Koszty energii elektrycznej zużywanej przez pompę przez cały okres użytkowania wielokrotnie przewyższają cenę jej zakupu, nawet łącznie z kosztami związanymi z utrzymaniem pompy w sprawności technicznej (przeglądy, remonty i części zamienne). Przyjmuje się, że po okresie 10 lat eksploatacji spadek sprawności pompy może wynieść ok. 8%, na co zasadniczy wpływ mają straty hydrauliczne.
Straty hydrauliczne w pompie powstają w wyniku zaburzeń (wyhamowania płynu w warstwie przyściennej) wywołanych molekularnym oddziaływaniem cieczy z powierzchnią stałą najczęściej metalową, która z natury jest chropowata a profil chropowatości powiększa się wraz z upływem czasu eksploatacji. Straty hydrauliczne wyrażają suma energii traconej w przepływie w wyniku turbulencji powodowanej chropowatością (zmniejszenie średniej prędkości przepływu) oraz tzw. praca adhezji, tj. energii jaką trzeba przeznaczyć na pokonanie sił molekularnych oddziaływania pomiędzy ciecz/metal. Wartość pracy adhezji jest równa różnicy energii swobodnych (lub napięć powierzchniowych) stykających się powierzchni. Zatem im większa chropowatość elementów pompy oraz im wyższa będzie różnica energii swobodnych powierzchni w stosunku do cieczy tym wyższe będą straty hydrauliczne.
Jak zminimalizować straty ?
Pojawia się więc pytanie, jak zlikwidować lub znacząco zmniejszyć straty, które bezpośrednio wpływają na pogorszenie sprawności pompy. Wcześniejsza analiza przyczyn powstania strat hydraulicznych wskazuje jednoznacznie na dwie właściwości jakie można optymalizować tj. wygładzanie powierzchni (rys.1) oraz dobór odpowiedniego materiału powierzchni, tak aby jego napięcie powierzchniowe było równe lub bliskie wartości napięcia wody, które wynosi 70 mN/m. Takie właściwości posiada kompozytowa powłoka BELZONA®1341 SUPERMETALGLIDE (fot.1a i 1b.).
a.
b.
Fot.1. Pompa wodociągowa po nałożeniu powłoki kompozytowej BELZONA (1341) a) korpus pompy wraz z kierownicą b) zestawienie pozostałych elementów pompy
BELZONA®(1341) SUPERMETALGLIDE to powłoka, której powierzchnia jest 20 razy bardziej gładka od polerowanej stali kwasoodpornej (rys.1a).
Rys.1. Porównanie profilów chropowatości gładkich powierzchni, prawa strona: kompozytu BELZONA (1341) – Ra 0,078μm, lewa strona polerowanej stali nierdzewnej – Ra 1,19 μm,
Powłoka została zaprojektowana tak, aby jej napięcie powierzchniowe było dokładnie takie same co wody (powłoka hydrofobowa, trudno zwilżalna), a więc nie powstają straty adhezji, co w połączeniu bardzo wysoką gładkością znacząco redukuje straty hydrauliczne w przepływie ogółem. Potwierdzeniem tego zjawiska są liczne doświadczenia w eksploatacji pomp z powłoką BELZONA 1341 oraz otrzymane wyniki badań laboratoryjnych.
W Laboratorium Pomp Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej przeprowadzono szczegółowe badania zmian parametrów pompy porównując charakterystyki najpierw pompy bez powłoki, a następnie z powłoką BELZONA 1341. Badano pompę wirową o wydajności Q= (180-210)m3/h. Jednostopniowa monoblokowa pompa napędzana jest silnikiem elektrycznym o mocy 22 kW i osiąga nominalnie wysokość podnoszenia w zakresie H = (28-26)m przy stałych obrotach n =1400 obr/min. Wirnik pompy wykonany z żeliwa jest zamknięty z łopatkami odciążającymi napór osiowy na tylnej tarczy wirnika. Zdejmowano charakterystyki porównawcze: wysokości podnoszenia, mocy pobieranej i sprawności pompy w funkcji wydajności. Badania przeprowadzono dla pompy w wykonaniu fabrycznym oraz po pokryciu części przepływowych pompy kompozytową powłoką BELZONA (1341).
