Ve snaze o čerpadlo bez úniku
Potřeba bezúnikového čerpadla se stala naléhavou v moderní době, kdy průmyslová čerpadla začala manipulovat s nebezpečnými kapalinami. V případě toxické nebo hořlavé kapaliny je nezbytné chránit jak osoby, tak životní prostředí před případnými úniky. Každý únik také znamená plýtvání produktem, což nabývá na významu při čerpání drahých médií, jako jsou farmaceutické materiály.
Obrázek 1. Pumpa s ucpávkou (Obrázky s laskavým svolením ITT Goulds Pumps)
Proč čerpadla netěsní?
Zvažte, proč je tak náročné zabránit úniku čerpadel. Vezměte si jako příklad běžné odstředivé čerpadlo. U tohoto čerpadla se hřídel a oběžné kolo otáčí motorem, ale motor je umístěn mimo čerpadlo. Právě tam, kde hřídel vystupuje z čerpadla, konkrétně v místech kontaktu mezi rotujícími a stacionárními částmi, může a dochází k netěsnostem.
Náplň
U některých čerpadel se k řešení problému s únikem používá zařízení zvané ucpávka.
Ucpávka je komora umístěná na vnější straně skříně čerpadla, kde vychází hřídel. v rámci toho
Těsnící materiál – měkká těsnící látka – je položen kolem hřídele.
Pomocí speciálního zařízení (v nejjednodušším případě matice) je pak ucpávka stlačena, čímž dojde k jejímu přitlačení ke stěnám komory a hřídele, čímž se zabrání vytékání kapaliny z čerpadla.
Hřídel však musí být v těsném kontaktu s ucpávkovým materiálem, aby těsnění bylo těsné. To může vytvářet tření a vést ke zkrácení životnosti.
Obrázek 2. Mechanická ucpávka
Mechanické těsnění
Hlavními prvky mechanických ucpávek jsou dva kroužky: pohyblivý, který se otáčí s hřídelí, a stacionární, který je připevněn k tělu čerpadla pomocí čepu.
Těsnost proti netěsnostem vzniká kontaktem mezi plochami kroužků, které tvoří tzv. třecí pár. Pro zajištění kontaktu je pohyblivý kroužek přitlačován k pevnému kroužku pružinou, pružinovou jednotkou nebo měchem – což je elastický jednovrstvý nebo vícevrstvý vlnitý plášť vyrobený z kovových, nekovových a kompozitních materiálů. Pro dodatečné utěsnění se používají sekundární těsnění, což jsou O-kroužky vyrobené z elastomeru.
Při správné práci je mezi třecími plochami přítomen tenký film kapaliny, který zajišťuje mazání a odvod tepla. Vůle mezi jejich povrchy se rovná výšce jejich drsnosti a zpravidla nepřesahuje jednu miliontinu metru. Důležité je, že pevný kroužek se nikdy nedotýká hřídele, čímž se snižuje opotřebení.
Výběr správného materiálu těsnicího kroužku není triviální úkol. Kroužky musí mít dostatečnou pevnost a odolnost proti opotřebení, aby vydržely účinky provozu čerpadla a byly chemicky odolné vůči čerpanému médiu. Navíc musí odolávat vysokým teplotám, které vznikají v důsledku tření. Z těchto důvodů jsou třecí páry překvapivě sofistikované technologie, vyžadující teoretické a výpočtové disciplíny mechaniky, termodynamiky, hydrauliky a tribologie. Vzhledem k malé vůli mezi kroužky spadá výroba moderních mechanických ucpávek vlastně do kategorie nanotechnologií.
Dvojité mechanické těsnění
Mechanické ucpávky s jedním třecím párem mohou úniky pouze minimalizovat, nikoli je eliminovat. Pro další pokus o eliminaci netěsností byly vytvořeny dvojité mechanické tupé těsnění. Pomocný systém – nazývaný plán proplachování nebo plán potrubí – přivádí speciální kapalinu, nazývanou bariéra, do oblasti těsnění mezi dvěma kroužky třecího páru. Jeho tlak je v těsnicí oblasti udržován o něco vyšší než tlak čerpaného média a je tak dosaženo těsnosti. Bariérová kapalina také plní nezbytné úkoly odvodu tepla a mazání v případě, že čerpaná média k tomu nemají vlastnosti. Voda například ztrácí své mazací vlastnosti při teplotě asi 176 F (80 C).
Mechanické dvojité tupé ucpávky mohou eliminovat úniky čerpané kapaliny do atmosféry. Mohou však být poměrně drahé a náročné na údržbu. Navíc i ten nejpečlivěji zkonstruovaný třecí pár časem selže kvůli opotřebení, takže vyžadují neustálé sledování a výměnu.
Magnetické spojky
Obrázek 3. Řez čerpadlem s mag. pohonem. Hřídel s hnacími magnety otáčí kazetou, jejíž součástí jsou hnané magnety.
Díky tomuto dálkovému přenosu síly nemusí hřídel procházet pláštěm, takže zde nejsou žádné otvory a nemůže docházet k únikům. Tato čerpadla však bývají dražší, vzhledem k ceně nejmodernějších magnetů, které vyžadují. Obvykle jsou vyrobeny z exotických slitin neodymu, kobaltu a samaria, ale za účinnější je nyní považována slitina neodymu a železa bóru (NdFeB). Životnost těchto magnetů může být desítky nebo dokonce stovky let – často delší než životnost samotného čerpadla.
Konzervovaná motorová čerpadla
Dalším pokrokem, který vzešel z vývoje elektromechaniky a elektromagnetické teorie, bylo zapouzdřené motorové čerpadlo. Toto zařízení kombinuje funkci elektromotoru s funkcí klasického odstředivého čerpadla. Je to podobné jako u pumpy s magnetickým spojka, ale roli magnetů plní vinutí statoru (pevná část elektromotoru) a rotoru. Říká se mu „konzervovaný“, protože motor je chráněn před zkraty speciálním válcem (plášťem) a umístěným uvnitř tělesa čerpadla v čerpané kapalině, který současně maže a ochlazuje ložiska.
Obrázek 4. Zapouzdřené motorové čerpadlo
Krouticí moment ze „suchých“ vinutí statoru je přenášen vzduchotěsným pouzdrem, takže nehrozí žádné netěsnosti.
Protože čerpadla se zapouzdřeným motorem používají méně dílů, jsou kompaktní. Protože jsou však cívky statoru a rotoru odděleny několika přepážkami, jejich účinnost může být relativně nízká. Proto jsou tato zařízení velmi užitečná, ale spotřebovávají více energie.
Trvalé úsilí po mnoho let nyní přineslo řadu možností, jak dosáhnout čerpadla bez úniku. Každý má svůj vlastní mix výhod a nevýhod. Aby odborníci určili, co je pro váš provoz nejlepší, vyberou návrh v závislosti na vlastnostech čerpaných kapalin, provozních podmínkách a ekonomických omezeních.