Pompy do cieczy zawierających ciała stałe.

2015-02-100

Wprowadzenie.

Proces pompowania mieszanin ciał stałych z cieczą występuje powszechnie w przemyśle, a w szczególności w takich branżach jak:

  • górnictwo węgla kamiennego,
  • górnictwo rud metali,
  • energetyka,
  • hutnictwo,
  • przemysł cementowo-wapienny,
  • przemysł kruszyw budowlanych,
  • cukrownictwo.

Pompowanie mieszanin ciał stałych i cieczy posiada swoją specyfikę i pod wieloma wzglę­dami różni się od procesu pompowania cieczy jednorodnych np. wody czystej. Istotnym pro­blemem jest różnorodność mieszanin pod względem ich cech, w tym sposobu oddziały­wania na instalację pompową. W zależności od rodzaju ciała stałego, jego granulacji (składu granulometrycznego), koncentracji, kształtu i wiel­kości ziaren, pompowana mieszanina może mieć różne własności erozyjne, różną gęstość oraz lepkość.

Zestaw tych cech ma istotne znaczenie dla doboru elementów instalacji pompowej oraz materiałów konstrukcyjnych. Pompie, jako naj­ważniejszemu urządzeniu w procesie pom­powania mieszanin ciał stałych i cieczy, stawia­ne są szczególnie wysokie wymagania eksplo­atacyjne. Podstawowym kryterium dotyczącym pomp jest ich jak najwyższa trwałość oraz jak najdłuższy okres bezawaryjnej pracy (tzw. pew­ność ruchowa). Drugim w kolejności kryterium decydującym o doborze pompy jest sprawność energetyczna. Zakup stosunkowo szybko zuży­wających się elementów układu przepływowego oraz stosunkowo częste naprawy i remonty są podstawową pozycją kosztów przy eksploatacji tego typu pomp. Z tego względu kryterium trwałości i bezawaryjnej pracy ma największy wpływ na konstrukcję, parametry pompy i sto­sowane materiały.

Cechy konstrukcyjne pomp szlamowych.

Dla uzyskania wysokiej żywotności w skrajnie trudnych warunkach pracy nie wystarczy za­stosowanie bardziej odpornych tworzyw, przy zachowaniu konstrukcji pompy przeznaczonej do cieczy czystych.

Pompy do mieszanin ciał stałych i cieczy, określane jako pompy szlamowe, charakteryzują się pewnymi specyficznymi cechami konstruk­cyjnymi. Najczęściej są to pompy stacjonarne, odśrodkowe, jednostopniowe.

W przeszłości dla uzyskania wyższych wyso­kości podnoszenia prowadzono próby z zastoso­waniem pomp wielostopniowych. W przypadku pompowania szlamów pompy wielostopniowe wykazują jednak istotne mankamenty eksplo­atacyjne. Trwałość uszczelnień międzystopniowych oraz kierownic, narażonych na od­działywanie ciał stałych wypływających z dużą prędkością z wirnika, okazuje się niezadowalająca. Występują także problemy z blokowaniem układu przepływowego, ze względu na mniejsze przekroje występujące w pompach wielostop­niowych. Ponadto demontaż i remonty pomp wielostopniowych są bardziej skomplikowane i kosztowne. Z tych powodów, jeżeli zachodzi potrzeba uzyskania znacznych wysokości pod­noszenia, przy pompowaniu szlamów w praktyce korzystniejsze jest szeregowe łączenie pomp jednostopniowych.

Większość pomp szlamowych jest przysto­sowana do pracy z wysokim napływem i pod wysokim ciśnieniem wewnętrznym. Pompy szlamowe posiadają zazwyczaj niskie wyróżniki szybkobieżności z uwagi na stosowane niskie prędkości obrotowe. W pompach tych stosuje się wirniki specjalnej konstrukcji o dużych prze­krojach kanałów międzyłopatkowych, umożli­wiające pompowanie mieszanin, w których występują ziarna o większych wymiarach.

