Bevezetés

Az ipar számos területén találkozunk víztől eltérő, speciális folyási (reológiai) tulajdonságú anyagokkal, pl. zagy közegekkel (Csizmadia, 2016), szennyvízzel (Tixier, et al., 2003) vagy éppen eleveniszappal. A technológiai folyamatok között (ideértve a tisztítási folyamatokat is) szivattyúk segítségével szállítják a közegeket. Az egyre szigorodó energiahatékonysági szabályok miatt a rendszer méretezésekor és üzemeltetésekor elengedhetetlen figyelembe venni a közeg anyagtulajdonságát, hiszen mind a csővezetékrendszer-jelleggörbét, mind a szivattyú-jelleggörbét módosítja, ha nem víz a szállított közeg. Mindemellett az üzembiztonság elsőbbséget élvez, így különös gondot kell fordítanunk arra, ha pl. szemcsés vagy szálas anyagot, illetve lebegőgáz-tartalmú vagy speciális viszkozitású közeget kell szállítanunk. Az 1. ábrán egy „elképzelt” rendszer és szivattyú jelleggörbe-módosulása látható. Ez példaként szolgál arra, hogy a vízbe kerülő anyagok hatására akár radikálisan is megváltozhatnak a jelleggörbék. Eltolódhat, sőt instabillá is válhat a kialakuló munkapont (Graham, et al., 2009); a visszahajló ág okozója a fellépő kompresszibilitás. Feltételezve, hogy az eredeti munkapontot a legjobb hatásfokra méreteztük, egy ilyen eltolódás akár jelentős fajlagos energiafelhasználás-növekedést is okozhat.

Jelen cikk célkitűzése tehát, hogy a teljesség igénye nélkül betekintő és motiváló képet nyújtson a speciális közegek szivattyúzásának világába, és igyekezzen néhány példát mutatni azok áramlástani sokszínűségére.

Szilárd szemcsék, zagy közegek

A szennyvízszállítás során könnyen elfordulhat, hogy a szállított közegünk különböző szemcsés anyagokat, mint például homokot, kavicsot vagy egyéb szennyezőket tartalmaz. Ezen szemcsék mérete, koncentráció ja, sűrűsége és homogenitása is befolyásolja a jelleggörbéket. Ha a szemcse kicsi (Ød ≤ 1 mm, pl. por vagy pernye), akkor „csak” a folyadék sűrűségét és viszkozitását változtatja meg, így a jelleggörbék módosulását a később bemutatott források alapján viszonylag könnyű számítani. Ha viszont ennél nagyobb szemcsékről beszélünk (pl. durva homok, kavics), a jelleggörbék jelentősen módosulhatnak, egyedi vizsgálatot igényelnek. A szemcseméret eloszlása meghatározható például rázószita segítségével, és jellemezhető a medián vagy az átlagos szemcsemérettel.

Fontos megemlíteni a koptató hatást is, ami miatt megfelelő minőségű és felületkezelésű járókereket kell választani. Továbbá elmondható, hogy a szilárd szenynyezők hidrociklonban bekövetkező leválasztásával megtisztított víz tömítőrésekre történő rávezetését is alkalmazhatjuk. A fojtással történő szabályzás is kerülendő; helyette alkalmazzuk a fordulatszám-szabályozást. Gondot okozhat továbbá a kiülepedés kockázata is, ezért minimális sebességet szokás előírni mind a vízszintes (vmin, vízsz. ≈ 1,2 m/s), mind a függőleges (vmin, függ. ≈ 2 m/s) elrendezésű csővezetékekre is (KSB, 1999). Általánosságban elmondható, hogy a szemcsetartalom növekedésével a szivattyú jelleggörbéje lefelé, míg a rendszeré felfelé tolódik; valamint természetesen a felvett teljesítményigény is növekedést mutat. Létezik tehát egy üzemeltetési határkoncentráció, ami felett megáll a szállítás, és a rendszerben „megragadhat” a közeg.

Szálas anyagok

A kommunális szennyvíz igen sok helyen tartalmaz pl. rongyot, szövetet, zsebkendőt, szálas anyagot, ami bekerülhet a szivattyúkba. Ez a jelenség számos negatív hatással bír, ezek közül egyértelműen az első számú az eltömődés (HDR Tanszék, 1976-2018). Az eltömődés szivattyún belüli helye is eltérő lehet. Kialakulhat a szívócsonkban, a járókerék belépő élénél, a lapátcsatornában, a járókerékrésben, de a házban is, ezekből mutat néhány példát a 2. ábra. Ekkor megoldás lehet egy fordulatszám-szabályzó segítségével bejáratott tisztítórutin végrehajtása annak érdekében, hogy a szivattyúban megváltozó áramkép miatt az eltömődést okozó anyag helyet váltson, és az áramló közeg kimossa a kritikus részeket (Thamsen, et al., 2008). Komolyabb beruházással rezgésmérésen alapuló aktív kontroll is megvalósítható, ahol a tisztítórutinok elindítását is elektronika vezérli a rezgésmérés eredményei alapján.

