Правила и особенности подбора мощности насоса

Давление

Давление (p) выражает силу, действующую на единицу площади, и делится на статическое и динамическое давление. Сумма этих двух давлений представляет собой полное давление.

Измерение статического давления производится с помощью манометра, исключительно при неподвижной жидкости или с помощью отвода давления, установленного перпендикулярно направлению потока, см. рисунок 2.3.

Для измерения полного давления приемное отверстие отвода давления следует расположить навстречу направлению потока, см. рисунок 2.3. Динамическое давление определяется как разность между полным и статическим давлением. Такое измерение может быть выполнено с помощью трубки Пито.

Динамическое давление зависит от скорости жидкости, Динамическое давление может быть рассчитано по следующей формуле, в которой скорость (V) получена с помощью измерения, а плотность (ρ) жидкости известна:

Динамическое давление может быть преобразовано в статическое, и наоборот. При течении в расширяющейся трубе происходит преобразование динамического давления в статическое, см. рисунок 2.4. Течение в трубе называется потоком в трубе, а участок трубы, в котором диаметр трубы увеличивается, называется диффузором.

Абсолютное и относительное давление

Давление может быть выражено двумя различными способами — как абсолютное или относительное давление. Абсолютное давление измеряется относительно абсолютного 0 и, таким образом, может иметь только положительное значение. Относительное давление измеряется относительно давления окружающей среды. Положительное относительное давление означает, что давление выше барометрического давления, а отрицательное относительное давление указывает на то, что давление ниже барометрического давления.

Определение абсолютной и относительной величины известно также по измерениям температуры, где абсолютная температура измеряется в Кельвинах (K), а относительная температура измеряется в градусах Цельсия (°C). Температура в Кельвинах всегда положительна и измеряется относительно абсолютного 0. В отличие от этого, температура в градусах Цельсия измеряется относительно точки замерзания воды (соответствует 273,15 K), и поэтому может быть отрицательной.

Барометрическое давление измеряется как абсолютное давление. Барометрическое давление зависит от погоды и высоты. Переход от относительного давления к абсолютному осуществляется добавлением существующего барометрического давления к измеренному относительному давлению.

На практике статическое давление измеряется с помощью манометров трех различных типов.

• Манометр абсолютного давления, например, барометр, измеряет давление относительно абсолютного 0.
• Стандартный манометр измеряет давление относительно атмосферного давления. Такой тип манометров используется чаще всего.
• Дифференциальный манометр измеряет разность давлений между двумя отводами давления независимо от барометрического давления.

Как определить требуемый напор циркуляционного насоса

Напор центробежных насосов чаще всего выражают в метрах. Значение напора позволяет определить какое гидравлическое сопротивление он способен преодолеть. В замкнутой системе отопления напор не зависит от ее высоты, а обуславливается гидравлическими сопротивлениями. Для определения требуемого напора необходимо произвести гидравлический расчет системы. В частных домах при использовании стандартных трубопроводов, как правило, достаточно насоса, развивающего напор до 6 метров.

Не стоит опасаться того, что выбранный насос способен развить больший напор чем вам нужно, т.к развиваемый напор определяется сопротивлением системы, а не числом указанным в паспорте. Если максимального напора насоса не хватит, чтобы прокачать жидкость через всю систему, циркуляции жидкости не будет, поэтому следует выбирать насос с запасом по напору

.

Напор

На следующих страницах представлены различные характеристики.

Кривая QH показывает напор (H) как функцию подачи (Q). Подача (Q) — это объем жидкости, проходящей через насос на единицу времени. Подача обычно выражается в кубических метрах в час (м3/ч), но в формулах используются кубические метры в секунду (м3/с). Типичная кривая QH показана на рисунке 2.5.

Построение кривой QH для заданного насоса производится с помощью установки, показанной на рисунке 2.6.

Насос запускается и работает с постоянной частотой вращения. При полном закрытии арматуры Q равно нулю, а H достигает максимального значения. При постепенном открытии арматуры Q увеличивается, а H уменьшается. H — это высота столба жидкости в открытой трубе за насосом. Кривая QH представляет собой последовательность точек, соответствующих парам значений Q и H, см. рисунок 2.5.

