Pompy wysokociśnieniowe

Przy wysokim ciśnieniu ciecz charakteryzuje się ściśliwością. Przy ciśnieniu 40000 psi woda zostaje sprężona o około 10%. Oznacza to, że nurnik musi przesunąć się wystarczająco aby wypełnić 10% objętości komory przed osiągnięciem ciśnienia 40000 psi. W tym momencie zawór jednokierunkowy na wylocie otworzy się pod wpływem ciśnienia w linii wyjściowej. Na koniec suwu, gdy nurnik zawraca i zawór jednokierunkowy na wylocie zamyka się, ewentualna woda, która została uwięziona w cylindrze ulega rozszerzeniu napierając na nurnik do czasu gdy przesunie się on wystarczająco daleko aby obniżyć ciśnienie do poziomu ciśnienia na wlocie i zawór jednokierunkowy na wlocie. Energia włożona w ruch nurnika przez rozszerzającą się wodę może zostać odzyskana lub nie, zależnie od rodzaju napędu.

W pompie korbowodowej ta energia rozszerzenia zostaje odzyskana w taki sam sposób, jak odzyskuje się ją z rozszerzających sią gazów w silniku spalinowym wewnętrznego spalania: przekształca się w energię kinetyczną elementów obracających się. W przypadku pompy ze wzmacniaczem energia zostaje skierowana do oleju w obwodzie hydraulicznym, co powoduje nagrzewanie. Ciepło należy wyeliminować, zazwyczaj za pomocą wymiennika ciepła olejowo-wodnego. W wyniku tego wzmacniacze pracują z wydajnością około 70%, podczas gdy pompy z napędem korbowodowym 95% i więcej. Wzmacniacze wymagają też dodatkowej wody do celów chłodzenia, z czego wynikają znacznie wyższe koszty energii elektrycznej i wody aby zapłacić za energię straconą w formie ciepła.

Podczas gdy możliwe jest wstawienie nadmiernie dużego silnika elektrycznego do każdego typu pompy, wielkość mocy uzyskanej z silnika zależy wyłącznie od rozmiaru dyszy i ciśnienia roboczego. Dwie identycznej wielkości dysze, które pracują pod tym samym ciśnieniem i przepływa przez nie ta sama ilość wody, pobierają również z pompy tą samą moc. Innymi słowy, silnik o mocy 50 KM nie stwarza żadnych korzyści obsługując dyszę zwymiarowaną do pobierania 20 lub 25 KM. Zasadniczo w miejscach, gdzie rachunek za energią elektryczną jest oparty częściowo na prądzie pobieranym lub potencjalnym obciążeniu (a nie zużytej energii), użytkownik musi płacić dodatkowo za niewykorzystaną moc większego silnika.

Pozostałe różnice pomiędzy dwoma rodzajami pomp wynikają ze względnych prędkości roboczych nurnika. Prędkości nurnika o napędzie korbowodowym wynoszą około 30 cali na sekundę, podczas gdy prędkości nurnika wzmacniacza wynoszą tylko około 6 cali na sekundę. Aby przepływ wyjściowy był porównywalny, nurniki, cylindry i zawory jednokierunkowe wzmacniaczy muszą być większe (a zatem droższe) niż odpowiadające im części napędu korbowego. Ogólnie rzecz biorąc, system hydrauliczny jest dużo bardziej kosztowny i złożony niż korba; wyjściowe koszty i koszty konserwacji części są znacząco niższe w przypadku pompy z napędem korbowym.

Z powodu niskiej prędkości nurnika, pompa ze wzmacniaczem dostarcza tylko jedno lub dwa duże wypływy na sekundę, podczas gdy pompa o napędzie korbowym dostarcza 30 małych wypływów na sekundę. W ten sposób ciśnienie wyjściowe pompy korbowej jest bardzo wyrównane, co eliminuje zapotrzebowanie na „akumulator”. Pompa o napędzie korbowym nie powoduje awarii wywołanych przez pulsację ciśnienia i nie wymaga dużego zbiornika akumulacyjnego, który może powodować sytuacje niebezpieczne. Nawet gdy „akumulator” jest obecny, każde przemieszczenie wzmacniacza oznacza zmianę ciśnienia o około 2000 do 5000 psi. W celu osiągnięcia porównywalnej jakości cięcia wzmacniacz musi pracować pod ciśnieniem o 2000 do 5000 psi wyższym niż napęd korbowodowy.

