Pompe - Principiul de functionare al pompei (cu piston, centrifuge, de vid)

Pompe

Masinile care primid energia mecanica sau electrica ridica apa la o anumita inaltime invingand forta gravitatiei sau o transporta la distanta invingand forta de frecare de-a lungul conductei si rezistentele accidentale, poarta denumirea generala de masini de ridicat apa sau pompe.

Apa si in general lichidul care trebuie ridicat sau transportat se misca de obicei prin conducte sub presiune.

Masinile de ridicat si transportat lichide sunt variate. Pentru studiu ele se impart in trei categorii distincte:

- pompe cu piston sau cu miscare alternativa;

- pompe centrifuge sau cu miscare de rotatie;

- pompe cu fluid motor (berbecul hidraulic, ejectoare) etc.

1. Principiul de functionare al pompei

Pompa este un aparat care se foloseste la transportul fluidelor de la un nivel inferior la altul superior. Principiul de functionare se poate urmari pe fig. 75.

Fig. 75. Schema pompei.

Pompa indeplineste doua operatii. Prima operatie consta in aducerea apei in corpul pompei cu ajutorul conductei de aspiratie a. Prin a doua operatie apa este impinsa la inaltimea dorita, prin conducta de refulare b.

Prin actiunea mecanica a pompei, apa aspirata este apoi impinsa pe cu presiune pe conducta de refulare.

Deoarece apa este impinsa in corpul pompei de presiunea atmosferica, inaltimea la care este asezata pompa deasupra nivelului sursei de apa (sarcina de aspiratie Ha) nu poate depasi teoretic 10,33 m, stiind ca greutatea unei coloane de apa de aceasta inaltime este egala cu forta produsa de presiunea atmosferica.

In drumul ei pe conducta de aspiratie, apa intampina rezistente datorita frecarii de peretii acesteia, la coturi, teuri etc. Aceste rezistente fac sa scada inaltimea teoretica de aspiratie (10,33 m). Practic inaltimea de aspiratie nu poate depasi 6 - 8 m.

Pe conducta de refulare apa intampina de asemenea rezistente, care reduc sarcina de refulare Hr la o valoare mai scazuta decat aceea corespunzatoare presiunii la iesirea din pompa.

Deci inaltimea utila Hu este mai mica decat inaltimea manometrica deoarece, in realitate intervin rezistentele pe conducte, care reduc din inaltimea utila ce s-ar putea realiza prin pompare.

2. Pompe cu piston

Pompele cu piston sunt de diverse constructii si moduri de functionare. Se construiesc pompe aspiratoare, refulante si pompe aspiratoare-refulante.

a. Pompe aspiratoare (fig. 76). Apa aspirata in corpul de pompa, prin deplasarea rectiline a unui piston in forma de disc, se revarsa liber prin cilindru. Organul de aspiratie (supapa m) se gaseste la partea inferioara a corpului de pompa. In corpul de pompa, la cursa ascendenta a pistonului se face un vid partial. Locul gol creat este ocupat de apa impinsa de presiunea atmosferica. Apa patrunsa prin conducta de aspiratie in corpul pompei impinge supapa m in sus. Apa care se gaseste deasupra pistonului este ridicata pana la conducta de refulare.

Fig. 76. Pompa aspiratoare

La cursa descendenta a pistonului supapa de aspiratie m se inchide si apa aspirata in cursa anterioara trece prin supapa n in partea de deasupra pistonului de unde, la cursa urmatoare a acestuia este refulata din pompa.

b. Pompa refulanta este o pompa cu piston in care inaltimea de aspiratie este aproape nula. Pompa refulanta are ca element principal conducta de refulare, aspiratia facandu-se direct prin corpul de pompa (fig. 77).

Fig. 77. Pompa refulanta.

Apa intra in cilindrul pompei prin efectul de vase comunicante in timpul cursei de aspiratie si este refulata in conducta in cursa urmatoare.

In cursa ascendenta a pistonului supapa de aspiratie m este deschisa si supapa de refulare n inchisa. La cursa descendenta supapa m se inchide, in schimb se deschide supapa n, apa fiind trimisa in conducta de refulare.

Pompele refulante sunt folosite pentru pomparea apei de la nivelul solului, din mine, ca pompe de incendiu, de ulei etc.

c. Pompa aspiratoare-refulanta. Este o pompa cu piston in care lichidul aspirat in cilindru este refulat la o anumita inaltime, prin presiunea pistonului asupra lichidului. Schema unei pompe aspiratoare refulante se arata in fig. 78.

Fig. 78. Pompa aspiratoare refulanta.

Dupa cursa ascendenta a pistonului in corpul de pompa se formeaza un vid partial (ramane putin aer rarefiat). Locul aerului este luat imediat de apa din vasul R, impinsa in sus de presiunea atmosferica Pa.

Supapa m este deschisa si supapa n inchisa.

La intrarea in cursa descendenta, supapa m este impinsa in jos oprind intrarea lichidului in tubul de aspiratie. Apasarea excitata pe tija pistonului, devenind mai mare decat presiunea atmosferica, face sa se deschida supapa n spre conducta de refulare pe care apa o umple complet, dupa care se revarsa.

La pompele cu miscare alternativa a pistonului, la fiecare schimb de sens a miscarii apa ajunge la o viteza nula, fie in tubul de aspiratie, cand pistonul incepe sa fie ridicat, fie in conducta de refulare, cand pistonul coboara in corpul de pompa. De fiecare data se produce o pierdere de energie, in afara pierderilor sau rezistentelor aratate mai inainte, datorita acceleratiei ce trebuie imprimata lichidului, spre a-l pune in miscare, atunci cand se ajunge la viteza zero.

