Jaka pompa do jakich zastosowań

1 maja 2007

Kiedy stosować pompy odśrodkowe, a kiedy wyporowe? To pytanie często przewija się w rozmowach pomiędzy dostawcami pomp a użytkownikami. Postanowiliśmy przybliżyć naszym czytelnikom temat pomp, aby stojąc przez koniecznością zakupu, wiedzieli, na jakie parametry powinni zwrócić uwagę, co uwzględnić podczas doboru urządzeń.

Pompy odśrodkowe przeznaczone są do tłoczenia cieczy o niskiej lepkości (np. woda, ścieki, kwas siarkowy). Zapewniają stosunkowo dużą wydajność i relatywnie niski poziom podnoszenia. Z tego powodu często używane są jako pompy cyrkulacyjne. W urządzeniach tego typu ciecz dociera do środka wirnika, który wiruje z dużą prędkością (z reguły 1450 lub 2800 obr./min). Porcja cieczy przemieszcza się po łopatkach wirnika od środka do jego brzegu, co powoduje nadanie cieczy dużej prędkości.

Zasadę pracy pompy odśrodkowej można porównać z działaniem gramofonu, w którym ciecz trafia na środek obrotu.

Pompa membranowa dozująca elektromagnetyczna

Wydajność pompy odśrodkowej jest ściśle związana z wysokością podnoszenia (ciśnieniem) cieczy. Zależność ta określona jest w charakterystyce pracy pompy Q(h). Im większa wydajność, tym mniejsza wysokość podnoszenia i odwrotnie. Najwyższe ciśnienie uzyskuje się przy zerowym przepływie cieczy. Z kolei przy wzroście lepkości cieczy następuje znaczne pogorszenie się parametrów (zarówno wydajności, jak i wysokości podnoszenia).

Pompy wyporowe pracują zupełnie inaczej. Porcja cieczy jest przenoszona od portu ssawnego do tłocznego. Realizowane jest to na różne sposoby w różnych pompach wyporowych (np. zębatych, krzywkowych, śrubowych, tłokowych, membranowych, perystaltycznych itd.). Z reguły są to pompy wolnoobrotowe, zapewniające stosunkowo małą wydajność, natomiast duże ciśnienie.

Zasadę pracy pompy wyporowej można porównać z pracą łopatą – porcja medium jest pobierana i przenoszona w inne miejsce.

W teoretycznych (idealnych) warunkach wydajność pompy (przy stałych obrotach) powinna być niezależna od ciśnienia pracy. W rzeczywistości jednak nie daje się w pełni mechanicznie oddzielić komory ssawnej od tłocznej (przede wszystkim z uwagi na konieczność ruchu elementów wewnętrznych pompy), co powoduje pewien spadek wydajności przy wzroście ciśnienia, gdyż część pompowanej cieczy jest „mielona” w pompie (wraca z komory tłocznej do komory ssawnej). Im większa lepkość cieczy, tym przepływ wsteczny jest mniejszy.

mgr inż. Andrzej G. Baciński POMPY i SYSTEMY sp. z o.o.

Pompy wyporowe zapewniają takie ciśnienie, jakie potrzebne jest instalacji. To oznacza, że jeżeli instalacja na rurociągu tłocznym wymaga 2 barów, to pompa zapewni 2 bary, ale jeśli ta sama instalacja wymaga 6 barów – ta sama pompa może zapewnić 6 barów. Oczywiście, o ile pozwala na to jej konstrukcja i moc silnika.

Dlatego w przypadku pomp wyporowych należy raczej mówić o ciśnieniu maksymalnym (dopuszczalnym).

Główną zaletą pomp wyporowych jest możliwość stosowania ich do budowania bardzo dokładnych instalacji dozowania, gdyż zmiany warunków pracy instalacji mają niewielki wpływ na wydajność pompy.

Pompy zębate często stosowane są do tłoczenia olejów. Taka sama pompa użyta do wody może nie zapewnić wymaganych parametrów (z uwagi na przepływ wsteczny) – wydajności i ciśnienia. Natomiast można wyprodukować pompę tego samego typu o innych tolerancjach wewnętrznych, która będzie pracowała z wodą.

Pompa krzywkowa higieniczna

Można by zapytać – dlaczego wszystkie pompy nie są produkowane z uwzględnieniem tolerancji na wodę? Jest to w pe łni zrozumiałe, gdyż pompa z wąskimi tolerancjami (dla cieczy o niskich lepkościach), pracując z lepkimi cieczami, może nie być w pełni wypełniona cieczą, co powoduje tzw. pracę na półsucho.

