Typowa domowa pompa grzewcza to urządzenie z mokrym wirnikiem: wał, łożyska i wirnik silnika pracują zanurzone w wodzie z instalacji, a od uzwojeń oddziela je cienkościenna tuleja. Taka konstrukcja nie wymaga uszczelnienia wału, a jej trwałość zależy głównie od materiałów. Liczą się ceramiczne łożyska, niemagnetyczna tuleja, kompozytowy wirnik hydrauliczny i magnesy trwałe w silnikach elektronicznych.
Mokry i suchy wirnik: dwie szkoły konstrukcji
W pompie z mokrym wirnikiem woda wypełnia przestrzeń wokół wirnika silnika. Smaruje łożyska ślizgowe i odbiera z nich ciepło, a ponieważ wał nie wychodzi poza obudowę, nie ma miejsca, przez które mogłaby wyciekać. Dzięki temu takie pompy są ciche i praktycznie bezobsługowe. Stosuje się je w domach, mieszkaniach i mniejszych budynkach użyteczności publicznej.
Pompy z suchym wirnikiem mają klasyczny silnik normowy chłodzony powietrzem, połączony z częścią hydrauliczną przez wał. W miejscu przejścia wału przez korpus pracuje uszczelnienie mechaniczne, zbudowane z dwóch pierścieni ślizgowych, najczęściej z węglika krzemu, grafitu lub ceramiki. Rozwiązanie to sprawdza się przy dużych przepływach w węzłach cieplnych i instalacjach przemysłowych, ale wymaga okresowej kontroli i z czasem wymiany uszczelnienia.
Elementy, które pracują w wodzie
W pompie z mokrym wirnikiem kilka podzespołów ma stały kontakt z gorącym czynnikiem grzewczym, często zanieczyszczonym drobinami tlenków żelaza. Dobór materiałów jest tu kompromisem między odpornością na ścieranie, korozję i temperaturę a własnościami magnetycznymi.
- Tuleja rozdzielająca oddziela komorę wirnika od stojana z uzwojeniami. Musi być cienka i niemagnetyczna, aby nie osłabiać pola, dlatego wykonuje się ją ze stali nierdzewnej austenitycznej albo z kompozytu wzmacnianego włóknem węglowym.
- Łożyska ślizgowe powstają z ceramiki tlenkowej (głównie tlenku glinu) lub z grafitu. Wałek bywa ceramiczny albo nierdzewny. Ceramika jest bardzo twarda i nie koroduje, ale jest krucha, więc źle znosi uderzenia i pracę na sucho.
- Wirnik hydrauliczny, który nadaje wodzie prędkość, odlewa się zwykle z tworzyw konstrukcyjnych, np. PES lub PPS wzmacnianych włóknem szklanym. W większych pompach spotyka się wirniki tłoczone ze stali nierdzewnej.
- Korpus pomp do ogrzewania wykonuje się z żeliwa szarego z powłoką kataforetyczną, a w pompach do wody pitnej z brązu lub stali nierdzewnej.
Silnik indukcyjny a silnik z magnesami trwałymi
Przez dziesięciolecia w pompach grzewczych pracowały jednofazowe silniki indukcyjne z kondensatorem rozruchowym. Prędkość zmieniano skokowo, przełączając odczepy uzwojenia, stąd trzy biegi na obudowie. Silnik pracował z tą samą mocą niezależnie od tego, czy instalacja w danej chwili potrzebowała pełnego przepływu, czy jego ułamka, a sprawność całkowita małych pomp tego typu często nie przekraczała kilkunastu procent.
Współczesne pompy mają silniki synchroniczne z magnesami trwałymi w wirniku, komutowane elektronicznie (ECM). Magnesy z ferrytu lub ze stopów neodymu wytwarzają pole bez strat w wirniku, a elektronika płynnie zmienia prędkość obrotową. Silnik zużywa tyle energii, ile wymaga chwilowe zapotrzebowanie instalacji.
Najprostszym przykładem urządzenia, w którym zmiana technologii silnika dała tak duży efekt, jest pompa obiegowa w domowej kotłowni. Starszy model ustawiony na drugi bieg pobiera zwykle 50–70 W. Elektroniczny odpowiednik w tej samej instalacji pracuje przez większość sezonu z mocą 5–15 W. Przy około 5000 godzin pracy w sezonie grzewczym oznacza to różnicę rzędu 250–300 kWh rocznie, osiągniętą bez żadnych zmian w samej instalacji.
