Pompy zębate wewnętrzne: cichy strażnik precyzyjnego przesyłu cieczy

Jako reprezentatywna pompa przepływowa objętościowa pompa zębata wewnętrzna wyróżnia się zwartą konstrukcją, niską pulsacją oraz doskonałą odpornością na wysoką lepkość. Przedstawiamy pięć rzeczywistych przypadków zastosowania – w przemyśle tworzyw sztucznych, smarowania, dozowania chemicznego, morskim oraz spożywczym – w których przejście na technologię pomp zębatych wewnętrznych pozwoliło zmniejszyć simply i koszty energii.

1. Tworzywa sztuczne: jednostki hydrauliczne do maszyn do wtryskiwania

Maszyny do wtryskiwania wymagają zróżnicowanego ciśnienia i przepływu w fazach zaciskania, wtryskiwania, utrzymywania, chłodzenia oraz otwierania formy. Gdy tradycyjne pompy o stałej lub zmiennej wydajności pracują z silnikami asynchronicznymi, przepływ utrzymuje się również w fazach utrzymywania i chłodzenia, a nadmiar oleju powraca do zbiornika przez zawór przelewowy, a energia tracona jest w postaci ciepła.

Pompy zębnikowe wewnętrzne oferują w tym przypadku dwie zalety techniczne. Po pierwsze – niską pulsację przepływu. Współpraca zębników wewnętrznych zapewnia gładziej przebiegające wyjście niż konstrukcje z zębnikami zewnętrznymi, co przyczynia się do zmniejszenia fluktuacji ciśnienia podczas utrzymywania ciśnienia i poprawia powtarzalność wykonywanych części. Po drugie – wysoką sprawność objętościową przy niskich prędkościach obrotowych. Gdy maszyna wchodzi w fazę chłodzenia i prędkość silnika serwonapędowego spada niemal do zera, pompa zębnikowa wewnętrzna zachowuje stabilną sprawność objętościową zamiast ulegać wzrostowi wycieków wewnętrznych wraz ze spadkiem prędkości. Dzięki temu doskonale komponuje się z systemami napędu serwonapędowego i stanowi kluczowy element realizacji sterowania typu „olej na żądanie” oraz „prędkość na żądanie”.

Do rozważenia przy doborze należą m.in.: czy ciśnienie nominalne obejmuje maksymalne ciśnienie robocze maszyny, czy przepływ objętościowy odpowiada szczytowemu zapotrzebowaniu na przepływ w cyklu formowania, oraz czy specyfikacja wału jest zgodna z wałem wyjściowym silnika serwonapędowego.

2. Smarowanie: Dostawa oleju o wysokiej lepkości

W centralnych systemach smarowania, w przypadku smarowania przekładni i dużych łożysk, lepkość oleju jest często wysoka, a jego przepływ znacznie spada podczas zimnych uruchomień.

Zasada ssania pomp zębatych wewnętrznych zapewnia im naturalną przewagę w tym zastosowaniu. Większe objętości międzyzębne oraz korzystna geometria komory ssącej ułatwiają efektywne napełnianie olejem o wysokiej lepkości przy stosunkowo niskim oporze ssania. Pompa zębata wewnętrzna toleruje również szerszy zakres lepkości, zapewniając stabilną wydajność – od zimnych uruchomień przy wysokiej lepkości po pracę w wysokiej temperaturze przy niskiej lepkości.

Wybór wymaga potwierdzenia, czy wymiary otworu ssącego oraz projekt ścieżki ssania są odpowiednie do oleju o wysokiej lepkości oraz czy konieczne jest zastosowanie większych rur ssących lub zasilania wymuszonego. W przypadku wymogu samozasysania należy zweryfikować, czy wysokość ssania oraz próżnia na wlocie mieszczą się w dopuszczalnym zakresie pompy.

3. Dozowanie chemiczne: wtrysk mediów wrażliwych na ścinanie

Flokułanty do oczyszczania wody, roztwory polimerów oraz niektóre dodatki spożywcze są wrażliwe na ścinanie i podatne na pęknięcie łańcuchów cząsteczkowych, uszkodzenie struktury flokulatów lub zmianę lepkości przy wysokim ścinaniu. Tradycyjne pompy dawkujące, takie jak pompy śrubowe lub membranowe, mogą wpływać na stabilność procesu w dalszej części linii poprzez ścinanie wewnętrzne lub pulsacyjny przepływ wyjściowy.

Ścieżka przepływu wewnętrzna pompę zębatkową jest stosunkowo gładka, a działanie ścinające podczas zazębienia kół zębatych jest łagodne, co czyni ją odpowiednią do pompowania mediów wrażliwych na ścinanie. Jako pompa objętościowa zapewnia przepływ wyjściowy liniowo proporcjonalny do prędkości obrotowej, umożliwiając stabilne dawkowanie miarowe w połączeniu z napędem o zmiennej częstotliwości; pulsacje przepływu wyjściowego są niższe niż w przypadku pomp tłoczkowych oraz wielu konstrukcji pomp śrubowych.

Do rozważenia przy doborze należą m.in. zgodność materiałów korpusu i uszczelek z pompowanym medium, potrzeba zastosowania płaszcza grzejnego oraz zakres prędkości obrotowych obejmujący wymagany zakres dawkowania. W przypadku zadań precyzyjnego dawkowania należy preferować typy pomp o stabilnej sprawności objętościowej oraz kontrolowanym przecieku wewnętrznym.

4. Przemysł morski: przetłaczanie oleju opałowego i oleju smarowego

Przestrzeń w maszynowni jest ograniczona, warunki instalacji i konserwacji są uciążliwe, a pompy muszą spełniać surowe wymagania dotyczące rozmiaru, masy i niezawodności. W układach przetłaczania paliwa olejowego, cyrkulacji oleju smarowego oraz układach sterowania kierowniczymi powszechnie stosuje się pompy zębate wewnętrznie ze względu na ich zwartą konstrukcję oraz wysoką wydajność przepływu przypadającą na jednostkę objętości.

W przetłaczaniu paliwa, gdzie ciężki olej opałowy charakteryzuje się dużą lepkością i znacznymi zmianami temperatury, odporność pompy zębatej wewnętrznej na lepkość zapewnia stabilną dostawę przy różnych temperaturach i gatunkach oleju. W cyrkulacji oleju smarowego niskie pulsacje przepływu pomagają zmniejszyć drgania rurociągów oraz wahania ciśnienia zasilania łożysk. Pompy zębate wewnętrzne mają również stosunkowo mało części zużywających się, co stanowi ich zaletę konserwacyjną w porównaniu do innych rozwiązań, takich jak pompy śrubowe.

Wybór wymaga potwierdzenia, że materiały korpusu pompy spełniają wymagania stowarzyszeń klasyfikacyjnych, że rodzaj uszczelnienia wału jest odpowiedni dla środowiska masowni oraz że układ montażowy zapewnia dostęp do konserwacji w ciasnych przestrzeniach.

5. Żywność: Przesyłanie produktów o wysokiej lepkości

Masa czekoladowa, syropy, dżemy i oleje spożywcze wymagają pomp z materiałów spełniających normy higieniczne, przy jednoczesnym zachowaniu cech produktu podczas przesyłania. Wersje pomp z wewnętrznymi kółkami zębatymi ze stali nierdzewnej z uszczelnieniami przeznaczonymi do zastosowań spożywczych mogą spełniać wymagania projektowe dotyczące higieny.

Pod względem technicznym niskopulsacyjne wyjście pompy z wewnętrznymi kółkami zębatymi wspiera stabilne zasilanie procesów napełniania lub formowania w kolejnych etapach, zmniejszając wahania masy produktu spowodowane fluktuacjami przepływu. Porównywanie stosunkowo prostej ścieżki przepływu wewnętrznej pompy ułatwia także czyszczenie, co czyni ją odpowiednią dla linii produkcyjnych z częstymi zmianami produktów dzięki skróceniu czasu czyszczenia.

Do rozważenia przy wyborze należą m.in. materiał korpusu pompy – czy jest wykonany ze stali nierdzewnej lub innych materiałów zgodnych z przepisami dotyczącymi kontaktu z żywnością, czy uszczelki posiadają odpowiednie certyfikaty oraz czy pompa umożliwia procedury czyszczenia w miejscu (CIP). W przypadku produktów spożywczych zawierających cząstki należy ocenić, czy luz między zębami umożliwia przepływ cząstek bez zakleszczenia.

Wspólne kryteria wyboru dla różnych branż

Zbierając logiczne założenia doboru pompy zębatej wewnętrznej z pięciu branż, można ograniczyć ten wybór do kilku wspólnych wymiarów:

Dopasowanie przemieszczenia i prędkości: Prędkość roboczą określa się na podstawie wymaganego przepływu układu i przemieszczenia pompy, zapewniając pracę pompy w zakresie jej maksymalnej sprawności. Przepływ pomp objętościowych jest w przybliżeniu liniowy względem prędkości obrotowej, co umożliwia elastyczną regulację za pomocą napędu o zmiennej prędkości.

Weryfikacja klasy ciśnienia: Sprawdź nominalne i maksymalne ciśnienie robocze w porównaniu z maksymalnym ciśnieniem roboczym systemu oraz możliwymi szczytami ciśnienia. Różne serie pomp zębatych wewnętrznych różnią się klasą ciśnienia, dlatego dobór należy przeprowadzić zgodnie z rzeczywistymi warunkami eksploatacji.

Ocena tolerancji lepkości: Na podstawie zakresu lepkości medium sprawdź, czy wydajność ssąca oraz sprawność objętościowa spełniają wymagania. W przypadku zadań o wysokiej lepkości należy szczególnie zwrócić uwagę na projekt otworu ssawnego oraz na konieczność zastosowania zasilania pomocniczego.

Zgodność z medium: Materiały korpusu pompy, kół zębatych oraz uszczelek muszą być zgodne z przetwarzanym medium. Środowiska korozyjne wymagają materiałów odpornych na korozję; zastosowania spożywcze i farmaceutyczne wymagają konfiguracji higienicznych.

Interfejs montażowy: Upewnij się, że standard kołnierza, specyfikacja wału oraz orientacja portów są zgodne z istniejącym systemem, aby uniknąć dodatkowych kosztów modernizacji spowodowanych niezgodnością interfejsów.

Weryfikacja warunków ssania: wysokość samozasysania, próżnia na wlocie oraz średnica rury ssącej muszą mieścić się w dopuszczalnym zakresie dla pompy; w razie konieczności należy zastosować zasilanie wymuszone lub większą rurę ssącą.

Pompy zębnate wewnętrzne nie są lepsze od wszystkich innych typów pomp we wszystkich zastosowaniach. Koszt ich produkcji jest stosunkowo wysoki, a obróbka profilu zębów jest skomplikowana; w przypadku ośrodków o bardzo niskiej lepkości lub zadań wymagających nadmiernie wysokich ciśnień mogą być mniej odpowiednie niż pompy tłoczkowe. Jednak tam, gdzie wymagane są niskie pulsacje, duża odporność na wysoką lepkość i kompaktowa konstrukcja, techniczne zalety pomp zębatych wewnętrznych opierają się na jasnych zasadach inżynierskich. Zrozumienie przyczyn tych zalet jest bardziej przydatne przy prawidłowym doborze niż zapamiętywanie konkretnych wartości liczbowych.