Monthly: maj 2015

Polskie górnictwo węgla kamiennego znajduje się w trudnej sytuacji ekonomicznej. Zarządy firm górniczych, aby uniknąć strat szukają możliwości ograniczenia kosztów działalności. W tym zakresie poważną pozycję stanowią koszty remontów maszyn i urządzeń pracujących w kopalniach. Ze względu na wspomnianą trudną sytuację ekonomiczną zakupy nowych urządzeń są ograniczane, co powoduje konieczność remontowania posiadanego sprzętu.

Problem jest istotny ze względu na trudne warunki eksploatacji panujące w kopalniach, na skutek czego częstotliwość i zakres remontów są znacznie większe w porównaniu z innymi rodzajami przemysłu. Dodatkowo wchodzi w grę aspekt bezpieczeństwa – maszyny pracujące w podziemiach kopalń nie są maszynami ogólnego przeznaczenia lecz muszą spełniać szczególne wymogi, związane między innymi z kwestią bezpieczeństwa pracy w atmosferze zagrożonej wybuchem metanu lub pyłu węglowego. Z tego powodu maszyny górnicze są konstruowane według specjalnych wymogów oraz podlegają specjalnej procedurze atestacji.

Z powyższych powodów przepisy normujące zasady prowadzenia remontów maszyn i urządzeń pracujących w podziemnych zakładach górniczych obowiązujące w latach minionych były rygorystyczne. Przepisy te były kwestionowane z tego powodu, że ograniczały dostęp do rynku innym podmiotom niż oryginalni producenci maszyn i stwarzały niebezpieczeństwo zawyżania cen usług remontowych. Z tego powodu przepisy te zostały zliberalizowane. Kwestii tej poświęcony był raport NIK opublikowany przed kilkoma miesiącami, który był szeroko omawiany w mediach. Komentarze poświęcone raportowi koncentrowały się na interesującej medialnie kwestii rzekomego lobbingu producentów maszyn górniczych zmierzającego do monopolizacji rynku remontów, a liberalizacja przepisów w komentarzach tych była prezentowana jako zdrowa tendencja do otwarcia tego rynku. W rzeczywistości zagadnienie jest o wiele bardziej złożone i na przepisy regulujące sposób prowadzenia remontów maszyn górniczych należy spojrzeć nie tylko z jednego punktu widzenia. Omawiając raport NIK akcentowano przytoczone w nim przykłady zawyżania cen usług remontowych przez producentów maszyn wykorzystujących swoją uprzywilejowaną pozycję.

Nie zwrócono jednak uwagi, na zawarte również w raporcie NIK stwierdzenie, że samo obniżenie cen usług remontowych może w dłuższej perspektywie nie być korzystne dla interesów ekonomicznych firm górniczych, jeśli jednocześnie nie jest zapewnione utrzymanie jakości tych usług. Produkcja i remonty maszyn górniczych o odpowiedniej jakości wymaga stosowania właściwych technologii i posiadania w tym celu kosztownego wyposażenia. Oferujące usługi remontowe firmy o charakterze „garażowym” nie muszą wkalkulowywać w ceny usług kosztów tego wyposażenia, na skutek czego są w stanie wykonywać remonty taniej. Na dłuższą metę, skutki korzystania z takich usług mogą być dla firm górniczych kosztowne. Koszty przestoju i wstrzymania wydobycia na skutek awarii urządzeń mogą być wielokrotnie większe od kosztów usług remontowych. Podobnie rzecz przedstawia się w kwestii zużycia energii. Do urządzeń zużywających najwięcej energii zaliczają się pompy głównego odwadniania pompujące na powierzchnię wodę z podziemi kopalń. Można stwierdzić, że koszt dodatkowej energii zużywanej przez pompy na skutek niewłaściwego przeprowadzenia remontu jest wielokrotnie większy niż koszt samej usługi remontowej. Korzyści z obniżenia cen usług remontowych będą realne tylko wtedy jeśli obniżeniu cen nie będzie towarzyszyć obniżenie jakości usług. Raport NIK zwraca uwagę, że specyfikowanie wymaganych standardów jakościowych przy zamawianiu usług remontowych oraz egzekwowanie ich od wykonawców pozostawia w polskim górnictwie wiele do życzenia.

Oczywistym aspektem jest kwestia bezpieczeństwa pracy. Polskie górnictwo szczyci się systemem atestacji i certyfikacji maszyn i urządzeń przeznaczonych do pracy w podziemiach kopalń, dzięki któremu należy ono do najbezpieczniejszych na świecie, a tragiczny wskaźnik pokazujący liczbę ofiar śmiertelnych na milion ton wydobytego węgla jest znacząco niższy w porównaniu z niektórymi innymi krajami. Jest to wspólne osiągniecie samego górnictwa, jego zaplecza naukowego oraz producentów maszyn górniczych. Dopuszczenie do prowadzenia remontów maszyn, które przed wprowadzeniem do ruchu przeszły skrupulatną atestację pod względem bezpieczeństwa firm, dla których podstawowym kryterium działania jest niska cena usług remontowych, stwarza niebezpieczeństwo powstania luki w systemie oceny bezpieczeństwa. Pytań o to, czy maszyny pracujące w podziemiach kopalń zostały wyremontowane w sposób zapewniający poziom bezpieczeństwa jak dla maszyny nowej dostarczonej przez producenta nie można stawiać jedynie w trakcie prowadzenia dochodzeń mających na celu wyjaśnienie przyczyn tragedii kosztujących wiele istnień ludzkich.

