Bubliny. Niekde dobré, niekde nazvyš.

Bubliny, bublinky a lahodnú mliečnu penu milovníci kapučína vedia oceniť. No pri prečerpávaní a spracovaní mlieka či iného nápoja a tekutiny vôbec sú bubliny pary skôr veľkým problémom s následkami.

To, čo v kuchyni pri točení lopatiek mixéra (pre mnoho dôvodov) neprekáža, môže však byť katastrofou pre čerpadlá pri výrobe tekutiny. Dôsledky potom idú takpovediac do peňazí. Poškodenie lopatiek, výmena finančne nákladného čerpadla, zastavenie výroby, degradácia spracovávanej kvapaliny… a to len kvôli bublinám, respektíve kvôli kavitácii.

Kavitácia, z latinského slova cavitas – dutina, vzniká pri zariadeniach pohybujúcich sa rýchlo v kvapaline, čo je typické pre obežné kolesá v čerpadlách, ktoré sa používajú pri čerpaní vody alebo pri výrobe potravín a nápojov. Najväčší problém nastáva pri poklese tlaku, či už pre nízku hladinu kvapaliny v nádrži, z ktorej sa kvapalina prečerpáva, alebo netesnosťou v potrubí….

Teraz trochu fyziky: pri prudkom lokálnom poklese tlaku sa kvapalina odčerpá z určitého miesta a okolitá kvapalina nestihne na uvedené uvoľnené miesto natiecť. Vznikne tak vákuová bublina – kavita. Tá je spočiatku prázdna, ale ak podtlak trvá, tak sa z okrajov bubliny uvoľňujú pary z kvapaliny a kavitu zaplnia. Po zmiznutí budiaceho podtlaku kavita skolabuje/imploduje a okolitá kvapalina prudko vyplní prázdny priestor. Vznikne tým rázová vlna, ktorá sa šíri kvapalinou do okolia. Zrútenie parnej bubliny je ako malá rýchla explózia. Uvoľní sa pri nej energia, ktorá napácha lokálne škody na pevnom materiáli, ktorý je v blízkosti.   

Tvorba bublín sama o sebe nevadí, avšak…

V prípade čerpadiel sa kavitácie objavujú na zadnej strane lopatiek alebo jeho tele. Tvorba bublín však sama o sebe tu nie je až taký problém. Problém nastáva, akonáhle sa bubliny pohybujú v tekutine a čerpadle, prípadne potrubí a dostanú sa do priestoru s normálnym tlakom. Bubliny vtedy skolabujú a deštruktívne šokové vlny šíriace sa tekutinou ničia lopatky alebo telo čerpadla. Postupne sa znižuje účinnosť čerpadla, až napokon dôjde k jeho poškodeniu. Nasleduje neplánovaná oprava a finančne náročná výmena čerpadla.

Existuje predsa parameter ‘‘Net Positive Suction Head‘‘ (NPSH) pri odstredivých čerpadlách udávajuci, aký vysoký musí byť tlak pri vstupe do čerpadla, aby sa zabránilo kavitácii. Tento údaj však nerieši akúkoľvek aplikáciu. Pri prečerpávaní alebo vypúšťaní rôznych nádrží sa odporúčaný vstupný tlak do čerpadla zníži so znížením hladiny v nádrži. To samozrejme zvyšuje riziko kavitácie a následného poškodenia čerpadla.

Ďalším faktorom, prečo brániť kavitácii, je riziko znehodnotenia alebo degradácie kvality prečerpávanej alebo čerpanej tekutiny. Tá je nesmierne dôležitá napríklad v gastro priemysle pri výrobe nápojov. V prípade vody to môže byť relatívne jedno, veď para sa opäť zrazí na vodu. No pri jedle a nápojoch to neplatí. Napenenie mlieka kavitáciou v čerpadle je proces nezvratný a mlieko sa znehodnotí. Premenené na „drobné“ – v tomto prípade prináša napenené mlieko nielen náklady na servis a opravu čerpadla, ale aj stratu tržieb. V niektorých prípadoch 100 percentnú, v iných sa môže zmeniť účel následného použitia alebo použiť dodatočný nákladný proces filtrácie.

Ochrana pred bublinkami

Ako však ochranu pre bublinkami riešiť? Ponúka sa tradičné zastavenie čerpadla. Lenže to so sebou nesie zastavenie toku tekutiny a riziko zostatku zbytkovej kvapaliny pred čerpadlom. V prípade takého mlieka ohrozenie kvasným procesom.

Oveľa výhodnejšie sa javí zníženie rýchlosti čerpadla, spomalenie toku a zníženie tlaku, ktorý čerpadlo vytvára. Pokiaľ by teda čerpadlo pracovalo premenlivými otáčkami, zníži sa aj riziko kavitácie. Jednoducho spomalením čerpadla, keď sa tlak na vstupe začne znižovať. Toto je základná myšlienka, ktorá stojí za novou anti-kavitačnou funkciou dostupnou vo všetkých frekvenčných meničoch od spoločnosti ABB: priemyselných ACS880, pohonov na všestranné použitie ACS580 a ACS480 a pohonoch určených na čerpanie kvapalín ACQ580.

Táto jednoduchá myšlienka má v zariadeniach ABB aj elegantné riešenie. Antikavitačná funkcia tu nepotrebuje žiadne senzory vo vnútri potrubí. Je založená na softvérových meraniach a algoritmoch vo vnútri frekvenčného meniča, ktorý funguje v reálnom čase, keď sa zapne. Softvér monitoruje točivý moment hriadeľa motora. Keď sa začnú tvoriť kavitácie, čerpadlo tvorí zvlnený krútiaci moment a ten je detekovaný softvérom pohonu. Frekvenčný menič následne zníži rýchlosť motora a ďalej monitoruje tvorbu kavitácií. Pokiaľ ďalej pokračuje, rýchlosť sa znova zníži. Nastavenie softvérových funkcií, resp. spôsobov reakcie frekvenčného meniča na tvorbu kavitácie je rôzne. Závisí od typu aplikácie čerpadla a tekutiny.

Tento prístup k riešeniu problému je podstatne odlišný od tradičného stopnutia čerpadla. Čerpadlo môže byť naďalej v prevádzke, aj napriek detekovaným kavitáciám, s reguláciou otáčok, monitorovaním v reálnom čase a hlavne bez dodatočných senzorov. Tie môžu byť najmä v potravinárskom priemysle, pre získavanie povolení a dodržiavanie potravinovej bezpečnosti, dosť nákladné. Navyše je problematické aj ich čistenie.

Nastavenie frekvenčného meniča si však vyžaduje špecifický prístup k čerpadlám, pretože menič nemá žiadne predprogramované parametre. Tie totiž závisia od aplikácie čerpadla a typu tekutiny. Aj preto je táto antikavitačná funkcia od ABB na trhu jedinečná. Prináša podstatné výhody pre zákazníkov používajúcich čerpadlá v širokej škále použitia.

Kategórie and Tagy
O autorovi

Mario Pastierovič

Vedúci oddelenia Motory a pohony
Komentovať článok