Čerpadlo tvoří nejdůležitější součást vybavení čerpacích stanic. Čerpadla jsou strojně-technologická zařízení, která se využívají k dopravě vody nebo jiných kapalin z míst s nižší nadmořskou výškou do míst výše položených. Pro vodárenské účely se čerpadla nejčastěji používají ve vodárenských čerpacích stanicích, v úpravnách vod, případně ve vodojemech a následně v čerpacích stanicích odpadních vod a v čistírnách odpadních vod.

Teorie čerpání

Základní veličiny charakterizující čerpadlo:

• Q – čerpané množství [l/m, l/s, m³/s]
• H – dopravní výška čerpadla [m]
• Y – měrná energie [J/kg]
• N – příkon čerpadla [W]
• N_u – užitečný výkon čerpadla [W]
• η – účinnost čerpadla [%]

Čerpané množství Q
Jedná se o doručené množství kapaliny, které je čerpadlo schopno nepřetržitě dodávat při hospodárném provozu a při určité dopravní výšce.

Výrobcem je zpravidla udáváno v rozmezí od Q_min po Q_max.

Dopravní výška čerpadla H
Dopravní výška čerpadla, rozumíme rozdíl celkové energie jednoho kg čerpané kapaliny při výstupu z čerpadla a pří vstupu do něho.

Geodetická dopravní výška Hg je rozdíl výšek hladin před a za čerpadlem.

Při čerpání vody ze studny do vodojemu uvažujeme výškový rozdíl mezi maximální hladinou ve vodojemu a minimální hladinou ve studni.

Rozdělit ji můžeme na geodetickou sací výšku H_gs a geodetickou výtlačnou výšku H_gv.

Manometrická dopravní výška H_m je geodetická dopravní výška zvětšená a součet tlakových ztrát v sacím a výtlačném potrubí. Ta se skláda z H_ms manometrická sací výška a z H_mv manometrický dopravní výšky.

Obrázek – Základní schéma při dopravě vody čerpáním (1 – čára min. nutného hydrodynamického přetlaku, 2 – čára max. hydrostatického přetlaku).

Z obrázku můžeme dovodit následující:

H_m = H_ms + H_mv

H_m = H_gs + z_s + H_gv + z_v

H_m = H_g + z

z_s – ztráty v sacím potrubí
z_v – ztráty ve výtlačném potrubí

V souladu se zásadami zohledňování tlakových ztrát při tlakovém proudění vody v potrubních systémech platí, že:

• tlakové ztráty v sacím potrubí (hydraulicky krátké) zs se počítají jako součet ztrát třením a ztrát místních v tomto potrubí (z_s = z_m + z_t)
• tlakové ztráty ve výtlačném potrubí zv se počítají, až na výjimky, pouze jako ztráty třením (z_v = z_t), protože se ve většině případů jedná o hydraulický dlouhé potrubí

Při návrhu čerpadla pro danou dispozici čerpání se musí vždy vycházet z vypočítané manometrické – dopravní výšky Hm. Významným faktorem, který ovlivňuje způsob výpočtu Hm je celková dispozice čerpání, zejména pak skutečnost, zdali se bude uvažovat s pozitivní nebo negativní sací výškou.

Obrázek - Negativní (nátoková) sací výška

Pozitivní sací výška je tehdy, když osa čerpadla leží nad úrovní maximální hladiny v sací jímce. Negativní (nátoková) sací výška se uplatní vždy, když osa čerpadla bude ležet pod úrovni minimální hladiny v sací jímce. Tato dispozice se nejčastěji uplatňují při použití ponorných čerpadel do studní a vrtů nebo při osazení odstředivých čerpadel do suché jímky.

Měrná energie Y
Je to veličina, který je definována jako energie potřebná k čerpání hmotností jednotky kapaliny. Mezi dopravní výškou H a měrnou energií Y platí základní vztah:

Y = g ∙ H => to je přibližně Y = 10 ∙ H
Její jednotkou je J/kg = m²/s².

