri teplote až 400 °C), či extrémne abrazívnych médií, tzv. slurry pumpy na dopravu práškových emulzií, ktoré si vyžadujú integrovaný systém chladenia či chladenia piestov a utesnenia valcov napr. synchrónnym preplachom a pod.

 

Aplikácie piestových čerpadiel v komunálnej oblasti
Ako bolo uvedené v úvode príspevku piestové čerpadlá sa s úspechom používajú na generovanie vysokorýchlostného vodného lúča pre aplikácie čistenia v komunálnej oblasti na čistenie potrubí, kanalizácií, čistenie ciest a podobne. Sú samozrejmou súčasťou a výbavou tzv. saco - kanalizačných vozidiel. Fa. URACA dodáva kanalizačné čerpadlá v štandardnom vyhotovení (obr. 6) ako aj tzv. recyklačné (obr. 7) - pre prácu s recyklovanou vodou (viac znečistenou vodou), ale aj tzv. zosilňovače, či násobiče tlaku (obr. 8). Vyznačujúce sa vysokou ekologickou bezpečnosťou, keďže majú konštrukčne oddelené olejovú a vodnú časť. Zosilňovače tlaku sú koncipované pre veľké dodávané množstvá vody až 500 l/min. pri tlaku 200 až 250 bar. Využívajú sa na čistenie veľkorozmerových potrubí alebo veľmi dlhých potrubí, kde je potrebná veľká energia.

 

Obr. 6 Piestové čerpadlo URACA typ KD 724 na čistenie kanalizácii - ležaté a stojaté.

Obr. 7 Piestové čerpadlo URACA pre prácu s recyklovanou vodou typ P3-10 Rec.

Konštrukčný princíp zosilňovača tlaku na čistenie kanalizácií je zobrazený na obr. č. 8.

Obr. 8 Hydraulický zosilňovač tlaku URACA typ UD 200

Umiestnenie a zabudovanie kanalizačného čerpadla na nadstavbe saco - kanalizačného či len kanalizačného vozidla na čistenie v komunálnej oblasti je na obr. 8. Čerpadlá sú schopné pracovať s rôznymi druhmi trysiek na čistenie kanalizácií a potrubí ako aj s tzv. hydraulickými frézami na odfrézovanie tvrdých nečistôt, či koreňov v potrubiach a pod.

 

 

Obr. 9 Nadstavbu saco - kanalizačného vozidla s čerpadlom Uraca možno využiť rôzne.

 

Záver
Vysokotlakové piestové čerpadlá ako aj hydraulické zariadenia so zabudovanými piestovými čerpadlami sa vzhľadom na svoju univerzálnosť, efektívnosť a aplikačné spektrum vyrábajú a dodávajú v konkrétnom zoskupení podľa požiadaviek zákazníka, resp. podľa druhu zamýšľanej aplikácie. Preto je potrebné nájsť také usporiadanie zariadenia, aby bolo čo najefektívnejšie využité pre danú aplikáciu. Veľké výkonové rozdiely zariadení (a tým aj cenové) ako aj rôzne konštrukčné usporiadania umožňujú kvalitný výber pre efektívne aplikácie aj v komunálnej oblasti pre rôzne druhy a veľkosti vozidiel.

Text: Ing. Zdenko KRAJNÝ, PhD.,
AQUACLEAN, s.r.o.
Bratislava,
Tel.: 0905 70 81 71
02 52 444 938
aquaclean@netax.sk,
www.aquaclean.sk

 

Späť

Témy:

• Vydavateľstvo
• Úvod
• Profil časopisu
• Edičný plán
• Predplatné
• Inzercia
• Kontakty
• produkty
• Technika
• EcoTechnika
• SolarTechnika
• Články podľa zamerania
• Aktuality
• Vodné hospodárstvo
• Odpadové hospodárstvo
• Energetika
• Ekológia ovzdušia
• Zaujímavosti
• Doprava a automobilizmus
• Bioplynové stanice
• Výstavy a akcie
• Veľtrhy a výstavy
• Novinky z vedy a techniky
• Technické novinky...