Pompele aspiratoare refulante pot fi cu simplu sau cu dublu efect.

La pompele cu simplu efect (cu piston disc) lichidul este actionat de o singura fata a pistonului, intr-un singur sens si la fiecare cursa a pistonului.

Pentru a putea obtine o circulatie continua a apei se construiesc pompe cu dublu efect sau cu actiune dubla. Pompa cu dublu efect este astfel construita incat la fiecare cursa completa a pistonului se produce o refulare si o aspiratie, adica apa este actionata alternativ de doua fete ale pistonului, in ambele sensuri si la fiecare cursa a pistonului. O astfel de pompa are o conducta de aspiratie si una de refulare, fiecare legata la cele doua capete ale cilindrului de pompa.

Pompele cu dublu efect au patru supape (pompele cu simplu efect au doua). Inaltimea de aspiratie este in medie de 4 - 5 m si nu poate depasi 7 m.

Inaltimea de refulare nu este limitata, ea depinde de puterea pompei, de rezistenta hidraulica a conductelor si a pompei. Pentru inaltimi de refulare pana la 40 m H₂O se pot folosi pompe cu supape in piston, insa pentru inaltimi mai mari acestea nu mai pot fi folosite din cauza dificultatilor de etansare.

d. Debitul pompelor cu piston. La pompele cu actiune simpla debitul se calculeaza cu relatia:

Q = A s n/ 60 m³/s in care, (1)

Q este debitul in m³/s;

A - sectiunea pistonului in m²;

s - cursa pistonului in m;

n - numarul de curse ale pistonului.

La pompele cu actiune dubla debitul se calculeaza cu relatia:

Q = (2A - A`) s n/60 m³/s (2)

A` - fiind sectiunea tijei pistonului care de obicei se ia egala cu 0,1 A.

Volumul necesar in cazul unei pompe cu actiune simpla este dat de relatia:

A s = 60 Q/n; 60Q = A s n (3)

De o mare importanta este raportul A/s respectiv D/s.

Cu cat sectiunea pistonului A este mai mare la acelasi debit, cu atat forta necesara la tija pistonului va fi mai mare si cu atat mai mica va fi cursa s.

Deci raportul D/s ne indicta tocmai raportul dintre forta si cursa.

Raportul A/s se alege astfel ca dimensiunile lui A si s sa fie potrivite. In general pentru pompele cu actiune verticala se ia cursa mai mica decat la cele cu actiune orizontala.

Raportul A/s influenteaza numai fortele datorita acceleratiei organelor mobile.

Unii specialisti indica pentru raportul s/D, in functie de sarcina geodetica H_m valorile din tabela 22.

Tabela 22

Valorea raportului s/D in functie de sarcina geodetica

3. Pompe centrifuge

a. Generalitati. Pompele centrifuge formeaza o clasa de pompe in care energia mecanica disponibila este transformata in energie hidraulica. Spre deosebire de pompele cu piston, la care refularea apei se face printr-o miscare alternativa a pistonului, la pompele centrifuge refularea se realizeaza prin miscarea circulara continua a unui rotor intr-o carcasa.

Apa din jurul rotorului, din cauza fortelor centrifuge executa o miscare de la interior spre exterior.

In cadrul unor constructii bune a pompelor centrifuge se poate ajunge la inaltimi de aspiratie in jur de 8 - 8,5 m.

b. Clasificarea pompelor centrifuge. Pompele centrifuge se pot clasifica din mai multe puncte de vedere. In continuare ne vom referi la clasificarile din punctul de vedere al inaltimii de ridicare a apei si al modului de constructie. Clasificarea din punct de vedere al inaltimii de ridicare a apei cuprinde:

Pompe centrifuge de joasa presiune, la care inaltimea de ridicare a lichidului este de pana la 20 m H₂O. Ele au numai un etaj si se folosesc ca pompe de irigatii, in docuri si in alte scopuri.

Pompe centrifuge de medie presiune la care inaltimea de ridicare a lichidului este intre 20 si 60 m H₂O. Ele se construiesc cu unul sau mai multe etaje si se folosesc pentru alimentarea cu apa a retelelor de distributie etc.

Pompe centrifuge de inalta presiune, la care inaltimea de ridicare a lichidului este de peste 60 m H₂O. Astfel de pompe se construiesc cu mai multe etaje si se folosesc pentru alimentarea cladirilor cu abur, la alimentarea centralelor hidraulice, ca pompe pentru incendiu etc.

Din punct de vedere constructiv se deosebesc pompe centrifuge radiale, pompe cu intrare axiala, iesire radiala si pompe axiale. Cunoasterea acestor clasificari este utila la expllicarea functionarii pompelor, la urmarirea miscarii apei in pompa.

c. Compunerea pompei centrifuge. Prima pompa centrifuga cu motor a fost construita pentru cerintele industriei in 1818, avand palete plane (fig. 79) iar in 1848 s-au introdus rotoarele cu palete curbate (fig. 80).

Fig. 79. Schema pompei centrifuge cu palete plane.

Fig. 80. Schema pompei centrifuge cu palete curbate.

S-a observat ca forma camerei pompei in care este aruncata apa de catre palete joaca un rol important asupra randamentului pompei. Pentru consideratii practice s-a dat acestei camere o forma cu sectiune descrescanda progresiva spre orificiul de refulare care corespunde curbei numita voluta. Mai tarziu pentru a se anihila izbirile dintre lichidul aruncat pe palete si cel din camera periferica a pompei s-a recurs la intercalarea unei piese fixe numita difuzor cu rolul de a dirija particulele lichide dirijate de rotor spre camera periferica a pompei, fara soc. Aceste transformari evolutive ale pompei centrifuge care i-au ridicat randamentul la peste 75% sunt aratate in fig. 81.

Fig. 81. Schema pompei centrifuge cu difuzor

Prin cuplarea mai multor rotoare pe acelasi ax si care primesc succesiv lichidul cu presiune ridicata de la rotoarele anterioare s-a sporti considerabil inaltimea la care poate fi ridicat un lichid oarecare. Asemenea pompe cu mai multe rotoare poarta denumirea de pompe cu multiple etaje sau multicelulare.

In general o pompa centrifuga se compune din urmatoarele parti principale (fig. 82).

Fig. 82. Sectiune printr-o pompa centrifuga.

- corpul de aspiratie la care se racordeaza conducta de aspiratie;

- rotorul; statorul; gurile de refulare; arborele motor; palierele; presgarniturile.

Rotorul si statorul alcatuiesc corpul de presare si refulare.

d. Functionarea pompei centrifuge. Cunoscand partile principale a unei pompe centrifuge se poate urmari si intelege cu usurinta principiul ei de functionare (fig. 83).

Fig. 83. Sectiune printr-o pompa cu rotor.

Principiile care stau la baza constructiei si functionarii pompelor centrifuge constau in admisia lichidului pe la centrul rotorului cu o viteza redusa si antrenarea lui pe palete sub influenta fortei centrifuge, determinata de rotatia rotorului.

Apa, care datorita presiunii atmosferice intra in tubul de aspiratie, este primita de corpul de aspirare si de aici trece in rotor, pus in miscare de un motor.

Rotorul pompei este prevazut cu palete care au rolul de a antrena si conduce lichidul in stator. Apa intra in corpul pompei in directia axiala si este condusa apoi de catre paletele rotorului catre exterior, dand lichidului si o miscare de rotatie in jurul arborelui.

Particulele de apa care se rotesc in jurul arborelui tind sa se indeparteze de centrul de rotatie datorita fortei centrifuge. Deci, miscarea particulelor de apa spre periferia rotorului de-a lungul paletelor se datoreste fortei centrifuge. Sub actiunea acestei forte, apa paraseste rotorul si in acelasi timp se creeaza o depresiune spre interiorul lui. In rotor apa intra si iese cu o anumita viteza si presiune ajungand in stator. Statorul are palete si conduce apa catre gurile de refulare. In stator apa intra fara vartejuri. Ea isi micsoreaza viteza prin transformarea energiei cinetice in presiune. In felul acest circuitul de lichid este continuu in timpul functionarii pompei, spre deosebire de pompele cu piston la care refularea lichidului se face cu intermitenta.

Comparand modul de aspiratie al pompelor centrifuge cu cel al pompelor cu piston gasim o deosebire esentiala. Pompele cu piston se pot pune in functiune chiar daca in conductele de aspiratie nu este apa. Prin cursele repetate ale pistonelor se aspira aerul, in locul caruia patrunde apa. La pompele centrifuge particulele de apa sunt trimise spre exteriorul rotorului datorita fortei centrifuge. Din aceasta cauza se creeaza la exterior o presiune, iar spre interior o depresiune. Atat presiunea cat si depresiunea sunt proportionale cu forta centrifuga, care la randul este proportionala cu masa particulelor de lichid, cu distanta dintre particula si centrul de rotatie si cu patratul vitezei unghiulare.

Din cauza diferentei de masa intre apa si aer, considerand ca in pompa centrifuga nu se gaseste lichid ci aer, se explica de ce in acest caz forta centrifuga este mai mica decat atunci cand ea actioneaza asupra particulelor de apa. Ca o consecinta si depresiunea care se formeaza in centrul rotorului este mai mica. Bazat pe aceste considerente pompa centrifuga poate functiona numai atunci cand conducta de aspiratie si rotorul sunt umplute cu apa. In situatia in care pompa si conducta de aspiratie nu sunt umplute cu apa pompa centrifuga nu poate fi pusa in functiune datorita faptului ca depresiunea care se formeaza in aceste conditii este prea mica pentru a aspira apa din sursa de alimentare.

s-a aratat ca presiunea care se formeaza la exteriorul rotorului este proportionala cu patratul vitezei unghiulare. Aceste viteze nu pot fi prea ridicate din cauza ca materialul din care se construiesc pompele nu are rezistenta prea mare. Ca urmare, presiunea din rotor este si ea limitata.

O pompa centrifuga cu un singur rotor in mod obisnuit nu poate asigura o presiune mai mare de p = 12,5 at.

Daca p₁ este presiunea de intrare a apei in rotor, presiunea maxima ce se poate obtine este p₁ + p = p₁ + 12,5 at. In practica insa sunt necesare presiuni cu mult mai mari.

La pompele centrifuge pentru incendii se cer presiuni mai mari de 12 - 13 at. Deci se impune construirea unor pompe cu rotori in serie (fig. 84).

Fig. 84. Rotori in serie.

In acest caz primul rotor trimite apa cu o presiune egala cu p + p₁ in cel de al doilea rotor; acesta o impinge mai departe cu p + p₁ + p₂. In acest fel se pot obtine presiuni foarte mari.

Numarul etajelor variaza pana la 10 - 12.

Trebuie retinut faptul ca rotorul este organul principal al pompei si ca in el are loc ridicarea presiunii apei care trece prin pompa. Rotorul fiind format din discuri intre care se fixeaza paletele, mai poarta denumirea de disc de presiune sau etaj.

Numarul si forma profilului paletelor are o mare influenta asupra curgerii lichidului. De aceea, atat pentru stabilirea numarului de palete cat si profilului lor este necesar a se efectua o serie de calcule in care se tine seama de viteza de intrare si iesire a apei din rotor si de unghiul sub care intra si trece apa. In general, paletele sunt simplu curbate.

Pentru a micsora frecarea, suprafata rotorului si a paletelor se prelucreaza fin, pentru ca in aceasta regiune viteza de miscare a apei este cea mai mare.

Pompele cu rotoare in serie, sau cu mai multe etaje, sunt pompe de inalta presiune.

Corpul pompei se construieste in asa fel incat conducerea apei prin rotor si stator sa se faca cu usurinta.

In corpul pompei viteza apei este mai mare decat in conducta de aspiratie si in furtunurile de refulare. In conducta de aspiratie nu depaseste de regula 2 m/s si in cele de refulare ajunge in jur de 3 m/s. Calculul camerei pompei din punct de vedere al rezistentei se face la presiunea maxima.

Pentru functionarea pompei centrifuge este necesar sa se evacueze aerul din conducta de aspiratie si corpul pompei.

La pompele centrifuge de incendiu pentru evacuarea aerului se foloseste, in cele mai multe cazuri, o pompa speciala numita pompa de vid. Aceasta pompa poate sa faca corp comun cu pompa centrifuga sau se monteaza separat in legatura cu corpul de aspiratie.

e. Ecuatia fundamentala a pompelor centrifuge. Pompa centrifuga nu are organe de retinere si nici camere pneumatice. Curgerea lichidului prin canalele formate de paletele rotorului este determinata de numarul si forma profilului paletelor. Forma paletelor determina traiectoria vanei de lichid si se alege dupa conditiile stabilite prin triunghiul vitezelor la intrarea si iesirea lichidului din rotor. Daca se considera o particula de lichid care intra pe o paleta in punctul A cu viteza absoluta v₁, ea se misca mai departe de paleta cu viteza relativa w₁, in acelasi timp fiind supusa vitezei de rotatie u₁ = R₁ ω (fig. 85).

Fig. 85. Triunghiul vitezelor la intrarea si iesirea lichidului din rotor. In momentul ajungerii particulei de apa la extremitatea paletei, in punctul B, ea poseda o viteza relativa w₂ si o viteza absoluta tangetiala la cercul de raza R₂

u₂ = R₂ ω

Viteza absoluta fiind formata din suma geometrica a vitezelor w₂ si u₂.

Forta centrifuga care a provocat miscarea particulei din A pana in B este:

F_c = mωr (4)

in care

m este masa particulei de lichid

ω - viteza unghiulara

r - raza cercului.

Luand in consideratie masa unui kgf de apa atunci obtinem m = 1/g si inlocuind obtinem:

F_c = ω²r/g

unde

r = R₁ + R₂/2

Deoarece drumul parcurs de kilogramul de apa in directia fortei centrifuge este R₂ - R₁ rezulta ca lucrul metalic sau travaliul necesar pentru aceasta este:

F_c (R₂ - R₁) = R₂² - R₁²/2g ω² = u₂² - u₁²/2g      (5)

Deci pentru a face sa creasca viteza unui kilogram de apa de la valoarea u₁ pana la valoarea u₂ trebuie o cantitate de energie exprimata prin:

u₂² - u₁²/2g (6)

Pentru viteza absoluta va trebui sa se cheltuiasca energia

v₂² - v₁²/2g (7)

Pentru viteza relativa care, in general, merge descrescand deoarece sectiunea de curgere prin doua palete vecine merge crescand, se produce o cedare de energie astfel incat energia totala va fi:

H = u₂² - u₁²/2g + v₂² - v₁²/2g + w₂² - w₁²/2g       (8)

Din triunghiurile vitezelor de la intrarea si iesirea apei de pe paleta se obtin relatiile trigonometrice:

w₁² = v₁² + u₁² - 2 v₁u₁ cos α₁

w₂² = v₂² + u₂² - 2 v₂u₂ cos α₂

Inlocuind pe w₁² si u₂² in relatia de mai sus se obtine ecuatia:

H = u₂ v₂ cos α₂ - u₁v₁ cos α₁/g      (9)

Aceasta ecuatie este denumita ecuatia generala a pompelor centrifuge.

Cum unghiul α₁ = 90s ecuatia se reduce la o forma simpla. gH = u₂v₂ cos α₂

v₂ cos α₂ reprezinta proiectia vitezei absolute v₂ pe viteza tangentiala u₂.

In acest caz g H = u₂ v_u2 si

H = u₂ v_u2/g

Aceasta valoare a lui H ne da inaltimea teoretica la care se poate ridica un kg de apa, fara a tine seama de frecarile pe care trebuie sa le invinga forta data lichidului. In realitate inaltimea ce poate fi atinsa este cu 15 pana la 50% mai redusa.

f. Puterea pompei centrifuge. Puterea necesara pentru ridicarea unui debit Q (in l/s) la inaltimea de refulare h se calculeaza cu formula:

P = γQH/75 η CP

sau

P = γQ H/ 102 η in kW in care,

Q este debitul pompei in m³/s

H inaltimea de refulare in m

η randamentul pompei

γ greutatea specifica a apei in kgf/m³

Randamentul pompei variaza dupa natura constructiei, intre 0,60 si 0,80. Pompele mai puternice au randament mai mare. Fiecare pompa are curbe caracteristice (P, H, η) (fig. 86).

