Pompe volumice cu miscare alternativa

POMPE VOLUMICE CU MISCARE ALTERNATIVA

La pompele volumice cu miscare alternativa, ridicarea presiunii si depla­sarea lichidului se realizeaza prin comprimarea si evacuarea lichidului dintr-un spatiu inchis al pompei, cu ajutorul unui corp care efectueaza o miscare de du-te-vino. La aceste pompe este caracteristica prezenta organelor de inchi­dere (supape).

Au o larga raspandire in industrie (chimica, petroliera, alimentara, ener­getica etc.) fiind folosite atat la transportul lichidelor curate cat si al celor murdare (suspensii, noroaie) sau corosive. In domeniul presiunilor inalte se intalnesc numai aceste tipuri de pompe.

Dupa felul si forma organului care efectueaza miscarea alternativa se deosebesc urmatoarele tipuri principale : pompe cu piston, pompe cu mem­brana, pompe cu clapeta.

Indirefent de tipul sau forma pompei, o serie de criterii cu valabilitate generala conduc la diverse clasificari. Astfel, dupa valoarea presiunii de lucru, se deosebesc pompe de presiune joasa, medie si inalta. Dupa felul actionarii se disting patru categorii : cu actionare electrica, cu motor cu combustie interna, cu abur sau manuala. Dupa valoarea turatiei arborelui motor sau a puterii consumate, pompele se clasifica in : mici, medii si mari. Din punct: de vedere al numarului de trepte (etaje), exista pompe monoetajate si pompe multietajate.

1. Pompe cu piston

Tipul cel mai reprezentativ si cel mai raspandit clin categoria pompelor volumice cu miscare alternativa este cel al pompei cu piston. In pompa cu piston lichidul este pompat din cilindrul pompei de catre pistonul care executa o miscare rectilinie alternativa. Ciclul de functio­nare cuprinde doua faze, aspiratia si refularea, in care timp se deschid - suc­cesiv si sincronizat - supapele care permit accesul si evacuarea lichidului, in si din spatiul de cilindru (fig.1).

In perioada de aspiratie, volumul camerei se mareste prin deplasarea pistonului si rezulta o depresiune care permite lichidului sa umple spatiul creat; in acest timp este necesar ca supapa de admisie sa fie deschisa si cea de refulare inchisa. La evacuare, sensul de deplasare al pistonului este inver­sat, supapa de admisie este inchisa iar cea de refulare deschisa astfel incat li­chidul poate fi evacuat - sub actiunea pistonului - din camera de pompare.

Energia primita la arborele motor se transmite prin piston (si elementele de legatura) lichidului, pentru a-1 deplasa si a-i ridica presiunea. Caracterul de miscare alternativa a pistonului impune schimbarea periodica a sensului - datorita carui fapt la capetele de cursa viteza pistonului este nula - si face ca miscarea lichidului sa fie neuniforma, pulsatorie, caracteristica acestui tip de pompa.

Pompele cu piston se clasifica dupa o serie de criterii.

Astfel, dupa modul de functionare, respectiv dupa numarul da pompari intr-o cursa dubla a pistonului, se deosebesc :

- pompe cu piston cu simplu efect ;

- pompe cu piston cu dublu efect.

In figura 1 este data schema de principiu a unei pompe cu piston cu simplu efect. Aceasta se compune din urmatoarele parti principale : cilin­drul (1), pistonul (2), supapa de aspiratie (3) si de refulare (4), tija pisto­nului (5); mecanismul biela-manivela (6) serveste la actionare si transforma miscarea rotativa a motorului in miscare alternativa. Se observa ca numai fata din stinga a discului pistonului este activa (in contact cu lichidul de pompat) si ca, la o cursa dubla (dus-intors) a pistonului, se produce, o singura pompare (o admisie si o refulare).

_{Fig.1.Schema pompei cu piston cu simplu efect Fig.Schema pompei cu piston cu dublu efect}

Pompa cu dublu efect este repezentata in figura

In acest caz cilindrul este inchis la ambele capete si este prevazut cu doua supape de admisie (3, 3') si cu doua de evacuare (4, 4'). Se vede ca ambele fete sint active si ca intr-un ciclu (cursa dubla) au loc doua pompari de lichid, adica este un regim de lucru mai continuu, neanlaturandu-se totusi complet pulsatiile.

Un alt criteriu de clasificare al pompelor cu piston este cel al pozitiei axului pistonului, dupa care se deosebesc:

- pompe orizontale si

- pompe verticale.

Dupa forma pistonului exista :

- pompe cu piston disc (fig.1 si 2);

-pompe cu piston plonjor (fig.3).

Pistonul plonjor (plunger) este caracterizat prin lungimea sa mare in raport cu diametrul. Caracteristica acestui tip de pompa este aceea ca func­tioneaza pe partea de aspiratie ca o pompa cu simplu efect si pe partea de refulare ca o pompa cu dublu efect.