 

1

Rysunek 2. Pompa typu PH.

Rysunek 1. Pompa typu PH.

Rysunek 1. Pompa typu HC.

Tarcze oraz łopatki wirników posiadają znaczne grubości decydujące o trwałości. W celu umożliwienia pompowania mieszanin zawiera­jących ziarna o dużych wymiarach stosuje się także wirniki jednostronnie otwarte lub wirniki oswobodnym przepływie.

Wirniki łopatkowe posiadają zazwyczaj małą liczbę łopatek, najczęściej od l-5. Wirniki uszczelniane są szczeliną czołową, regulowaną przez przesuw całego zespołu łożyskowego wraz z wirnikiem. Pozostałe elementy układu przepływowego pomp szlamowych tj. kadłub, króciec i ścianki ochronne posiadają zwiększone grubości, uwzględniające naddatki na zużycie oraz zwiększone ciśnienie panujące w kadłubie pompy, ze względu na możliwość pracy z na­pływem. Często do pompowania szlamów stosuje się specjalnej konstrukcji pompy zatapialne. Jest to uzasadnione w przypadkach gdy ze względów lokalizacyjnych nie można stworzyć pompie stacjonarnej warunków do pracy z napływem, co jest konieczne przy pompowaniu mieszanin o gęstości powyżej 1100 kg/m3. Układ przepływowy tych pomp ma podob­ną konstrukcję jak w pompach stacjonarnych i wykonany jest z podobnych materiałów.

Materiały konstrukcyjne stosowane w pompach szlamowych.

Przy pompowaniu cieczy czystych, nawet agre­sywnych chemicznie, na powierzchniach ukła­du przepływowego wytwarza się warstwa pasywacyjna, powstrzymująca dalszą korozję. Przy pompowaniu szlamów, na skutek erozji warstwa ochronna jest bezustannie usuwana i materiały konstrukcyjne są stale narażone na oddziaływanie korozyjne przepływającego me­dium. Łączne oddziaływanie korozji i erozji stawia wysokie wymagania przed tworzywami, z których wykonuje się układy przepływowe pomp szlamowych. Stosuje się specjalne mate­riały, najczęściej wysokostopowe staliwa lub żeliwa, poddawane odpowiedniej obróbce ciepl­nej, która zapewnia uzyskiwanie twardości w zakresie 50-65 HRC, oraz wymaganej struk­tury materiału.

Niektóre tworzywa niemetaliczne np. guma lub poliuretan łączą wysoką odporność na ście­ranie z dobrymi własnościami antykorozyjnymi. Ich słabą stroną jest jednak niewielka wy­trzymałość mechaniczna oraz podatność na uszkodzenie przez ciała o większych wymiarach i ostrych kształtach. Ogranicza to ich zakres stosowania do szlamów o niewielkiej granulacji i pomp o umiarkowanej wysokości podnoszenia. W większości pomp szlamowych tworzywa specjalne stosuje się na wirniki oraz wymienne wykładziny umieszczone w dodatkowym, ze­wnętrznym kadłubie. Upraszcza to remonty, a także uwalnia materiały narażone na erozję od naprężeń pochodzących od ciśnienia we­wnętrznego, które przenoszone są przez kadłub.

Uwarunkowania związane z doborem pomp szlamowych.

Przy doborze pomp szlamowych należy stoso­wać zasady inne niż przy doborze pomp do cieczy czystej.

Żywotność pomp szlamowych maleje szyb­ko ze wzrostem prędkości obrotowej, nie należy więc dążyć do stosowania bezpośredniego na­pędu z prędkością synchroniczną silnika elek­trycznego, co jest powszechną praktyką przy pompowaniu cieczy czystych. Dla pomp szla­mowych wymagany jest precyzyjny dobór pręd­kości obrotowej.