Szálasanyag-tartalom esetén általánosan megállapítható, hogy a csigakerekes vagy szabad átömlésű (vortex) szivattyúk hatásfoka elmarad az 1, a 2, illetve a 3 csatornás kivitelűekétől, azonban eltömődés elleni megbízhatóságuk miatt akár érdemes lehet inkább ezeket (KSB, 1999) vagy a vágóéllel rendelkező típusokat választani. A döntéshez természetesen meg kell becsülni az eltömődések okozta karbantartási költséget, és össze kell vetni az alacsonyabb hatásfokban üzemelő gép teljesítményigénye okozta többletköltségekkel.

Gáztartalom hatása

Az áramló folyadékokban a gázok előfordulása alapvetően két típusra osztható. Egyrészt a gáz elnyelt, oldott állapotban van jelen, viszont a telítési állapot függ a nyomástól és a hőmérséklettől. Mindez azt jelenti, hogy ha megnő a hőmérséklet, vagy csökken a nyomás, akkor az oldhatóság is csökken, így a gáz kiválhat. Másrészről a gáz a folyadékban lebegve buborékként áramlik. Bármelyik formáról legyen is szó, a gáztartalom több módon bekerülhet a rendszerbe. Bekerülhet a technológia részeként, „üzemszerűen”, pl. ivóvíznél a klórozáskor vagy a kommunális szennyvíznél egy hosszú távvezetékben, a szerves anyag bomlása során, de esetleg meghibásodás által, pl. szívóoldali tömítetlenség vagy akár szívómedencében kialakuló légtölcsér okán is. Bármi is az ok, a szivatytyú jelleggörbéje akár kis (pár százalékos) gáztartalom esetén is jelentősen módosul. Főként a zárási nyomás közelében „esik le” a szállítómagasság, ezért indítási nehézség léphet fel (Józsa, 2003), (KSB, 1980). Jellemzője továbbá, hogy suhogó hangot hallat, viszont mivel nincs buborék-összeroppanás, így kavitációs roncsolással sem kell számolni. Diagnosztikai szempontból érdekesség, hogy könnyen eldönthető, a suhogó hanghatást a kavitáció vagy a gáztartalom okozza; egyszerűen vizsgáljuk meg a zárási nyomást: ha az leesik, a kiváltó ok a gázbuborékok jelenléte, ha nem, vélhetően a kavitáció volt. Mindemellett a gáztartalom a rendszer veszteségét is növelheti, ha légpárna alakul ki a magas pontokon, és ezáltal csökken az átáramlási keresztmetszet.

Védekezésként említhetjük a speciális járókerék-kialakításokat, pl. kevesebb lapátot, kisebb fordulatszámot, inducer vagy szabad áramlású járókereket (KSB, 1999), valamint a forgástengely közelébe „becentrifugálódó” gáz elszívásának lehetőségét. További módszer lehet a szívótérben lévő terelőlemezek, a gáztalanító, a vízszint alatti bevezetéssel rendelkező (elő)tartály, a folyamatosan emelkedő kialakítású szívócső (amin nincs lokális magaspont), valamint természetesen a légtelenítő szelepek alkalmazása is. Megemlítendő továbbá, hogy akár szilárd szemcséket, akár szálas anyagot vagy gázbuborékot tartalmaz is a közeg, a megfelelő, azaz megnövelt (NPSH) hozzáfolyást mindenképpen biztosítanunk kell, mivel ezekben az esetekben a szívócsőben lévő veszteség is megnövekedhet.

Viszkózus közegek

Abban az esetben, ha a szállított közeg viszkozitása változik „csak” meg, akkor a szivattyú jelleggörbéinek megváltozása kezelhető szakirodalmi és gyártói formulákkal és diagramokkal. Ilyen például a KSB ajánlása (KSB, 1999) vagy az American National Standards Institute, Hydraulic Institute (ANSI/HI), (9.6.7 2004) viszkózus közegek szállítására vonatkozó szabvá-nya; ld. pl.: (Kalombo, et al., 2014) vagy (Addie, et al., 2007). Ezek segítségével korrekciós tényezőket tudunk meghatározni a szállítómagasságra, a térfogatáramra és a hatásfokra. A korrekciós tényezőkkel a szivattyú-jelleggörbéket átszámíthatjuk; azaz megkaphatjuk a viszkózus közeg szállítómagasság- és hatásfokgörbéit a térfogatáram függvényében. Ezek az ajánlások érvényesek olyan, szilárd szemcsés anyagokat tartalmazó közegeknél is, ahol csak a folyadék sűrűsége és viszkozitása változik a benne lévő szemcsék miatt.

Alapvető trendként megfogalmazható, hogy a növekvő viszkozitás egyben növekvő súrlódási veszteséget is jelent. Azaz a szivatytyú jelleggörbéje lefelé, míg a rendszeré felfelé tolódik, illetve csökken az elérhető hatásfok is. Fontos megemlíteni továbbá, hogy a viszkózus folyadékok folyási tulajdonsága sokkal nagyobb hőmérsékletfüggést mutat, mint a tiszta vízé, így áramlástani kezelésük még nagyobb körültekintést igényel.

Nemnewtoni közegek

Léteznek még ennél is speciálisabb reológiai tulajdonságot mutató, ún. nemnewtoni közegek, amire példaként szolgálhat a szennyvíztisztítás során keletkező eleveniszap is. Ezen anyagok viszkozitása már nem jellemezhető egy konstans értékkel, hanem csak kettő- vagy háromparaméteres modellekkel írható le. A szennyvízkezelés során leggyakrabban alkalmazott modelleket és egyenleteiket a 3. ábrán foglaltuk össze (Csizmadia & Till, 2018). A szennyvíziszapok elemzéséhez és modellezéséhez elengedhe-tetlen a vegyész és biotechnológus kollégák bevonása, így néhány éve együttműködő kutatómunkát folytatunk a BME Vegyész- és Biomérnöki Kar munkatársaival. Az iszap szerkezetében, szilárdanyag-tartalmában, hőmérsékletében bekövetkező változások – amelyek sokszor a biotechnológia velejárói – nemcsak az ülepíthetőségi, de a reológiai tulajdonságok megváltozását is okozzák. Munkánkban segítségül hívjuk a numerikus áramlásszimulációkat is, mivel ma már az ilyen, többparaméteres anyagtörvénnyel leírható közegeket kereskedelmi forgalomban kapható szoftverekkel (pl. Ansys CFX) kezelni tudjuk. A 4. ábrán példaként egy Bingham plasztikus folyadék áramvonalait láthatjuk, ahogyan a közeg egy könyökben és utána viselkedik. Szembetűnő a dugó típusú áramlás, illetve a jelentős szekunder áramlás kialakulása, amelyet veszteségként könyvelhetünk el. Eddigi munkáinkban a csővezetékrendszer-elemek (egyenes csövek, könyökök, diffúzorok) okozta veszteségeket határoztuk meg nemnewtoni közegek esetére, amelyek segítséget nyújthatnak a pontosabb, energiahatékonyabb tervezéshez is (Csizmadia & Hős, 2014), (Csizmadia & Till, 2018), (Bíbok, et al., 2020). A szivattyúk jelleggörbéi is természetesen módosulhatnak, ha nemnewtoni reológiájú a szállított közeg. Ismert továbbá, hogy ilyen esetekben pontról pontra változik a viszkozitás, így a viszkózus közegeknél említett ANSI/HI ajánlást közvetlenül nem használhatjuk. Hogyan lehet mégis alkalmazni ezen irányelveket? A szakirodalom e téren a mai napig nem kiforrott, több különböző becslési módszer létezik. Tekintsük a talán legismertebb módszert: Graham és társai (Graham, et al., 2009) munkájukban a reológiai egyenletek átrendezésével a látszólagos viszkozitást határozzák meg, amit közelítések felhasználásával különböző alakváltozási sebességeknél értékelnek ki külön a lamináris és külön a turbulens tartományban. A látszólagos viszkozitás számításához módszerükben szükség van az ún. egyenértékű járókerék átmérőjének számításához, melynek arányszámát a különböző források még nagyságrendileg is eltérőnek becsülik a 0,031–0,25 tartományban. Kijelenthető, hogy a szakirodalomban a nemnewtoni anyagok szivattyúzása területen talán több kérdés merül fel, mint pontos válasz. Így a munkánk következő lépéseként a különböző lapátcsatornájú szivatytyúkban áramló nemnewtoni folyadékok jellemzését tűztük ki célul mind kísérleti, mind numerikus oldalról. Ehhez laboratóriumunkban több szivattyúgyártó (KSB Hungary Kft., Wilo Magyarország Kft.) támogatásával megépült berendezéseken folynak a mérések. Kiemelten vizsgáljuk a szivattyúkat, tisztázatlanok ugyanis a jelleggörbe-módosulásokon kívül még például az affinitási törvények alkalmazhatóságának határai is.