Wielu użytkowników często stara się używać pomp odśrodkowych w instalacjach wymagających pomp wyporowych. Dobrym przykładem jest pompowanie ketchupu. Jest to ciecz nienewtonowska, rozrzedzana ścinaniem. Oznacza to, że ketchup w spoczynku jest bardzo lepki (widzimy to, gdy stoi w opakowaniu), natomiast w trakcie płynięcia jego lepkość gwałtownie spada (to także widzimy w trakcie polewania frytek ketchupem – jak nie płynie, to nie płynie, ale jak zacznie płynąć – to pół pojemnika od razu).

Ponieważ w pompie następuje ścinanie cieczy, czyli spada lepkość ketchupu, w zasadzie można by zastosować pompę odśrodkową. Wprawdzie utrudniony będzie rozruch, gdyż na początku produkcji lepkość będzie wysoka. I mimo że praktycznie da się przepompować ketchup pompą odśrodkową, nie jest to dobre rozwiązanie. Pompa o obrotach 1450 lub 2800 obr./min naruszy strukturę medium. Zostaną uszkodzone drobinki pomidorów, zmieni się charakter produktu – nastąpi jego zniszczenie. Nawet konsystencja i smak ketchupu mogą się zmienić. Dlatego lepiej stosować pompy krzywkowe (wyporowe).

Porównanie

Pompy odśrodkowe najlepiej stosować do:

cieczy o niskiej lepkości,
przy dużej wydajności,
przy niewielkiej wysokości podnoszenia.

Pompy wyporowe najlepiej sprawdzą się w przypadku:

cieczy o średniej i dużej lepkości,
niskich wydajności,
dużej wysokości podnoszenia,
instalacji dozowania.

Oczywiście są to bardzo ogólne wnioski – dla większości typowych aplikacji, co nie oznacza, że nie zdarzają się uzasadnione odstępstwa od tych zasad.

Rodzaje pomp wyporowych

W dalszej części artykułu przedstawimy różne pompy stosowane do tłoczenia chemicznych mediów gęstych i lepkich.

Na wstępie należy zdefiniować ciecz gęstą i lepką. Oba te pojęcia są powszechnie mylone. Większość osób porównując np. śmietanę i mleko, stwierdzi, że śmietana jest bardziej gęsta. Skoro jednak śmietana unosi się na powierzchni mleka, jej gęstość na pewno jest mniejsza.

Gęstość cieczy stosunkowo łatwo zmierzyć, ważąc próbkę o znanej objętości. Badanie lepkości wymaga zastosowania drogich urządzeń – wiskozymetrów. W dodatku ciecz może zmieniać swoją lepkość w zależności od temperatury (porównajmy np. czekoladę z lodówki i w temperaturze 70°C), prędkości ścinania (farba olejna stojąca w beczce i ta sama ciecz po chwilowym mieszaniu) i innych czynników.

Nie należy mylić gęstości i lepkości. Bitą śmietanę można nazwać „bardzo gęstą”, ale pływa ona po powierzchni mleka, czyli jej gęstość jest w rzeczywistości mniejsza niż gęstość mleka.

Lepkość cieczy jest podstawą wszelkich obliczeń hydraulicznych i jej znajomość jest niezbędna do prawidłowego doboru pompy. Ponieważ niewielu użytkowników jest w stanie określić ten parametr, firmy inżynieryjne wykorzystują swoje doświadczenie. W rozmowach z klientem najczęściej używane są określenia: „ciecz leje się jak ciepły miód” lub „medium wygląda jak jogurt”. Brak konkretnej informacji powoduje, że osoba dobierająca pompę musi ją na wszelki wypadek przewymiarować. Oczywiście powoduje to zwiększenie kosztu zakupu.

Samozasysająca pompa odśrodkowa higieniczna

Nie chcąc się zagłębiać w detale techniczne wymagane do prawidłowego doboru pompy (co może stanowić treść innego artykułu), chciałbym przedstawić kilka pomp o różnych zasadach działania i w skrócie poinformować o ich zaletach.

Pompy dwumembranowe napędzane sprężonym powietrzem

Zalety:

mogą pracować na sucho,
samozasysające na sucho,
nie ulegają uszkodzeniu przy pracy na zamknięty zawór tłoczny,
mogą pracować w zanurzeniu,
łatwa regulacja wydajności (zaworem na linii doprowadzającej powietrze lub zaworem na tłoczeniu),
mogą tłoczyć ciecze zanieczyszczone ciałami stałymi,
mają rozsądne ceny (klient płaci za samą pompę – bez kosztów silnika i przekładni),
z uwagi na napęd pneumatyczny są idealne wszędzie tam, gdzie istnieje zagrożenie wybuchem (nie ma konieczności stosowania specjalnego silnika w wersji przeciwwybuchowej),
duży wybór wersji wykonanych z różnych materiałów.