Wówczas, gdy występuje zmienność para­metrów w czasie korzystne jest stosowanie na­pędów o zmiennej prędkości obrotowej, nato­miast dla stałych parametrów pracy optymalne dopasowanie pompy do układu można osią­gnąć przez zastosowanie odpowiedniej prze­kładni pasowej i wykonanie wirnika o właściwej średnicy.

Naturalną tendencją użytkowników jest stosowanie pojedynczych pomp nawet dla du­żych wysokości podnoszenia, co wymaga sto­sowania wysokich prędkości obrotowych. Tym­czasem przy pompowaniu szlamów często bardziej ekonomiczne jest łączenie pomp w sze­reg, gdyż pomimo zwiększonych nakładów inwestycyjnych osiąga się w ten sposób oszczęd­ności dzięki dłuższym okresom między remontowym.

Charakterystyki pomp szlamowych, poda­wane przez producentów, sporządzane są za­zwyczaj dla wody czystej. Parametry pompy przetłaczającej szlam są zwykle obniżone w sto­sunku do pracy na wodzie czystej. Nie istnieją uniwersalne sposoby przeliczania charakterystyk z wody czystej na szlamy. Poszczególni pro­ducenci pomp szlamowych posługują się w tym celu własnymi metodami, które dla nietypowych mieszanin mogą dostarczać niepewne wyniki.

Dodatkowym problemem jest trudność w określeniu wymaganej wysokości podnosze­nia, gdyż użytkownicy i projektanci nie zawsze są w stanie przewidzieć, jakie będą opory prze­pływu w instalacji, co wynika z faktu, iż własno­ści reologiczne niektórych szlamów są trudne do przewidzenia. Należy pamiętać, że przy spadku prędkości przepływu poniżej pewnej wartości następuje osadzanie cząstek stałych i blokowanie rurociągu.

Biorąc pod uwagę ograniczoną dokładność prowadzonych analiz wskazane jest wyposażenie użytkownika w pewne możliwości regulowania parametrów instalowanych pomp. Często wy­starczająca okazuje się zabudowa w agregacie pompowym przekładni pasowej, która umożli­wia poprzez zmianę przełożenia (np. wymianę koła pasowego) regulację prędkości obrotowej pompy dla uzyskania wymaganych parametrów. Wspomniane komplikacje przy doborze pompy do szlamów wymuszają ścisłą współ­pracę projektanta, użytkownika i producenta pompy przy określaniu wszystkich danych do­tyczących pompowanej mieszaniny, instalacji pompowej, doboru pompy i napędu Pompy szlamowe produkowane przez POWEN S.A.

Wiodącym producentem i dostawcą na krajo­wym rynku pomp szlamowych jest POWEN S.A., działająca dawniej pod nazwą Zabrzańska Fabryka Maszyn Górniczych POWEN. Firma posiada kilkadziesiąt lat doświadczeń w kon­strukcji pomp szlamowych, w doborze odpo­wiednich tworzyw konstrukcyjnych oraz w dobo­rze pomp do układów hydrotransportu. Przez ostatnie dziesięciolecia produkowane przez POWEN pompy typoszeregów: KA, PŁP, PŁK, PŁS, PC, OŁ, PG, PŻ i PH zaspokajały zdecy­dowaną większość potrzeb polskiej gospodarki w zakresie pompowania szlamów.

Wieloletnie doświadczenia pozwoliły na opracowanie prostej i pewnej ruchowo kon­strukcji pomp PH, wyposażonych w elementy układu przepływowego wykonane ze specjal­nych staliw stopowych, gwarantujących ich długą żywotność. Produkowane w podstawo­wych typowielkościach: PH-65, PH-80, PH- 100, PH-150, PH-200, PH-250, PH-300 pompy te doczekały się licznych wersji i odmian kon­strukcyjnych.

Wysiłki producenta kierowane były na roz­szerzenie pola pracy pomp typoszeregu. Efektem była pompa PH-100W (Qn=100 m3/h, Hn =95 m), popularna szczególnie w hut­nictwie.