Intrucat raportul sectiunilor tije-plunger este in general 1/2, rezulta ca debitul unei pompe diferentiale este identic cu cel al unei pompe cu simplu efect (cu piston si curse egale), functionand cu un debit mai uniform (caracteristica pompei cu dublu efect).

Din punct de vedere constructiv, pompele cu piston se impart in :

- pompe simplex (cu un singur cilindru) ;

- pompe duplex (cu doi cilindri paraleli sau opusi) ;

-pompe triplex (cu trei cilindri paraleli) ;

- pompe multiplex (cu mai multi cilindri).

Fig. 3. Schema pompei cu piston plonjor.            Fig.4.Schema de pompare

Elemente de calcul hidraulic.

In figura 4 este aratata o schema de pompare compusa din : rezervor inferior cu lichid de pompat, pompa cu piston cu simplu efect cu conducta de aspiratie cu sorb si conducta de refulare, precum si rezervorul superior unde se transporta lichidul.

Debitul teoretic Q al pompei cu piston este volumul de lichid refulat in unitatea de timp si exprimat in metri cubi sau litri, pe secunda, minut sau ora.

La pompa din figura 4, la fiecare turatie a arborelui motor, pistonul executa o cursa dubla (dus-intors). Deci, la fiecare ciclu, pompa va refula un volum de lichid

V =A∙ s unde :

A = π D∙D/4 este aria sectiunii transversale a pistonului (respectiv a inte-

riorului cilindrului) si s cursa pistonului.

In consecinta, daca pistonul face n curse duble pe minut (respectiv arborele are n rot/min), debitul teoretic al pompei cu simplu efect va fi :

Q = A∙s∙n [m³/min]

sau

Q = 60∙ A∙s∙n [m³/h]

Practic, debitul pompei va fi mai mic deoarece apar pierderi datorita patrunderii aerului prin neetanseitati sau o data cu lichidul si datorita inchi­derii sau deschiderii cu intarziere a supapelor.

Valoarea debitului real, respectiv determinarea randamentului volumie se face la bancul de proba.

La pompa cu dublu efect, la care ambele fete ale pistonului sunt active, lichidul este refulat la ambele curse ale pistonului. Debitul refulat pe partea pe care se afla tija este mai mic, cu o cantitate corespunzatoare sectiunii tijei.

Fig.5. Supapa conica :

1 - disc conic ; 2 - scaun ; 3 - resort ; 4. - ghidaj.

La un ciclu, debitul teoretic este :

Q = AS + (A - a)S

unde :

a = π d∙d /4 este aria sectiunii transversale a tijei pistonului .

La pompele cu piston gradul de uniformitate al debitului creste cu marimea numarului de fete active si cu numarul de pistoane.

Pentru uniformizarea completa a debitului pom­pelor cu piston se utilizeaza, acolo unde este necesar, acumulatoarele hidrulice sau hidro-pneumatice.

Inaltimea manometrica este echivalentul in metri coloana de lichid a presiunii ce se exercita asupra pistonului unei pompe (fig.4) atunci cand aspira lichid de la inaltimea Ha si il refuleaza la inaltimea. H_r.

Pentru a ridica lichidul la o anumita inaltime, pompa trebuie sa invinga urmatoarele rezistente :

- pierderi de presiune provenite din frecarea lichidului pe peretii conduc­telor si pompei;

-pierderi de presiune rezultate la trecerea lichidului prin coturi, vane, ramificatii;.

- pierderi de presiune provenite din invingerea inertiei vanei de lichid.

Relatia teoretica, simplificata, care da valoarea presiunii totale pe piston

(inaltimea manometrica H) este (fig.4):

H=Ha+Hr + H_p+(P2- P1)

unde :

Hp-este suma pierderilor de presiune pe conductele de aspiratie, si refulare, in m³ lichid ;

P1,P2 ^- sunt presiunile eventuale din rezervoarele de aspiratie, res­pectiv refulare, in m³ lichid.

Valorile H_a si Hr se stabilesc ca valorile inaltimii geometrice dintre axul pistonului si nivelul cel mai scazut din rezervorul de aspiratie, respectiv dintre axul pistonului si punctul cel mai inalt al conductei de refulare.

In cazul unei pompe existente, in mod practic inaltimea manometrica totala se determina cu un manometru montat pe conducta de refulare si cu un vacuum montat pe conducta de aspiratie.

In acest caz

H = Hman + Hvac +ho

unde :

Hman si Hvac sunt indicatiile manometrului si vacuummetrului, in m ;

h₀ este distanta pe verticala intre punctele unde se masoara presiunea (intre cele doua aparate), in m.

Trebuie remarcat faptul ca inaltimea de aspiratie care se poate realiza la pompe cu piston este limitata. Valoarea inaltimii de aspiratie scade cu cresterea altitudinii si a temperaturii (care determina tensiunea da vapori).

