Kapitel

Allmänna förutsättningar för val av rätt pump

Pumpval avser att för ett givet vätsketransportbehov som ger att volymflöde, uppfordringshöjd och vätskeegenskaper är bekanta välja rätt pump.

Det första steget i pumpvalet är att analysera, de givna förutsättningarna beträffande variationer. Sålunda bör följande uppgifter sammanställas:

  • Volymflöde min, medel och max. Helst bör volymflödets variation med tiden kännas, t ex som ett varaktighetsdiagram.
  • Uppfordringshöjd min, medel och max.
  • Vätskeegenskaper vid normal drift, vid start och vid speciella förhållanden som t ex rengörning av system eller provtryckning.

Varierande vätskeegenskaper kan medföra drastiskt olika uppfordringshöjder t ex p g a skillnader i viskositet vid driftsvarm och kall vätska.

Variationer i volymflöde bestämmer hur många pumpar totalflödet skall delas upp på. Systemkurvans (uppfordringshöjdens variation) utseende avgör sedan, om fördelningen skall ske på lika eller olika stora aggregat. Stora variationer i vätskans flytförmåga kan medföra att t ex en centrifugalpump omväxlande med en förträngningspump skall användas vid låg respektive hög viskositet.

Variationer i volymflöde och uppfordringshöjd bestämmer vilken typ av reglering, som skall användas. Pumpens driftstid är därvid av stort intresse liksom verkningsgradens storlek vid en medeldriftspunkt, men däremot är max data (= beställningsdata) mindre intressanta, då spetsbelastning ju sällan förekommer. Energikostnaderna vid pumpning kan vara lika stora som en pumps anskaffningskostnad redan efter några månaders drift.

Uppställningsplatsen för pumpen påverkar pumpvalet mycket starkt. Uppställningen avgör dels kraven på sugförmåga – NPSH och evakuering – dels själva uppställningens typ – torr, våt eller dränkbar. Utrymmesbehov kan vidare ge en valsituation mellan horisontellt eller vertikalt utförande. Miljön vid uppställningsplatsen kan medföra särskilda krav på pumpens drivanordning etc.

Vätskans viskositet liksom storlek på och halt av partiklar inverkar naturligtvis starkt, men även mer “personliga” egenskaper hos vätskan som giftighet, explosionsbenägenhet,aggressivitet och gashalt är synnerligen viktiga för pumpvalet.

Driftsäkerhet, reparationstider och underhållskostnader är viktiga faktorer, men svåra att bestämma såvida inte erfarenhet finns från liknande pumpar. Det bör påpekas att de kostnader som uppstår genom produktionsbortfall i dagens stora anläggningar kan bli så höga att de efter endast några timmar jämnar ut merpriset för driftsäkrare pumpar. Vidare bör man försöka att vid utrustning av anläggningar i så stor utsträckning som möjligt klara sig med få olika typer och storlekar, även om det i något fall skulle räcka med en något billigare pump. Dessa merkostnader betalar sig med avseende på underhållskostnader och reservdelshållning.

För pumpen nödvändiga hjälpsystem bör beaktas vid pumpvalet. Själva pumpen måste ofta förses med skydd mot torrkörning, mot överhettning vid körning mot stängd ventil och vid förträngningspumpar mot oavsiktlig strypning. Axeltätningar behöver i många fall tätnings- eller kylvätska med rätt tryck och säkerställt flöde. Utrymme och lyftanordningar för montering och demontering bör också finnas.

3.11.1 Pumpval vid lättflytande vätskor

Erfarenhetsmässigt kan lämpliga arbetsområden anges för olika pumptyper vid lättflytande vätskor enl. figur 3.129. Anskaffningskostnad, driftskostnad, livslängd och driftssäkerhet ger tillsammans en kompromiss.

Centrifugalpumpar av olika utföranden täcker minst 80 % av alla pumpbehov. Undantag utgör mycket höga tryckstegringar, volymflöden mindre än c:a 2 m3/h och hantering av vätskor med vissa “personliga” egenskaper. Gränser mot viskösa vätskor ges av tabell 3.6 i nästa avsnitt och några synpunkter för förorenade vätskor ges i därpå följande avsnitt.