Ograniczenia stosowania:

znaczny spadek wydajności przy wzroście lepkości (np. dla cieczy 10 000 mPa×s wydajność jest około 65% mniejsza od nominalnej),
ograniczone maksymalne ciśnienie,
elementy eksploatacyjne: membrany, kule i gniazda zaworów,
wymagają istnienia instalacji sprężonego powietrza,
pulsacyjne podawanie medium.

Typowe aplikacje:

przemysł farb i lakierów,
podawanie osadów na prasy filtracyjne,
transport chemikaliów.

Pompy krzywkowe (kłykciowe)

Najczęściej spotykane w zakładach spożywczych do tłoczenia cieczy typu: jogurt, kefir, przecier, pulpa owocowa, miód, lody, musztarda, ketchup itp.

Zalety:

w pełni sanitarne (polerowana na lustro stal nierdzewna),
mają certyfikat farmaceutyczny 3-A,
bardzo łatwo je myć bez zdejmowania z instalacji.

Ograniczenia stosowania:

powinny pracować w warunkach napływu,
mają dwa uszczelnienia mechaniczne,
w wersjach standardowych dość wrażliwe na ścierne ciała stałe znajdujące się w medium.

Typowe aplikacje:

przemysł spożywczy,
przemysł kosmetyczny.

Pompy jednośrubowe

Zalety:

duża zdolność ssania (po zalaniu),
duża dokładność przy zastosowaniu pompy jako urządzenia dozującego,
możliwość tłoczenia cieczy zawierających ciała stałe,
pompy czterostopniowe mogą osiągać ciśnienie rzędu 24 barów,
w specjalnych układach mogą tłoczyć ciecze o lepkościach rzędu kilku milionów mPa×s.

Ograniczenia stosowania:

nie mogą pracować na sucho,
stator jest elementem eksploatacyjnym,
nie mogą pracować na zbyt duże przeciwciśnienie.

Typowe aplikacje:

przemysł spożywczy,
tłoczenie szlamów,
opróżnianie beczek.

Pompy zębate

Najczęściej stosowane do cieczy samosmarnych, jak benzyny, oleje, żywice, smoła, poliolefiny, smary, asfalt, bitumen. Są to pompy do ciężkiej, przemysłowej pracy, ale nie powinny być stosowane do tłoczenia cieczy zawierających ciała stałe. Według mnie ten rodzaj pomp nie został należycie doceniony w naszym kraju.

Pompy z oscylującym tłokiem

Zalety:

jedyne prawdziwie spożywcze pompy samozasysające na sucho,
po zakończeniu tłoczenia mogą opróżnić rurociąg z resztek medium,
stała wydajność przy wahaniach lepkości medium,
ze względu na konstrukcję urządzenie charakteryzuje się brakiem uszczelnienia (brak konieczności dodatkowej obsługi i wymiany elementów uszczelnienia).

Wady:

z uwagi na ograniczenia patentowe istnieje tylko trzech producentów tego typu urządzeń na świecie, co wiąże się z dość wysokim kosztem.

Typowa aplikacja: zbiornik z medium lepkim (np. pasztet, pulpa owocowa). Wąż ssawny pompy (pusty) wkłada się od góry do zbiornika i uruchamia pompę. Nie trzeba jej zalewać.

Pompy perystaltyczne (jelitkowe)

Zalety:

tłoczona ciecz ma styk wyłącznie z wężem,
samozasysające na sucho,
jedyna obsługa, jakiej wymagają – ewentualna wymiana węża,
mogą tłoczyć ciecze z ciałami stałymi,
idealne tam, gdzie jedna pompa musi tłoczyć różne media (np. w ciągu jednej zmiany tłoczy produkt spożywczy, kwasy, zasady) – zmiana cieczy wymaga jedynie wymiany węża,
brak konieczności stosowania zaworów i uszczelnień.

Ograniczenia stosowania:

nie mogą pracować na zbyt duże przeciwciśnienie,
w przypadku zużycia węża roboczego pompa traci zdolność ssania i tłoczenia, co oznacza konieczność wymiany tego elementu.