Jak powstaje korpus i silnik
Korpus pompy grzewczej odlewa się z żeliwa szarego w formach piaskowych. Żeliwo dobrze wypełnia skomplikowane kształty kanałów przepływowych, tłumi drgania i hałas, a przy tym jest tanie w obróbce. Po odlaniu powierzchnie przylgowe i gwinty przyłączy obrabia się skrawaniem, aby zapewnić szczelność połączeń ze śrubunkami.
Następnie korpus trafia do lakierowania kataforetycznego. Element zanurza się w wodnej kąpieli z farbą, przez którą płynie prąd stały. Cząstki farby osadzają się równomiernie na całej powierzchni, także we wnętrzu kanałów, do których nie dotarłby natrysk. Powłokę utwardza się potem w piecu w temperaturze około 180°C. Gotowe korpusy przechodzą próbę ciśnieniową, w której sprawdza się szczelność przy ciśnieniu wyższym od nominalnego.
Stojan silnika składa się z pakietu cienkich blach elektrotechnicznych, izolowanych od siebie, co ogranicza straty na prądy wirowe. W żłobkach blach układa się uzwojenie z miedzianego drutu nawojowego w emalii. W pompach elektronicznych na obudowie silnika montuje się dodatkowo moduł z falownikiem, który zamienia napięcie sieci na przebieg zasilający uzwojenia z wymaganą częstotliwością.
Co zużywa się najszybciej
Pompy z mokrym wirnikiem pracują w domach zwykle 10–15 lat, a dobrze utrzymane nawet dłużej. Najczęściej zawodzą łożyska ślizgowe, ścierane przez zanieczyszczenia w wodzie, oraz elementy elektroniki. Kondensatory w module sterującym starzeją się szybciej w wysokiej temperaturze, dlatego pompa zamontowana tuż przy gorącym kotle, bez dostępu powietrza, może zawieść wcześniej niż ta sama pompa w chłodniejszym miejscu. Uszczelki typu o-ring między korpusem a silnikiem wykonuje się z EPDM, który dobrze znosi gorącą wodę, ale twardnieje po latach pracy.
Dlaczego osady szkodzą nowoczesnym pompom
Silnik z magnesami trwałymi ma jedną słabość związaną z metalurgią instalacji. Magnetyt (Fe₃O₄), czyli czarny osad powstający przy korozji stalowych grzejników i rur, jest ferromagnetyczny. Drobiny krążące z wodą są przyciągane przez magnesy wirnika i gromadzą się w szczelinie między wirnikiem a tuleją. Zwiększa to opory obrotu, przyspiesza zużycie łożysk i po letniej przerwie może całkowicie zablokować wirnik.
Dlatego przy montażu pompy z silnikiem ECM w starszej instalacji producenci zalecają jej przepłukanie i zamontowanie separatora magnetycznego na powrocie, przed kotłem. W obiegach ciepłej wody problemem jest z kolei kamień kotłowy, który przy temperaturach powyżej 60°C wytrąca się szybciej i osadza na wirniku oraz łożyskach.
Co odczytać z karty katalogowej
Kilka parametrów technicznych pozwala ocenić, czy konstrukcja pompy pasuje do warunków pracy:
- materiał korpusu i wirnika hydraulicznego, istotny przy wodzie wodociągowej i agresywnym czynniku,
- zakres temperatury czynnika, np. od +2 do +110°C, oraz klasa temperaturowa (TF110 oznacza pracę do 110°C),
- ciśnienie nominalne, w domowych modelach najczęściej PN10, czyli 10 barów,
- stopień ochrony obudowy, np. IP44, ważny w wilgotnych kotłowniach,
- wskaźnik efektywności energetycznej EEI i zakres poboru mocy od minimalnego do maksymalnego.
Zestawienie tych danych pokazuje, że niewielka pompa w kotłowni to w rzeczywistości dość zaawansowany wyrób, w którym metalurgia, ceramika techniczna i elektronika muszą współpracować przez kilkanaście lat ciągłej pracy. Dwa modele o podobnej krzywej charakterystyki mogą się więc różnić trwałością, jeśli jeden ma łożyska grafitowe i tuleję z tworzywa, a drugi ceramiczne łożyska i tuleję ze stali nierdzewnej. Przy porównywaniu ofert warto zestawić te dane obok parametrów hydraulicznych.