Pompowanie wody i nie tylko
2000 p.n.e. Egipcjanie wymyślają żuraw (1), czyli wiadro przywiązane do liny, nabierające wodę. Nie jest to w sposób oczywisty pompa wodna, ale u podstaw wynalazku leży ta sama idea - podnoszenia wody.
III wiek p.n.e. Grecki konstruktor i wynalazca Ktesibios wynajduje ręczną pompę, podobną do znacznie późniejszej konstrukcji Herona z Aleksandrii. Była to dwucylindrowa sikawka pożarnicza, często używana w starożytności (zobacz także: Gaszenie pożarów).
200 p.n.e. Inny wielki starożytny wynalazca, Archimedes, zaprojektował nowy rodzaj pompy, zwanej dziś pompą śrubową Archimedesa (2). Podnosiła wodę używaną następnie do nawadniania pól. Do jej obsługi potrzebne były co najmniej dwie osoby, których zadaniem było ręczne obracanie śruby. W tym okresie wynaleziono również pompy tłokowe.
1475 W liście włoskiego inżyniera renesansu Francesca di Giorgio Martiniego pojawia się wzmianka o pompie odśrodkowej.
1580 Włoch Agostino Ramelli wynajduje pompę łopatkową przesuwną. Opisał ją w swojej książce "Liczne maszyny kapitana Agostina Ramellego", zawierającej również prezentacje innych pomp wielokrotnego użytku i konstrukcji silników.
1636 Niemiecki inżynier Gottfried Heinrich Graf zu Pappenheim (3) wynajduje pompę z podwójnym zębatym mechanizmem obrotowym. W konstrukcji tej można zrezygnować z zaworów zwrotnych stosowanych w pompie łopatkowej. Wynalazek Pappenheima był napędzany przez koło zasilane energią strumienia. Pomp zębatych tego rodzaju używano do zasilania fontann wodnych. Obecnie spotykamy je w mechanizmach smarujących.
1643 Przez wiele wieków nie umiano wyjaśnić faktu, dlaczego pompa wodna tłokowa nie jest w stanie podnosić wody z głębokości większych niż 9 m. Dopiero wybitny włoski uczony, Evangelista Torricelli, dał odpowiedź na to pytanie, wyjaśniając zjawisko istnieniem ciśnienia atmosferycznego.
1650 Otto von Guericke wymyśla swoją tłokową pompę próżniową (4). Zastosował w niej technologię skórzanych uszczelnień, zapobiegających przeciekaniu wody między cylindrem a tłokiem.
1674 Sir Samuel Morland patentuje pompę nurnikową. Pozwalała na podniesienie znacznie większych ilości wody niż jakiekolwiek znane dotąd konstrukcje. Zastosowano ją m.in. do dostarczania wody do zamku Windsor. Wynalazca był barwną postacią - trudnił się m.in. dyplomacją, szpiegostwem, matematyką.
1687 Francuz Denis Papin konstruuje pierwszą prawdziwą pompę odśrodkową (5). Składała się z prostych łopatek, a wynalazca używał jej do miejscowego odwadniania.
1698 Thomas Avery projektuje pompę, która w celu wytworzenia podciśnienia, zasysającego następnie wodę, wykorzystywała parę wodną.
1738 Holendersko-szwajcarski matematyk Daniel Bernoulli opracowuje równanie zwane później równaniem Bernoulliego, związane z zasadą przepływu płynów. Pisał o tym w swojej książce "Hydrodynamica".
Równanie Bernoulliego to jedno z podstawowych równań hydrodynamiki płynów idealnych. Opisuje zachowanie gęstości energii całkowitej na linii prądu. W wersji podstawowej obowiązuje dla stacjonarnego przepływu nieściśliwego płynu idealnego, a w wersji rozszerzonej - dla idealnego płynu barotropowego.
Równanie Bernoulliego wynika z zasady zachowania energii i według intencji jego autora stanowić powinno jej zapis za pomocą parametrów hydrodynamicznych.
1848 Henry R. Worthington wynajduje pierwszą działającą pompę parową (6). Składała się z dwóch równolegle położonych cylindrów napędowych (parowych lub sprężonego powietrza) i dwóch cylindrów obustronnie działających pomp. Konstrukcje Worthingtona były w tamtym czasie wykorzystywane do napędu łodzi i okrętów marynarki wojennej USA, a także do zasilania kotłów, rurociągów olejowych i hydroelektrycznych. Od tego czasu datuje się również rozwój silników parowych zasilających pompy, czyli pomp napędzanych nie ręcznie, lecz mechanicznie.
1849 W zakładach Down & Co. Seabury’ego S. Goulda powstaje pierwsza pompa wykonana w całości z metalu.
1851 Brytyjski wynalazca John Appold jako pierwszy stosuje w pompie wirowej wygięte łopatki. Otrzymał za to medal na Wielkiej Wystawie w Pałacu Kryształowym (wystawie światowej w Londynie). Pompa Appolda z zakrzywionymi łopatkami wykazywała sprawność 68%, czyli ponad trzykrotnie większą niż jakakolwiek inna dostępna wówczas na rynku.
1857 Jacob Edson wymyśla pompę membranową (przeponową) i zakłada firmę Edson Corporation.
1860 Adam S. Cameron buduje pierwszą tłokową pompę parową, a następnie tworzy firmę Cameron Steam Pump Works. Jego pierwsze pompy tłokowe stały się popularne na statkach towarowych i wojskowych pływających wówczas po oceanach.
1874 Charles Barnes z Nowego Brunszwiku wynajduje łopatkową pompę wyporową. Łopatki w takiej pompie osadzone są w wirniku, umiejscowionym mimośrodowo, wewnątrz korpusu pompy. Łopatki są rozpierane w kierunku korpusu za pomocą sprężyn. W czasie obrotu wirnika zagarniają ciecz z komory ssawnej do przestrzeni międzyłopatkowej, przenosząc ją do komory tłocznej pompy.
1880-1900 Do pompowania ścieków silniki parowe wykorzystywano od lat 80. XIX w. - stosowano pompy tłokowe zasilane bezpośrednio silnikami parowymi. Około roku 1890 rozpoczął się proces wypierania ich przez mniejsze parowe pompy tłokowe. Pompy nurnikowe używane w stacjach pomp z czasem zastępowano pompami eżektorowymi.
Pod koniec XIX w. opracowano liczne rozwiązania pomp do ścieków, m.in. pompy Adamsa, pompy mamutowe czy też rozwiązania tak oryginalne, jak nieco zapomniana już pompa Humphreya, działająca w sposób zbliżony do silnika odrzutowego pulsacyjnego (do dziś zachował się na świecie tylko jeden egzemplarz kompletnej pompy tego typu).
1886-1896 W roku 1886 Jens Nielsen opracowuje zasadę pompowania z przekładnią wewnętrzną - chodziło mu o stworzenie pompy do usuwania nadmiaru wody, która przedostawała się do jego kamieniołomu wapienia z pobliskiego potoku. W 1911 r. wynalazca buduje pierwszą pompę zębatą według tej zasady, zakładając jednocześnie firmę Viking Pump Company (7).
1892 Do zasilania pomp wodnych zaczęto używać silników spalinowych. Od początku XX w. coraz częściej zastępowano dotychczas stosowane napędy silnikami elektrycznymi, dzięki czemu pompy zaczęły pracować wydajniej i poprawiła się ich niezawodność.
1897-1903 Preston K. Wood konstruuje w Los Angeles pierwszą turbinową pompę głębinową.
1905 W siedzibie "New York Timesa" w Nowym Jorku zainstalowano dwie pompy trójstopniowe konstrukcji Gouldsa, zdolne podnosić wodę na ponad 100 m.
1905 Powstają pierwsze wielostopniowe pompy odśrodkowe.
1908 Hayward Tyler tworzy pierwszy silnik elektryczny przystosowany do pracy pod wodą, z tzw. stojanem mokrym, do pracy bezdławnicowej pompy obiegowej (8).
1912 Firma Durco Castings Company (znana później jako Durco Pump) wynajduje Durion, uniwersalny materiał odporny na korozję, stosowany wkrótce w urządzeniach pompujących na całym świecie.
1913 Wynalazca i inżynier Albert Baldwin Wood konstruuje pompę śrubową z drewnianą śrubą roboczą.
1916 Armais Siergiejewicz Arutunoff buduje w Rosji swoje pierwsze elektryczne pompy zatapialne. Projektuje je do pracy na statkach, w studniach, kopalniach i odwiertach naftowych. Dzięki dalszym udoskonaleniom projektu firmy Arutunoff pojawiło się więcej typów pomp zatapialnych, umożliwiających zastosowanie ich do takich zadań, jak pompowanie wody pitnej, tworzenie fontann i pompowanie ścieków.
1923 Firma Ruthman Companies projektuje i buduje pierwszą na świecie bezuszczelkową pompę pionową.
1929 Firma Pleuger staje się pionierem w dziedzinie silników zatapialnych pomp turbinowych. Jej pierwszą ofertą były zatapialne motopompy do odwadniania, stosowane w budowie kolei podziemnych i metra. Pleuger był też pionierem w dziedzinie pierwszego udanego zastosowania pomp zatapialnych w instalacjach morskich.
1930 René Moineau (9) otrzymuje doktorat za swoją pracę, która doprowadza do skonstruowania rozwijającej się pompy śrubowej. Zastosowano w niej specyficzną geometrię elementów wyporowych, czyli rotora i statora. Dzięki ruchowi obrotowemu komory wyporowe przemieszczają się wzdłuż osi pompy, a ich ruch powoduje relokację medium.
1936 Robert Sheen wynajduje pompę dozującą. Sednem jego wynalazku była metoda kontrolowania objętości. Pierwsze pompy były przez konstruktora montowane w piwnicy ojca, Miltona Roya Sheena.
1939 Firma Durco opracowuje stop 20 (Alloy 20), który staje się standardowym materiałem stosowanym w produkcji pomp, a dokładniej - ich powierzchni narażonych na korozję.
1942 Zespół inżynierów firmy Gorman-Rupp tworzy pierwszą dostępną na rynku pompę do ścieków, która radziła sobie także z odpadami stałymi. Konstrukcja była odpowiedzią na rygorystyczne wymagania dotyczące oczyszczania szamb i innych zbiorników ściekowych.
1949 Firma HMD dostarcza pierwszą produkcyjną pompę z napędem magnetycznym (10). W takim rozwiązaniu nie występuje żadne uszczelnienie wirujące. Komora cieczy pozostaje całkowicie zamknięta, a wirnik obracany jest z zewnątrz poprzez magnesy. Konstrukcje z napędem magnetycznym stały się normą w zastosowaniach wymagających korzystania z pomp odpornych na korozję.
1956 Firma Flygt wprowadza zatapialną pompę do ścieków z króćcem tłocznym i regulatorem poziomu - nazywana była pompą CP.
1979 Firma Gusher opracowuje pompy wielostopniowe do wyższych ciśnień w przemyśle obrabiarkowym.
1980 Do branży pomp wchodzą elektroniczne układy sterowania, mające zwiększyć energooszczędność i wydajność urządzeń.
1984 Na rynku pojawiają się pierwsze specjalistyczne pompy wyporowe, przeznaczone do zastosowań w rolnictwie. Produkuje je firma Scienco.
1985 Firma Sims konstruuje pierwszą strukturalną pompę kompozytową. W 1990 r. otrzymuje za te urządzenia nagrodę innowacyjnego produktu. Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych udzieliła firmie odpowiednich zezwoleń na stosowanie tego rodzaju pomp w konstrukcjach okrętowych.
W 1994 r. Sims jako pierwszy zaczyna produkować certyfikowane pompy kompozytowe, w 2002 r. pierwsze kompozytowe złożone pionowe pompy szeregowe, zaś w 2010 r. również kompozytowe pompy przeciwoblodzeniowe.
Klasyfikacja pomp
Najbardziej ogólna klasyfikacja dzieli pompy na:
- wyporowe (w tym np. tłokowe),
- wirowe (np. przepływowe),
- próżniowe.
Pompy wyporowe działają, jak sama nazwa wskazuje, na zasadzie wypierania określonej ilości cieczy z obszaru ssawnego, w wyniku ruchu organu roboczego (tłoka, nurnika, skrzydełka, wirnika). Obszar ssawny musi być szczelnie oddzielony od obszaru tłocznego.
Do modeli wyporowych należą pompy:
- tłokowe,
- wielotłoczkowe,
- przeponowe,
- łopatkowe,
- zębate,
- śrubowe,
- krzywkowe,
- skrzydełkowe,
- przewodowe,
- puszkowe.
Pompy wirowe działają w ten sposób, że wirnik powoduje zwiększenie tzw. krętu płynu (momentu pędu), wywołując na wlocie efekt ssania, a po stronie tłocznej nadwyżkę ciśnienia. Ze względu na sposób przemiany energii pompy te dzielą się na krętne i krążeniowe.
W krętnych przepływ odbywa się przez wirnik z odpowiednio ukształtowanymi łopatkami. Energia mechaniczna przekazywana jest przez wirnik i zwiększa moment pędu przepływającego płynu. Ze względu na konstrukcję wirnika pompy krętne dzielą się na odśrodkowe oraz helikoidalne.
W modelach krążeniowych ciecz krąży w obrębie wirnika lub na jego obwodzie. Proces konwersji energii, od mechanicznej do hydraulicznej, odbywa się na drodze wymiany ilości ruchu (pędu) pomiędzy cieczą pozostającą w spoczynku a poruszającą się w obszarze wirnika. Ciecz wielokrotnie przepływa przez wirniki, doznając za każdym razem impulsowego przyrostu energii, dzięki czemu osiągane są niskie wartości wyróżnika szybkobieżności.
Pompy próżniowe (ekshaustory, ssawy) to urządzenia służące do usuwania gazów (wytworzenia podciśnienia) w zamkniętej przestrzeni. Ze względu na sposób działania dzieli się je na: objętościowe, strumieniowe, jonowo-sorpcyjne, jonowo magnetyczne, molekularne, kondensacyjne, adsorpcyjne i jonowe.
Mirosław Usidus