Összefoglalás

Összefoglalásul elmondható, hogy a kétfázisú, illetve speciális reológiai tulajdonságú közegek szivattyúzása különös körültekintést igényel. Az áramlástani méretezéskor – amennyiben jelen vannak – mindenképpen felmérendő a szilárd szemcsék mérete és összetétele, a szálasanyag-tartalom, a gáztartalom és a viszkozitás. Ezekhez megfelelő kialakítású, minőségű és méretű szivattyút kell választani; ezzel érdemes kismértékben, de a biztonság felé „elmenni”. Lényeges a megfelelő (NPSH) hozzáfolyás biztosítása és a leülepedés minimális sebességek előírásával történő elkerülése. Emlékezzünk rá, hogy mind a szivattyú, mind a csővezetékrendszer jelleggörbéje megváltozhat. Továbbá, amennyiben tehetjük, szabályozzunk a szivattyú fordulatszámának változtatásával. Amennyiben a közeg reológiája nemnewtoni tulajdonságot mutat, akkor az áramlástani méretezéskor még nagyobb körültekintéssel járjunk el. Meg kell említeni, hogy számos tisztázandó kérdés van még e területen, például a szivattyúk jelleggörbéinek pontos leírása, valamint az affinitási törvények mélyebb elemzése speciális, nemnewtoni közegek esetén.

Köszönetnyilvánítás

A munka az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-19-4-BME-443 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programja, valamint a Bolyai János Kutatási Ösztöndíj támogatásával készült. Külön köszönettel tartozunk Dr. Kullmann Lászlónak az értékes és támogató megjegyzéseiért.

Hivatkozások

Addie, G. R., Roudnev, A. S. & Sellgren, A., 2007. The new ANSI/HI centrifugal slurry pump standard. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 107(6). kötet, p. 403–409.

Bíbok, M., Csizmadia, P. & Till, S., 2020. Experimental and Numerical Investigation of the Loss Coefficient of a 90° Pipe Bend for Power-Law Fluid. Periodica Polytechnica Chemical Engineering, p. online.

Csizmadia, P., 2016. Sűrűzagy keverőben lezajló áramlási folyamatok kísérleti és numerikus vizsgálata. Budapest: BME, PhD-dolgozat.

Csizmadia, P. & Hős, Cs., 2014. CFD-based estimation and experiments on the loss coefficient for Bingham and power-law fluids through diffusers and elbows. Computers and Fluids, 99. kötet, p. 116–123.

Csizmadia, P. & Till, S., 2018. The Effect of Rheology Model of an Activated Sludge on to the Predicted Losses by an Elbow. Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, 62(4). kötet, p. 305–311.

Graham, L. J. W. és mtsai., 2009. Centrifugal pump performance calculation for homogeneous suspensions. Canadian Journal of Chemical Engineering, 87(4). kötet, p. 526–533.

HDR Tanszék, 1976-2018. Szakértői jelentések. Budapest: BME.

Józsa, I., 2003. Örvényszivattyúk. Budapest: Info Prod Kiadó és Kereskedő Kft.

Kalombo, J. J. N., Haldenwang, R., Chhabra, R. P. & Fester, V. G., 2014. Centrifugal pump derating for non-newtonian slurries. Journal of Fluids Engineering,Transactions of the ASME, 136(3). kötet, p. 1–11.

KSB, 1980. Kreiselpumpen Lexikon. 2. szerk. Frankenthal: Klein, Schanzlin & Becker Aktiengeselschaft.

KSB, 1999. Örvényszivattyúk kiválasztása. 4. szerk. Frankenthal: KSB Aktiengeselschaft, Zentrale Kommunikation (CK).

Thamsen, P., Lee, A. & Oesterle, M., 2008. Reliability Improvements in Sewage Pumping Using Diagnosis with active Reaction. Water Practice & Technology, IWA Publishing, Vol 3 No 4. kötet.

Tixier, N., Guibaud, G. & Baudu, M., 2003. Determination of some rheological parameters for the characterization of activated sludge. Bioresource Technology, 90(2). kötet, p. 215–220.

Forrás: Vízmű Panoráma