Rzadziej dostrzeganym aspektem tej sprawy jest kwestia praw autorskich do dokumentacji maszyn górniczych. Są to maszyny produkowane na rynek niszowy, sprzedawane w stosunkowo niewielkich ilościach, a jednocześnie, ze względu na trudne warunki pracy i ostre wymagania dotyczące bezpieczeństwa, wymagające znacznych nakładów na zaprojektowanie i uzyskanie wymaganych certyfikatów. Powszechną praktyką pośród producentów światowych jest wkalkulowywanie kosztów rozwoju nie tylko w cenę nowego produktu, ale również w koszty części zamiennych i remontów, dzięki czemu cena nowego produktu nie jest nadmierna, a jednocześnie producenta stać na inwestowanie w dalszy rozwój. Dopuszczanie do sytuacji, w której zyski z remontów czerpią w pierwszym rzędzie firmy nie ponoszące nakładów na opracowanie bezpiecznych maszyn górniczych, na ich badania i certyfikację pod względem bezpieczeństwa, jest w istocie promowaniem nieuczciwej konkurencji. W dłuższej perspektywie grozi to tym, że polskim producentom nie będzie się opłacać inwestowanie w dalszy rozwój maszyn górniczych.

dr inż. Grzegorz Pakuła

---

Artykuł został opublikowany w 2010 r. na portalu gospodarczym wnp – www.wnp.pl

 

 

Doświadczenie ostatnich kilkunastu lat wskazuje, że zagrożenie powodziowe w naszym kraju występuje w sposób ciągły, i że kolejne powodzie na skalę lokalną mają miejsce co roku, a co kilka lat zdarzają się kataklizmy na skalę krajową.

Zmiany klimatyczne wiązane z efektem cieplarnianym przyczyniają się do zwiększenia częstotliwości występowania intensywnych opadów, na skutek czego powodzie zdarzają się coraz częściej.

Powódź, która miała miejsce w 2010 wykazała, że pomimo ofiarnego zaangażowania w zwalczanie jej skutków zarówno służb ratowniczych jak i ludności cywilnej, nasz kraj pod względem systemowym jest do powodzi słabo przygotowany. Jednym z przejawów tego faktu jest brak odpowiednich pomp do akcji przeciwpowodziowych. Należy zaznaczyć, że zapobieganie powodzi przekracza ludzkie możliwości techniczne, gdyż nie jest możliwe zbudowanie i utrzymywanie systemu ochrony, który byłby w stanie ochronić każde miejsce przed każdą ilością wody prowadzonej przez rzeki. Zbiorniki retencyjne, wały itp. są przygotowane na pewne statystycznie określone zwiększone opady.

Statystyka ma jednak to do siebie, że losowo występują opady przewyższające nawet oczekiwane maksima. W takich przypadkach systemy ochrony okazują się niewystarczające i mamy do czynienia z takimi zjawiskami jak przelewanie się zbiorników retencyjnych czy przerywanie wałów. Gdy nastąpi przerwanie wału ilość dopływającej wody jest taka, że żadne pompy nie są w stanie jej powstrzymać. Jedyne co można zrobić to ograniczyć negatywne skutki katastrofy przez odpompowanie wody z powstałych rozlewisk z powrotem do rzeki, gdy jej poziom już opadnie. W przeciwnym razie rozlewiska na dotkniętych klęską żywiołową terenach utrzymywałyby się przez dłuższy czas powiększając straty. Brak odpowiednich pomp do tego celu ponownie dał o sobie znać. Straż pożarna dysponuje głównie niewielkimi pompami, odpowiednimi do odpompowywania wody z piwnic, lecz nie z rozległych, zalanych terenów. W efekcie kierownictwo akcji przeciwpowodziowej było zmuszone wystąpić z apelem o udostępnienie pomp większej wydajności do instytucji, jakie nimi dysponują, a media donosiły o dostarczeniu takich pomp przez sąsiednie kraje w ramach pomocy. Nie świadczy to dobrze o systemie zabezpieczenia przed powodzią, ani o umiejętności wyciągania wniosków z poprzednich powodzi.