Fig. 86. Curbele caracteristice ale unei pompe centrifuge

Curba variatiei randamentului este, de asemenea, caracteristica fiecarei pompe.

In tara noastra se construiesc mai multe tipuri de pompe, in raport de scopul in care ele se folosesc. Printre acestea se numara si pompele centrifuge care se monteaza pe masinile de incendiu.

Puterea motoarelor (termice si electrice) de actionare a pompelor se alege cu 10 - 15% mai mare decat puterea calculata a pompei. Diferenta de putere compenseaza pierderile mecanice datorita transmisiei.

4. Pompe de vid

Pompele centrifuge, pentru a debita apa, trebuie amorsate. Amorsarea consta in umplerea lor si a conductei de aspiratie cu apa, inainte de pornire. Pentru aceasta este neceasar, in primul rand, sa se evacueze aerul din sorb, conducta de aspiratie si pompa.

Pompele de vid, folosite pentru evacuarea aerului din conducta de aspiratie si pompa centrifuga sunt de trei feluri; cu inel de apa, cu rotor si palete si cu ejector.

a. Pompa de vid cu inel de apa (cu inel lichid). Pompa de vid cu inel de apa se monteaza pe acelasi ax cu pompa centrifuga. Ea este o pompa rotativa si se compune din carcasa circulara, un rotor cu palete radiale excentric fata de axa carcarsei: axul (axul pompei centrifuge); doua orificii de intrare si iesire a aerului sau a apei (unul de intrare si altul de iesire).

Functionarea pompei de vid. Carcasa se umple partial cu apa in timpul stationarii pompei. Prin invartirea rotorului excentric, apa este antrenata de palate si la o anumita viteza se formeaza un inel de apa de o grosime uniforma care se roteste in interiorul pompei lipindu-se de peretele interior al carcasei.

Axa de rotatie a rotorului fiind excentrica in raport cu axa carcasei pompei, elementele de pompare formate din lichid realizeaza un efect de pompare aspirand apa pe un anumit parcurs si refuland-o pe altul.

Pentru a intelege si mai bine modul cum pompa cu inel de apa realizeaza vidul, vom considera o sectiune transversala a pompei de vid cu inel de apa impartita in patru zone (fig. 87).

Fig. 87. Sectiune prin pompa de vid cu inel lichid.

1 - inel de apa; 2 - partea de aspiratie a aerului cu orificiul de intrare; 3 - partea de evacuare a aerului cu orificiul de iesire; 4 - rotor cu palete fixe; 5 - axul pompei; 6 - carcasa pompei.

Fiecare zona corespunde unei faze de functionare, astfel :

zona I de la A la B corespunde unei zone de depresiune, deci de vid ;

zona a II-a de la B la C corespunde zonei de aspiratie in care spatiul de aer dintre palete se mareste ;

zona a III-a de la C la D ; in aceasta zona se face transportul aerului spre partea de evacuare. Spatiul dintre palete ramane aproape constant ;

zona a IV-a de la D la A corespunde zonei de evacuare ; in aceasta zona se gaseste si orificiul de evacuare a aerului din pompa, spatiul dintre palete se micsoreaza.

Initial pompa de vid se umple cu apa si se pune in miscare. Prin invartirea rotorului, paletele antreneaza apa din carcasa pompei de vid si o arunca in exterior sub actiunea fortei centrifuge.

In acest fel se formeaza un inel de apa de dimensiuni egale pe toata circumferinta sa, lipit de peretii carcasei, iar spre interior un spatiul gol de aer. Inelul de apa se mentine pe tot timpul functionarii pompei. In partea superioara paletele rotorului sunt aproape complet introduse in apa formand astfel spatii de volum minim, pe cand in partea inferioara deabia ating inelul de apa determinand spatii de volum maxim.

Aceste spatii minime si maxime se considera intre doua palete. Functionarea pompei poate fi inteleasa si mai bine daca se urmareste pe figura spatiul dintre doua palete, plecand din punctul A catre D, rotorul invartindu-se de la dreapta la stanga.

Spatiile de aer dintre palete mai mici, in parte de sus, si mai mari in partea de jos, se datoresc excentricii rotorului. In zona I de la A la B, intre palete se gaseste putin aer. Plecand din punctul B spre stanga, spatiul dintre doua paltele succesive se mareste dand posibilitate aerului din sorb, tubul de aspiratie si pompa sa intre in camera dintre palete, in momentul in care paletele trec prin dreptul orificiului de intrare a aerului, din pompe.

In zona a III - a, adica de la C la D, spatiile dintre palete sunt pline cu aer, care continua sa fie transportat catre zona a IV - a. In aceasta zona spatiul dintre palete incepe sa se micsoreze fortand presarea aerului, care este obligat astfel sa iasa prin orificiul de evacuare.

Aerul evacuat este inlocuit treptat de apa. Initial, prin orificiul de evacuare iese aer, apoi aer cu apa si in cele din urma apa, ceea ce dovedeste ca vidul s-a facut si deci pompa centrifuga poate intra in functiune.

Pompa cu vid cu inel de apa, construita corect poate realiza un vid de 99,5% din vidul teoretic.

b. Pompa de vid cu rotor si palete mobile. Pompa de vid cu palete mobile este o pompa rotativa. Ea se compune din urmatoarele parti (fig. 88):

- o carcasa in interiorul caruia se invarte rotorul;

- blocul pompei de vid;

- axul;

- paletele (aripioarele);

- canalul de evacuare a aerului;

- canalul de legatura dintre pompa de vid si pompa centrifuga;

- locasul cilindrului pompei de vid;

Fig. 88. Sectiunea prin pompa de vid cu rotor si palete mobile.