Innym kierunkiem prac było zwiększenie przekrojów kanałów przepływowych. Efektem były pompy z wirnikami o swobodnym prze­pływie typu PH-100S. PH-150S oraz pompa typu PH-250M ze specjalnym wirnikiem ło­patkowym.

Na bazie układu przepływowego pompy PH-150 powstała pompa wałowa, pionowa typu PHP-150. Pompy PH dostosowano do pompowania cieczy o podwyższonej temperatu­rze w wyniku czego powstał typoszereg pomp PH-G. Duża popularność pomp PH u użyt­kowników i ciągle aktualne zainteresowanie tymi pompami są podstawą kontynuacji ich produkcji przez POWEN S.A.

W ostatnich latach prowadzone były prace nad nowym typoszeregiem pomp szlamowych. W ramach projektu celowego finansowanego przez KBN przy współpracy z Głównym Insty­tutem Górnictwa w Katowicach i Politechniką Śląską w Gliwicach opracowana została kon­strukcja typoszeregu pomp HC.

W opracowaniu konstrukcji tych pomp wzięto pod uwagę konieczność doskonalenia niektórych węzłów pod kątem wymagań eks­ploatacyjnych użytkowników. Skonstruowano nowy zespół łożyskowy rezygnując z chłodzenia wodnego, wprowadzono filtr oleju. Zastosowano specjalnej konstrukcji zespół redukcji naprężeń między wałem a wirnikiem, ułatwiający demon­taż. Wprowadzono konstrukcję układu prze­pływowego, umożliwiającą różne położenia króćca tłocznego. Zastosowano nowe, trwalsze tworzywo konstrukcyjne na elementy układu przepływowego.

Dzięki temu pompy HC stanowią obecnie atrakcyjną ofertę rynkową POWEN S.A., z po­wodzeniem konkurującą z ofertami firm zagra­nicznych.

Kolejnym osiągnięciem POWEN S.A. w za­kresie pomp szlamowych jest opracowanie i wprowadzenie do produkcji zatapialnej pom­py szlamowej typu P-370. Zastosowana do pompowania mieszaniny wody i żużla w jednej z elektrociepłowni z powodzeniem konkurowała z innymi tego typu pompami zagranicznymi pod kątem uzyskiwanych trwałości elementów układu przepływowego.

Podsumowanie.

Artykuł omawia problematykę doboru i eks­ploatacji pomp szlamowych. Zasygnalizowane zostały podstawowe pro­blemy, z którymi stykają się użytkownicy i współ­pracujący z nimi dostawcy oraz projektanci. Na przykładzie głównego producenta pomp szlamowych w Polsce, jakim jest POWEN S.A., omówiono zadania jakim musi sprostać produ­cent, aby dostarczać nowoczesne pompy szla­mowe, spełniające wymagania użytkownika. Zwrócono uwagę na celowość współpracy użytkownika i projektanta z producentem pomp. POWEN S.A. jako producent pomp szla­mowych z wieloletnią tradycją i bogatymi do­świadczeniami zaprasza do takiej współpracy wszystkich zainteresowanych.

mgr inż. Marek Coghen

Artykuł został opublikowany w numerze 6 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.

Komentarz autora po 15 latach:

„Przedstawione w artykule podstawowe zagadnienia dotyczące pompowania mieszanin cieczy i cząstek ciała stałego w dalszym ciągu pozostają aktualne. Produkty opisane 15 lat temu, produkowane wtedy przez POWEN S.A., są obecnie produkowane przez spółkę – Grupę Powen-Wafapomp SA. Oferta dotycząca pomp szlamowych została rozszerzona m.in. o typoszereg pomp MF z wykładzinami gumowymi, pompy typu HRC do instalowania na pogłębiarkach ssących, typoszereg pomp zatapialnych HZ. W Grupie Powen-Wafapomp SA kontynuowane są prace nad kolejnymi rozwiązaniami pomp, dostosowanymi do wzrastających wymagań użytkowników.”