Pompy sinusoidalne

Zalety:

pompy w pełni sanitarne (polerowana stal nierdzewna),
tłoczą najdelikatniej – w żaden sposób nie naruszają struktury pompowanego medium,
mają znacznie większą wydajność niż pompy krzywkowe o tych samych rozmiarach portów,
możliwość tłoczenia cieczy o bardzo dużej lepkości,
bardzo tanie w eksploatacji.

Wady pomp:

ze względu na ograniczenia patentowe istnieje tylko jeden producent, co niestety oznacza dość wysoki koszt inwestycyjny urządzenia.

Przykłady aplikacji: chłodny wosk, czekolada z całymi orzechami (pompy nie niszczą orzechów), zsiadłe mleko z owocami (nie niszczą owoców, nie wstrząsają mleka), karmel, miazga z rodzynkami (nie niszczą rodzynek, nie ma więc zagrożenia salmonellą), zagęszczony koncentrat pomarańczowy.

W zestawieniu nie zostały uwzględnione wszystkie typy pomp do cieczy lepkich, np. z gumowym wirnikiem, wielośrubowe, tłokowe, gdyż zaprezentowano jedynie najpopularniejsze.

Pompa próżniowa z pierścieniem cieczowym

Oczywiście wyboru pompy nie można opierać na przedstawionych w artykule wadach i zaletach, ale na dogłębnej analizie konkretnej aplikacji. Wiele pomp ma szereg innych ograniczeń, obowiązujących wyłącznie w specyfi cznych instalacjach. Do danej aplikacji można znaleźć kilka rozwiązań, a cena nie zawsze jest właściwym wyznacznikiem dobrego zakupu.

Problemy z pompami

Wielu użytkowników pomp już przyzwyczaiło się do sprawianych przez nie problemów. Problemy te wynikają nie tylko z wadliwej obsługi (np. praca na sucho, niekompatybilna ciecz), ale także z naturalnego zużycia elementów eksploatacyjnych (np. wytarcia się uszczelnień).

Na konferencjach technicznych często spotykam się z ludźmi pracującymi przy maszynach. Takimi, którzy dostają za małe budżety na utrzymanie ruchu, a zbyt mocne upomnienia, gdy jakaś maszyna zawiedzie.

Nie jest moim celem pokazanie złotego środka ani wymienienie wszystkich możliwych rozwiązań, chciałbym jednak przedstawić jedno, które w konkretnej aplikacji może pomóc uporać się chociaż z częścią problemów.

Wzrost lepkości cieczy

Przy cieczach o średniej lepkości jak gliceryna stosuje się często pompy odśrodkowe. Doskonale się sprawują do czasu, kiedy spadnie temperatura cieczy. Najczęściej dzieje się tak z nadejściem jesieni w firmach, gdzie magazyn surowców jest nieogrzewany.

Nawet przy małym wzroście lepkości następuje zwiększenie poboru mocy silnika (możliwość przegrzania), spada wydajność i wysokość podnoszenia. Pompa może zacząć kawitować, hałasować, wibrować… Znane są przypadki uszkodzeń np. sprzęgieł i wirników w bardzo krótkim czasie.

W takich sytuacjach dobrym rozwiązaniem mogą być pompy wyporowe, np. zębate, krzywkowe, śrubowe, perystaltyczne, z założenia przeznaczone do cieczy o wyższej lepkości. Wydajność niektórych urządzeń (np. pomp zębatych lub krzywkowych) bardzo zależy od lepkości cieczy, w innych (np. perystaltycznych lub śrubowych) – bardzo mało lub niemal wcale. Jest to ważne zwłaszcza w instalacjach dozowania objętościowego, gdzie układ dozujący odmierza dawkę na zasadzie liczenia obrotów/suwów elementu roboczego pompy.

Wyciek z uszczelnienia

Uszczelnienia ciekną. To prawda znana od początku istnienia pomp. Klasyczne, tj. sznurowe z zasady działania muszą powodować wyciek medium przez dławnicę. Jeżeli wyciek nie następuje – to znak, że może nastąpić „spalenie” uszczelnienia, gdyż nie jest ono chłodzone/ smarowane cieczą.

Uszczelnienia mechaniczne (tzw. czołowe) także ciekną – przy normalnej pracy znacznie mniej niż sznurowe, ale wyciek jest. Przy cieczach krystalizujących i niebezpiecznych stosuje się uszczelnienia podwójne, przepłukiwane zewnętrznym strumieniem cieczy. Jest to ciekawe rozwiązanie, ale bardzo kosztowne (zarówno z uwagi na konieczność wyposażenia urządzenia w dwa zestawy uszczelniające, jak również przez ciągłe dostarczanie cieczy roboczej).