Chociaż obie pompy są porównywalne w obszarze sterowania ciśnieniem, każda wykonuje to zadanie inaczej. Ciśnienie wyjściowe pompy ze wzmacniaczem jest sterowane poprzez różnicowanie suwu (czyli przepływu) pompy hydraulicznej. Ciśnienie wyjściowe pompy z napędem korbowodowym sterowane jest poprzez różnicowanie obrotów na minutę silnika elektrycznego dzięki napędowi bezstopniowemu. Wzmacniacz szybciej reaguje na zmiany obciążenia i może być wykorzystany do obsługi niezależnych dysz włączanych i wyłączanych wyrywkowo. Napęd bezpośredni również może obsługiwać wiele dysz, lecz muszą one być włączane i wyłączane jednocześnie.

Pompa z napędem korbowodowym pracująca z ok. 600 obr./min. generuje znacznie mniejszy hałas niż system hydrauliczny wzmacniacza. Ciche pompy ze wzmacniaczem występują jedynie po wyposażeniu ich w bardzo drogie systemy kontroli akustycznej.

Dość wielu mechaników potrafi zrozumieć i pracować z pompami o napędzie korbowodowym z powodu ich prostoty i bliskiego podobieństwa do silników spalinowych wewnętrznego spalania. Z drugiej strony technicy zaznajomieni z pompami hydraulicznymi, zaworami, filtrami, sterowaniem ciśnieniem i wymiennikami ciepła są znacznie bardziej nieliczni i mniejsze jest prawdopodobieństwo znalezienia takich osób w zwyczajnym warsztacie obróbczym.

W latach 70-tych i 80-tych pompy z napędem korbowodowym dominowały na rynku w zakresie ciśnienia 20 000 i poniżej z powodu ich niskiego kosztu oraz niezawodnej eksploatacji. Wzmacniacze były stosowane dla wielkości 30 000 i powyżej ponieważ w tamtym czasie wszystkie pompy były narażone na trzy problemy, które sprzyjały wolnej pracy wzmacniaczy przy wyższych wartościach ciśnienia: zmęczenie metalu, zużycie zaworów jednokierunkowych i okres używalności uszczelnień.

Zmęczenie metalu związane jest z jego defektami wynikającymi z powtarzającego się obciążania i odciążania, które powoduje powstawanie i rozprzestrzenianie się pęknięć. Okres używalności jakiegokolwiek danego elementu zależy od tego, z jakiego materiału element wykonano, poziomów naprężeń, jakich doświadcza podczas pracy oraz liczby cykli i zastosowanych obciążeń. Jeśli chodzi o stale, poziom naprężenia tuż poniżej tego, który powoduje defekt przy 10 000 000 cykli nigdy nie wywoła awarii. Wzmacniacz osiąga 10 000 000 cykli w czasie około 3000 godzin; pompa z napędem korbowodowym osiąga ten sam poziom w ciągu około 300 godzin. Jednak stosując nowoczesne materiały i techniki sterowania naprężeniem oba rodzaje pomp można zaprojektować pod kątem nieograniczonej trwałości zmęczeniowej przy ciśnieniu poniżej 55 000 psi. Zatem zmęczenie metalu nie jest już problemem ograniczającym pompy korbowodowe.

Zużycie zaworów jednokierunkowych jest innym problemem rozwiązanym przez nowoczesną technologię. Gniazda metalowe zużywają się na skutek zużycia przyczepności – uwarunkowania, w którym cząstki metalu przechodzą z jednej powierzchni na drugą. Trwałość zależy od liczby cykli otwartych i zamkniętych oraz ciśnienia roboczego. Nowoczesna ceramika charakteryzuje się wytrzymałością niezbędną dla elementów zaworów jednokierunkowych. Ponadto, zużycie przyczepności pomiędzy metalem a ceramiką jest obecnie tak niskie, że trwałość zaworu jednokierunkowego w pompie z napędem korbowodowym jest praktycznie nieograniczona.

Chociaż trwałość uszczelnień dawniej ograniczała pompy z napędem korbowodowym do ciśnień w niskim zakresie 40 000, ciągły rozwój w tym obszarze umożliwił podniesienie zakresu ciśnienia dla pomp z napędem korbowodowym. Dzisiaj pompy z napędem korbowodowym z powodzeniem pracują do granicy zmęczenia 55 000 psi. Dynamiczna trwałość uszczelnień prawie wyłącznie zależy od łącznej długości i wykończenia powierzchni nurników. Pompując galon wody podwójne nurniki w pompie ze wzmacniaczem mogą przemieścić się o około 200 cali każdy, podczas gdy trzy nurniki w napędzie korbowym przemieszczają się o około 1000 cali każdy. Jeżeli każda pompa posiada tą samą technologię uszczelnienia nurników, uszczelnienie wzmacniacza przetrwa pięć razy dłużej (lecz biorąc pod uwagę koszt zaledwie trzynastu centów na kWh pompa z napędem korbowym zaoszczędzi dość dużo energii aby pokryć koszt zestawu wymiany uszczelnień co 300 godzin pracy).