Priemyselné čerpadlá budú dôležitou súčasťou konceptov Priemyslu 4.0

Čerpadlá sú mechanické zariadenia dodávajúce pohybovú, potenciálnu alebo tlakovú energiu kvapaline, ktorá cez čerpadlo preteká. Čerpadlo je spravidla poháňané motorom. Dnes sa používajú čerpadlá s rôznou konštrukciou a v mnohých odboroch. Iné čerpadlá vidíme v poľnohospodárstve, priemysle, doprave, iné v domácnostiach.

Priemyselné čerpadlá sú srdcom mnohých priemyselných odvetví a podnikov, umožňujú spoľahlivé a efektívne čerpanie kvapalín, kalov, suspenzií a pod. a sú navrhnuté tak, aby spĺňali špecifické potreby každej aplikácie, od manipulácie s korozívnymi kvapalinami a agresívnymi tekutinami až po tlakovanie a prečerpávanie kvapalín. Nájdu uplatnenie v energetike, pri ťažbe ropy a plynu, čistení vody a odpadových vôd, v ťažbe, chemickom spracovaní a pri výrobe potravín a nápojov.

Žiadne čerpadlo nie je najlepšie vo všetkom, vždy ide o kombináciu prietoku, tlaku, teploty, viskozity, hustoty, veľkosti častíc, čistiteľnosti, oderuvzdornosti, chemickej odolnosti, obstarávacích nákladov a následných prevádzkových a servisných nákladov, ktoré rozhodujú o tom, ktoré čerpadlo je najlepšie.

Typy čerpadiel

Priemyselné čerpadlá možno rozdeliť na dva hlavné typy: objemové a odstredivé. Každý typ má svoje výhody a nevýhody, preto je dôležité vybrať vhodný typ pre konkrétne potreby aplikácie.

Objemové čerpadlá

Objemové čerpadlá sú mechanické čerpadlá, ktoré využívajú princíp zmenšovania objemu vnútorných dutín čerpadla, čím sa vytvára podtlak a umožňuje nasávanie kvapaliny do čerpadla. Pohybujúca sa dutina potom premiestňuje uzavretý objem kvapaliny z nasávacieho do výtlačného potrubia, čím prekonáva tlakový rozdiel. Objemové čerpadlá sa využívajú v prípade viskóznych kvapalín a majú veľmi jednoduchú regulovateľnosť prietoku. V závislosti od typu sú vhodné aj na prekonávanie vysokých tlakov.

Odstredivé čerpadlá

Tvoria približne dve tretiny všetkých čerpadiel používaných v priemyselnom prostredí. Odstredivé čerpadlá sú spoločným názvom pre čerpadlá, ktoré využívajú odstredivú silu na prečerpávanie kvapalín z jedného miesta na druhé. Odstredivé čerpadlo sa zvyčajne skladá z rotujúceho obežného kolesa s lopatkami, ktoré je umiestnené v telese čerpadla. Správajú sa inak ako objemové čerpadlá a v skutočnosti vytvárajú tlak (výtlačnú výšku). Majú jednoduchú konštrukciu a sú vhodné najmä pri vysokom prietoku kvapalín s nízkou viskozitou.

Tab. 1 Prehľad najbežnejších typov čerpadiel, ktoré sa v praxi používajú.

Parametre čerpadla

Činnosť a výkon čerpadla možno najlepšie opísať niekoľkými základnými parametrami: prietok, tlak, dopravná výška, výkon a účinnosť.

Objemový prietok (Q), tiež označovaný ako kapacita, je objem kvapaliny, ktorý pretečie čerpadlom za daný čas (merané v litroch za minútu). Definuje rýchlosť, ktorou môže čerpadlo tlačiť kvapalinu cez systém. V niektorých prípadoch sa používa aj hmotnostný prietok (), ktorý opisuje hmotnosť cez čerpadlo v čase. Objemový prietok súvisí s hmotnostným prietokom podľa hustoty tekutiny (ρ) pomocou rovnice:

 = ρ · Q

Pri výbere musí byť prietok alebo menovitý výkon čerpadla prispôsobený prietoku, ktorý vyžaduje aplikácia alebo systém.

Tlak je miera odporu, resp. sila na jednotku plochy odporu v systéme. Menovitý tlak čerpadla definuje, aký veľký odpor dokáže čerpadlo zvládnuť alebo prekonať. Zvyčajne sa udáva v baroch alebo psi. Tlak v spojení s prietokom a výkonom sa používa na opis výkonu čerpadla. Pri odstredivých čerpadlách sa však na definovanie energie alebo odporu čerpadla zvyčajne používajú namiesto tlaku iné parametre, pretože tlak v odstredivom čerpadle sa mení so špecifickou hmotnosťou čerpanej kvapaliny. Pri výbere čerpadla musí byť menovitý prevádzkový alebo výtlačný tlak čerpadla rovnaký alebo väčší ako požadovaný tlak pre systém pri požadovanom prietoku.