Pompa perystaltyczna

W rozwiązaniu problemu wycieków (co jest zwłaszcza ważne przy cieczach szkodliwych i niebezpiecznych) może pomóc zastosowanie sprzęgła magnetycznego. Ta konstrukcja jest stuprocentowo szczelna, ale ma ograniczenie – nie można pompować cieczy z ciałami stałymi, a praca na sucho powoduje znacznie większe uszkodzenia niż w przypadku zastosowania uszczelnienia mechanicznego.

Innym rozwiązaniem jest konstrukcja zastosowana przez francuską firmę Mouvex. Element roboczy nie wiruje, ale oscyluje, co umożliwia zamknięcie go w szczelnej gumowej tulei. Ponieważ nie ma ruchu obrotowego, uszczelnienia (zamknięcia) są statyczne, czyli nie następuje wyciek.

Amerykańska firma Blackmer rozszerzyła funkcjonalność tych pomp, zastępując gumową tuleję mieszkiem wykonanym w całości ze stali kwasoodpornej.

Praca na sucho

Wspomniane wcześniej uszczelnienia wymagają stałego smarowania/chłodzenia. Dlatego praca na sucho szybko niszczy uszczelnienie. W wielu pompach występuje także tarcie elementów roboczych (np. koła zębate w pompach zębatych lub zespół stator/rotor w pompie śrubowej), co dodatkowo wymaga chłodzenia cieczą roboczą.

W pompach z oscylującym tłokiem tłok nie trze o cylinder, ale się po nim toczy, dzięki czemu nie jest wymagane smarowanie, gdyż nie wzrasta temperatura.

Samozasysanie

Określenie często nadużywane przez dostawców pomp. Aby jednoznacznie wypowiedzieć się na temat konkretnego modelu pompy, proponuję rozgraniczenie:

pompa samozasysająca na sucho, czyli taka, która może być zainstalowana nad zbiornikiem z cieczą i po jej uruchomieniu (przy pustym rurociągu ssawnym) sama opróżni rurociąg z powietrza i skutecznie zassie ciecz. Do tego rodzaju należą np. pompy perystaltyczne, dwumembranowe napędzane sprężonym powietrzem, z oscylującym tłokiem.
pompa samozasysająca na mokro, która przed uruchomieniem musi zostać zalana cieczą (a także rurociąg ssawny), np. krzywkowa.

Na temat pomp zębatych trwają zażarte dyskusje. Wielu użytkowników twierdzi, że są samozasysające na mokro, ale wielu używa ich jako samozasysających na sucho. Tę niby-zagadkę mogą rozwiązać dodatkowe rozważania: pompa zębata (nawet bez cieczy) zawsze ma pozostałości medium z poprzedniego pompowania, w rzeczywistości nie jest więc sucha. Należy zastanowić się, jak wycierają się zęby tej pompy w porównaniu z inną, która zawsze była zalewana. Czy nadal będzie mogła samozasysać „na sucho” po roku użytkowania?

Opróżnienie rurociągu

Niezwykle przydatną funkcją, niezbyt często spotykaną, jest możliwość opróżnienia rurociągu po zakończeniu pompowania. Ile produktu marnuje się w rurach, gdy rurociąg ssawny jest pusty, a nie ma jak opróżnić tłocznego. Zauważa się to zwłaszcza w instalacjach, gdzie pompowane medium jest drogie (np. farmacja, kosmetyki).

Pompy perystaltyczne, dwumembranowe i z oscylującym tłokiem po zakończeniu pompowania pracują jak swoiste kompresory – przepychają powietrze, dzięki czemu opróżniają rurociąg tłoczny i minimalizują pozostałości.

Dlatego zachęcam osoby podejmujące decyzję o zakupie pomp, aby zwracały uwagę nie tylko na koszt inwestycji, ale przyjrzały się także późniejszej eksploatacji i obsłudze urządzeń. Doświadczenie pracowników działu utrzymania ruchu to jeden z najważniejszych elementów, które należy uwzględnić podczas doboru urządzeń.

Więcej informacji na www.pompy.pl

Andrzej G. Baciński, absolwent Politechniki Warszawskiej Wydziału Inżynierii Środowiska, jest prezesem firmy POMPY i SYSTEMY sp. z o.o. Firma zajmuje się doborem i sprzedażą pomp do różnych zastosowań, w tym pomp do cieczy, gazów i materiałów sypkich.