Figur 3.129 Urvalsdiagram för olika pumptyper vid lättflytande vätskor.

Det bör observeras att val mellan olika pumptyper är förhållandevis enkelt. Det är bara i rena specialfall som helt olika pumptyper kan komma ifråga. Urvalssystemet är ungefär följande:

  • För många specialområden finns specialkonstruktioner som då nästan utan undantag är de lämpligaste. Några exempel på detta är VVS-pumpar och livsmedelspumpar.
  • I vissa gränsområden finns för centrifugalpumpar valsituationer mellan enstegs- och flerstegspumpar. En analys av verkningsgrad och driftskostnader å ena sidan och av driftsäkerhet å andra sidan ger då tillräckligt beslutsunderlag.
  • Pumpvarvtalet utgör en ofta diskuterad parameter. Principiellt bör varvtalet väljas så högt att tillgängligt NPSH i anläggningen utnyttjas. Eventuella farhågor om försämrad driftsäkerhet vid högre varvtal bör ej föranleda ett lågt varvtal utan hellre skall ett högre varvtal sammanbindas med bättre specificerade kvalitetskrav vid upphandling. Sådana krav kan t ex vara axelnedböjningar och kullagerlivslängd. Det bör dock observeras att en högvarvig elmotor ofta har en högre ljudnivå än en lågvarvig.
  • I gränsområden mellan rotordynamiskapumpar (centrifugalpumpar) och förträngningspumpar inverkar pumpkarakteristikans form och sättet för pumpreglering på valet. Båda pumptyperna har för övrigt specifika fördelar. Se vidare avsnitten 5.6 till 5.9 om olika pumpars utförande.
  • Ett för alla pumpar besvärligt problem är luft eller gas i vätskan. Centrifugalpumpar får nedsatta prestanda vid gashalter på sugsidan över c:a 1 volymprocent dock kan vissa speciella centrifugalpumpar klara upp till 5-10%. Förträngningspumpar klarar här betydligt större halter. Enda begränsning är den tid, som en förträngningspump kan torrköras helt eller ha en sporadisk fyllning.

3.11.2 Pumpval vid viskösa vätskor

Viskositeten för en vätska påverkar pumpvalet avsevärt. Inverkan beror på volymflödets och uppfordringshöjdens storlek. I stort sett finns en viskositetsinverkan för pumpval vid volymflöden enl. tabell 3.6.

Tabell 3.6 Ungefärliga viskositetsgränser vid pumpval.

För viskositeter mindre än gränsvärdet mot lättflytande vätskor gäller de principer för pumpval, som angivits i föregående avsnitt. I viskositetsområdet mellan detta gränsvärde och max värdet för centrifugalpumpar kan både centrifugalpumpar och förträngningspumpar användas. Verkningsgraden för centrifugalpumpar faller, när viskositeten ökas, medan varje typ av förträngningspump har en viss bestämd viskositet som ger högsta verkningsgrad – figur 3.130.

Figur 3.130 Viskositetens inverkan på verkningsgrad för olika pumptyper.

Verkningsgraden för något större pumpar är avgörande för de totala pumpningskostnaderna och bestämmer då direkt metodiken vid pumpval. Tre olika valsituationer uppträder:

  • Vid låg viskositet tillämpas principerna för lättflytande vätskor.
  • Vid medelhög viskositet kan både centrifugalpumpar och förträngningspumpar användas. Förutom verkningsgrad blir då bl a QH-kurvans form, sugförmåga, pumpmaterial och anskaffningskostnader avgörande.
  • Vid hög viskositet skall rätt typ av förträngningspump väljas

Centrifugalpumpars driftsdata vid olika viskositeter

Analogt med strömning i rör kan ett Reynolds tal – Red – för turbopumpar definieras baserat på pumpens geometriska dimensioner:

Ekv 3.50

l den mån dimensioner ej är kända kan andra Reynolds tal användas, som bara beror på prestanda:

Ekv 3.51

Ekv 3.52

där ReQ, Rep är på Q och H resp på p baserade Reynolds tal och

Q = volymflöde
p = tryckstegring
H = uppfordringshöjd
n = varvtal
ρ = densitet
g = 9,8065 m/s2

De tre olika Reynolds-talen får sinsemellan olika talvärden, som dessutom beror på enheten för varvtalet. l Reρ återfinns den för förträngningspumpar viktiga parametern från avsnitt 5.3.

Centrifugalpumpars prestanda vid olika viskositeter kan uppskattas från omfattande provserier med hjälp av något av de nämnda Reynoldstalen. Principiellt skall jämförda pumpar vara geometriskt likformiga, men tillgängligt underlag är dock inte så omfattande att detta villkor kan uppfyllas. För normalt förekommande prestandaområden kan omräkning ske med en förenklad metod enl figur 4.132 Figuren ger faktorer uttryckande förhållandet mellan olika prestandastorheter vid viskös vätska och vid vatten – figur 4.131.

Figur 3.131 Pumpkurvor vid vatten – index W – och viskös vätska – index Z. Punkten med bästa verkningsgrad förskjuts därvida från QWo till QZo.

Av figur 3.132 framgår även, att en pump inte alltid kan väljas vid bästa verkningsgrad (index o), Därvid sker avläsning på de olika kurvorna för Q/Qo. Med samma figur kan även en “vattenkurva” omräknas till viskösa vätskor. Gången blir då densamma som i exemplet under figuren, men i stället för QZ och HZ används QW respektive HW.

Figur 3.132 Diagram för bestämning av korrektionsfaktorer till centrifugalpumpars vattendata från givna värden för viskös vätska QZ respektive HZ.

Exempel: Givet är QZ = 170 m3/h, HZ = 30 m och viskositet 206 mm2/s = 206 * 10-6 m2/s. Diagrammet ger kQ = 0,94; kH = 0,92 för 1,0 Q/Qo (dvs för bästa verkningsgrad) och kn = 0,64.

Pumpval skall nu ske efter vattendata med:

Förträngningspumpar för högviskösa vätskor

Vid höga viskositeter måste förträngningspumpars varvtal sänkas. Principiellt skall varvtal väljas omvänt proportionella mot viskositeten, men detta medför att pumpen får för hög anskaffningskostnad. Som regel minskar därför pumpvarvtalet omvänt proportionellt med viskositeten upphöjt till c:a 0,7.

3.11.3 För förorenade vätskor

Pumpning av suspensioner

Redan vid partikelhalter över c:a 0,5 % kan pumpens livslängd påverkas starkt. För lätta partiklar t ex pappersmassa hänvisas till det tidigare avsnittet om massapumpar. För tyngre partiklar bör vid partikelhalter över c:a 3 viktsprocent pumpar med specialutföranden användas. Gränsdragningen är här givetvis beroende av partiklarnas storlek, hårdhet och form. Gipsslam och krita är lätthanterat medan sand är besvärligt. Området mellan pumpar för rena vätskor och specialpumpar för godstransport överbryggas med specialutföranden av renvätskepumparna t ex halvöppna pumphjul för turbopumpar och specialmaterial för förträngningspumpar.

Spillvattenpumpar

Pumpens egenskaper skall formuleras med utgångspunkt från den vätska den skall pumpa. En modern spillvattenpump skall vara utförd, för en om möjligt störningsfri pumpning, av det idag och 10 år framåt tänkbara spillvattnet. En viss gradering av vattnet kan göras. Ytterligheterna är extrem glesbygd – storstadscity.

Oavsett ramen för spillvattendefinition gäller följande krav:

  • Minimal risk för igensättning (stockningsfrihet)
  • Hög driftsäkerhet (maskinellt)
  • Låga driftskostnader (energi och service)
  • Enkelt utbyte vid haveri

Sedan några år tillbaka används allt mindre definitionen stockningsfri som beskrivning av den önskade pumpen. Med detta avsågs en pump utrustad med genomströmningshjul av kanaltyp. Tidigare kunde denna pumptyp i förhållande till då producerat spillvatten anses uppfylla kraven för denna egenskap. Med dagens och framför allt morgondagens spillvatten får pumpar med genomströmningshjul-kanalhjul-allt svårare att uppfylla egenskapen stockningsfrihet.