Dopravná výška je hlavný výkonnostný indikátor (v jednotkách dĺžky/tlaku), ktorý určuje výšku, do ktorej dokáže čerpadlo dopraviť kvapalinu. Je definovaná ako mechanická energia prúdu na jednotku hmotnosti. Vyjadruje sa ako výška stĺpca vody v metroch (m). Inými slovami, ak bola voda čerpaná priamo nahor, dopravná výška čerpadla je ekvivalentná výške, ktorú dosahuje. Dopravná výška čerpadla (H) môže byť prevedená na tlak (P) pomocou špecifickej hmotnosti (SH) kvapaliny podľa rovnice:

P = 0,434 · H · (SH)

alebo podľa hustoty tekutiny (ρ) a zrýchlenia spôsobeného gravitáciou (g):

P = H · ρ · g

Pri výbere odstredivých čerpadiel musí byť menovitá dopravná výška čerpadla rovnaká alebo väčšia ako celková dopravná výška systému (celková dynamická výška) pri požadovanom prietoku.

Tip: dopravná výška čerpadla v odstredivom čerpadle bude rovnaká pre všetky kvapaliny, ak sa hriadeľ otáča rovnakou rýchlosťou. Jediný rozdiel medzi kvapalinami je množstvo energie potrebné na to, aby sa hriadeľ dostal na správnu rýchlosť (ot./min.). Čím vyššia je špecifická hmotnosť kvapaliny (SH), tým väčší výkon je potrebný.

Ďalšou špecifikáciou, ktorú treba zvážiť, je čistá pozitívna nasávacia výška (NPSH) – rozdiel medzi výškou stagnačného tlaku na vstupe čerpadla a výškou tlaku pary. Požadovaná hodnota NPSH je dôležitým parametrom pri prevencii kavitácie v čerpadle. Kavitácia sa vyskytuje vnútri čerpadla, keď lokálny tlak klesne pod hodnotu tlaku pary čerpanej kvapaliny, čo spôsobí, že kvapalina začne vrieť.

Tip: tlak vnútri čerpadla by mal byť vyšší ako NPSH, aby sa predišlo kavitácii, ktorá môže viesť k hluku, vibráciám, zníženej účinnosti a poškodeniu lopatiek obežného kolesa.

Spôsob výberu čerpadla

Výber čerpadla sa javí ako jednoduchá úloha. Všetky čerpadlá sú navrhnuté tak, aby presúvali tekutiny, kaly, suspenzie a pod. z jedného miesta na druhé. Keď sa však do toho naozaj zahryznete, nie je to také ľahké rozhodnutie. Existuje veľa rôznych typov čerpadiel, ich konfigurácie a vyhotovenia. Niektoré sú pre určité aplikácie lepšie ako iné. Preto treba zohľadniť množstvo faktorov.

V ďalšej časti uvádzame prehľad vlastností, ktoré treba zvážiť pri výbere priemyselného čerpadla.

Vlastnosti kvapaliny

V prvom rade musíte rozumieť typom tekutín, ktoré spracovávate. To by mala byť vaša najdôležitejšia starosť. Musíte nájsť čerpadlo, ktoré si poradí s typmi kvapalín, kalov, abrazívnych chemikálií alebo viskóznych kvapalín, s ktorými vaša prevádzka pracuje. Niektoré čerpadlá jednoducho nedokážu spracovať určité materiály tak dobre ako iné. Medzi parametre, ktorými sa treba zaoberať pri čerpaní kvapalín, patria napr.:

• abrazivita,
• kyslosť alebo zásaditosť (úroveň pH),
• teplota,
• koncentrácia pevných látok a veľkosti pevných častíc,
• špecifická hmotnosť,
• tlak vodnej pary,
• viskozita.

Kapacita čerpadla (prietok)

Prvým dobrým krokom je poznať typ tekutín, ktoré spracovávate. To vám môže pomôcť určiť vyhotovenie čerpadla, ktoré potrebujete. Ďalej musíte zistiť veľkosť a nastaviť určité konfigurácie čerpadla. Treba vedieť, koľko toho musíte spracovať za deň, týždeň alebo rok, a použiť to pri výbere alebo návrhu systému čerpadla, ktorý vám poskytne požadovaný prietok.

