Print

Vícestupňová čerpadla jako možná cesta k vyšší efektivitě

-- 12.12.2010

V rámci úsporných opatření mají uživatelé čerpadel možnost po důkladném zhodnocení systému využít flexibilní řešení a dosáhnout úspory elektrické energie.

Různé obchodní organizace předložily údaje, které naznačují, že systémy čerpadel jsou zodpovědné za přibližně 20 procent celosvětové spotřeby elektrické energie. Rovněž byly zveřejněny statistiky, které uvádějí, že 85 % celkových nákladů na vlastnictví představuje cena elektřiny potřebné na provoz čerpacího systému. Kroky podniknuté ke zvýšení efektivity těchto systémů čerpadel nesníží pouze provozní náklady, ale rovněž sníží spotřebu energie a zatížení systémů napájení. Jednou z možností, kterou je třeba zvážit při vyhodnocování efektivity instalací tradičních jednostupňových čerpadel, je použití vícestupňové technologie.


Tradiční jednostupňová čerpadla

Jednostupňová čerpadla využívají k tvorbě tlaku jedno oběžné kolo a jednu spirální skříň. Množství tlaku generovaného kombinací oběžného kola a spirální skříně závisí na průměru kola čerpadla a rychlosti jeho otáčení. U jednostupňového čerpadla je oběžné kolo jedinou součástí, která převádí energii na čerpání kapaliny. Oběžné kolo může předat energii do čerpání pouze tehdy, pokud je v kontaktu s kapalinou. Proto je průměr oběžného kola velmi důležitý při určování výkonu čerpadla. Různé provozní body v rozsahu hydraulického výkonu čerpadla lze dosáhnout zmenšením průměru oběžného kola. Sníží se tak energie předávaná do čerpání kapaliny, čímž se následně sníží tlak vytvářený čerpadlem.

Vzdálenost mezi okrajem oběžného kola a spirálním kolem na obrázku 1 je důležitá pro určení hydraulické účinnosti čerpadla. Pro každý rozměr čerpadla je určitý optimální průměr oběžného kola, při němž bude čerpadlo dosahovat nejvyšší účinnosti. K provozu v nejúčinnějším provozním bodě (BEP) se rovněž vztahuje hodnota průtoku a tlaku. K dosažení všech ostatních provozních bodů v rozsahu hodnot průtoku a tlaku tohoto čerpadla je třeba regulovat čerpadlo pomocí regulace otáček nebo je třeba zmenšit průměr oběžného kola, případně obojí. Při pohledu na graf čerpadla na obrázku 2 je vidět, že při odchýlení provozních hodnot od hodnot v bodě BEP dochází k výraznému snížení účinnosti čerpadla. Tvar křivky je rovněž třeba zmínit, zvláště v případě čerpadla s regulací otáček.

Při použití regulace otáček k řízení provozu čerpadla dojde při snížení otáček k posunu provozní křivky čerpadla doleva a dolů, přičemž se sníží průtok a tlak vytvářený čerpadlem. Zákony afinity ukazují, jak se výkon čerpadla mění při změně rychlosti otáček. Pokud má čerpadlo plochou křivku jako na obrázku 2, potom při relativně malé změně tlaku dojde k výrazné změně průtoku, což činí řízení za pomoci tlaku obtížné a omezuje dostupný prostor pro snižování rychlosti. Zákony afinity stanovují, že výkon čerpadla se mění s třetí mocninou rozdílu rychlosti. Omezený rozsah pro snižování rychlosti dostupný pro čerpadla s plochou provozní křivkou současně limituje možné snížení výkonu (úspora energie), kterého lze dosáhnout pomocí regulace rychlosti.


Vícestupňová čerpadla

Vícestupňová čerpadla používají k výrobě tlaku několik stupňů oběžných kol a spirálních skříní. Čerpaná kapalina je vypouštěna z jednoho stupně, který sestává z oběžného kola a spirální skříně, a vstupuje do dalšího stupně, tj. do oběžného kola a spirální skříně. Množství tlaku vyvinutého ve vícestupňovém čerpadle závisí na průměru oběžných kol, počtu využitých stupňů a rychlosti otáčení oběžných kol. U vícestupňových čerpadel obvykle není průměr oběžného kola kvůli dosažení požadovaných provozních podmínek upravován. Protože pro předání potřebné energie do čerpané kapaliny je k dispozici více oběžných kol a spirálních skříní, průměr jednotlivých stupňů (oběžné kolo a spirální skříň) může být menší a mohou fungovat s menší vůlí mezi oběžným kolem a spirální skříní (viz obrázek 1).

Kvůli tomuto užšímu prostoru mezi oběžným kolem a spirální skříní jsou vícestupňová čerpadla nevhodná pro použití, kdy čerpaná kapalina obsahuje pevné části, případně abrazivní nebo vláknitý materiál. Výsledkem této zmenšené tolerance mezi oběžným kolem a spirální skříní je, že oběžná kola pracují v blízkosti své ideální hydraulické účinnosti. Proměnlivým faktorem, který lze použít k přizpůsobení v tomto případě počet oběžných kol v čerpadle. Na obrázku 5 jsou k vidění různé provozní body v rozsahu hydraulického výkonu vícestupňového čerpadla. Jestliže je třeba větší tlak, použije se více stupňů (oběžné kolo/spirální skříň). Pokud se vyžaduje menší tlak, použije se čerpadlo s méně stupni.