Kanalernas storlek och utformning i förhållande till den i vätskan förekommande typen av föroreningar har avgörande betydelse för pumpens förmåga att undvika igensättning. Utformning av ett kanalhjuls tvärsnittarea varierar från rektangulär till cirkelformat. Det är osäkert om kanalformen har någon egentlig inverkan på hjulets stockningsegenskaper. En cirkulär genomloppsarea kan antas erbjuda bättre egenskaper vid pumpning av sfäriska föremål än ett hjul med kvadratiskt tvärsnitt. Vid textila föroreningar kan en rektangulär form vara det bästa utförandet. Tillgänglig statistik från driftstopp på grund av igensättning av kanalhjul ger ingen ledning vid utvärdering av olika hjulformer figur 3.133.

Figur 3.133 Olika kanalhjulstyper

Genomströmningshjul för spillvattenpumpar utförs vanligen med en eller två kanaler. Bortsett från hydrauliskt konstruktiva skäl, vilka kan motivera olika antal kanaler, saknas även här säkra bedömningar av genomsläppsförmågan hos respektive en- eller tvåkanalhjul. Osäkerheten är dock mindre än vid utvärdering av tvärsnittsformer. Generellt kan påstås att två utlopp från pumphjulet är bättre än ett under förutsättning att den tillgängliga arean hos varje kanal är av acceptabel storlek. Vad som är acceptabel storlek på en kanalarea är givetvis beroende av storleken och karaktären hos föroreningarna i spillvattnet. Vissa riktvärden har fått fäste i specifikationer vid upphandling. Ofta anges area motsvarande sfäriskt genomlopp 75 mm för mindre pumpar och
genomlopp 80 mm eller 100 mm för större pumpar. I några fall förekommer önskemål om en genomloppsarea lika stor som tryckledningen. Den lilla pumpen med genomlopp 75 mm kan alltså accepteras för pumpning av samma vatten där en större pump ej kan accepteras med en area understigande genomlopp 100 mm. Fixeringen kring dessa värden har sin sannolika grund i att OH-kurvans storlek i förhållande till de idag använda motorvarvtalen ej ger utrymme för större pumphjul.

Pumphjulets varvtal har en avgörande inverkan på genomströmningshjulets totala volym och därmed på storleken hos genomloppsarean. Med hjälp av affinitetslagarna kan påvisas att en given pump med varvtalet n, vid dubbla varvtalet får sitt flöde fördubblat och sin uppfordringshöjd ökad 4 ggr medan effektbehovet ökar 8 ggr. För pumpar med små flöden och måttliga tryck måste varvtalet bestämmas med utgångspunkt för minsta tillåtna genomloppsarea. Varvtalet påverkar i stor utsträckning dimensioneringen av genomloppsarean hos genomströmningshjul. Däremot är varvtalet i sig utan betydelse för pumpens förmåga att pumpa föroreningar.

Friströmspumpen är genom sin hydrauliska konstruktion oberoende av varvtalet. Pumphjulet har som enda funktion att sätta energi till vätskan och kan dimensioneras utan hänsyn till genomloppsarean. Det låga, symmetriska pumphjulet ger en obetydlig nedböjning av rotoraxeln. Detta medför ökad livslängd för axeltätning och lager. För normalt spillvatten kan friströmspumpen betecknas som stockningsfri.

Val av stockningsfri pump innebär en kompromiss mellan stockningsfrihet och energiförbrukning. Erfarenhetsmässigt utgör friströmspumpar det optimala valet upp till en storlek c:a 5 kW och upp till c:a 10 kW vid avlägset placerade pumpstationer. Resekostnader för rensning och underhåll påverkar optimum mycket starkt. Framtidens  spillvattenpumpar kommer sannolikt att domineras av dränkbara högvarviga friströmspumpar ända upp till effekter på 30 kW. För större pumpar kommer dominansen för genomströmningspumpar att bibehållas.