Wykres nr.1. Charakterystyka Pel – Q zespołu pompowego dla wykonania fabrycznego oraz z powłoką kompozytową BELZONA (1341)
Wykres nr.2. Charakterystyka η – Q, pompy dla wykonania fabrycznego oraz z powłoką kompozytową BELZONA (1341)
Modernizacja sprawnościowa
Otrzymane wyniki badań pompy wirowej pokrytej powłoką BELZONA 1341 w porównaniu z parametrami wykonania fabrycznego pokazują spadek poboru mocy (wykres nr.1.) oraz zwiększenie sprawności pompy w dość szerokim zakresie wokół punktu optymalnego o około 5 punktów procentowych (Wykres nr.2). Zatem zastosowanie odpowiedniej powłoki w pompie może być traktowane jako modernizacja sprawnościowa i przyczynia się do obniżenia energochłonności pompy, co potwierdziły liczne zastosowania tej metody w przemyśle.
W praktyce
Kilka lat temu w jednym z polskich zakładów chemicznych wykonano modernizację powłokową 3 pomp pionowych o różnych wydajnościach na układzie wody obiegowej. Celem zadania było obniżenie energochłonności pomp, których jak wiadomo głównym zadaniem jest nieustannie tłoczyć wodę, a więc konsumpcja energii stanowi znaczący udział w kosztach eksploatacji pomp. W ramach remontu wszystkie elementy pomp tj. lej wlotowy, wirniki, kierownice, króćce redukcyjne, kolana wylotowe zostały pokryte powłoką BELZONA 1341. Chodziło o to, aby osiągnąć maksymalny efekt obniżenia strat hydraulicznych przepływu. Na ilustracjach Fot 2 przedstawiono części pompy po pokryciu powłoką.
a.
b.
c.
d.
Fot.2. Pompa pionowa typoszergu D (produkcji POWEN WAFAPOMP SA) po pokryciu powłoką kompozytową BELZONA®1341 a) wirniki b) kierownica c) króciec redukcyjny d) kolano wylotowe
Pompy po remoncie zainstalowano na tym samym stanowisku na układzie wody obiegowej i ponownie włączono je do regularnej eksploatacji. Po pewnym czasie dokonano pomiarów parametrów pracy pomp takich jak wydajność i zużycie energii odniesione do przepompowania 1000 m3 wody. Ponieważ wcześniej tj. przed remontem dokonano dokładnie takie samego pomiaru parametrów pomp, czyli były one bez powłoki kompozytowej i dzięki temu można było dokonać bardzo szczegółowego porównania zużycia energii potrzebnej do przepompowania określonej ilości wody przez pompę bez powłoki w stosunku do tej samej pompy po modernizacji, a więc z powłoką BELZONA 1341. Spodziewano się, że pompy po modernizacji będą zużywały mniej energii i tak też się stało. Zestawienia pomiarów na wykres. 3 oraz wykres. 4 pokazują wyraźny spadek zużywanej energii, przez pompę z powłoką w stosunku do pompy bez powłoki. Określa się w tym miejscu tzw. wskaźnik zużycia energii tj. ilość kWh odniesioną do przepompowania 1000 m3 wody. I tak np. dla pompy 50D22 (oznaczenie producenta) dzięki powłoce BELZONA 1341 pompa zużywa o 15 kWh mniej energii w stosunku do tej samej pompy bez powłoki. Dla tej pompy roczny spadek zużycia energii przez pompę z powłoką BELZONA 1341 wyniósł 242 808,0 kWh !
Wykres 3. Zestawienie pomiarów wskaźnika zużycia energii dla pomp pionowych w odniesieniu do 1000 m3 przepompowanej wody obiegowej.
Wykres 4. Zestawienie wartości spadków poboru energii w kWh w ujęciu rocznym dla pomp z powłoką BELZONA®1341
Dysponując konkretnymi wartościami zmierzonych poborów energii elektrycznej przed i po remoncie pompy możemy w prosty sposób wyliczyć jakie oszczędności uzyskamy w kwotach pieniężnych tzn. ile pieniędzy zaoszczędzimy nie płacąc za zaoszczędzony prąd! (wykres 5)
Wykres 5. Wartość liczbowa oszczędności wyrażonych w złotych, uzyskanych w wyniku modernizacji powłokowej pomp
opracował : Roman Masek, BELSE