Příkon čerpadla N
Je to skutečný výkon přenesený hnacím zařízením (motorem) buď přímo, nebo přes převod na hřídel čerpadla.

Udává se ve W.

Je vyšší než užitečný výkon čerpadla Nu o celkové ztráty.

Užitečný výkon čerpadla N_u
Je to výkon odevzdaný čerpadlem kapalině, která prochází výtlačným hrdlem čerpadla.

Vypočítá se ve vztahu:
N_u = ρ ∙ g ∙ Q ∙ H [w]    nebo    N_u = ρ ∙ Q ∙ Y [w]

ρ – hustota kapaliny [kg/m³]
g – tíhové zrychlení [m/s²]

Účinnost čerpadla η
Je poměr užitečného výkonu čerpadla N_u k jeho příkonu N na hřídeli. Udává se v %.
Účinnost čerpadla závisí na jeho typu a konstrukci a mění se s čerpaným množstvím (viz. pracovní charakteristiky čerpadla).

Pracovní charakteristiky čerpadla
Q – H křivka, která vyjadřuje závislost dopravní výšky H na čerpaném množství Q.
Křivka příkonu (užitečného výkonu) – Q-N (N_u) vyjadřující závislost příkonu N na čerpaném množství.
Křivka účinnosti Q – η vyjadřující závislost účinnosti čerpadla na čerpaném množství.

Obrázek - Pracovní charakteristiky čerpadla (1 – Q-H křivka, 2 – křivka příkonu (užitečného výkonu), 3 – křivka účinnosti).

Pracovní bod a pracovní oblast hydraulického systému
Pro posouzení vhodnosti zvoleného typu čerpadla pro daný hydraulický systém (čerpadlo + potrubí) je třeba znát kromě charakteristiky čerpadla i charakteristiku potrubí a nalézt tzv. pracovní bod P hydraulického systému, což je průsečík obou křivek.

Charakteristika potrubí (Qp křivka) je křivka, která vyjadřuje závislost tlakových ztrát v potrubí z na dopravovaném množství Q.

Matematicky vyjádřeno -     z = K ∙ Q²
Z této rovnice vyplívá, že ztráty rostou přímo úměrně se čtvercem dopravovaného množství. Grafickým vyjádřením je parabola.


Obrázek - Charakteristika potrubí.

Její průběh (strmost) závisí na hydraulických parametrech (drsností) potrubí. Strmý průběh odpovídá drsnému (inkrustovanému) potrubí nebo potrubí s vloženým místním odporem (např. šoupětem), plochý průběh hladkému (novému, neinkrustovanému) potrubí. Qp křivka se vynáší od počátečního bodu Hg odpovídajícího geodetické dopravní výšce (rozdílu hladin).

Obrázek - Pracovní bod a oblast hydraulického systému.

Hodnotě hg min odpovídá minimální odlehlost hladin, hg max, maximální odlehlost hladin. Návrh hydraulického systému bude hospodárný a bezpečný jestliže pracovní bod P, resp. pracovní oblast bude ležet v oblasti optima účinnosti křivky Q – η.

Druhy čerpadel
Čerpadla dělíme podle:

• Použití – pro vodu čistou, kalovou, kaly, horkou vodu, chemické látky, viskózní kapaliny, potraviny, atd.
• Pohonu – s pohonem elektrickým, spalovacím, parním, vodním, větrným či ručním
• Polohy osy – horizontální nebo vertikální
• Dosahovaného pracovního tlaku (měrné energie Y)
    - Nízkotlaká Y < 250 J/kg
    - Středotlaká Y = 250 – 500 J/kg
    - Vysokotlaká Y > 500 J/kg
• Počtu oběžných kol – jednostupňová s jedním oběžným kolem nebo vícestupňová se dvěma a více oběžnými koly

Podle konstrukce a způsobu dopravy kapaliny

• Čerpadla točivá
    - Odstředivá
    - Šikmotoká (diagonální)
    - Vrtulová (axiální)
• Čerpadla rotační objemová
    - Šroubová (šneková)
    - S ozubenými koly (vačková)
    - Křídlová
• Čerpadla s kmitavým pohybem
    - Pístová
    - Plunžerová
    - Membránová
• Čerpadla proudová
    - Ejektory
    - Injektory
• Čerpadla pneumatická
    - Mamutová (mamutky)
    - Monžíky
    - Pulzometry

Ve vodárenství se nejčastěji používají čerpadla odstředivá v provedení horizontálním, vertikálním nebo čerpadla ponorná. Voda vstupuje do čerpadla axiálně a vystupuje radiálně.

Automatické tlakové (AT, hydroforové) stanice

Čerpání vody přes tlakovou nádrž se používá při zásobování jednotlivých vysoko položených nebo vysokých objektů spotřebiště, kde nevystačí hydrodynamický přetlak vodojemu, a pro které by bylo neekonomické budovat věžový vodojem.

Další uplatnění nachází při zásobování menších spotřebišť (průmyslových a zemědělských provozů, rekreačních areálů) nebo jednotlivých nemovitostí (rodinných domů) při odběru vody z domovních studní. Jsou to zařízení, u kterých je funkce vodojemu z hlediska tlakového ovládání spotřebiště nahrazena uzavřenou tlakovou nádrží.

Obrázek - Schéma funkce tlakové nádoby.

Qč – čerpané množství, Q – odběr spotřebištěm, p₁ – zapínací tlak, p₂ – vypínací tlak, Vu – užitečný objem tlakové nádoby, V₁ – objem nad zapínací hladinou, Vc – celkový objem tlakové nádoby.

Princip funkce

Nádrž je v dolní části vyplněna vodou, v horní části vzduchem, který působí jako vzduchový polštář. Dočerpáváním vody do nádrže se zvětšuje objem vody v nádrži na úkor zmenšení objemu vzduchu, což vede ke zvětšení tlaku v nádrži (komprese). Při dosažení nastavené hodnoty vypínacího tlaku tlakový spínač vypne čerpadlo. Při odběru vody z nádrže stlačený vzduch vytlačuje vodu, a tím je zajištěno tlakové zásobování spotřebiště. Při poklesu hladiny na zapínací úroveň, které odpovídá nastavená hodnota zapínacího tlaku, se obnoví dočerpávání vody do nádrže a proces se opakuje.

Základní navrhované parametry AT stanice

p₁ – zapínací tlak
určí se z výškového rozdílu mezi nejvyšším bodem spotřebiště a úrovní zapínací hladiny zvětšeného o hodnotu potřebného hydrodynamického přetlaku v tomto místě spotřebiště a hodnotu tlakových ztrát.

p₂ – vypínací tlak
jeho hodnota se volí o 0,1 – 0,2 MPa vyšší než hodnota p₁, což vychází z požadavku optimalizace provozních nákladů, životnosti technologického zařízení a spolehlivosti jeho provozu.

Četnost spínaní čerpadla, tzv. frekvence ƒ (h-¹) je určena tzv. zapínací periodou T (min), což je doba mezi dvěma sousedními zapnutími čerpadla.
Volí se s ohledem na životnost stykačů a elektromotoru, v rozmezí T = 5 – 10 min, čemuž odpovídá frekvence f = 12 – 6 h-¹.

Mezi oběma veličinami platí vztah:

Vu – užitečný objem tlakové nádoby

Je objem vymezen zapínací a vypínací hladinou. Určí se grafickou nebo početní metodou a pro nejnepříznivější příklad případ platí Qč = 2 q vychází:

  Vu ⟮l⟯, Qč ⟮l.min-¹⟯,

Vc – celkový objem tlakové nádoby

Se vypočítá řešením soustavy dvou rovnic, při zohlednění tzv. izotermické stavové změny (V₁ x p₁ = V₂ x p₂ = konst.) 

Při provozu tlakové nádoby je stlačený vzduch postupně pohlcován vodou, čímž se jeho objem a tlak snižuje, což vede ke zkracování zapínací periody T. Proto se musí vzduch v nádobě průběžně doplňovat to se děje automaticky:

• U malých AT stanic přivzdušňovacím ventilem.
• U středních a velkých AT stanic nainstalovaným kompresorem s příslušenstvím.

Zhodnocení AT stanic

Oproti klasickým vodojemům mají AT stanice své výhody i nevýhody.

• Výhody - menší pořizovací náklady, nenáročnost na umístění, rychlá a jednoduchá montáž a vyšší stupeň hygienické ochrany (uzavřený systém).
• Nevýhody - absolutní závislost na dodávce el. energie, vysoké provozní náklady a nutnost uzavření vyrovnávací akumulační nádrže v případě, že vydatnost potrubí vodního zdroje je menší než čerpané množství Qč.

Hydraulický ráz v potrubí

Je to nepříznivý hydraulický jev, který vzniká při dopravě vody v dlouhých gravitačních převáděčích a ve výtlačných řadech s větší geodetickou výškou.

U gravitačních převaděčů je to při náhlém uzavření uzávěru v dolní části, u výtlačných řadů při vypnutí čerpadla - v tomto případě čerpadlo přestane dodávat vodu do výtlaku téměř okamžitě (má malou setrvačnou hmotu). Voda ve výtlaku postupuje setrvačností k vodojemu a působí jako píst, který v nejnižším místě (za čerpadlem) vyvolá podtlak, tzv. negativní ráz.

Po vyčerpání energie se masa vody v potrubí vrací zpět k čerpací stanici, kde narazí na uzavřenou zpětnou klapku, vyvolá aktivní (pozitivní) ráz a po odrazu směřuje opět do výtlačného potrubí.

Postup se opakuje v oscilačních vlnách s klesající amplitudou až do vyčerpání energie. Aktivní ráz při velké geodetické výšce a délce potrubí je značný a může vážně poškodit potrubí, jeho spoje, armatury, čerpadla a ostatní vystrojení čerpací stanice.

Ochrana před rázy
Ochrana potrubí proti rázům se, v případě prokázání potřeby, navrhuje pro každý případ individuálně. Ochrana se může provádět buď samostatnými způsoby, nebo jejich vhodnými kombinacemi, např.:

• Pomalými manipulacemi s uzávěry
• Větrníkem
• Polopneumatickým vzdušníkem
• Vyrovnávací komorou
• Zvětšením setrvačné hmoty čerpadla
• Odlehčovacím ventilem – tlumičem vodních rázů

Velmi rozšířeným, účinným, provozně spolehlivým, stavebně, technologicky a investičně nenáročně nenáročným způsobem protirázové ochrany je použití větrníku.

Větrník je taková nádoba se vzduchovým polštářem v horní části, která se osazuje v čerpací stanici na odbočce z výtlačného řadu za čerpadlem (zpětnou klapkou). Při vypnutí čerpadla vznikající podtlak (pasivní ráz) v potrubí způsobí vniknutí vody z větrníku do potrubí a tím sníží hodnotu pasivního rázu. Při zpětném pohybu se voda tlačí do větrníku obtokem se škrticí armaturou nebo potrubím a vzniklý aktivní ráz se utlumí vzduchovým polštářem. Schéma zapojení a princip funkce je zřejmý z obrázku.

Obrázek - Protirázová ochrana větrníkem.

Obrázek - Větrník je tlaková nádoba vyplněná vzduchem. Při uzavření uzávěru voda proudí do nádoby a postupně je bržděná stlačovaným vzduchem.

Obrázek - Úpravna Nová Ves v Ostravě (Protirázová ochrana ze směru VDJ Muglinov).