Výkonnostné parametre

Existuje množstvo ďalších podrobností a funkcií týkajúcich sa výkonu, ktoré musíte zohľadniť pri správnom výbere a konfigurácii čerpadla. Hovoríme o stratách v trecej hlave, statickej výške, nadmorskej výške, rýchlosti tekutiny, pohone s premenlivou rýchlosťou, prevádzkovej teplote, tlaku a vyhotovení výstupu. Najdôležitejšie je však vyhodnotenie vašich podmienok nasávania a potrubia. 90 % všetkých problémov akéhokoľvek čerpacieho systému je na strane nasávania.

Energetická účinnosť

Rôzne čerpadlá majú rôzne systémy pohonu. Aj tieto systémy musia byť optimalizované s ohľadom na efektívny výkon, aby sa znížili náklady na energiu počas prevádzky.

Spoľahlivosť

Je možné, že pri kúpe lacnejšieho čerpacieho systému môžete ušetriť nejaké prostriedky. Môžete ho dokonca prispôsobiť a nakonfigurovať tak, aby vyhovoval vašim potrebám spracovania. Uvedenie nesprávneho čerpadla do prevádzky je však zvyčajne časovanou bombou. Následne totiž môžete dospieť do stavu, že robíte neustále opravy alebo vykonávate údržbu častejšie, ako by ste mali. To môže viesť k nákladným prestojom a zbytočným výdavkom. Prečo si na začiatok nezaobstarať to najlepšie čerpadlo, aby ste si ušetrili zbytočné problémy?

Jednoduché použitie

Dôležité je zamyslieť sa aj nad faktormi, ako je náročnosť inštalácie a údržba systému čerpadla, aby dobre fungoval. Ako často treba vymieňať tesnenia, mazanie a ložiská? Aké ďalšie postupy údržby a školenia sú potrebné? Zvládne váš personál údržbu alebo potrebujete prizvať odborníka?

Environmentálne aspekty

Ak pôsobíte v odvetví s prísnymi environmentálnymi predpismi, potom je výber správneho čerpadla kriticky dôležitý. Musíte zabrániť úniku nebezpečných látok do životného prostredia. Naopak, musíte zabrániť prenikaniu vonkajších nečistôt do systému čerpadla.

Riadiace systémy

Mnohé čerpacie systémy sú riadené pomocou špecializovaného meracieho zariadenia a pokročilého softvéru. To treba vziať do úvahy aj pri výbere a konfigurácii ideálneho čerpadla pre vašu priemyselnú prevádzku. Tieto systémy môžu skutočne znamenať významný konkurenčný rozdiel alebo môžu byť naopak zdrojom prestojov a strát, ak sú neustále problémy so softvérom alebo príslušenstvom.

To sú len niektoré z faktorov, ktoré treba zvážiť pri výbere nového priemyselného čerpadla, ako aj pri konfigurácii efektívneho čerpacieho systému, aby vám vydržal veľa rokov bez ohľadu na to, aké materiály každý deň čerpáte.

Očakávané trendy v odvetví čerpadiel

Hoci čerpadlá možno nie sú tie najočarujúcejšie stroje, neustále sa vyvíjajú a zdokonaľujú, pričom neustále vznikajú nové technológie a vyhotovenia. Na záver uvádzame niektoré trendy, ktoré v odvetví čerpadiel môžeme v nasledujúcom období očakávať.

1. Inteligentnejšie čerpadlá

Väčšina čerpadiel je už v súčasnosti vybavená určitou úrovňou inteligencie, zvyčajne vo forme snímačov a regulátorov, ktoré pomáhajú optimalizovať ich výkon. Očakávame však, že tento trend bude pokračovať a čerpadlá budú v budúcnosti ešte inteligentnejšie. To by mohlo zahŕňať začlenenie ešte väčšieho počtu snímačov na zhromažďovanie údajov o všetkom od prietoku a tlaku až po teplotu a viskozitu čerpanej tekutiny. Tieto údaje by sa potom mohli použiť na ďalšiu optimalizáciu výkonu čerpadla alebo dokonca na diagnostiku problémov skôr, ako sa vyskytnú.

2. Energeticky účinnejšie čerpadlá

Úspora energie sa stáva jednou z hlavných priorít priemyselných odvetví na celom svete. Na základe tohto trendu výrobcovia zariadení neustále pracujú na vytváraní energeticky efektívnejších systémov bez straty kvality alebo spoľahlivosti. Rovnako je to aj s výrobcami čerpadiel. Najnovšie modely čerpadiel už budú zahŕňať použitie účinnejších motorov alebo pôjde o čerpadlá, ktoré sú schopné lepšie zvládnuť situácie s nízkym prietokom. Okrem toho sa bude viac výskumu a vývoja venovať tomu, ako optimalizovať prevádzku čerpadiel, aby sa dosiahol väčší výkon s menším vstupom energie.

