Wstąpienie w 2004 r. Polski w struktury Unii Europejskiej spowodowało potrzebę przeprowadzenia wielomiliardowych inwestycji w infrastrukturę wodociągowo-kanalizacyjną. Zostało to spowodowane zwiększeniem wymagań jakościowych stanu środowiska, wynikającym z wprowadzenia unijnych standardów.
Bardzo ważną kwestią jest wyposażenie modernizowanych i nowopowstałych obiektów w nowoczesne, o niskiej energochłonności i małej awaryjności pompy i systemy przesyłu ścieków. Wdrażane przez producentów pomp najnowsze systemy wspomagania projektowania CAD/CAM i numeryczne metody obliczeniowe układów przepływowych CFX/CFD, umożliwiają znaczne skrócenie czasu i kosztów budowy prototypów, a dodatkowo dają możliwość wieloparametrowej optymalizacji nowych rozwiązań konstrukcyjnych. Priorytetowymi parametrami nowoprojektowanych pomp do ścieków jest uzyskanie niskiej energochłonności transportu cieczy, przy zachowaniu odpowiednio dużych swobodnych przelotów przez wirnik i spiralny kanał zbiorczy. Bardzo istotne jest również zachowanie funkcjonalności systemu w zmiennych warunkach pracy, zarówno w środowisku suchym, jak i mokrym, w niskiej, a także podwyższonej temperaturze pracy.
Biorąc pod uwagę fakt, że pompa jako element wymuszający ruch cieczy w układzie odprowadzenia ścieków, stanowi jego integralną składową, bardzo ważne jest zastosowanie niezawodnych i odpornych na zmienne warunki środowiskowe maszyn. W technice sanitarnej stosowane jest kilka rozwiązań konstrukcyjnych układów przepływowych pomp. Do transportu ścieków surowych zawierających elementy stałe i długowłókniste stosowane są: półotwarte wirniki typu vortex, jedno lub dwu-łopatowe wirniki kanałowe, wirniki z tarczą rozcierającą lub urządzeniem tnącym. Natomiast w transporcie ścieków podczyszczonych, tak jak ma to miejsce w zdobywających coraz to większą popularność tłoczniach ścieków z separacją ciał stałych lub przepompowniach komunalnych wyposażonych w kraty czyszczące, stosowane są wirniki kilku łopatowe, a dla pomp o dużych wydajności mogą być użyte wirniki klasycznej budowy z łopatką przestrzenną, gwarantujące użytkownikowi wysoką sprawność i dobre własności antykawitacyjne.
Wykorzystując najnowsze metody obliczeniowe z zakresu numerycznej mechaniki płynów (CFD) można łatwo zwizualizować rozkłady przepływu w wirnikach pomp i wyjaśnić przyczyny różnic sprawności poszczególnych typów stosowanych wirników.
Rys.1. Tory i prędkości cieczy [m/s] w pompie do ścieków i cieczy zanieczyszczonych
FZ.5 z wirnikiem typu: a) vortex, b) dwułopatowy, c) wielołopatowy
Najmniej sprawne pod względem energetycznym, ale zarazem najbardziej niezawodne w działaniu są wirniki typu vortex. Charakterystyczne dla tego typu wirników jest to, że duże elementy stałe i długowłókniste nie wpływają bezpośrednio do wirnika, lecz odrzucane są do spirali pompy na skutek siły odśrodkowej, przekazywanej do cieczy w palisadzie wirnika, co bardzo silnie ogranicza ryzyko zablokowania pompy. Zastosowanie wirnika półotwartego powoduje jednak znaczne zmniejszenie sprawności pompy, ponieważ część z cieczy wypływa z kanałów międzyłopatkowych do swobodnej przestrzeni przed wirnikiem (rys 1.a) i powtórnie przepływa przez wirnik powodując zwiększenie pobieranej mocy.
Alternatywą dla wirników półotwartych są wirniki jedno i dwu-kanałowe, które przy podobnych swobodnych przelotach jak w wirnikach typu vortex osiągają znacznie wyższe sprawności. Charakterystyczne dla wirników o małej liczbie łopat jest tworzenie się wirów wewnątrz palisady łopatkowej, które wypełniają wolną przestrzeń w kanale międzyłopatkowym tuż za krawędzią natarcia łopatki po jej czynnej stronie (rys 1.b). Powstałe strefy wirowe obracające się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika pobierają część energii dostarczanej do wirnika pompy powodując częściowe zmniejszenie sprawności pompy.