Stejně jako u jednostupňového čerpadla je zde důležitý tvar křivky, zejména pak při řízení provozu vícestupňového čerpadla pomocí regulace rychlosti. Při řízení čerpadla na základě tlaku v systému je snazší řídit čerpadlo se strmou křivkou než čerpadlo s plochou křivkou. U čerpadla se strmou křivkou není na rozdíl od čerpadla s plochou křivkou tak výrazná změna v průtoku při malé změně tlaku. Dostupný regulační rozsah čerpadla se strmou křivkou je větší než u čerpadla s plochou křivkou. Jak víme z předchozí části, podle zákonů afinity se příkon čerpadla mění se třetí mocninou rozdílu v rychlosti. Čerpadlo se strmou křivkou tak umožňuje vyšší úsporu energie při řízení pomocí regulace otáček než čerpadlo s plošší provozní křivkou.

Na obrázku 6 je příklad funkce jednostupňového a dvoustupňového čerpadla ve stejné provozní poloze. Je zde vyznačen nízký provozní bod, v němž jsou čerpadla nucena pracovat. Při použití regulace rychlosti je dostupný regulační rozsah jednostupňového čerpadla přibližně 5 % (3 319 ot/min oproti 3 500 ot/min). Naproti tomu u vícestupňového čerpadla je rozdíl víc než 17 % (2 882 ot/min oproti 3 500 ot/min). Výsledný rozdíl představuje o 37 % vyšší kapacitu pro úsporu energie při sníženém provozním výkonu.


Přechod

Přechod z jednostupňového na vícestupňové čerpadlo vyžaduje výrazné úpravy stávajícího potrubí a uchycení čerpadel. Výsledkem pokroku v oblasti návrhu jsou vícestupňová čerpadla podle normy ANSI s navzájem zaměnitelnými rozměry sací a vypouštěcí strany a montážní části. Díky snížení energetických nároků při použití vícestupňové technologie může být motor pro pohon vícestupňového čerpadla mnohem menší, než jaký je potřeba u jednostupňového čerpadla. V celkovém součtu tak může být samotné čerpadlo sice delší kvůli přidaným stupňům potřebným pro dosažení požadovaných provozních parametrů, společně s menším motorem se však celková délka zkracuje a ve výsledku je tak obvykle vícestupňové čerpadlo s motorem kratší než jednostupňové s motorem.

Při snaze optimalizovat účinnost čerpadel je třeba věnovat náležitou pozornost zvážení možnosti technologie vícestupňových čerpadel. Jejich konstrukce je totiž činí v mnoha ohledech výhodnějšími v porovnání s jednostupňovými čerpadly. U vícestupňových čerpadel lze použít oběžná kola s menším průměrem, která zajistí provoz s vyšší účinností, než poskytuje většina jednostupňových čerpadel. Strmá provozní křivka vícestupňového čerpadla umožňuje snazší regulaci tlaku čerpadla pomocí rychlosti než u jednostupňových čerpadel s plošší křivkou. Křivka vícestupňového čerpadla rovněž umožňuje větší regulační rozsah rychlosti, protože dle zákonů afinity odpovídá většímu snížení rychlosti větší snížení brzdného výkonu.


Shrnutí

Na použití čerpadel je v dnešní době vyvíjen čím dál větší tlak ze strany vlastního podniku a externích zdrojů na snižování spotřeby energie, snižování provozních nákladů a zvyšování energetické účinnosti poháněných systémů. Technologie vícestupňových čerpadel nabízí několik výhod oproti tradičním jednostupňovým čerpadlům, pokud se použije k čerpání kapalin, které neobsahují abraziva, pevné částice nebo vláknité látky. Pokrok v oblasti technologie vícestupňových čerpadel eliminoval potřebu předělávat instalační vedení a držáky čerpadel při výměně jednostupňového čerpadla za vícestupňové. Zvažování možnosti přechodu z jednostupňového čerpadla na vícestupňové je tak snazší než dříve.                                                                                                                                                                 


Andrew Ondish je oblastní obchodní ředitel společnosti Grundfos. Je držitel titulu BSc. v oboru naftařské technologie a MSc. v podnikovém řízení. Své 20leté zkušenosti z působení v resortu čerpadel má nyní možnost zúročit na postu výrobního inženýra čerpadel pro průmyslové aplikace.

Autor: Andrew Ondish, Grundfos


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

17. medzinárodná karpatská konferencia o riadení
2016-05-29 - 2016-06-01
Místo: Grandhotel Praha Vysoké Tatry
parts2clean 2016
2016-05-31 - 2016-06-02
Místo: Výstaviště Stuttgart, Německo
Národné fórum údržby 2016
2016-05-31 - 2016-06-01
Místo: Vysoké Tatry, Štrbské Pleso, Hotel PATRIA
Siemens PLM Connection 2016
2016-05-31 - 2016-05-31
Místo: Best Western Premier, Hotel International Brno
Marketing for Engineering
2016-06-01 - 2016-06-01
Místo: Praha, místo bude upřesněno

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
Thámova 13
180 00 Praha 8
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách
Doma v teple
Co je to dovolená!?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2016 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI