Канализационни помпи с режеща система

Част I. Специфики на напорната канализация, видове помпи с режеща система

Напорната канализация (pressure sewer system) представлява ефективен метод за транспортиране на отпадни, валежни и дренажни води от жилищни сгради и индустриални обекти, през тръбопроводи със сравнително малък диаметър до канализационните колектори или пречиствателните съоръжения. Използва се в случаите, когато стандартната безнапорна (гравитачна) канализация е невъзможно да се осъществи физически, не е икономически целесъобразна, не е ефективна за конкретното приложение или не е екологично приемлива за него.

Приложения на напорната канализация
Типични приложения, в които се прилага напорна канализация са:
- Отсъствие на подходящ наклон на терена;
- Отвеждане на отпадните води от отделни обекти, които са фундирани по-ниско от прилежащите улични колектори;
- Необходимост единствено от периодично отводняване;
- Отводняване на изолирани обекти в отдалечени местности - къмпинги, почивни станции и др.
- Наличие на високи подпочвени води;
- Местности с насечен терен, тежка в строително отношение почва, наличие на водоеми, планини и други топографски особености;
- Екстремно студен климат;
- Райони със затруднен достъп и строителство.

За разликата в цената на напорната и безнапорната канализация
При усвояване на нови терени, тръбопроводната система на напорната канализация е добре да се инсталира в първоначалния етап на строителните дейности. Канализационните помпени станции, които представляват основен разход за инсталацията, се поръчват и закупуват след построяването на всяка отделна сграда. Разликата в инвестицията за изграждане на напорна и безнапорна канализация е функция на размера на тръбопровода, дълбочината на полагане и необходимостта от по-дълбоко вкопаване с цел осигуряване на необходимия наклон в случай на безнапорно оттичане.
В сравнение с безнапорната, напорната канализация се осъществява през тръбопроводи с по-малък диаметър, което е свързано с очевидни икономически и технически предимства. Тръбопроводът може да се инсталира така, че да следва контура на терена; да е на постоянна неголяма дълбочина, определяна само от линията на замръзване и необходимостта от защита срещу евентуално механично повърхностно въздействие.
Напорната канализация се изпълнява с тръби, отговарящи на изискванията за чиста вода, по отношение на налягане и плътност (непропускливост). Това елиминира инфилтрацията в напорния тръбопровод на подпочвени и природни води, което облекчава работата на пречиствателната станция и намалява проектната й производителност.

Канализационни помпи с режеща система
Темата за канализационни помпи за промишлени и битови отпадни води е разглеждана неведнъж на страниците на сп. ТД Инсталации, оборудване, инструменти. Специално внимание заслужават помпите с режеща система (grinder pumps), които са “сърцето” на съвременните напорни канализационни системи. Като правило, те са от потопяем тип. Режещият им инструмент раздробява по-грубите механични примеси, включително хартия и текстилни материали, които неизбежно се съдържат в отпадните води. Резултатът е суспензия с максимален размер на частиците 5 - 10 mm. Именно използването на канализационни помпи с режеща система позволява редуциране на диаметъра на тръбопровода до 40 - 50 mm, в сравнение с 80 - 100 mm, характерен за конвенционалните канализационни помпи. Това води до значително намаляване на разходите за материали и инсталация, т. е. по-евтин тръбопровод и по-кратко време за изграждането му. Елиминира се опасността от задръстване и блокиране на помпата и тръбопровода, което увеличава надеждността и облекчава съществено поддръжката и експлоатацията му. С намаляване на диаметъра на тръбите се намалява и заграденият обем, с което може да се ограничи средното време за престой на задържаната в тях отпадна вода и да се избегне загниването й, което би довело до неприятния мирис, характерен за каналните води.
Използването на напорни канализационни системи с помпи от този тип е най-ефективното решение за присъединяване на отделни еднофамилни къщи или група от жилищни сгради и съществуващи или новоизграждащи се, към обществената канализационна мрежа.
Към настоящия момент, за производство се използват масово два вида помпи с режеща система - центробежни и ексцентрик-шнекови помпи.

