PIESTOVÉ ČERPADLÁ - Efektívny zdroj vysokého tlaku s účinnosťou až η=95 %

Piestové čerpadlá majú širokospektrálne uplatnenie v technickej praxi. Používajú sa v chemickom priemysle ako procesné čerpadlá na dopravu najrozličnejších látok pri vysokých tlakoch, teplotách a veľkých generovaných množstvách médií s výkonom až 2 600 kW. Špecifickými sú aplikácie piestových čerpadiel 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. Piestové čerpadlá sa uplatňujú aj v oblasti generovania vysokotlakového vodného lúča pre aplikácie čistenia a rezania materiálov vysokorýchlostným vodným lúčom.

Prečo piestové čerpadlá?
Konštrukcia piestových čerpadiel sa neustále zlepšuje a taktiež pracovné parametre piestových čerpadiel sa neustále zvyšujú, najmä vďaka novým konštrukčným materiálom. Súčasné svetové maximum v konštrukcii piestových čerpadiel už presahuje tlak 350 MPa. Ešte donedávna nepredstaviteľné je už skutočnosťou. Rovnako bol prekonaný daľší fenomén. Vyrábajú sa štvor-piestové, aj päťpiestové čerpadlá. V konštrukcii čerpadiel sa však v súčasnosti používa až sedem piestov.
Piestové čerpadlá sa v súčasnosti používajú najmä na dopravu najrozličnejších látok, napr.: riedkych - pastóznych, alkalických - kyslých, neutrálnych - toxických, čistých - abrazívnych, tzv. sllury. Dopravované množstvá materiálu sa pohybujú až do 5000 l/min. Teplota prepravovaných médií sa môže pohybovať až do + 400 °C. Súčasné dosahované maximálne pracovné tlaky sú až 380 MPa, t.j. 3 800 bar, resp. 55 000 PSI (obr. 10). Pri vyššie uvedených parametroch dosahujú piestové čerpadlá už vyššie uvedený hydraulický výkon 2 600 kW.
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 tiež aj daľších prvkov a komponentov, ako sú poistné a regulačné ventily a pod.
Súčasná doba je charakteristická množstvom aplikácií a využívaním špeciálnych a ťažko obrobiteľných materiálov tak v strojárenskom, ako aj v stavebnom priemysle. Pre efektívne, ekologické a rýchle spracovanie takýchto materiálov sú potrebné vhodné technológie. Dnes, na prahu tretieho tisícročia, máme možnosť pozorovať doslova explóziu nových technológií, ktoré zasahujú do najrôznejších oblastí nášho života. Na obrábanie špeciálnych materiálov sa s výhodou aplikujú tzv. nekonvenčné technológie, ktoré pracujú na odlišných princípoch ako klasické metódy, najmä trieskového obrábania. Nekonvenčné technológie využívajú na úber materiálu najmä elektrotepelný, elektrochemický, chemický a mechanický princíp. Spomedzi technológií využívajúcich mechanický princíp najväčší komerčný úspech dosahuje technológia obrábania vysokotlakovým vodným lúčom. Obrábanie vodným lúčom (WJM - Water Jet Machining) vzhľadom na svoje neoceniteľné vlastnosti patrí medzi najpreferovanejšie a najrozšírenejšie nekonvenčné technológie pracujúce na mechanickom (erozívnom) princípe. Rozsah aplikácií tejto technológie je obzvlášť rozsiahly [1].
Právom sa táto technológia označuje ako „obrábanie vodným lúčom", lebo sa využíva na najrozličnejšie operácie ako je rezanie vodným lúčom, čistenie vodným lúčom a iné, napr. sústruženie, frézovanie, vŕtanie, hydrodemolácie.
Vzhľadom na potrebu realizácie takéhoto širokého spektra technologických operácií - vyžadujúcich si rôzne technologické parametre - je potrebné adekvátne technické zabezpečenie, t.j. vysokovýkonové generátory vysokého tlaku kvapaliny najčastejšie vody.

Ako generátory vysokého tlaku sa pre aplikácie WJM najčastejšie používajú najmä zosilňovače tlaku - hydraulický multiplikátor a piestové čerpadlá s priamym pohonom kľukového hriadeľa.
Konštrukcia vysokotlakových zariadení na obrábanie vysokotlakovým vodným lúčom je ovplyvnená aj ich účelom a aplikáciou. Technické možnosti, vhodnosť použitia a výhody jednotlivých konštrukčných riešení a ich porovnanie sú uvedené ďalej.

Konštrukcia generátorov vysokého tlaku pre WJM aplikácie

Od prvých priemyselných aplikácií rezania materiálov (r. 1970) uplynulo už viac ako 30 rokov. Za tento pomerne krátky čas sa počet aplikácií WJM výrazne zvýšil a bezpochyby dosiahol významný podiel takmer vo všetkých priemyselných odvetviach. Využitie technológie vysokotlakového vodného lúča už nie je len „exotickým spestrením či doplnkovou technológiou" klasických - mechanických spôsobov obrábania. Možno povedať, že vzhľadom na počet aplikácií patrí medzi plnohodnotné technologické postupy využiteľné pri obrábaní najrozličnejších materiálov takmer vo všetkých oblastiach ľudského života. Technológia vysokotlakového vodného lúča sa presadila najmä vďaka svojím prednostiam a výhodám, ktoré poskytuje oproti iným „konkurenčným" technológiám.

Treba zdôrazniť, že sa presadila aj vďaka výrazne vylepšenej konštrukcii vysokotlakových zariadení a ich komplexnosti.
Extrémny nárast pracovného tlaku zariadení, široká variabilita pracovných parametrov, a tým vysoká univerzálnosť zariadení umožňuje prenik do mnohých, neraz aj špecifických oblastí použitia, napr. do medicíny.
Generátory vysokého tlaku s nižším konštrukčným prietokom sa nazývajú hydraulické multiplikátory. Pracujú na princípe hydraulického zosilňovača tlaku. Nevýhodou týchto systémov je však relatívne „nízke" množstvo dodávanej kvapaliny. Principiálna hydraulická schéma zariadenia s multiplikátorom je konštrukčne jednoduchá. Pri rezaní materiálov vodným lúčom sa bežne používa pracovný tlak 400 MPa pri prietoku vody do 10 l/min. Paralelným zaradením multiplikátorov (tvoria sa systémy Dual, Triple až Kvatro) možno pri výrazne väčšom príkone 75 kW dosiahnuť prietoky až 7,6 l/min. (p. obr. 3). Súčasný svetový štandard sa pohybuje už na hranici 620 MPa (90.000 PSI) s dodávaným množstvom tlakovej kvapaliny až 5,5 l/min pri výkone až 93 kW [2].
Na generovanie vysokých tlakov na čistenie a rezanie sa používajú zariadenia (obr. 1) na báze trojpiestových hydrogenerátorov (čerpadiel). Bežné pracovné tlaky sú na úrovni 320 MPa pri hydraulickom výkone až 180 kW. [3] Súčasné svetové maximum z hľadiska týchto vysokotlakových zariadení je 3800 bar, t.j. 380 MPa [4].
Takéto zariadenia už môžu úspešne konkurovať klasickým systémom na báze multiplikátorov. Samozrejme, v oblastiach ako stavebníctvo, kde treba používať systémy outdoor (čiže stroj dopravovať k delenému materiálu) a vyžaduje sa nezávislý pohon, získavajú tieto systémy prednosť. Vzhľadom na vyššie prietoky sú predurčené na delenie veľmi hrubých, pevných materiálov, aké sa používajú najmä v stavebníctve, a to aj pri podstatne väčších rezných rýchlostiach. Samozrejme, uvedené platí aj pre čistenie vysokotlakovým vodným lúčom, lebo systémy s multiplikátormi sa vzhľadom na malý prietok bežne nepoužívajú na aplikácie čistenia.

