Facebook

Pompy do pracy w trudnych warunkach

SI_05_2012Wybór napędu pompy do ścieków uzależniony jest od warunków środowiskowych pracy systemu, ponieważ determinują one sposób chłodzenia silnika elektrycznego. Dla systemów suchych silnik chłodzony jest wentylatorem umieszczonym na wale napędu. Dla systemów mokrych lub zagrożonych zalaniem nie jest możliwe stosowanie wentylatora, ponieważ podczas pracy w zatopieniu pracowałby on jako pompa – zużywając bardzo dużą ilość energii. Z tego powodu w silnikach o stopniu ochrony IP68 ciepło oddawane jest poprzez ścianki do otaczającej cieczy, a w przypadku pracy w pompowniach suchych należy zastosować dodatkowy układ chłodzenia. W artykule pokazano różne konstrukcje tego typu urządzeń oraz rozwiązanie opracowane przez firmę Hydro-Vacuum.

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem napędu o stopniu ochrony IP68 są silniki zatapialne. Warunkiem prawidłowej pracy tego rodzaju silników jest ich całkowite lub co najmniej częściowe zanurzenie w cieczy. Ciepło przekazywane jest na skutek konwekcji swobodnej poprzez ściany stykające się z otaczającym płynem.

Montaż pomp zatapialnych FZ w przepompowni ścieków

Montaż pomp zatapialnych FZ w przepompowni ścieków

Napędy zatapialne

Praca w zanurzeniu w systemach odprowadzenia ścieków komunalnych wymaga pozostawienia w zbiorniku przepompowni pewnej ilości fekaliów, które z czasem zagniwają, powodując uciążliwe efekty środowiskowe w postaci odoru. Z tego powodu zakres stosowania napędów wymagających zanurzenia ogranicza się do przydomowych przepompowni ścieków o małej kubaturze zbiornika, przepompowni wód deszczowych oraz niektórych pompowni ścieków miejskich.

Przekrój pompy zatapialnej FZB. 2 firmy Hydro-Vacuum

Przekrój pompy zatapialnej FZB. 2 firmy Hydro-Vacuum

W celu zabezpieczenia uzwojeń silnika przed zawilgoceniem na skutek awarii uszczelnienia mechanicznego, w pompach zatapialnych stosuje się komorę olejową z zabudowanym podwójnym uszczelnieniem mechanicznym (kompaktowym) lub dwoma uszczelnieniami standardowej budowy ustawionymi w systemie tandem. Zabudowa podwójnego uszczelnienia czołowego w komorze olejowej nieco skraca wał pompy, ale jest kosztowna w przypadku awarii, ponieważ niezbędna jest wymiana całego pakietu. Zabudowa dwóch uszczelnień w tandemie jest tańszym rozwiązaniem dla eksploatatora, ponieważ podczas awarii niezbędna jest wymiana tylko uszkodzonej pary ciernej. Należy również pamiętać, że tylko dolne uszczelnienie ma kontakt ze ściekami, natomiast drugie pracuje w otoczeniu oleju co sprawia, że rzadko dochodzi do jego uszkodzenia.
W celu monitorowania stanu uszczelnień i niedopuszczenia do zawilgocenia uzwojeń silnika dodatkowo stosuje się czujniki. Podstawowym rozwiązaniem jest czujnik montowany w komorze silnika, który w przypadku wystąpienia przecieku wysyła sygnał do układu sterowania, co powoduje odłączenie zasilania. Alternatywnym rozwiązaniem jest czujnik obecności wody w komorze olejowej. Podczas stosowania tego rozwiązania należy jednak pamiętać, że w trakcie eksploatacji do komory olejowej zawsze będzie przedostawać się pompowana ciecz ze względu na jej odparowywanie na styku pary ciernej uszczelnienia, dlatego wskazania tego czujnika nie powinny być traktowane jako stan awaryjny, ale jako stan alarmowy. W przypadku wykazania obecności wody w komorze olejowej należy w pierwszej kolejności wymienić olej. Jeśli natomiast sytuacja powtórzy się po krótkim czasie eksploatacji, będzie to wskazywać na awarię.

Pompa FZB. 7  firmy Hydro-Vacuum z silnikiem  w płaszczu

Pompa FZB. 7 firmy Hydro-Vacuum z silnikiem w płaszczu

Napędy do pracy w pompowniach suchych z zewnętrznym układem chłodzenia

Niedogodności związane z koniecznością pozostawienia w zbiorniku pompowni cieczy niezbędnej do odbioru ciepła z silników zatapialnych oraz utrudniony dostęp do pompy, spowodowały rozwój nowych konstrukcji napędów pomp o stopniu ochrony IP68 ale dostosowanych do pracy suchej.