Należy zaznaczyć, że polski przemysł dysponuje rozwiązaniami konstrukcyjnymi i technologiami pozwalającymi na wyprodukowanie pomp do tego celu. Rzecz w tym, że cykl produkcyjny pomp o takich parametrach trwa kilka miesięcy, należy je zatem zamówić z odpowiednim wyprzedzeniem, a nie apelować o nie w momencie wystąpienia kataklizmu. Zapewnienie dostępności takich pomp to problem nie tylko techniczny i finansowy, lecz również organizacyjny i logistyczny. Ze względu na nieprzewidywalność czasu i miejsca wystąpienia powodzi przechowywanie pomp w każdym miejscu zagrożonym powodzią byłoby nieekonomiczne. Bardziej wskazane jest zgromadzenie ich w pewnym scentralizowanym magazynie, z którego byłyby dostarczane na miejsce wystąpienia powodzi. Utrzymywanie pomp, znajdujących zastosowanie jedynie sporadycznie, w stanie gotowości do następnej akcji, wymaga jednakże posiadania odpowiednich magazynów oraz wykwalifikowanego personelu do ich serwisowania, co wiąże się ze znacznymi kosztami.

Grupa Powen-Wafapomp SA, jako największy polski producent pomp przemysłowych, występuje z propozycją rozwiązania tego problemu. Firma deklaruje gotowość wyprodukowania odpowiednich pomp, a następnie ich przechowywania i serwisowania we własnych magazynach, co pozwoliłoby utrzymać je stale w stanie gotowości do użycia. Zwolniłoby to państwowe służby z konieczności posiadania magazynów i wykwalifikowanego specjalistycznego personelu. W razie wystąpienia kolejnej powodzi pompy zostałyby postawione do dyspozycji służb ratowniczych. Grupa Powen-Wafapomp SA posiada dwa zakłady: w Warszawie i w Zabrzu, których lokalizacja pokrywa się z regionami najbardziej zagrożonymi powodzią. Zabrze położone jest w rejonie górnej Wisły i Odry oraz stosunkowo blisko Małopolski i Dolnego Śląska, natomiast Warszawa w rejonie środkowej i dolnej Wisły. W rezultacie pompy z naszych magazynów mogą się znaleźć na miejscu akcji w przeciągu najdalej kilku godzin.

dr inż. Grzegorz Pakuła

1. Wprowadzenie.

Transport hydrauliczny ciał stałych w rurociągach jest stosowany w wielu gałęziach przemysłu i gospodarki (np. górnictwo, energetyka, przemysł surowców mineralnych, przemysł spożywczy, chemia, ochrona środowiska) [ 1].

Nie wnikając bliżej w szczegóły, można stwierdzić, że najczęściej (i w dużych masach) transportowane są w strumieniu wody ciała stałe o granulacji pylistej (średnica tzw. średniego ziarna δs50 < 0, 075 mm) oraz drobnoziarniste (δs50 < 1 mm). Grubsze ciała stałe (kilka – kilkadziesiąt mm) transportowane są rzadziej i przeważnie dotyczy to przypadków hydrourabiania i późniejszego hydraulicznego transportu kruszyw mineralnych, a niekiedy płodów rolnych.

Ciała stałe charakteryzują się bardzo różnymi kształtami i to niezależnie od wielkości. Mieszaniny cząstek pylistych z wodą (nazwane zawiesinami) traktowane są jako ciecze jednorodne; prędkości cieczy i cząstek stałych podczas przepływu są praktycznie identyczne, a cząstki stałe są rozmieszczone równomiernie w przekrojach przepływowych pomp i rurociągów. W uproszczeniu można traktować takie zawiesiny jako ciecze jednorodne – jednak charakteryzujące się zwiększoną lepkością względem wody, co powoduje pewien wzrost oporów przepływu zawiesin w porównaniu z wodą. Traktowane są jako niesedymentujące. Stosowna płynność zawiesiny jest warunkiem możliwości jej przetłaczania przez pompy i transportowania w rurociągach oraz rozlewania się na powierzchni płaskiej. Zależy ona od zagęszczenia ciałami stałymi, które nie powinno przekraczać sensownych granic. Mieszaniny cząstek drobnoziarnistych z wodą są dwufazowymi cieczami niejednorodnymi, w których cząstki stałe poruszają się wolniej w stosunku do wody, co powoduje straty energii podczas przepływu ,mieszaniny. Pod wpływem grawitacji cząstki stałe w takich mieszaninach opadają w rurociągach (lub przemieszczają się pod wpływem sił odśrodkowych w kanałach wirujących), w związku z czym ich zagęszczenie w przekrojach przepływowych nie jest równomierne. Porównanie rozmieszczenia cząstek stałych pylistych (P) i drobnoziarnistych (D) w przekroju rurociągu podczas przepływu mieszaniny przedstawiono na rysunku 1.

Cząstki stałe znajdujące się w mieszaninie powinny pozo-stawać w stanie zawieszenia i w pewnej (w przypadku zawiesin nawet bardzo niewielkiej) odległości między sobą. Inaczej jest w przypadku ciał gruboziarnistych, które zwykle są „wleczone” po dnie rurociągu.

 

 

 

 

 

 

Ponieważ wydajność pompy i natężenie przepływu cieczy przez rurociąg mierzone są w jednostkach objętości w czasie (np. m³ /s , m³ /h), więc parametrem najpełniej charakteryzującym skład i stan zagęszczenia mieszaniny jest koncentracja objętościowa (udział objętościowy) c_v fazy stałej w mieszaninie, określona wzorem, w którym: V_s jest objętością fazy stałej w mieszaninie , V_w jest objętością fazy ciekłej (wody) w mieszaninie , zaśV_m jest objętością mieszaniny. Koncentracja objętościowa c_v jest wprawdzie wielkością niemierzalną, ale jej wartość ma zasadniczy wpływ na płynność (a przez to i „transportowalność”) mieszanin i zawiesin. Określa ona stopień „zajęcia” przestrzeni, w której znajduje się mieszanina, przez cząstki stałe.

Innym parametrem, nawiązującym do ilości masy znajdującej się w mieszaninie jest koncentracja masowa (udział masowy) c_M fazy stałej w mieszaninie. Związek między c_M a c_v jest następujący:

Gdy mieszaniny o takich samych udziałach objętościowych c_v fazy stałej zawierają ciała stałe różniące się gęstością, to ich koncentracje masowe (udziały masowe) c_M   fazy stałej są różne. Dla przykładu można podać, ,że hydromieszaniny o takiej samej koncentracji objętościowej c_v = 0,3 , w skład których wchodzi rozdrobniony węgiel (ρ_s = 1400 kg/m³), popiół lotny (ρ_s = 2200 kg/m³) lub drobny piasek (ρ_s = 2650 kg/m³) będą charakteryzowały się koncentracjami masowymi c_M odpowiednio 0,375 , 0,485 oraz 0,532, a wiec bardzo znacznie się różniącymi.

Na rysunku 2 przedstawiono poglądowo równomierne rozmieszczenie jednakowych ziaren kulistych ciał stałych w przekroju przepływowym, w mieszaninach o różnych udziałach objętościowych c_v.. Warto zauważyć, że już gdy c_v = 0,3 to cząstki stałe znajdują się blisko siebie.

Od koncentracji objętościowej cv zależy gęstość mieszaniny ρm, wyznaczana na drodze pomiaru lub obliczana z prostego wzoru,w którym: ρ_s – jest gęstością pozorną fazy stałej (uwzględniającą obecność porów i kawern otwartych i zamkniętych), zaś ρ_w – jest gęstością wody. Gęstość pozorną cząstek stałych należy wyznaczać stosując ciecz nośną w której będą one transportowane (w praktyce wodę).

Na rysunku 3 przedstawiono zależność gęstości mieszaniny ρ_m od udziału objętościowego fazy stałej c_v, dla ciał stałych o gęstościach ρ_s = 1400, 2200 i 2650 kg/m³. W takim właśnie przedziale mieszczą się gęstości zdecydowanej większości ciał stałych transportowanych hydraulicznie w dużych masach (np. popioły lotne, żużle energetyczne, odpady poflotacyjne w kopalnictwie rud miedzi, piasek i żwir, kamień wapienny, dolomit, znaczna część odpadów z procesu wzbogacania węgli kamiennych, rozdrobniony węgiel). Gęstość mieszaniny liniowo zwiększa się w miarę wzrostu c_v i w praktyce często przekracza 1500 kg/m³.

2. Wydajność układu hydrotransportu.

Wydajność objętościową (mieszaniny) Q_m układu hydrotransportu wyraża prosta zależność,

w której d – jest średnicą wewnętrzną rurociągu transportowego, zaś v_m – jest obliczeniową prędkością przepływu mieszaniny.

Należy pamiętać, że prędkości przepływu hydromieszanin w rurociągach są z reguły znacząco większe od prędkości przepływu wody, gdyż nie należy dopuszczać do osadzania się ciał stałych na dnie rurociągu. Dlatego objętościowe wydajności układu hydrotransportu są zwykle relatywnie znaczne.

Masowa wydajność układu hydrotransportu M_m jest określona wzorem:

lub w bardziej rozbudowanej postaci – wzorem,

z którego wynika, że masowa wydajność układu hydrotransportu szybko zwiększa się ze wzrostem średnicy rurociągu, zwłaszcza, że wówczas zwiększają się prędkości przepływu mieszaniny (aby uniknąć osadzania się cząstek stałych).

3.   Pompy w układach hydraulicznego transportu.

Ponieważ przepływ hydromieszanin w rurociągu (oraz ich ewentualne podniesienie na wyższy poziom) wymaga wykonania określonej pracy, zatem musi zostać wymuszony przez pompę. W układzie hydraulicznego transportu pompa jest elementem czynnym, w którym energia doprowadzana z zewnątrz (od silnika napędzającego) jest przekazywana strumieniowi mieszaniny.

Jeżeli strumieniowi mieszaniny o gęstości ρ_m i objętościowym natężeniu Q_m , przekazywana jest w pompie moc użyteczna P_u , to jednostka ciężaru mieszaniny   (1 N) uzyska przyrost energii H (wyrażony w J/N, a po formalnym uproszczeniu wymiarów w „m”) wynikający ze wzoru:

i nazywany użyteczną wysokością podnoszenia pompy. Nazwa ta nawiązuje do interpretacji tego pojęcia, według której określa ono geometryczną wysokość na która pompowana ciecz (a wiec także i hydromieszanina) może zostać podniesiona, ale bez strat z tym związanych.

Moc użyteczną pompy P_u wyraża znany wzór

Przekazywaniu energii hydromieszaninie towarzyszy występowanie różnego rodzaju strat energii w pompie, tak więc moc P (doprowadzana do pompy) jest większa od mocy użytecznej P_u . Sprawność pompy η definiowana wzorem charakteryzuje efektywność przekazywania energii pompowanemu czynnikowi.

4. Dobór pomp do układu hydrotransportu.

Dobierając pompę do konkretnego układu hydraulicznego transportu ciał stałych należy brać pod uwagę następujące czynniki:

– wymagane parametry pracy pompy osiągane w warunkach pompowania hydromieszaniny,

– rozwiązanie konstrukcyjne pompy właściwe dla konkretnej hydromieszaniny,

– oczekiwaną trwałość elementów wewnętrznych pompy.

4.1. Ustalenie parametrów pracy pompy.

Potrzebne parametry pracy pompy w przewidywanym punkcie pracy w układzie hydrotransportu powinny być możliwie dokładnie ustalone. Przy oczekiwanej wydajności objętościowej układu Q_m (identycznej z wydajnością pompy), energia przekazywana jednostce ciężaru mieszaniny w pompie musi zrównoważyć geometryczną wysokość H_z (na którą zostanie podniesiona mieszanina) oraz wysokość strat hydraulicznych ΣΔh_m w rurociągu transportowym (także odnoszących się do jednostki ciężaru mieszaniny), które powstają podczas przepływu hydromieszaniny. Suma jest wysokością podnoszenia układu transportu hydromieszaniny (H_i), którego najprostszy schemat przedstawiono na rysunku 4, zaś charakterystykę układu hydrotransportu H_i = f(Q) przedstawiono na rysunku 5.

 

Ciała stałe znajdujące się w hydromieszaninie opuszczając wirnik mają pewną energię kinetyczną. W przypadku cząstek pylistych energia ta jest przekazywana cieczy w zasadzie całkowicie, w przypadku cząstek drobnoziarnistych – w pewnym stopniu, zaś w przypadku cząstek „grubszych” w całości jest rozpraszana.

 

Obecność ciał stałych w pompowanej mieszaninie wywiera więc wpływ na parametry pracy pomp, a w szczególności na użyteczną wysokość podnoszenia, sprawność i moc na wale, które zmieniają się w stosunku do parametrów osiąganych podczas pompowania wody.

Zmiany parametrów pompy są charakteryzowane przez następujące współczynniki bezwymiarowe:

– współczynnik zmiany wysokości podnoszenia K_H

 

 

 

– współczynnik zmiany sprawności K_η

 

Wartości współczynników K_H i K_η zależą od rodzaju ciał stałych (gęstości ρ_s oraz średniej wielkości ziaren δ_s50) i ich udziału objętościowego c_v. Wpływ na nie ma także wielkość pompy. Wykresy i zależności algebraiczne typu K_H = f (Q) oraz K_η = f (Q) zamieszczane w literaturze, umożliwiają  przybliżone prognozowanie wpływu obecności ciał stałych na charakterystyki H = f(Q) oraz η = f(Q) pompy przetłaczającej mieszaninę woda – ciała stałe. Nie należy ich jednak traktować bezkrytycznie, gdyż odnoszą się zwykle do konkretnej pompy i konkretnych ciał stałych. Przykład takich zależności przytoczonych z [ 2 ], przedstawiono na rysunku 7. Odnoszą się one do pompy z wirnikiem czterołopatkowym, jednak o nieokreślonej wielkości i nieznanych parametrach pracy.

 

Na rysunku 8 przedstawiono poglądowo przebieg charakterystyk wysokości podnoszenia H – Q i sprawności η – Q pompy odśrodkowej przetłaczającej mieszaniny o takiej samej koncentracji objętościowej, ale zawierające ciała stałe o różnej wielkości ziaren – na tle charakterystyk odnoszących się do wody.

Dobierając pompę w konkretnej sytuacji, należy wiec w pierwszej kolejności określić wysokość podnoszenia instalacji pompowej H_im w warunkach pompowania mieszaniny (przy wymaganej wydajności układu Q_m), która w oczekiwanym punkcie pracy układu musi być tożsamościowo równa użytecznej wysokości podnoszenia osiągniętej przez pompę przetłaczającą mieszaninę (H_im = H_m). Wymagana użyteczna wysokość podnoszenia pompy H_m (w warunkach przetłaczania mieszaniny) nie może zostać bezpośrednio wykorzystana do wybrania konkretnej pompy, gdyż producenci pomp udostępniają charakterystyki pomp wyznaczone podczas pompowania wody. W związku z tym (po przyjęciu wiarygodnych wartości współczynników K_H i K_η), należy określić użyteczną wysokość podnoszenia H_w, jaką analizowana pompa osiągnęłaby przepompowując wodę (gdyż zawsze H_w ≥ H_m).

oraz obliczyć moc   na walepompy przetłacząjącej mieszaninę (P_m) z zależności:

Aby bardziej ściśle dostosować parametry pompy do wymaganych, może być konieczne zmniejszenie średnicy zewnętrznej wirnika lub zmiana prędkości obrotowej (np. przez dobór odpowiednich kół pasowych).

Należy zwrócić uwagę, że stosunek   K_H / K_η jest zwykle bliski 1 i tylko w przypadku mieszanin gruboziarnistych oraz bardziej zagęszczonych mieszanin drobnoziarnistych jest mniejszy, więc moc na wale pompy w warunkach przetłaczania hydromieszaniny wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie do stosunku gęstości ρ_m / ρ_w . Wzrost zapotrzebowania mocy trzeba uwzględniać dobierając silnik (i ewentualne przekładnie pasowe) do napędu pompy.

Dobór pompy do konkretnego układu hydrotransportu mieszaniny jest często (ze względu na złożoność problemu) sprawą trudną i sensowne jest korzystanie ze wsparcia specjalistów. Renomowani producenci pomp do hydrotransportu dysponują zwykle doświadczeniem i wiedzą w tym zakresie, zaś opieranie się na sugestiach  oferentów bez doświadczenia jest ryzykowne.

4.2. Wybór rozwiązania konstrukcyjnego pompy.

Pompy odśrodkowe do hydrotransportu są z zasady jednostopniowe, choć zdarzały się wykonania wielostopniowe dla szczególnych potrzeb. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne pomp do hydrotransportu przedstawiono na kolejnych rysunkach 9 i10 [ 4 ] oraz 11. Wspólnymi cechami tych pomp są duże szerokości wirników (co umożliwia „przepuszczanie” ciał stałych o większych rozmiarach), obszerne kanały zbiorcze – o stałym przekroju lub w postaci „niepełnej” spirali, możliwość regulacji szczeliny promieniowej na wlocie wirnika – co pozwala ograniczyć przeciek wewnętrzny na wlocie wirnika, zastosowanie elementów bezpośrednio stykających się z pompowaną mieszaniną jako względnie łatwo wymienialnych, solidne ułożyskowanie zespołu wirującego ze wzglądu na zwykle znacznie większe siły osiowe i promieniowe oraz zamknięcie wodne dławnic. Pompa przedstawiona na rysunku 10 jest ponadto wyposażona w specyficzny wirnik odciążający dławnicę, co w przypadku niezakłóconego doprowadzania wody znacznie zwiększa jej trwałość. Jest to rozwiązanie z założenia przeznaczone do trudnych warunków pracy.

Pompy, których elementy wewnętrzne są wykonane z twardych tworzyw metalowych (np. rys. 9 i 10) można stosować do przetłaczania hydromieszanin zawierających ziarna o dowolnych rozmiarach. Twardy materiał przeciwstawia się „skrawaniu” – przez cząstki grubsze – zwłaszcza „kanciaste” oraz „szlifowaniu” przez cząstki drobne. Natomiast pompy (rys. 11) których elementy wewnętrzne wykonane są z elastomerów (gumy, poliuretany) z zasady przeznaczone są do przetłaczania mieszanin zawierających cząstki drobne. Elastomer o należytej odporności na ścieranie absorbuje energię uderzających cząstek i w jakiejś mierze powoduje ich odbijanie się od atakowanej powierzchni.

Ostatnio zauważa się tendencję do stosowania wirników staliwnych w pompach z kanałem zbiorczym i wykładzinami wykonanymi z elastomeru. Pozwala to na zauważalne zwiększenie sprawności pompy.

Wybór konkretnej pompy powinien być ukierunkowany przede wszystkim na osiągnięcie możliwie długich okresów pracy pomiędzy nieuchronnymi wymianami wirników i innych elementów (korpusy, wykładziny boczne), co jest uwarunkowane wysoką trwałością elementów wewnętrznych pompy, zaś to kryterium jest nawet istotniejsze od osiągnięcia nieco wyższej sprawności przez pompę.

Korzystne jest, gdy pompy do hydrotransportu są niskoobrotowe (750 – 1200 (1500) obr/min), gdyż stwierdzone jest, że zużycie wirnika (rozumiane jako ubytek masy elementu) zwiększa się w przybliżeniu proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej. Także i tempo powiększania się szerokości szczeliny promieniowej uszczelniającej wlot wirnika oraz zużycie uszczelnień dławnicy maleje wraz z obniżaniem prędkości obrotowej.

4.3. Trwałość elementów pompy.

Wirnik pompy do hydrotransportu jest elementem ulegającym najszybszemu zużyciu, zaś miejsca najintensywniejszego zużycia zaznaczono na rysunku 12. W przypadku zawartości w mieszaninie cząstek „grubych” G największe ubytki występują w obszarze wlotowym wirnika (krawędzie wlotowe łopatek i tylna tarcza wirnika), zaś w przypadku pompowania cząstek „drobnych” D wprawdzie ubytki w tych miejscach są mniejsze, ale obserwuje się znaczące ubytki na końcach łopatek, po ich czynnej stronie, które – gdy staną się dostatecznie duże – to wpływają    niekorzystnie na rozkład prędkości wypływającej mieszaniny, co prowadzi do zauważalnego obniżenia wysokości podnoszenia pompy. W związku z tym łopatki i tarcza tylna wirnika są pogrubiane, zwłaszcza w miejscach najintensywniejszego zużycia. Liczba łopatek jest niewielka z = 3 – 4 (niekiedy 5), aby utrzymać dostatecznie obszerne prześwity na wlocie wirnika i nie pogarszać nadmiernie zdolności ssania pompy.

Korpusy kanałów zbiorczych ulegają przyspieszonemu miejscowemu zużyciu w okolicy przejścia kanału w króciec wylotowy. wskutek „uderzeń” ciał stałych w krawędź spełniającą rolę szczątkowego „języka”.

Wirniki i wymienne elementy metalowe (korpusy kanałów zbiorczych i wykładziny boczne), wykonuje się ze staliw zawierających znaczne ilości dodatków stopowych, i poddaje obróbce cieplnej w celu zwiększenia ich twardości, co wymaga odpowiedniego poziomu technologicznego. Elementy wymienne wykorzystywane podczas wymian i remontów powinny odznaczać się właściwą jakością (zapewniającą stosowną trwałość) i z tego powodu ryzykowne jest stosowanie „zamienników” o nieudokumentowanej jakości, gdyż może to okazać się nieopłacalne. Pompy do hydromieszanin z oczywistych powodów ustępują sprawnością pompom do wody, wiec oczekiwana trwałość ich elementów jest decydującą przesłanką w ich doborze. Trzeba też brać pod uwagę, że szybsze zużycie elementów pompy prowadzi do wydłużenia okresu w którym pracuje ona przy zaniżonej sprawności.

5. Niektóre zagadnienia dotyczące eksploatacji pomp w układach hydrotransportu.

Zjawiska występujące podczas przepływu hydromieszaniny przez pompę są niepomiernie bardziej złożone niż podczas przetłaczania wody. Dlatego też należy zwracać uwagę na kilka okoliczności mających wpływ na prawidłową pracę pompy, od której zależy niezakłócone funkcjonowanie układu hydrotransportu jako całości.

5.1. Konsekwencje zwiększonej gęstości czynnika.

Relatywnie znaczna gęstość mieszaniny powoduje zwiększenie poboru mocy przez pompę (i konieczność zastosowania silnika o stosownej mocy) oraz zwiększenie ciśnienia w króćcu tłocznym pompy, co ma znaczenie w przypadku ewentualnej potrzeby połączenia szeregowego dwóch pomp. Nie każda pompa jest przewidziana do pracy w warunkach znacznego wzrostu ciśnienia, wiec taką niepewność należy jednoznacznie wyjaśnić. Należy też zadbać o doprowadzanie wody o odpowiednio zwiększonym ciśnieniu do „zamka” wodnego dławnicy drugiej w szeregu pompy.

5.2. Zapewnienie geometrycznego napływu do pompy.

Mieszanina powinna dopływać do pompy ze zbiornika (z dnem nachylonym w kierunku wlotu) do możliwie krótkiego rurociągu doprowadzającego położonego powyżej osi pompy (rys.4). Ciśnienie w króćcu dopływowym pompy p_sm podczas pompowania mieszaniny powinno być znacząco większe w porównaniu z sytuacją pompowania wody. Przy niedużych koncentracjach objętościowych ciał stałych w mieszaninach (c_v ≤ 0.1) nadwyżki antykawitacyjne są w obu przypadkach bliskie sobie (NPSH3_w ≈ NPSH3_m) [ 5 ] , ale nawet wtedy wymagane („bezpieczne”) ciśnienie w króćcu dopływowym pompy w przypadku pompowania mieszaniny musi być wyższe, ze względu na większą gęstość mieszaniny

(przy czym NPSH3_m jest nadwyżką antykawitacyjną pompy w warunkach pompowania mieszaniny).