Vysokotlakové trojpiestové agregáty

Na obrábanie materiálov tlakovou vodou vyrába nemecká firma URACA zariadenia s pracovnými tlakmi pre dlhodobú prevádzku do 320 MPa, a to pri dodávanom množstve vody až 38,5 l/min., kde hydraulický výkon zariadenia dosahuje viac ako 180 kW. Uvedené zariadenia firmy URACA Pumpenfabrik GmbH & Co.KG. sa s výhodou využívajú na sanáciu betónov, odstraňovanie náterov a pri použití abrazíva tiež na tzv. mokré pieskovanie, ako aj na rezanie ocele, nerezových materiálov, betónu, žuly, mramoru, čiže aj v stavebníctve, kamenárskom priemysle a pod.
Konštrukcia vysokotlakového trojpiestového čerpadla s integrovaným prevodom do pomala zaručuje nižšie stredné rýchlosti piesta, t.j. vyššiu životnosť tesnení a piestov.

Vysokotlaký agregát s pohonným elektromerom


Zvyšujúca sa kvalita konštrukcie a materiálov zariadení (používajú sa napr. kombinované tesnenia z PTFE, keramické povlaky piestov s kvalitou povrchu pod 0,2 mm a tvrdokovové sedlá ventilov; na zabezpečenie dostatočnej kvality vody sa priamo na čerpadlách používajú tzv. spätné preplachovacie filtre s kovovou mriežkou a systémom indikácie zanesenia filtrov na zabránenie chodu naprázdno a následnej kavitácii čerpadla) umožňuje bezpečnú a dlhodobú prácu trojpiestových čerpadiel s extrémne vysokými pracovnými tlakmi.

Mobilný agregát URACA typ JET POWER s pracovným tlakom 280 MPa

V dôsledku vysokých pracovných tlakov a extrémneho zaťaženia treba pri exploatácii počítať aj s určitým opotrebením a spotrebou materiálu, najmä toho, ktorý podlieha nadmernému a vysokému stupňu opotrebenia, ako sú napr. vodné či abrazívne trysky. Súčasné vysokotlakové zariadenia pracujú s kontinuálnym lúčom, ktorý je charakteristický stálou energetickou hladinou počas rezania. Z toho dôvodu treba na fixné uchytenie obrobku relatívne nízke upínacie sily. Veľakrát postačuje iba vlastná hmotnosť výrobku.
Pre aplikácie v exteriéri (tzv. outdoor aplikácie) sa tieto vysokotlakové zariadenia vyrábajú s pohonným dieselovým motorom (obr. 2). Výhodou je nezávislosť od elektrickej siete (dostupnosť a veľký výkon) a jednoduchá regulácia pracovných parametrov.

Zariadenia s multiplikátorom

Elektromotor poháňa hydrostatické čerpadlo, ktoré dodáva hydraulickú kvapalinu do hydraulického obvodu. Rozvádzač vedie kvapalinu striedavo do oboch nízkotlakových sekcií multiplikátora. Pri pohybe piesta multiplikátora vpravo je nasávaná kvapalina do ľavého priestoru vysokotlakovej časti multiplikátora. Kvapalina je pred vstupom do multiplikátora vedená cez filter. Pri pohybe piesta multiplikátora vľavo sa uzavrie sací ventil a otvorí sa výtlačný ventil, ktorým je teraz vedená vysokotlaková kvapalina do akumulátora, a potom do dýzy (rezacej trysky). Úlohou akumulátora v obvode je vyrovnávať tlakové pulzácie vznikajúce pri zmene orientácie pohybu piesta. Pri pohybe piesta vľavo je kvapalina nasávaná do pravého priestoru vysokotlakovej časti multiplikátora a cyklus sa opakuje.

Schéma zariadenia na rezanie AWJC


Generátor vysokého tlaku s multiplikátorom je kompaktné zariadenie s prepracovaným designom obsahujúce všetky potrebné komponenty pre komfortnú prevádzku (obr. 4).
Zariadenia s multiplikátorom sa používajú prevažne na rezanie vysokotlakovým (vysokorýchlostným) vodným lúčom. Od roku 1980 sa používajú nielen na rezanie čistým, ale aj abrazívnym vodným lúčom.