Pompa FZB. 3  firmy Hydro-Vacuum z silnikiem chłodzonym  pompowanym medium

Pompa FZB. 3 firmy Hydro-Vacuum z silnikiem chłodzonym pompowanym medium

W przypadku głównych przepompowni miejskich, bardzo istotna jest pewność ruchowa pompowni w każdych warunkach, nawet w stanach klęski żywiołowej czy awarii systemu. Dlatego wykluczone jest stosowanie silników wentylatorowych na poziomie pompowni zagrożonych zalaniem. Powoduje to, że stosowane są pompy wałowe, które bardzo podwyższają koszt inwestycyjny pompowni, lub standardowe silniki zatapialne zabudowywane w płaszcze chłodzenia.
Do płaszcza doprowadzony jest zimny czynnik chłodzący, najczęściej olej lub mieszanina wody z glikolem. Ruch cieczy w układzie wymusza dodatkowa pompa obiegowa, która przetłacza ciecz wzdłuż korpusu silnika, a następnie ogrzany czynnik kierowany jest do chłodnicy wentylatorowej celem wystudzenia. Wadą tego rozwiązania jest konieczność budowy zewnętrznego systemu chłodzenia (pompa, chłodnica, wentylator, przewody) wraz z układem sterowania. Dodatkowo należy również pamiętać o zabezpieczeniu chłodnicy wentylatorowej przed zalaniem poprzez odpowiednio wysokie jej posadowienie.

 Pompa FZC. 6  produkcji Hydro-Vacuum z silnikiem z wewnętrznym  układem chłodzenia


Pompa FZC. 6 produkcji Hydro-Vacuum z silnikiem z wewnętrznym układem chłodzenia

Napędy do pracy w pompowniach suchych z układem chłodzenia pompowaną cieczą

Napędem w płaszczu, który nie wymaga budowy zewnętrznego układu chłodzenia, jest silnik chłodzony pompowanym medium. Do wytworzenia ciśnienia wprawiającego w ruch ciecz w układzie nie jest potrzebna dodatkowa pompa obiegowa, ponieważ wykorzystywane jest ciśnienie generowane w pompie. Chłodna ciecz wtłaczana jest do płaszcza przewodami ciśnieniowymi, a następnie po ogrzaniu spływa w okolice piasty wirnika, gdzie panuje niskie ciśnienie. Chłodzenie cieczy odbywa się na skutek mieszania z pompowanym medium.
Chłodzenie silnika pompowanym medium wiąże się jednak z dwoma poważnymi niedogodnościami. W płaszczu chłodzenia panuje ciśnienie równe ciśnieniu roboczemu pompy, co może prowadzić do rozszczelnień układu, a w skrajnych przypadkach przyczynia się do pęknięć płaszcza chłodzenia. W układach transportu ścieków komunalnych pompowana ciecz zawiera dużą ilość szlamów, tłuszczów i sporą objętość cząstek stałych. Mimo, że ciecz do systemu chłodzenia pobierana jest zza tylnej tarczy wirnika, co powoduje, że jest wstępnie podczyszczana, to jednak nie gwarantuje to nieprzedostawania się zanieczyszczeń do płaszcza silnika. Po dłuższym okresie eksploatacji w wyniku zjawiska sedymentacji w płaszczu odkłada się znaczna ilość osadu. Powoduje to zarastanie kanałów przepływowych oraz ścian płaszcza i korpusu silnika, co skutkuje zmniejszeniem ilości cieczy przepływającej w układzie oraz zmniejsza współczynnik przenikania i odbioru ciepła z silnika. Z tego powodu pogarszają się warunki odbioru ciepła ze stojana silnika, prowadząc do jego przegrzewania, a w skrajnych przypadkach uszkodzenia.
Silniki chłodzone tłoczonymi ściekami znalazły zastosowanie między innymi w suchych tłoczniach ścieków z separacją ciał stałych, które montowane są na terenach podmokłych lub zalewowych, oraz w niektórych przepompowniach miejskich.