Functionarea pompei de vid cu palete mobile. Pompa de vid se monteaza pe corpul pompei centrifuge. Pentru a o pune in functiune este necesar a se porni pompa centrifuga, dupa care axul pompei de vid se cupleaza cu axul pompei centrifuge. Aceasta cuplare se face in sisteme diferite, in raport de tipul constructiv a pompei.

Odata cuplat axul pompei de vid, blocul cu aripioare executa aceeasi miscare de rotatie ca si axul pompei centrifuge.

Datorita miscarii de rotatie, aripioarele ies din bloc pana cand ating peretele cilindrului. In acest fel se creeaza o compartimentare intre aripioare si perete. Pentru a intelege mai bine functionarea pompei, se noteaza primele doua aripioare cu a si b si se urmareste deplasarea lor in timpul invartirii blocului.

Dupa ce aripioara a iese din bloc stabileste un compartiment fara aer (vid) intre punctul de contact al blocului cu cilindrul si pozitia in care se gaseste la un moment dat.

In momentul in care aripioara a trece prin dreptul santuletului canalului ce pune in legatura pompa centrifuga cu locasul cilindrului pompei de vid aerul din sorb, din tubul de aspiratie si din pompa centrifuga se destinde si ocupa locul gol dintre compartimentul a - b (fig. 89). Compartimentul a - b poarta aerul mai departe, catre santuletul care face legatura intre interiorul cilindrului pompei de vid si canalul de evacuare a aerului. Datorita excentricitatii blocului fata de carcasa, volumul compartimentului se micsoreaza pe masura ce se apropie de santuletul canalului de evacuare. Din aceasta cauza aerul este presat iar in momentul trecerii prin fata santuletului este evacuat in atmosfera (fig. 90).

Fig. 89. Schema functionarii pompei de vid cu rotor si palete mobile.

Fig. 90. Schema functionarii pompei de vid cu palete mobile.

Explicatia data pentru compartimentul a - b este valabila si pentru restul compartimentelor formate intre doua palete succesive. In felul acesta fiecare compartiment transporta o anumita cantitate de aer existenta in sorb, tuburi de aspiratie si pompa centrifuga si o evacueaza in atmosfera.

Dupa evacuarea aerului, deci dupa facerea vidului, apa din sursa este impinsa de presiunea atmosferica in pompa, fapt ce se poate constata prin iesirea apei din orificiul de evacuare. Vidul fiind facut, pompa de vid se decupleaza.

c. Pompa de vid cu ejector. Pompa de vid cu ejector se compune din corpul pompei si coloana de ejectie (fig. 91). Coloana de ejectie cuprinde ajutajul de ejectie a gazelor de esapament, ajutajul diverget prin care gazele si aerul aspirat se evacueaza in atmosfera, clapeta cu ajutorul careia gazele de esapament se dirijeaza spre ejector si conducta de legatura cu pompa centrifuga.

Fig. 91. Sectiune prin pompa de vid cu ejector.

Functionarea pompei de vid cu ejector. Mai intai se pune in functiune pompa centrifuga apoi se cupleaza pompa de vid cu ajutorul unei manete, deschizandu-se robinetul vacuummetrului si manometrului. Pentru obtinerea cantitatii de gaze de ardere necesare asigurarii unei ejectii corespunzatoare se accelereaza motorul dupa nevoie.

Dirjiarea gazelor de ardere din conducta de esapament catre coloana de ejectie a pompei de vid se face prin clapeta montata in teava de esapament actionata de maneta de cuplare.

Gazele de ardere iesite cu anumite viteze antreneaza aerul din pompa centrifuga si il evacueaza in atmosfera. In felul acesta se realizeaza vidul in sorb, conducta de aspiratie si pompa centrifuga. Dupa realizarea vidului se inchide robinetul vacuummetrului.

Oricare ar fi pompa de vid folosita trebuie indeplinita o cerinta importanta si anume: realizarea vidului in cel mai scurt timp.

Creearea vidului in timpul cel mai scurt depinde in primul rand de o foarte buna etansare a intregului complex al pompei si in al doilea rand de gradul de pregatire si de operativitatea conducatorului auto sau a mecanicului de la motopompa.

Se cere o buna etansare a pompei centrifuge, a capacelor de intrare si iesire, a racordurilor, a tuburilor de aspiratie si o buna functionare a motorului.

Daca dupa aproximativ 65" la pompa de vid cu inel de apa si pana la 45" la pompa de vid cu palete mobile nu se realizeaza vidul, se opreste operatia, se controleaza etansarea si numai dupa aceea se repeta.

5. Berbecul hidraulic

Dintre masinile de ridicat apa face parte si berbecul hidraulic. O astfel de masina utilizeaza insasi energia apei pentru a ridica o parte din debitul Q folosit la punerea ei in functiune.

In principiu, berbecul hidraulic consta dintr-un rezervor cu aer A (fig. 92) pus in legatura cu o conducta de aductiune a apei care la extremitate este prevazuta cu o supapa S ce se inchide si se deschide automat. De rezervorul A este racordata o conducta de refulare. Rezervorul A este prevazut cu doua supape: m de deschidere si n de inchidere.

Fig. 92. Schema cu modul de producere a berbecului hidraulic.

Functionarea berbecului hidraulic este simpla.

Cand supapa S este deschisa apa din rezervorul R se scurge pe conducta de aductiune (a), viteza si debitul depinzand de diferenta de nivel h si de sectiunea conductei.