Gdy udział objętościowyciał stałych w mieszaninach i zawiesinach c_v > 0,1, to NPSH3_m, a więc i potrzebna wartość ciśnienia w króćcu dopływowym pompy, szybko wzrastają, gdyż w obszarze wlotowym wirnika ciała stałe (zwłaszcza o większej granulacji) są „dociskane” siłą bezwładności do tylnej tarczy wirnika (rys.13) [ 6 ], a ich przemieszczanie się wywołuje znacznie większe straty, a wiec i lokalny spadek ciśnienia. Natomiast w przypadku zawiesin cząstek bardzo drobnych, w miarę wzrostu ich zagęszczenia powstają także dodatkowe straty ciśnienia wywoływane zaistnieniem cech cieczy nienewtonowskich w zawiesinie.

W związku z tym zapewnienie odpowiedniego geometrycznego napływu mieszaniny do pompy jest konieczne.

5.3. Eksploatacja pompy przy wydajności bliskiej optymalnej.

Pompa powinna trwale pracować przy wydajności bliskiej optymalnej, a więc w sąsiedztwie punktu najwyższej sprawności. Wówczas obciążenia łożysk wywołane istnieniem siły promieniowej działającej na wirnik są względnie małe, przepływ w kanałach międzyłopatkowych wirnika odbywa się przy najmniejszych zawirowaniach i jest najbardziej wyrównany, zaś zużycie wirnika jest najwolniejsze. Oczywiście praca pompy jest wówczas najbardziej ekonomiczna.

Praca pompy przy zwiększonej wydajności powoduje narastanie strat w obszarze wlotowym wirnika, zaś zmniejszenie wydajności podczas eksploatacji zwiększa ryzyko osadzania się ciał stałych w rurociągu.

5.4. Inne.

Obok kwestii wymienionych wyżej należy oczywiście sprawdzać stan pompy, a zwłaszcza ciśnienie w króćcu tłocznym pompy, dopływ wody do dławnicy, temperaturę łożysk, drgania zespołu wirującego i aktualny pobór mocy elektrycznej przez silnik (a co najmniej natężenie pobieranego prądu elektrycznego). Warto też mieć na uwadze, że dominujący wpływ na koszty ma prawidłowy dobór pompy i jej praca blisko punktu maksymalnej sprawności, a nade wszystko unikanie pompowania zbyt rozrzedzonych mieszanin, gdyż wówczas znaczna część energii zużywana jest na przetłaczanie nadmiernej ilości wody.

6. Zakończenie.

Układy hydrotransportu, mimo że zawierają podobne rodzajowo elementy (zbiorniki, pompy, rurociągi) jak i układy przepompowujące wodę, to jednak funkcjonują w innych warunkach. Pompy musza sprostać wymaganiom pod kątem „przepustowości” ciał stałych oraz trwałości. Zbiorniki powinny być odpowiednio zaprojektowane (ukośnie usytuowane dno i ewentualnie wyposażone w mieszadło), zaś rurociągi i armatura stosownie dobrane. Parametry pracy i wielkości charakteryzujące układ powinny być ustalone na podstawie rozpoznanych cech mieszaniny lub zawiesiny i wiarygodnej metodyki obliczeń, zaś dobór pompy powinien być dokonany z rozwagą

Pompy w instalacjach hydrotransportu muszą sprawdzić się w zwykle trudnych warunkach – przede wszystkim pod kątem trwałości i niezawodności ruchowej, zaś ich eksploatacja wymaga rozumienia problemów oraz wiedzy ze strony nadzoru, a także zwiększonego zaangażowania się obsługi. W efekcie ograniczy to jednak nieoczekiwane zakłócenia w funkcjonowaniu układu oraz w jakimś stopniu także i częstość remontów, a w średniej perspektywie czasowej obniży koszty.

Literatura:

Literatura dotycząca omawianych zagadnień jest bardzo obszerna, więc ze względu na charakter publikacji ograniczono się tylko do pozycji bezpośrednio nawiązujących do poruszanych kwestii.

1 .Palarski J., Hydrotransport, WNT, Warszawa, 1982

2..Surek J., Probleme der Flüssigkeits-Feststoffgemisch – Förderung mit Kreiselpumpen, Maschinenbautechnik, Heft 9, 1972.

3. Roco N.C., Wear mechanism in centrifugal slurry pumps, Journal of Science and Engineering, Vol. 46, Nr 5, 1990.

4. Krajowe Forum Producentów i Użytkowników pomp w górnictwie, Lubiatów, 6-8 maja 1998, (zbiór materiałów)

5. Źiwotowskij Ł.S., Smojłowskaja Ł.A., Techniczeskaja mechanika gidrosmiesiej i gruntowyje nasosy, Izd. Maszinostrojenije, Moskwa, 1986.  

6. Karielin W., Iznasziwanije łopastnych nasosow, Izd. Maszinostrojenije, Moskwa, 1973.

 

Dr inż. Jerzy Rokita

Mgr inż. Zbigniew Krawczyk