Practic, in calculele pompelor, pentru apa la 1020°G se adopta H_a = 6 m. Se remarca, de asemenea, ca o data cu cresterea turatiei motorului (a numarului de curse duble ale pistonului), inaltimea de aspiratie scade. Reducerea turatiei arborelui pompei este necesara de altfel si pentru micsorarea influentei fortelor de inertie ; legata de aceasta este si problema tura­tiei limita la care apare fenomenul desprinderii lichidului de piston.

Inaltimea manometrica teoretica (presiunea) pe care se poate produce o pompa cu piston este nelimitata. Practic ea este limitata de rezistenta dife­ritelor piese si de puterea motorului care actioneaza pompa.

1.1.Elementele pompelor cu piston

Corpul pompelor cu piston trebuie astfel conceput incit sa fie cit mai scurt (minimum de rezistenta hidraulica). De asemenea, trebuie ca supapele sa fie usor accesibile, fara sa fie nevoie de demontarea pompei si sa se prevada posibilitatea evacuarii totale a aerului, in timpul functionarii.

In gemral corpul pompei se executa din fonta cenusie sau modificata (pentru presiuni reduse) si din otel carbon turnat sau otel slab aliat forjat (pentru presiuni medii si inalte). In cazul lichidelor agresive se utilizeaza oteluri antiacide, fonte silicioase, bronz, plumb, ceramica . Nu este obli­gatorie confectionarea cilindrului dintr-un singur material, ci acesta se poate camasui cu bucse din materiale corespunzatoare.

Pistonul este elementul principal de actionare al unei pompe. El poate ti fi de doua feluri, piston-disc sau piston plungar (fig.1 si 3). Se executa din materiale obisnuite (fonta, otel, bronz sau din oteluri anticorosive).

Deoarece pistoanele-disc lucreaza etans cu.ajutorul garniturilor si segmentilor, executia suprafatalor nu este atat da pretentioasa ca la pistoanele plunger care lucreaza direct pe cilindru sau pe etansare. Suprafata acestuia trebuie sa fie bine slefuita si durificata (eventual cromata).

Supapele sunt organele de inchidere si deschidere cu ajutorul carora se realizeaza aspiratia si refularea lichidului la pompele cu piston. Forma lor poate fi plana (disc), conica, sferica (bila) .

Dupa modul de functionare, supapele sunt cu deschidere automata (des­chidere sub influenta actiunii lichidului si inchidere sub actiunea greutatii proprii si ajutate de resort) si deschidere comandata cu ajutorul mecanis­melor cu parghii sau came, antrenate de arborele masinii.

Supapele sunt cele mai sensibile organe ale pompei si de buna lor compor­tare djpinde functionarea corecta a acesteia. Supapele cu bila folosesc la lichide vascoase si murdare (noroaie).

Materiale de executie a supapelor: bronz, oteluri inoxidabile (cauciuc, ebonita etc. numai pentru bila).

In cazul cind etansarea supapa-scaun este da tipul metal-metal, se im­pune o executie foarte corecta, asigurarea unui rodaj al celor doua piese si duritate diferita a lor (pentru ca numai una din piese sa se uzeze - cea care se poate inlocui mai usor). Pentru cazurile de etansari cu piele sau cauciuc, pretentiile la executie si montaj sunt mai reduse.

Etansarile elementelor componente constituie da asemenea o problema importanta. In figura 6 este aratata o etansare cu segmenti la pistoanele disc.

Sorbul este organul care se asaza la capatul inferior al conductei de aspi­ratie si are rolul da a opri impuritatile din lichidul din rezervor. Este format dintr-o bucata de conducta, inchisa la partea inferioara care este prevazuta cu gauri pe suprafata laterala (suprafata gaurilor este da 3 .. .4 ori mai mara ca sectiunea conductei) si imbracata in sita.

Fig 6. Etansare cu segmenti Fig.7. Pompa cu membrana Fig.8. Pompa cu clapete

Pentru ca pompa sa fie permanent amorsata (conducta de aspiratie plina cu lichid cand nu functioneaza pompa) se folosesc sorburi cu clapete.

Pompe cu membrana

La pompele cu membrana, de tipul ,,cu miscare alternativa', rolul pistonului il joaca o membrana (diafragma) elastica, ce este comandata sa execute miscarile - manual sau mecanic, de catre o tija sau parghie.

Aceasta pompa a gasit aplicatii in multe domenii in hidrotehnica (la apele cu namol), in industria carbunelui, chimica si alte industrii.

Principiul de functionare al pompei cu membrana din figura 7 este urmatorul : la deplasarea in sus a membranei m, actionata de pirghia p, vo­lumul camerei de sub membrana se mareste creandu-se o depresiune care des­chide supapa de aspiratie a. Lichidul intra pe conducta de aspiralie si ocupa volumul de sub membrana. La cursa in jos a membranei, supapa a se inchide si se deschide , supapa de refulare r, pe unde se evacueaza lichidul.