Dla porównania na rysunku 1.c pokazano przepływ przez pompę z wirnikiem wielołopatkowym, w którym nie występują strefy zawirowań i nierównomiernych przepływów, co umożliwia osiągniecie najwyższej możliwej sprawności. Przykładowo jeżeli dla wirnika vortex jednostkowe zużycie energii wynosi 1,0 kWh/m3, to dla wirnika dwułopatowego jest to 0,71 kWh/m3, a dla wirnika wielołopatkowego 0,66 kWh/m3. Wirniki o małej liczbie łopat stanowią dobrą alternatywę dla energochłonnych wirników półotwartych, przy zachowaniu dużych swobodnych przelotów, które minimalizują ryzyko zablokowania pompy nawet podczas przetłaczania ścieków zawierających sporą ilość zanieczyszczeń stałych i ciał długowłóknistych.
Drugim bardzo istotnym składnikiem pompy niejednokrotnie decydującym o funkcjonalności całego systemu jest zastosowany silnik napędowy. W przypadku pomp zatapialnych zabudowanych w mokrych przepompowniach ścieków, stosowane są bezwentylatorowe silniki o stopniu ochrony IP68, w których ciepło generowane na skutek strat w stojanie i łożyskach oddawane jest do otaczającej cieczy. Konieczność pozostawienia w zbiorniku pewnej ilości cieczy niezbędnej do prawidłowego chłodzenia silnika powoduje zagniwanie ścieków, co z kolei generuje nieprzyjemny odór i wpływa negatywnie na środowisko wokół obiektu sanitarnego. Alternatywą dla takiego systemu jest tłocznia z separacją ciał stałych, w której ścieki zamknięte są w dodatkowym zbiorniku, natomiast całe urządzenie zabudowywane jest w zbiorniku suchym. Separacja ciał stałych powoduje, że pompa przetłacza jedynie ścieki podczyszczone, co umożliwia stosowanie wysokosprawnych wirników kanałowych, a dodatkowo suche warunki pracy tłoczni pozwalają na zastosowanie typowego silnika wentylatorowego o stopniu ochrony IP55.
Rys.2. Tłocznia TSA z pompami FZB.3 o stopniu ochrony IP68 do pracy w środowisku suchym
Wydaje się, że tłocznia to idealne rozwiązanie gwarantujące użytkownikowi znacznie większy komfort eksploatacji niż przepompownie mokre, ponieważ wszystkie mogące ulec awarii elementy systemu znajdują się w środowisku suchym. Bezpośredni dostęp do tłoczni i dodatkowe podwojenie systemu (co najmniej dwie niezależne pompy wraz z armaturą), umożliwiają przeprowadzenie czynności serwisowych bez konieczności wyłączania urządzenia z eksploatacji. Należy jednak pamiętać, że zdarzają się przypadki, w których tłocznia zostaje wyłączona z ruchu z przyczyn niezależnych od eksploatacji. Ze względu na to, że zbiornik zabudowany jest pod powierzchnią gruntu, w szczególności na terenach podmokłych i zalewowych, istnieje wysokie ryzyko zalania tłoczni wodami powodziowymi lub opadowymi. Drugą bardzo istotną przyczyną unieruchomienia tłoczni jest długotrwały brak zasilania. Wówczas ścieki napływają do zbiornika natomiast nie mogą być z niego wypompowywane. Powoduje to przepełnianie się zbiornika tłoczni i może doprowadzić do zalania urządzeń na skutek wypływu ścieków poprzez przewody wentylacyjne lub pompę odwadniającą. Efektem powyższych sytuacji jest zawilgocenie wentylatorowego silnika pompy unieruchamiające cały system. Z tego powodu w szczególnie zagrożonych obiektach stosowane są pompy z silnikami o stopniu ochrony IP68, ale przystosowane do pracy w środowisku suchym. Silniki takie muszą jednak być wyposażone w dodatkowy układ chłodzenia, ponieważ brak wentylatora uniemożliwiałby ich właściwe chłodzenie.
Spotykane są trzy systemy chłodzenia silnika o stopniu ochrony IP68 do pracy w środowisku suchym:
- Chłodzenie zewnętrzne – układ z dodatkową chłodnicą i obiegiem zewnętrznym,
- Chłodzenie zintegrowane – pompowane medium przetłaczane jest poprzez płaszcz silnika,
- Chłodzenie wewnętrzne – silnik wyposażony jest w dodatkowy układ odseparowany od pompowanej cieczy.
Spośród tych trzech rozwiązań najczęściej spotykane są dwa ostatnie, przy czym w przypadku systemów transportu ścieków komunalnych użycie ich do chłodzenia silnika wiąże się z sedymentacją części stałych i obrastaniem w tłuszcz kanałów płaszcza chłodzenia. Z czasem pogarsza to warunki chłodzenia i powoduje przegrzewanie się silnika. W związku z powyższym jako jedyny bezpieczny i niewymagający specjalnego nadzoru, należy uznać napęd z wewnętrznym, odseparowanym od tłoczonych ścieków układem chłodzenia.