Vysokotlakové zariadenie na rezanie AWJC



Porovnanie konštrukcie multiplikátora a piestových čerpadiel pre aplikácie WJM
Používanie vysokokvalitných konštrukčných materiálov umožňuje zvyšovať parametre zariadení na generovanie vysokotlakového vodného lúča. V súčasnosti zariadenia s multiplikátorom prekročili hranicu 620 MPa a zariadenia s piestovými čerpadlami atakujú hranicu 400 MPa. Ešte pred pár rokmi bolo dosiahnutie takýchto extrémne vysokých tlakov iba snom. Tlaková hranica sa neustále zvyšuje, čím sa otvárajú nové možnosti v aplikáciách technológie WJM.
Principiálne možno povedať, že na rezanie materiálov treba vyššie tlaky a menšie prietokové množstvá a na čistenie nižšie tlaky a väčšie množstvá technologickej kvapaliny. Vzhľadom na to, že požiadavky na rýchlosť a kvalitu obrábania materiálov neustále rastú, dochádza k prelínaniu technologických parametrov generovaných zariadeniami na rezanie a čistenie vodným lúčom, hoci oba druhy zariadení pracujú na odlišných princípoch generovania vysokých tlakov. Dominantnú úlohu pritom hrá množstvo dodávanej kvapaliny, najmä z pohľadu možnosti odtransportovania odobratého materiálu z miesta rezu a výkonu obrábania.
Snáď najväčšou výhodou agregátov a zariadení s trojpiestovými čerpadlami je skutočnosť, že sú veľmi účinné. Ich účinnosť dosahuje až 95 % pri premene elektrickej energie, takže sa výrazne šetria náklady na elektrickú energiu.

Prednosti a typické vlastnosti piestových čerpadiel sú nasledovné:

· energetická účinnosť piestových čerpadiel je až 95% - z toho vyplýva nižšia spotreba a úspora energie,

· možnosť využitia priameho pohonu čerpadla z pohonného motora (elektro alebo diesel),

· piestové čerpadlá s priamym pohonom zvyčajne generujú max. konštantný pracovný tlak,

· možnosť použitia nielen troch pracovných piestov (najčastejšia koncepcia), ale aj štvor-, päť-, šesť- alebo až sedempiestových čerpadiel,

· rovnomernejšia dodávka kvapaliny zabezpečuje stabilný tlak v tryske, výsledkom čoho sú hladké a konzistentné rezy (obr. 5),

· prepracovaná údržba a diagnostika piestových čerpadiel zabraňuje neočakávaným prestojom a výpadku čerpadiel,

· piestové čerpadlá majú na vstupe integrovaný prevod do pomala, tým majú nízku strednú rýchlosť pohybu piestu, čo zabezpečuje rovnomernosť a stabilitu chodu čerpadla,

· nízka stredná rýchlosť pohybu piestov znamená nižšie opotrebenie a aj nižšie prevádzkové náklady,

· jednoduchá implantácia piestových čerpadiel do pracovných jednotiek s dieselovým pohonom.

Vzhľadom na vyššie uvedené výhody a na ich jednoduchosť majú piestové čerpadlá generujúce vysokotlakový vodný lúč čoraz väčšiu odozvu v priemysle.
Vysokotlakové zariadenia s hydraulickým multiplikátorom sú v porovnaní so zariadeniami s piestovým čerpadlom trochu zložitejšie. Zariadenia pozostávajú z dvoch samostatných hydraulických obvodov - vodný okruh a pohonný olejový okruh. Multiplikátor vzhľadom na vyššie pracovné tlaky využíva kvalitnejšie materiály a prepracovanejšiu konštrukciu. Pritom len malá netesnosť systému môže spôsobiť trvalé poškodenie komponentov. Vzhľadom na vyššie pracovné tlaky je systém náročnejší na kvalitu, čistotu a úpravu vody!
Z hľadiska údržby oboch typov generátorov vysokého tlaku je tu niekoľko rozdielov medzi čerpadlami s priamym pohonom a zosilňovačom tlaku.
Všeobecne platí, že zosilňovače tlaku sú menej náročné na údržbu. Stačí cca 45-min. údržba každých 400 - 1 200 prevádzkových hodín. Zato čerpadlá s priamym pohonom vyžadujú pravidelnú údržbu každých 200 až 600 hodín. To znamená, že užívatelia multiplikátorov vykonávajú údržbu menej často. Avšak, údržba čerpadiel je zvyčajne menej náročná na výkon, pretože neexistuje žiadny zložitý hydraulický systém. Vzhľadom na celkovú koncepciu a rozmery systému s priamym pohonom je zvyčajne aj ľahší prístup k jednotlivým komponentom.
Piesty multiplikátora vykonajú menej zdvihov za minútu ako piestové čerpadlá s priamym pohonom (70 - 90 zdvihov za min. versus 600 - 2 200 zdvihov za min).
Údržba obidvoch typov generátorov tlaku je pre personál jednoduchá, komponenty sú ľahké (o niečo jednoduchšia v prípade čerpadiel s priamym pohonom) a v podstate nie sú potrebné žiadne špeciálne nástroje.

Porovnanie multiplikátorov a piestových čerpadiel pre WJM
Ako je uvedené vyššie, existujú značné rozdiely medzi oboma typmi generátorov vysokého tlaku. Jednoznačné určenie a definovanie, ktorý systém je lepší, resp. vhodnejší vždy závisí od konkrétnej aplikácie, druhu obrábaného materiálu, sériovosti výroby a v neposlednom rade od konkrétneho zákazníka.
Všeobecne platí, že zásadný rozdiel medzi oboma generátormi je v dosiahnutí absolútnej hodnoty výšky pracovného tlaku a maximálnom množstve dodávanej pracovnej kvapaliny. Ako už bolo uvedené, hydraulický multiplikátor je schopný generovať vyššie pracovné tlaky ako piestové čerpadlá. Avšak piestové čerpadlá s priamym pohonom sú ideálne pre nižšie pracovné tlaky (súčasnosť cca 3800 bar, t.j. 55000 PSI) a vyššie množstvá dodávanej pracovnej látky.

Rozdiely medzi oboma generátormi vysokého tlaku sú nasledovné:

Prevádzkové náklady

- významný fakt je, že už nadobúdacie náklady systému s piestovými

čerpadlami sú nižšie ako pri generátoroch s multiplikátormi,

- vzhľadom na vysokú účinnosť piestových čerpadiel sú prevádzkové náklady na energie u piestových čerpadiel nižšie,

- multiplikátory si vyžadujú zvýšené náklady na chod chladiaceho systému zariadenia, čo zvyšuje jeho prevádzkové náklady,

- avšak systémy s multiplikátorom, ako už bolo uvedené, majú dlhší servisný interval, a tým nižšie náklady na ich prevádzku,

- piestové čerpadlá majú v praxi vyššiu strednú rýchlosť pohybu piestu (cca 0,75 m/s), zatiaľ čo multiplikátory len 0,15 m/s, čo je kľúčový rozdiel v intervaloch údržby medzi oboma typmi generátorov vysokého tlaku.

2. Redukcia šumu

- vzhľadom na fakt, že pri zariadeniach s piestovými čerpadlami nie je

hydraulický systém, sú spravidla tieto zariadenia tichšie ako

multiplikátory vysokého tlaku,

- avšak vzhľadom na celkovú stavbu celého zariadenia je jednoduchšie

u zariadení s multiplikátorom prijať opatrenia na elimináciu hluku, napr. odizolovaním skrine generátora vysokého tlaku.



3. Údržba zariadení

- vzhľadom na konštrukčné usporiadanie piestových čerpadiel je ich

údržba jednoduchšia a časovo menej náročná, pretože jednotlivé

komponenty sú ľahko dostupné,

- ako už bolo uvedené, multiplikátory nepotrebujú údržbu tak často,

keďže servisný interval je dlhší,

- piestové čerpadlá majú však výhodu - vo všeobecnosti sú jednoduchšie,

viac akceptované v praxi, ich rozšírenie a dôvera pracovníkov údržby je vyššia.



4. Hodnotenie efektívnosti prenosu energie oboch systémov - predstavuje najlepší spôsob hodnotenia a porovnania oboch generátorov

- piestové čerpadlá majú účinnosť prenosu a premeny energie cca 92 % - 95%,

- naproti tomu hydraulické multiplikátory dosahujú účinnosť len 65-72 %, čo je spôsobené tepelnými stratami, ktoré sú odvádzané chladičom v olejovom systéme,

- teda piestové čerpadlá majú až o cca 25 % efektívnejší prenos energie do samotného pracovného nástroja - do vysokoenergetického lúča kvapaliny, čo znamená, že piestové čerpadlá dodávajú o 25 % viac vody (pri rovnakom príkone) v dôsledku čoho bude pri použití rovnakej energie rezná rýchlosť pri oboch systémoch rovnaká, a to aj pri nižšom pracovnom tlaku piestových čerpadiel !!!



5. Variabilná a konštantná dodávka kvapaliny - zdvihový objem

- hydraulické multiplikátory pracujú ako variabilné objemové čerpadlá, to znamená, že generujú len toľko pracovnej kvapaliny, koľko sa spotrebuje, resp. „prejde" otvorom trysky - v dôsledku toho sa spotrebuje aj menej elektrickej energie,

- piestové čerpadlá sú čerpadlá s konštantným geometrickým objemom, t.j. vždy generujú rovnaký objem kvapaliny, preto voda, ktorá nie je spotrebovaná pri obrábaní, musí byť odvedená By-Passovým ventilom,

(zo začiatku to bola len paralelne umiestnená druhá tryska, cez ktorú bolo likvidované nadbytočne generované množstvo vody),

- súčasné moderné koncepcie generátorov vysokého tlaku s piestovými čerpadlami používajú kvalitné vysokotlakové kombinované regulačné, prepúšťacie a poistné ventily, ktoré okrem eliminácie prebytočnej energie umožňujú aj okamžitú zmenu pracovného tlaku,

- preto sa multiplikátory zvyčajne lepšie hodia na rezanie čistou vodou (malé priemery trysiek - malý odber vody) a piestové čerpadlá sa viac hodia pre systémy na abrazívne rezanie spotrebujúce viac vody.

Pulzácie multiplikátora a piestového čerpadla

Z hodnotenia oboch systémov generovania vysokého tlaku vyplýva, že oba systémy sú v súčasnosti vysoko sofistikované a prepracované. Dokážu dlhodobo a spoľahlivo generovať veľmi vysoký pracovný tlak pri akceptovateľných prevádzkových nákladoch.



Ing. Zdenko KRAJNÝ, PhD.,
AQUACLEAN, s. r. o.
Hlaváčikova 16
841 05 Bratislava
www. aquaclean.sk,
aquaclean@netax.sk,

Späť

Najčítanejšie

Skalár III OS – ultra přesné měření

Prvním krokem k úsporám teplé vody (TV) v domě, je nezbytné, co nejpřesněji změřit její spotřebu. Česká společnost ULITEP, spol. s.r.o., ve spolupráci se společností Hydrometer GmbH, představuje vlastní výrobek, měřicí sestavu Skalár III OS s přesností do 1 %. VIAC

ULITEP

Automatické kotle na pelety ATMOS představují moderní vytápění

Automatické kotle na pelety dnes přestavují moderní způsob vytápění rodinných domů a jiných objektů. Kotle určené pro topení peletami s hořáky na pelety ATMOS A25 nebo A45 mají hodně společného s topením zemním plynem nebo topným olejem. VIAC

ATMOS


Energeticky úsporné, teplé, cenovo dostupné  suché podlahové kúrenie
Zdravá, prírodná alternatíva podlahy v podobe keramickej dlažby CREATON so sebou prináša množstvo výhod: úspora energie, nízka váha - len 38,25 kg/m2, hrúbka dlažby len 2 cm, použiteľnosť už po 48 hodinách, rýchlosť pokládky, jednoduchý perodrážkový systém, ktorý môže realizovať iba jeden človek a dokonca laik. VIAC

FA-BRICK