Центробежните помпи с режеща система
(centrifugal grinder pumps) притежават всички специфики на центробежните помпи, които са добре известни на специалистите и са разглеждани неведнъж на страниците на списанието. На фиг. 1 е показана конструкцията на съвременна потопяема канализационна помпа (submersible sewage pump) с маслонапълнен двигател (oil-filled motor). Захранващият кабел 1 с капсулован вход издържа на големи механични натоварвания и е устойчив на абразивно въздействие. Сачмените лагери 2 са предназначени за тежък режим на работа и се смазват непрекъснато от маслото, което осигурява дълъг експлоатационен живот. При мощности до 1.5 - 2 kW се използват едноредови, а при по-големи мощности и двуредови лагери. Работното колело 3 се различава значително от използваните в обикновените канализационни помпи. Двигателят 4 е запълнен с масло, което осигурява много добро охлаждане и смазване на лагерите. Валът 5 се изработва от неръждаема стомана. Конструкцията и изпълнението му са от решаващо значение по отношение на вибрации, шум, експлоатационен живот на лагерите и уплътненията. За уплътняване на вала се използват съвременни високонадеждни механични уплътнения в различно изпълнение.
Друга разновидност са двигателите със сух ротор (air-filled motors) - фиг. 2. Между помпената част и двигателя е предвидена маслена камера 3. Маслото охлажда и смазва механичното уплътнение 1 и емулгира евентуално проникналата през него вода. За по-голяма сигурност срещу проникване на вода, в показаната конструкция са вградени две независимо работещи механични уплътнения.
Съвременните потопяеми помпени агрегати са високотехнологични изделия. В по-големите и съответно по-скъпи модели са предвидени редица компоненти, повишаващи сигурността и безопасността им на работа. Сред тях са: сигнализатор за пропуск на вода през механичните уплътнения; термоконтакти за контрол на температурата на корпуса на мотора; сензори за температурата на намотките на статора; сензор за температурата на маслото в мотора; сензор за контрол на температурата на лагерите; поплавък за индикация на пропуск на вода; пресостат за следене на налягането в кутията на двигателя.

Двигател със сух ротор или маслонапълнен двигател?
Въпросът кой от двата вида електродвигатели е по-подходящ за канализационните помпи няма еднозначен отговор. Разпространени са и двете конструкции, като при добро проектиране и изпълнение те се доближават като експлоатационни качества. Темата е обемна и не би могла да се разгледа в няколко реда. Все пак, проучване на предлаганите от водещите в областта производители помпи, показва известен превес на двигателите със сух ротор.
Специфичното в конструкцията на разглежданите помпи е, че на смукателния отвор се вгражда механизъм за раздробяване и смилане на едрите примеси - фиг. 1, поз. 6, и фиг. 2, поз. 2. Отделните производители са патентовали и използват различни технически решения. Най-често валът на помпата е удължен, минава през работното колело и към края му е закрепен режещият нож, който функционира съвместно с неподвижно закрепен към корпуса стационарен пръстен или диск. Няколко различни конструкции са показани на фигури 3, 4 и 5. В конструкцията, която може да се види на фиг. 6, работното колело 1 съвместява и ролята на режещ инструмент, като за целта в него са вградени износоустойчивите резци 2.

Свободният проход при конвенционалните помпи
Конвенционалните канализационни помпи са проектирани така, че през тях да могат да преминат свободно достатъчно големи твърди включвания, характерни за отпадните води. Общоприето е свободният проход (throughlet size) на такива помпи, който представлява диаметърът (размерът) на най-голямото твърдо тяло, преминаващо през работното колело, да е 70-80 mm. Логично, при големите помпи условието е сравнително лесно постижимо. За разлика от тях, при по-малките помпи, които се използват за канализация на еднофамилни жилища и други малогабаритни обекти, възникват сериозни проблеми. За увеличаване на свободния проход се преминава към работни колела с малък брой лопатки, много често само с една или две. Колелата са от полуоткрит или открит тип - в последния случай колелото се състои само от главина и лопатки без покриващи дискове. Последиците от подобни неизбежни конструктивни мерки са: значително намаляване на хидравличния КПД; недобър баланс, вибрации и натоварване на лагерите и уплътненията; възникване на значителни осови сили и др. За да се осигури преминаването на едри включвания, се налага и значително увеличаване на разстоянието между работното колело и началната окръжност на спиралата (вход на спиралата), което допълнително понижава ефективността на помпата.

Помпите с режеща система с по-висок хидравличен КПД
При помпите с режеща система проблем с осигуряване на достатъчен свободен проход не съществува, защото максималният размер на частиците след смилането най-често е около 5 mm. Затова и не са нужни специални конструктивни изменения. Работните колела на помпите с режеща система се доближават като конструкция до работните колела на центробежните помпи за чиста вода. Съответно, това обуславя значително по-високия им хидравличен КПД в сравнение с традиционните като конструкция канализационни помпи. Типичното работно колело, показано на фиг. 7, е полуоткрито (без преден покривен диск), с 4 до 6 лопатки. В конкретната конструкция са предвидени разтоварващи лопатки към задната страна на основния диск. Възникващите значителни центробежни сили върху течността, ограничена между корпуса и основния диск, намаляват чувствително налягането. По този начин се постига разтоварване на уплътнението и увеличаване на експлоатационния му живот.
В последните години широко разпространение намират канализационните помпи от вихров тип (vortex pump), включително и при моделите с режеща система (vortex grinder pumps). Като външен вид вихровите помпи приличат на центробежните и понякога се приемат като тяхна разновидност, но принципът им на действие е различен (илюстриран е на фиг. 8). От фигурата се вижда, че работното колело - от полуоткрит тип, е изцяло изнесено извън спиралното тяло. Работният процес е разделен на два етапа. Колелото създава първичен вихър (по-скоро система от вихри) между и около лопатките. Този вихър генерира вторичен вихър в спиралата, благодарение на който именно се осигурява помпеният ефект.
Описаният механизъм на действие предлага няколко преимущества. Свободният проход е равен на диаметъра на входния отвор на помпата, т. е. практически всяко тяло, което може да влезе през смукателния отвор, ще премине и през спиралата, а от нея и към изходния отвор. Тази специфика няма съществено значение при помпите с режеща система, тъй като при тях едрите частици се раздробяват предварително. За сметка на това, от голямо значение е фактът, че помпеният ефект се създава от вихъра. Следователно, частиците в течността рядко контактуват с лопатките на колелото, което води до малкото му износване и дългия му експлоатационен живот. Тъй като работното колело е извън спиралата, некомпенсираните радиални сили, действащи върху него са пренебрежимо малки. Затова подобна помпа може да работи с много малки дебити, включително и с нулев дебит, за продължителни периоди от време. Например при запушване на напорен тръбопровод, повреди в регулиращата и спирателната арматура и др. Проблем при работа с нулев или малък дебит е отделящата се топлина в резултат на хидравличното триене и вихрообразуването в проточната част. Тази топлина загрява ограничената в помпата течност и е възможно недопустимо повишаване на температурата й, което влияе отрицателно на хлабините, уплътненията и лагерите.
Консумираната от вихровите помпи мощност при нулев дебит, която в крайна сметка се превръща изцяло в топлина, е значително по-малка от характерната за центробежните машини. Трябва да се обърне внимание и на основния им недостатък - създаването и поддържането на вихровото движение е свързано с енергийни загуби. Затова помпите от този тип имат значително по-нисък КПД. По отношение на канализационните помпи за малки обекти това не е от първостепенно значение, защото в течение на денонощието те работят през сравнително кратки периоди от време. В подобни приложения по-важни са надеждността, лесната експлоатация и безпроблемното техническо обслужване.

Eксцентър-шнековите помпи с режеща система
(progressing cavity grinder pumps) са друг вид помпи, използвани широко в напорната канализация. Те се отнасят към класа на обемните помпи (positive-displacement pumps). Тяхното действие се основава на принципа на Moineau, наречен на името на изобретателя им (илюстриран е на фиг. 9). При завъртане на ротора, който е с формата на винт, между него и статора, най-често изработен от еластичен материал или с гумено покритие, се образува поредица от изолирани и добре уплътнени камери (обеми). Те пренасят течността от входа към изхода на помпата.
Основно предимство на една ексцентър-шнекова помпа е, че дебитът й е сравнително постоянен в широк диапазон на изменение на работното налягане. Принципът на действие на този вид помпи предполага механичен контакт между ротора и статора, т. е. повишено износване, което пък е основният им недостатък. Износването нараства бързо при прекомерно увеличаване на системното налягане или при отводняване на по-големи от очакваните количества вода, което се наблюдава при по-голямо време на работа. Конструкция на режеща система на ексцентър-шнекова помпа е показана на фиг. 10.

Статията продължава в следващ брой на сп. Технологичен дом - Инсталации, оборудване, инструменти. Очакваме коментарите и допълненията ви към материала.