Chłodziwem w wewnętrznych układach chłodzenia zazwyczaj jest 30% mieszanina glikolu z wodą, co powoduje, że pompy mogą pracować w ujemnej temperaturze. Ruch cieczy w obiegu wewnętrznym wymusza osadzony na wale dodatkowy wirnik. Podgrzana ciecz spływa do komory wymiennika i tłoczona 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 chłodziwo kierowane jest z powrotem do płaszcza silnika, gdzie odbiera ciepło od obudowy silnika.
Rys.3. Pompa FZC.6 z silnikiem o stopniu ochrony IP68 do pracy suchej – budowa i zasada działania układu chłodzenia, stan cieplny po 6h pracy
Na rysunku 3.b) przedstawiono rozkład temperatury na obudowie silnika o mocy 55 kW, pracującego pod pełnym obciążeniem przez 6h pracy ciągłej i temperaturze pompowanych ścieków wynoszącej 30°C. W rozpatrywanym przypadku najwyższa temperatura wystąpiła bezpośrednio w uzwojeniach stojana i była o 63°C wyższa od temperatury pompowanej cieczy i wynosiła 93°C. Należy jednak podkreślić, że temperatura, przy której czujnik bimetaliczny w stojanie silnika odłączy zasilanie wynosi 140°C, a zatem dla zadanych parametrów pracy występuje dość znaczny margines bezpieczeństwa. Najwyższa odnotowana temperatura zewnętrznych ścian silnika wystąpiła w pobliżu łożyska górnego i wynosiła miejscowo około 70°C (Cursor 5). Płaszcz silnika wyposażony jest dodatkowo w żebra, które intensyfikują wymianę ciepła do otaczającego powietrza. Powoduje to obniżenie jego temperatury względem chłodziwa wewnątrz układu o kilka stopni, co widoczne jest podczas porównania temperatur płaszcza 52°C (Cursor 4) oraz korpusu dolnego 55°C (Cursor 3). Przepływ chłodziwa przez komorę wymiennika i oddanie ciepła do ściany rozgraniczającej układ wewnętrzny od pompy powoduje średni spadek jego temperatury o około 3°C.
Zaprezentowane wyniki badań pompy z silnikiem o stopniu ochrony IP68 do pracy suchej, potwierdzają wysoką skuteczność działania wewnętrznego układu chłodzenia nawet przy najbardziej niekorzystnych warunkach pracy. Należy podkreślić, że temperatury w poszczególnych elementach silnika zależą bezpośrednio od warunków otoczenia tj. temperatur powietrza i pompowanej cieczy (im będą one niższe tym mniej będą nagrzewały się elementy silnika). Na dodatkową uwagę zasługuje fakt, że dzięki wieloparametrowej optymalizacji, zarówno kształtu układu wewnętrznego i wirnika obiegowego, jak i parametrów pracy systemu chłodzenia udało się maksymalnie obniżyć ilość energii niezbędnej do wprawienia chłodziwa w ruch. W rozpatrywanym przypadku silnika o mocy 55 kW, układ wewnętrzny pobiera około 140 W energii, co jest wartością niezauważalną dla eksploatatora pompy i może być porównywalne z energią pobieraną przez wentylator podobnego silnika o stopniu ochrony IP55.
Obserwowany w ostatnich latach rozwój pomp i systemów dedykowanych do transportu ścieków komunalnych daje możliwość użytkownikowi znacznego obniżenia kosztów eksploatacyjnych, zarówno związanych z kosztem przesyłu ścieków, jak i obsługi obiektów sanitarnych. Nowe rozwiązania konstrukcyjne układów przepływowych pomp zapewniają wysoką sprawność przy zachowaniu dużych swobodnych przelotów przez pompę. Udoskonalane wciąż rozwiązania napędów elektrycznych z autonomicznym układem chłodzenia, całkowicie odseparowanym od pompowanego medium, eliminują zagrożenie zarastania kanałów układu wewnętrznego mogące prowadzić do przegrzewania się uzwojeń silnika. Wszystko to sprawia, że użytkownik końcowy dostaje do dyspozycji agregaty pompowe o wysokiej efektywność energetycznej i dużej pewności ruchowej w każdych warunkach pracy, nawet w stanach klęski żywiołowej czy awarii.
Autor: Marcin Janczak
Kierownik Działu Badawczo – Rozwojowego Hydro-Vacuum S.A.
Dodaj komentarz