PIESTOVÉ ČERPADLÁ - EFEKTÍVNY ZDROJ VYSOKÉHO TLAKU
Vysokotlakové piestové čerpadlá majú širokospektrálne a početné 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 2600 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. Vzhľadom na tieto aplikácie je pri takýchto moderných strojoch a zariadeniach čoraz dôležitejšou požiadavkou energetická účinnosť piestových čerpadiel.
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 historický fenomén. Vyrábajú sa štvor-piestové, aj päťpiestové čerpadlá. V konštrukcii čerpadiel sa však v súčasnosti už 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. Dnes sú dosahované maximálne pracovné tlaky 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.
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 a 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 takmer 40 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. 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 piestových 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 piestové agregáty
Na obrábanie materiálov tlakovou vodou vyrába 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.
Zvyšujúca sa kvalita konštrukcie a materiálov zariadení (používajú sa napr. kombinované tesnenia z PTFE, keramické povlaky piestov s kvalitou povrchu pod 0,2 m 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.
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. 3). Výhodou je nezávislosť od elektrickej siete (dostupnosť a veľký výkon) a jednoduchá regulácia pracovných parametrov.
Porovnanie konštrukcie multiplikátorov a piestových čerpadiel
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 piestovými čerpadlami je skutočnosť, že sú veľmi účinné. Ich účinnosť dosahuje až 95 % pri premene elektrickej energie (naproti tomu hydraulické multiplikátory dosahujú účinnosť len 65 - 72 %), takže výrazne šetria náklady na elektrickú energiu.
Prečo sú piestové čerpadlá tak efektívne:
- konštrukcia piestových čerpadiel je vysoko prepracovaná,
- majú tiež vysokú objemovú účinnosť,
- prietok možno reguľovať nezávisle na tlaku,
- majú konštatnú vysokú účinnosť v rámci celého rozsahu dodávaného množstva kvapaliny,
- takmer konštantná účinnosť v celom rozsahu tlaku,
- prirodzenú vysokú energetickú účinnosť v celom rozsahu dodávky (tlak/množstvo).
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 komponen-tov. 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 - 1200 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.
Energetická účinnosť čerpadiel
Investície do výskumu v oblasti zvyšovania energetickej účinnosti piestových čerpadiel sú efektívne. Energetická účinnosť sa stáva čoraz dôležitejšou požiadavkou aj pre moderné hydraulické stroje a zariadenia. Preto je výskum zameraný na maximalizáciu hydraulickej účinnosti piestových čerpadiel a zabránenie vzniku strát energie napr. nadmernými presakmi, stratami kvapaliny, či nevhodnými regulačnými a ovládacími prvkami.
Náklady na energiu a tým súvisiace prevádzkové náklady sú najmä u odstredivých čerpadiel (obr. 4) veľmi významné. Preto sa výrobcovia odstredivých čerpadiel intenzívne snažia optimalizovať konštrukcie odstredivých čerpadiel a celého sústrojenstva.
Z tohto pohľadu potom vysoká účinnosť piestových čerpadiel predstavuje významnú konkurenčnú výhodu.
Aký je ďalší postup a cieľ pri zefektívňovaní konštrukcií piestových čerpadiel ?
Cieľom je:
- skvalitnenie konštrukcií využitím moderných energeticky efektívnych pohonov, tzv. Energy - Efficient systémy,
- optimalizovať konštrukciu čerpadiel, napríklad - znižovaním strát v dôsledku vnútorného trenia,
- minimalizovať škodlivé priestory čerpadiel,
- individuálne riešenie zariadení pre konkrétne prevádzkové parametre a konkrétne prevádzkové podmienky,
- vytvorenie dlhodobo ekonomických konštrukcií čerpadiel.
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,
prepracovaná údržba a diagnostika piestových čerpadiel zabraňuje neočakávaným prestojom a výpadkom čerpadiel,
piestové čerpadlá majú na vstupe integrovaný prevod do pomala, čím majú nízku strednú rýchlosť pohybu piestu, čo zabezpečuje rovnomernosť a stabilitu chodu čerpadiel,
nízka stredná rýchlosť pohybu piestov znamená nižšie opotrebenie a nižšie prevádzkové náklady,
jednoduchá implantácia piestových čerpadiel do pracovných jednotiek s dieselovým pohonom.
Vzhľadom na vyššie uvedené výhody a na ich konštrukčnú jednoduchosť majú piestové čerpadlá čoraz väčšiu odozvu a širšie aplikačné spektrum v priemysle. Konštrukcie piestových čerpadiel sú vysoko sofistikované a prepracované. Dokážu dlhodobo a spoľahlivo generovať vysoký pracovný tlak pri akceptovateľných prevádzkových nákladoch (obr. 5).
Text: Ing. Zdenko KRAJNÝ, PhD.,
AQUACLEAN, s. r. o.
Hlaváčikova 16
841 05 Bratislava
www. aquaclean.sk
aquaclean@netax.sk
Pridať komentár
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax