Jak Grundfos S-tube® řeší nové problémy spojené s čerpáním odpadních vod
Rostoucí ceny vody a řada nových environmentálních a politických faktorů musí být vzata v úvahu při plánování moderního systému nakládání s odpadními vodami. Oběžné kolo S-tube® Grundfos je navrženo tak, aby čelilo těmto rozmanitým výzvám.
Proč je nyní čas pro oběžné kolo S-tube®
Obrázek 1: Oběžné kolo S-tube® Grundfos je určeno k přepravě velkého objemu odpadních vod na delší vzdálenosti při spotřebě nižšího množství energie a přepravní kapaliny.
Rostoucí ceny vody a řada nových environmentálních a politických faktorů musí být vzata v úvahu při plánování moderního systému nakládání s odpadními vodami. Oběžné kolo S-tube® Grundfos je navrženo tak, aby čelilo těmto rozmanitým výzvám.
Základní prvky revolučního oběžného kola S-tube® uvedeného na trh společností Grundfos v roce 2012 byly na rýsovacích prknech konstruktérů čerpadel po celá desetiletí. Avšak po mnoho let nebyl žádný výrobce čerpadel odpadních vod schopen zrealizovat úspěšně tuto konstrukci oběžného kola. Objem a rozmanitost odpadového materiálu, který musí být přepravován, byly relativně nízké, a proto údaje, jako je spotřeba vody a energie, dodavatelé veřejně prospěšných služeb téměř nebrali v úvahu.
Až v posledních dvou desetiletích se řada faktorů spojilo, čímž se konstrukce S-tube® stala relevantní. Tyto faktory zahrnují: zvýšení povědomí o životním prostředí, nová vládní legislativa a směrnice a rostoucí náklady na vodu, energii a přepravu odpadů.
Výzvy, kterým čelí provozovatelé vodovodů a kanalizací
Hlavní – a vzájemně propojené – výzvy, kterým dnes provozovatelé vodovodů a kanalizací čelí v souvislosti s přepravou odpadů, lze shrnout takto:
- Rostoucí náklady na vodu a energii a přísnější vládní regulace
- Nižší spotřeba vody a energie
- Méně kapalná směs odpadních vod
Rostoucí náklady na vodu vedou spotřebitele ke snížení spotřeby vody, což dále vede ke změně složení odpadních vod, které mají vyšší podíl obsahu sušiny než dříve.
Vládní předpisy, normy a směrnice přidaly další komplikace. Například článek pět evropské normy o čerpacích zařízeních EN 752-6:2008 uvádí, že čerpací zařízení musí „být plánovány a navrženy s ohledem na“ takové faktory, jako je „spotřeba energie“, „provoz a požadavky na údržbu“ a „dopad na životní prostředí“.
Kromě přísnější regulace spotřeby i rostoucí náklady na energii zvýšily motivaci najít efektivnější způsoby přepravy odpadních vod. Inovace šetřící vodu vytvořily nové problémy. Například úspornější toalety používají méně transportní kapaliny, čímž se zvyšuje riziko ucpání dále v potrubí. Tradiční čerpadla odpadních vod přispívají k tomuto riziku ucpání díky níže uvedeným konstrukčním záležitostem:
- náběžné hrany, na kterých se odpad snadno zachytává,
- ohyby v potrubí,
- řezací mechanismy,
- omezený volný průchod.
„Jsou zde dvě hlavní a globální výzvy, pokud jde o přepravu odpadních vod,“ říká Maurice Martaud, Technical Support Engineer u přední francouzské vodárenské společnosti Lyonnaise des Eaux, která je součástí nadnárodní skupiny Suez Environnement Group. „První výzva se zaměřuje na měnící se sociální chování spotřebitelů. Na jedné straně to podporuje zavádění opatření na snížení spotřeby vody na minimum, na straně druhé to představuje nárůst množství vláknitého materiálu vypouštěného do sběrných systémů. Tyto změny představují výzvu pro hydrauliku čerpadel odpadních vod a potrubí, jelikož proud pevných látek nesený odpadními vodami se stává silnější a těžší pro přepravu.“
„Druhá výzva se zaměřuje na rostoucí potřebu monitorování sběrných systémů, které má zabránit ucpání spádové kanalizace, čerpadel a výtlačného potrubí,“ říká. „Ucpání způsobené smícháním tuků, sedimentů a makročástic je rostoucí problém, který klade velký požadavek na servis. Z tohoto důvodu musí být každé ucpání co možní nejvíce předvídáno.“
Různá oběžná kola, různé problémy
Reakce průmyslu na tyto změny a tlaky se vyznačuje obecným trendem směrem k centralizovaným systémům nakládání s odpady tam, kde je to možné. Čerpání s proměnlivou rychlostí se také stalo samozřejmostí jako prostředek úspory energie, avšak s rychlostí se sníženým průtokem přichází větší riziko ucpání v systému, což ovlivňuje účinnost i životnost.
Dohromady to představuje obtížný problém pro projektanty čerpadel odpadních vod: jak přepravit více odpadu na delší vzdálenosti při spotřebování méně vody a energie a s malými nebo žádnými nároky na údržbu potřebnou po instalaci.
Různé druhy oběžných kol odpadních vod byly vyvinuty v průběhu let v rámci snah o větší spolehlivost a vyšší hydraulickou účinnost – vírová oběžná kola, polo-otevřená nebo uzavřená oběžná kola nebo různé hybridní variace.
„Zákazníci také byli žádáni o nákup nákladných přídavných sestav,“ říká Mikael Nedergaard, Global Product Manager u společnosti Grundfos. „Ty jsou určeny k vedení nebo čištění odpadních vod během jejich průtoku, avšak nezaručují žádné znatelné zlepšení dlouhodobé spolehlivosti.“
Obrázek 2: Tento obrázek s barevným označením ukazuje, jak tlak působí na typický hydraulický povrch oběžného kola S-tube® (bez přidaného materiálu). Modrá označuje nejnižší tlak zvyšující se přes zelenou, žlutou až červenou, nejvyšší tlak jako kapalina opouští oběžné kolo. Toto nahromadění tlaku indikuje slibnou účinnost a žádný zpětný tok, kterým by začalo hromadění pevných látek. V označeném místě, kde je trubka ohnuta nejvíce, je stále téměř nemožné, aby pevné látky uvízly v oběžném kole S-tube®, protože v koncepci oběžného kola není náběžná hrana.
Oběžné kolo S-tube®: žádné kompromisy
Norma EN 752-6:2008 uvádí „optimalizaci účinnosti“ a „schopnost přenášet povolené pevné částice bez ucpávání“ jako životně důležité atributy kalového čerpadla. Avšak podle Mikaela Nedergaarda „jsou zákazníci často vedeni k tomu se domnívat, že je nutné přijmout kompromis mezi těmito dvěma atributy“. Oběžné kolo S-tube®, které je k dispozici v Grundfos čerpadlech na odpadní vodu, toto vyvrací, přičemž nabízí vynikající hydraulickou účinnost i vysokou průchodnost, což zabraňuje ucpání čerpadla.
„Klíčovou výhodou hladké konstrukce S-tube® oproti konstrukci s náběžnými hranami je to, že odpad se nikde nemůže zachytit a způsobit ucpání,“ vysvětluje Flemming Lykholt-Ustrup, Head of Global WW Fluid & Mechanics u společnosti Grundfos. „Speciální prvky na přední a zadní desce uzavřeného oběžného kola S-tube® také optimalizují tok kapaliny do dutin mezi rotujícím oběžným kolem a stacionární skříní čerpadla.“
Vzhledem k tomu, že nezmenšený vnitřní průměr oběžného kola S-tube® je jednotný (viz obr. 2), je menší pravděpodobnost ucpání, a to i při relativně nízkém objemu přepravní kapaliny, který se vyskytuje v současných odpadních vodách.
„Následné hydraulické zvýšení účinnosti snižuje náklady na energie pro koncového uživatele,“ říká Flemming Lykholt-Ustrup. „Kromě toho má nepřítomnost náběžné hrany tu výhodu, že podstatně snižuje NPSH uvnitř odstředivého čerpadla, kde je hydraulický systém nejvíce náchylný ke kavitaci.“
Holistický přístup
Výzkum publikovaný v knize Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems, kterou vydal Europump and Hydraulic Institute, prokazuje, že původní kupní cena zřídka představuje více než 5 % celkových nákladů vzniklých po dobu životnosti čerpadla. Spotřeba elektrické energie je zdaleka nejvýznamnější faktor při 85 % celkových nákladů. Zbylých přibližně 10 % nákladů na životní cyklus tvoří náklady na údržbu a servis čerpadla.
Obrázek 3: V této vícefázové CFD simulaci mají dvě oběžná kola podobnou velikost, avšak mírný geometrický rozdíl (v rámci několika milimetrů) ve tvaru. Proud kapaliny je stejný pro obě oběžná kola s 8 procenty vzduchu průběžně přidávaného do toku. Každá zakroužkovaná oblast ukazuje nahromaděné vzduchové bubliny a to, jak může být čerpadlo optimalizováno specifickou konstrukcí.
Je tedy pochopitelné, že někteří z předních výrobců čerpadel na trhu si uvědomují, že je zapotřebí holistický přístup k optimalizaci čerpadel. Grundfos přichází s konceptem iSolutions – inteligentního řešení čerpadel a čerpacích systémů. Základním cílem tohoto konceptu není jen zvyšování energetické účinnosti a tím snižování spotřeby energie čerpadel, ale i zvyšování inteligence, adaptability, flexibility čerpadla pro daný systém, snižování servisních nákladů, usnadnění práce projektantům a provozovatelům čerpadel.
Podle Mikaela Nedergaarde je zpětná vazba od zákazníků klíčem k tomuto přístupu.
„Zapojení koncového uživatele nebo provozovatele čerpadla do průběhu projektu vývoje čerpadla zajišťuje, že řešení v konečném výrobku vyhoví požadavkům zákazníků,“ říká. Ale to není jediná hnací síla pro vylepšení konstrukce čerpadla, dodává. Například jeden problém, který je často podceňován zákazníky, je obsah vzduchu v čerpané kapalině (viz obr. 3). Je důležité zajistit, aby čerpadlo bylo schopno zvládnout určité množství vzduchu v kapalině. Projektanti Grundfos provedli rozsáhlé šetření CFD za účelem optimalizace kritických oblastí, kde se hromadí vzduch tak, aby se minimalizovalo snížení průtoku přes oběžné kolo S-tube® při provozu s plynovým nebo vzduchem plněným médiem.
Shrnutí
Moderní systémy pro nakládání s odpadními vodami jsou určeny k přepravě velkého objemu různých odpadních vod na delší vzdálenosti při spotřebě nižšího množství energie a přepravní kapaliny. To vyžaduje odstředivé čerpadlo, u kterého nehrozí ucpání ani snížení hydraulické účinnosti a nabízí prodlouženou životnost s minimální údržbou.
Grundfos je největším světovým výrobcem čerpadel s přibližně 17 000 zaměstnanci po celém světě. Roční produkce společnosti je více než 16 milionů čerpacích jednotek, oběhových čerpadel, ponorných čerpadel a odstředivých čerpadel a představuje přibližně 50 procent světového trhu těchto čerpadel a čerpacích systémů. Grundfos, se sídlem v Dánsku, také vyrábí elektrické motory pro čerpadla, jakož i značné množství elektrických motorů pro samostatné obchodování. Grundfos vyvíjí nejmodernější elektroniku pro ovládání čerpadel a další systémy. Pro více informací navštivte cz.grundfos.com.
Roční produkce více než 16 milionů kusů čerpadel činí ze společnosti Grundfos jednoho z předních výrobců čerpací techniky. Grundfos se dlouhodobě zaměřuje na vývoj energeticky úsporných a účinných čerpadel. Součástí výrobního sortimentu jsou čerpadla ...