La inchiderea supapei S se produce o lovitura de berbec. Apa initial se comprima si apoi se destinde patrunzand in rezervorul de aer A, dupa deschiderea supapei m. In acelasi timp supapa S se deschide creeand din nou posibilitatea ca apa sa se scurga din rezervorul R.

O noua inchidere brusca a supapei S produce din nou o lovitura de berbec si iarasi apa patrunde in rezervorul A. Aerul existent in rezervorul A se comprima datorita presiunii apei ce patrunde succesiv in rezervor, ca urmare a repetatelor lovituri de berbec.

Dupa un anumit numar de lovituri de berbec, aerul comprimat apasa asupra apei patrunse in rezervorul A (supapa m fiind inchisa); supapa n se deschide si apa sub presiunea aerului urca in conducta de refulare b, revarsandu-se in vasul B. In acest fel apa parcurge pe verticala inaltimea H > h.

In conducta de refulare nu ajunge decat o parte din debitul Q, scurs prin conducta de aductiune.

Debitul q care se refuleaza prin conducta b, la inaltimea H, depinde de raportul h/H.

In tabela 23 se dau debitele q care se pot obtine pentru diferitele valori frecvente ale raportului h/H.

Tabela 23.

Debitele pentru diferite valori ale raportului h/H.

In cazul unui debit Q = 100 l/min debitul q este dat de relatia:

q = η h/H Q      (11)

6. Hidrofoare

Instalatia de alimentare cu apa cu hidrofor se intrebuinteaza atunci cand presiunea din conducta exterioara nu poate satisface presiunea ceruta in instalatia interioara.

Ea poate fi considerata un tip special de statie de pompare complet automata si se utilizeaza numai atunci cand trebuiesc asigurate debite mici.

Instalatia de hidrofor se compune din urmatoarele elemente principale: rezervorul metalic de presiune pentru apa si aer; un compresor de aer, automate pentru functionarea instalatiei; pompe pentru pomparea apei in rezervorul de presiune (cel putin doua, una in functiune si a doua de rezerva) (fig. 93).

Fig. 93. Instalatia de hidrofor.

Functionarea hidroforului. La partea inferioara a rezervorului de presiune se gaseste apa iar deasupra apei aer. Presiunea initiala a aerului in rezervor este mai mare decat presiunea apei din conducta.

Pe masura ce apa din rezervor se consuma, aerul din interior ocupa un volum mai mare si deci forta de apasare asupra apei se micsoreaza. Presiunea scade pana la o anumita limita, dinainte stabilita, la care intra in functiune, in mod automat, pompa care pompeaza apa in rezervor. Asupra automatului de pornire actioneaza automatul de presiune.

Comprimand stratul de aer in rezervor se ajunge la o presiune maxima admisa, dupa care se actioneaza imediat asupra automatului de pornire si pompa se opreste.

In intervalul de timp dintre cele doua pozitii limita, instalatia mentine presiunea necesara in retea prin elasticitatea pernei de aer comprimat aflat la partea superioara a rezervorului de presiune.

Datorita faptului ca exista o variatie de presiune de la P_minbim la P_maxim, nivelul de apa variind de la a (minim) la b (maxim) acest sistem de instalatie cu hidrofor se numeste cu presiune variabila. Pe timpul functionarii hidroforului o mica parrte din aer este antrenat de apa. Partea pierduta este completata de catre compresor.

Instalatia de hidrofor cu presiune variabila are nevoie de un motor electric mai puternic.

Sistemul cu presiune constanta are doua rezervoare de presiune: unul pentru aer si celalalt pentru apa. Aerul comprimat asigura presiunea constanta in instalatie, independent de variatia volumului de apa din rezervor.

Presiunea constanta se realizeaza cu ajutorul unui ventil de reductie ce se monteaza pe conducta de aer, stabilindu-se astfel presiunea ceruta.

Sistemul cu presiune constanta prezinta marele avantaj ca intr-o retea de incendiu, asigura in acelasi timp si un debit de apa constant.

La sistemul cu presiune variabila debitul de apa al sprinklerelor, drencerelor, hidrantilor variaza si anume, este cu atat mai mare cu cat este mai mare diferenta dintre P_maxim si P_minim.

Daca se asaza ventile de reductie pe conductele de distributie si la sistemul cu presiune variabila se poate realiza presiune constanta in retea.

La rezervoarele de presiune se prevad: ventile de siguranta, conducte de golire, manometru si indicator de nivel al apei.

In calculul instalatiei de hidrofor se dimensioneaza mai intai volumul rezervoarelor apoi se stabilesc caracteristicile pompelor. Intotdeauna insa este necesar sa se stabileasca nivelul apei in rezervor corespunzator presiunii minime, pentru ca volumul util de apa sa fie cat mai mare.

Consumul se stabileste in functie de numarul maxim de declansari pe ora (10 - 15 declasari automate pe ora). Capacitatea totala a recipientului de presiune se poate calcula cu formula:

C = V/x in care

V este volumul recipientului in m³ iar

x = P + 10/ P` + 10 - P + 10/P`` + 10

unde

P` este presiunea de punere in functiune a pompelor in m H₂O;

P`` - presiunea de scoatere din functiune a pompelor in m H₂O, ea fiind egala cu inaltimea manometrica a pompei din care se scade inaltimea de aspiratie si 2 - 3 m rezerva de presiune;

P - presiunea initiala a aerului in rezervorul de presiune, inainte de introducerea apei si care se ia cu 2 - 3 m H₂O mai mica decat presiunea P`.

Se mai poate folosi si relatia lui Boylle-Mariotte.

V₁P₁ = V₂P₂ = (V₂ - V_a) P₁

V₂ = V_aP₁/P₁ - P₂

V_a este volumul de apa din recipient, care trebuie ales astfel incat pompele sa fie pornite intre 6 - 15 ori pe ora.