3. Pripojené čerpadlá

Internet vecí (IoT) má spôsobiť revolúciu takmer v každom odvetví a odvetvie čerpadiel nie je výnimkou. Na základe tohto inovačného trendu bude v nadchádzajúcich rokoch stále viac čerpadiel vybavených bezdrôtovým pripojením, ktoré im umožní zdieľať údaje a ovládanie na diaľku. To by mohlo priniesť niekoľko výhod, od zníženia prestojov a nákladov na údržbu až po zlepšenie energetickej účinnosti.

4. 3D tlačené čerpadlá

3D tlač už má veľký vplyv na výrobný sektor a očakáva sa, že v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov sa začne presadzovať aj v odvetví čerpadiel. To by mohlo zahŕňať 3D tlačené diely na vytvorenie vlastných alebo jednorazových čerpadiel pre špecifické aplikácie. Mohlo by to tiež znamenať, že čerpadlá môžu byť navrhnuté a vyrobené oveľa rýchlejšie ako tradičnými metódami a budú sa dať ľahšie opraviť a modernizovať. Časti čerpadla môžu byť tiež vytlačené 3D, čo môže pomôcť ušetriť prestoje.

5. Alternatívne materiály

Čerpadlá sú zvyčajne vyrobené z kovov, ako je oceľ alebo hliník, ale alternatívne materiály sa môžu v budúcnosti začať používať častejšie. Medzi ne by mohli patriť napr. plasty, kompozity a už spomínané materiály tlačené 3D. Použitie alternatívnych materiálov by mohlo ponúknuť mnoho výhod, ako je zníženie hmotnosti, zlepšenie životnosti a cenovo dostupnejšie čerpadlá. Mohlo by to tiež otvoriť nové možnosti vyhotovenia čerpadiel, čo by výrobcom umožnilo vytvárať úplne nové tvary a veľkosti.

6. Nositeľné čerpadlá

Nositeľné technológie už začínajú transformovať zdravotnícky priemysel, od ktorého sa očakáva, že zvýši dopyt po nositeľných čerpadlách. To by mohlo zahŕňať vývoj čerpadiel, ktoré sa dajú nosiť na tele, ako sú čerpadlá používané na podávanie inzulínu alebo krvné transfúzie.

7. Virtuálna realita

Virtuálna realita (VR) je ďalšou novou technológiou, ktorá má veľký vplyv na priemysel čerpadiel. Táto technológia sa bude v budúcnosti častejšie používať pri navrhovaní a testovaní čerpadiel. To by umožnilo technikom vytvárať virtuálne modely navrhovaných čerpadiel a testovať ich za rôznych podmienok. Virtuálnu realitu možno použiť aj na školiace účely, napríklad na učenie ľudí, ako obsluhovať alebo udržiavať konkrétny typ čerpadla.

8. Rozšírená realita

Rozšírená realita (RR) je podobná VR, ale zahŕňa prekrývanie počítačom generovaných obrázkov do skutočného sveta. RR má veľký potenciál v priemysle čerpadiel, pretože sa dá použiť na údržbu a opravu čerpadiel. Cez RR možno získať prístup k mnohým údajom čerpadla, ako sú technické listy, záznamy o údržbe, prevádzkový výkon atď. Vďaka tomu môžu technici vidieť virtuálnu reprezentáciu čerpadla, na ktorom pracujú, čo uľahčuje identifikáciu problémov a vykonávanie opráv. RR možno podobne ako VR použiť aj na školiace účely, ako je napríklad učenie ľudí, ako používať nové modely čerpadiel.

To sú len niektoré z inovácií, ktoré možno očakávať v odvetví čerpadiel v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov. Spomenutý pokrok bude mať významný vplyv na to, ako sa čerpadlá navrhujú, vyrábajú a používajú.

Literatúra

[1] Druhy a rozdelenie čerpadiel. REA-S, s. r. o. [online]. 

[2] Priemyselné čerpadlá. AxFlow. [online]. 

[3] 8 Things to Consider When Selecting an Industrial Pump. DXP Cortech. [online]. Publikované 12. 2. 2021. 

[4] The evolution of the pump industry – past, present and future. Jee Pumps. [online]. Publikované 4. 7. 2023. 

[5] Pump Flow. GlobalSpec. [online]. 

[6] 8 innovations expected in the pump industry in 2022. [online]. Publikované 23. 4. 2022. 

-tog-