Rozkład przepływu w wewnętrznym układzie chłodzenia

Rozkład przepływu w wewnętrznym układzie chłodzenia

Napędy do pracy w pompowniach suchych z wewnętrznym układem chłodzenia

Najbardziej innowacyjnym napędem pomp o stopniu ochrony IP68 przystosowanym do pracy suchej, w którym wyeliminowano wady prezentowanych wcześ-niej rozwiązań, jest napęd z wewnętrznym układem chłodzenia.
Ruch cieczy w obiegu wewnętrznym wymusza osadzony na wale dodatkowy wirnik obiegowy. Chłodziwem odbierającym ciepło od korpusu silnika może być mieszanina glikolu z wodą lub olej wazelinowy. Podgrzana ciecz pompowana jest wzdłuż ściany rozgraniczającej układ wewnętrzny od komory roboczej pompy. Ciecz oddaje ciepło do omywanej ściany, przez którą przenika ono do tłoczonego przez pompę medium, a następnie kierowana jest z powrotem do płaszcza.
Intensywność wymiany ciepła do pompowanego medium jest zależna od kwadratu prędkości omywania chłodnej ściany przez ciecz. W celu zwiększenia strumienia ciepła niezbędne jest więc zwiększenie wydajności cieczy tłoczonej w układzie. Większość dostępnych na rynku napędów została zbudowana na podstawie prezentowanych we wcześniejszym rozdziale napędów w płaszczach. Wadą tych rozwiązań jest dostarczanie cieczy chłodzącej wąskimi przewodami, co bardzo zwiększa straty przepływu i powoduje konieczność stosowania energochłonnych wirników odśrodkowych. Duża energochłonność odśrodkowych wirników obiegowych powoduje obniżenie całkowitej sprawności agregatu, wpływając na wzrost kosztów energii pompowania.

Pompa FZC. 6 z silnikiem z wewnętrznym układem chłodzenia produkcji Hydro-Vacuum

Pompa FZC. 6 z silnikiem z wewnętrznym układem chłodzenia produkcji Hydro-Vacuum

Napęd firmy Hydro-Vacuum

Inżynierowie Działu Badawczo-Rozwojowego Hydro-Vacuum opracowali innowacyjny napęd, w którym dzięki wykorzystaniu metod obliczeń numerycznych CFD zoptymalizowano kształt i przepływ w układzie wewnętrznym. Optymalizacja miała na celu intensyfikację wymiany ciepła przy zachowaniu małej wydajności i strat w obiegu wewnętrznym. W efekcie tych prac skonstruowano innowacyjny układ chłodzenia, w którym przy minimalnym wydatku energetycznym zachowane są wymagane warunki chłodzenia silnika. Przykładowo: dla silnika o mocy 55 kW opracowano układ, który zapewnia chłodzenie wewnętrzne przy użyciu wirnika o poborze mocy nieprzekraczającym 150 W. A zatem ostateczna sprawność agregatu z tym układem chłodzenia zmniejszała się zaledwie o 0,3%, co jest wartością niezauważalną dla użytkownika.

Stan cieplny  silnika o mocy  55 kW  po 8 godzinach  pracy ciągłej  w pełnym obciążeniu

Stan cieplny silnika o mocy 55 kW po 8 godzinach pracy ciągłej w pełnym obciążeniu

Wdrażane napędy, oprócz standardowych badań, poddawane były również pomiarom z użyciem kamery termowizyjnej i czujników PT100. Próby prowadzone były przy pełnym obciążeniu dla temperatury pompowanej cieczy 30OC, podczas pracy ciągłej. Na podstawie prób stwierdzono, że stan cieplny silnika ustabilizował się po około 6 godzinach ciągłej pracy. Temperatura zewnętrznych ścian płaszcza silnika była wyższa od temperatury pompowanej cieczy o około 25OC i wyniosła w przybliżenia 55OC. Najwyższą temperaturę odnotowano w uzwojeniach silnika i wyniosła ona 93OC. Należy jednak podkreślić, że temperatura przy której czujnik bimetaliczny w stojanie silnika odłączy zasilanie wynosi 140OC, a zatem dla zadanych parametrów pracy występuje wysoki zapas bezpieczeństwa.
Pompy FZ z wdrażanymi silnikami o mocach od 1,1 do 160 kW o stopniu ochrony IP68 będą mogły pracować w suchych przepompowniach ścieków, przepompowniach okresowo zalewanych wodami gruntowymi oraz stosowane będą w tłoczniach z separacją ciał stałych montowanych na terenach podmokłych.

Tłocznia TSA  z pompami FZB. 3 o stopniu ochrony IP68 do pracy  w środowisku  suchym produkcji Hydro-Vacuum

Tłocznia TSA z pompami FZB. 3 o stopniu ochrony IP68 do pracy w środowisku suchym produkcji Hydro-Vacuum

Podsumowanie

Wybór napędu pomp do ścieków zależy od warunków środowiskowych pracy pompowni. Dla pompowni mokrych stosowane są napędy bez dodatkowych układów chłodzenia, co powoduje konieczność pozostawienia w zbiorniku pewnej ilości cieczy. Alternatywą dla tego rozwiązania jest coraz to szersza gama napędów dostosowanych do pracy zarówno w środowisku suchym jak i mokrym. Spośród dostępnych rozwiązań jako najbezpieczniejsze i niewymagające budowy dodatkowych instalacji należy uznać napędy z wewnętrznymi układami chłodzenia.

Na podstawie artykułu
M. Janczak, W. Plutecki
„Napędy pomp o stopniu ochrony IP68”
Opracował Paweł Jurczyk
główny specjalista
ds. marketingu Hydro-Vacuum

Aktualności

Notowania GISI

Wyniki GUS

Archiwum

Systemy Instalacyjne

Śledź nas