Pe fundul recipientului ramane totdeauna o cantitate de apa motiv pentru care in calcul se ia cu 10% mai mult, astfel volumul V_t se calculeaza cu relatia:

V_t = 1,1V_aP₁/P₁ - P₂

In figura 94 se arata schematic semnificatia valorilor V_t, V_a, V₁, V₂ ca si P₁ si P₂.

Fig. 94.

7. Ejectoare

Ejectorul pentru apa constituie una din aplicatiile tehnice ale teoremei lui Bernoulli.

El este un aparat cu ajutorul caruia se poate absorbi si deplasa o cantitate de lichid, folosind o cantitate de apa cu presiune si viteza mare. Asa dar, ejectorul, este un aparat de pompare, constituit in principiu conform schitei din fig. 95 avand urmatoarele parti componente:

- ajutajul convergent de inalta presiune (confuzorul) denumit si ajutaj de ejectie, alimentat cu apa de la o pompa sau o retea de apa (A);

ajutajul convergent de joasa presiune pus in legatura cu lichidul, care trebuie ejectat prin intermediul unei conducte sau a unei camere de aspiratie cu forma adecvata (B);

- camera de amestec (C);

- difuzorul ejectorului, pus in legatura cu conducta de refulare a apei amestecate (D).

Fig. 95. Sectiune printr-un ejector

Principiul de functionare este urmatorul:

Lichidul primar (ejectant), avand de regula un debit relativ scazut (q₁) si o presiune mare (P₁) curge prin ajutajul 1, patrunzand in camera de amestec, cu viteza mare. Ajutajul de ejectie 1 fiind convergent, viteza lichidului creste treptat. Ca urmare, energia cinetica a apei se mareste in timp ce presiunea statica scade. La iesirea din confuzor viteza apei fiind foarte mare, presiunea statica are o valoare mai mica decat presiunea atmosferica. Din cauza depresiunii formate in interiorul aparatului, lichidul care trebuie ejectat se ridica in coloana (camera de aspiratie) si patrunde prin sectiunea 2, cu un debit q₂ in camera de amestec.

In camera de amestec, cele doua lichide intra sub forma de curenti diferiti (unul cu viteza mare V₁ iar celalalt cu viteza mica V₂). Treptat acesti curenti patrund unul in altul, se amesteca astfel incat in partea finala a camerei de amestec miscarea se egaleaza, distributia vitezelor capatand aspectul caracteristic regimului de curgere (fig. 96). Miscarea lichidelor fiind permanenta, viteza medie in lungul camerei de amestec este constanta conform relatiei de continuitate:

V₃ = q₁ + q₂/A (14)

Fig. 96. Distributia vitezelor in ejector

Presiunea statica creste in camera de amestec, de la intrare spre iesire.

Din camera de amestec lichidul trece prin difuzor in conducta de refulare, cu presiunea P₂.

In difuzor viteza medie scade si o parte din energia cinetica se transforma in presiune statica.

In timpul functionarii ejectorului se produc pierderi de sarcina datorita frecarilor si rezistentelor locale.

Camera de amestec se construieste, de obicei, cilindrica. Pentru a se asigura omogenizarea amestecului celor doua lichide, lungimea camerei de amestec trebuie sa fie egala cu 6 - 10 diametre.

In unele cazuri camera de amestec se construieste cu sectiunea variabila, astfel incat presiunea statica in lungul ei sa ramana constanta, viteza medie crescand de la intrare spre iesire.

Orificiul ajutajului de inalta presiune se asaza la cca un diametru (l = d) inaintea camerei de amestec sau in acelasi plan cu sectiunea de intrare a apei in aceasta camera.

Difuzorul aparatului se construieste, de obicei, de forma tronconica cu un unghi de deschidere mic (6 - 8s).

Debitul de apa (q₁ + q₂) poate fi trimis la punctul de utilizare sau poate fi impartit astfel incat debitul q₁ sa fie aspirat de pompa care sa-l refuleze cu presiune mare inapoi in ejector, utilizandu-se numai debitul ejectat q₂ si debitul de lichid ejectant q₁, poarta denumirea de coeficient de ejectie (n):

n = q₂/q₁      (15)

Valoarea lui n depinde de raportul dintre diametrul camerei de amestec si cel al ajutajului de inalta presiune, de densitatea celor doua lichide, de presiunile initiale ale acestora si de dispozitivul de lucru cu ejectorul.

Aparatele care au sectiunea camerei de amestec relativ mica (care au coeficientul β = d/d₁) sunt aparate de presiune mare si debite ejectate mici. Ele se folosesc pentru pomparea apei de la adancimi mari sau la tranportul ei la distante mari.

Aparatele cu β mare au insa debite mari si sarcina mica.

Desi au randament total scazut (η = 10 30%), aparatele ejectoare sunt mentinute in dotarea pompierilor datorita numeroaselor avantaje pe care le prezinta: constructie simpla si robusta, fara organe in miscare; siguranta in serviciu; pot fi puse in functiune imediat, fara pregatiri prealabile; pot functiona bine si in cazul apei cu impuritati; ocupa spatiu mic si nu reclama o intretinere complicata etc. In fig. 97 este aratata toata schema ejectorului aflat in dotarea pompierilor din tara noastra.

Fig. 97. Schema ejectorului aflat in dotarea subunitatilor de pompieri.

Pe acelasi principiu, functioneaza si alte aparate din dotare, cum sunt de exemplu, generatoarele de spuma sau amestecatoarele de linie.