В большинстве случаев измеряется давление насоса Dpполн, а напор H рассчитывается по следующей формуле:

Кривая QH будет точно такой же, если опыт, изображенный на рисунке 2.6, провести с жидкостью, плотность которой отличается от плотности воды. Таким образом, кривая QH не зависит от перекачиваемой жидкости. Это можно объяснить с помощью теории, где доказано, что Q и H зависят от геометрии насоса и скорости вращения рабочего колеса, но не от плотности перекачиваемой жидкости.

Повышение давления в насосе можно измерить в метрах водяного столба (м вод. ст.). Метр водяного столба — это единица давления, которую нельзя путать с напором, выраженным в метрах. Как видно из таблицы физических свойств воды, при повышении температуры плотность воды существенно изменяется. Таким образом, необходимо выполнять преобразование давления в напор.

Регулировка скоростей циркуляционного насоса

У большинства моделей циркуляционного насоса имеется функция регулировки скорости работы прибора. Как правило, это трехскоростные устройства, позволяющие управлять количеством теплоты, которое направляется на обогрев помещения. В случае резкого похолодания увеличивают скорость работы прибора, а при потеплении ее уменьшают, притом, что температурный режим в комнатах остается комфортным для пребывания в доме.

Чтобы переключать скорость, имеется специальный рычаг, расположенный на корпусе насоса. Очень востребованы модели циркуляционных устройств с автоматической системой регулирования данного параметра в зависимости от температуры снаружи здания.

Давление насоса — описание давления насоса

Полное давление

Полное давление насоса рассчитывается как сумма трех составляющих:

Статическое давление

Статическое давление может быть измерено непосредственно с помощью датчика дифференциального давления, или можно установить датчики давления на входе и выходе насоса. В этом случае статическое давление может быть найдено по формуле:

Динамическое давление

Динамическое давление (разность динамических давлений между входом и выходом насоса) определяется по следующей формуле:

На практике при испытаниях насоса измерение динамического давления и скорости потока на входе и выходе насоса не производится. Вместо этого динамическое давление определяется расчетным методом на основе расхода жидкости и диаметра трубы на входе и выходе насоса:

Как следует из формулы, динамическое давление равно нулю, если диаметры трубы до и после насоса одинаковы.

Разность барометрических давлений

Разность барометрических давлений в точках установки датчиков давления на входе и выходе насоса может быть определена следующим образом:

где:

Δz — разность высот между точками установки манометра, соединенного с трубой на выходе, и манометра, соединенного с трубой на входе.

Разность барометрических давлений имеет значение, только если Δz не равно нулю. Таким образом, положение отводов давления на трубе не имеет значения при определении разности барометрических давлений.

Если для измерения статического давления используется дифференциальный манометр, то разность барометрических давлений принимается равной нулю.

Подача производительность насосного оборудования

Это один из главных факторов, которые следует учитывать при выборе устройства. Подача – количество теплоносителя перекачиваемого в единицу времени (м3/час). Чем выше подача, тем значительней будет объем жидкости, который сможет перекачать насос. Данный показатель отражает величину объема теплоносителя, переносящего тепло от котла к радиаторам. Если подача низкая, радиаторы будут обогреваться плохо. Если производительность избыточная, расходы на отопление дома существенно вырастут.

Расчет мощности циркуляционного насосного оборудования для системы отопления можно произвести по следующей формуле:Qpu=Qn/1.163xDt [м3/ч]

При этом Qpu – это подача агрегата в расчетной точке (измеряется в м3/час), Qn — количество потребляемого тепла на площади, которая отапливается (кВт), Dt – разница температур, зафиксированная на прямом и обратном трубопроводе (для стандартных систем это 10-20°С), 1,163 – показатель удельной теплоемкости воды (если будет использоваться другой теплоноситель, формула должна быть откорректирована).

Уравнение энергии для течения идеальной жидкости

Согласно уравнению энергии для течения идеальной жидкости сумма энергии давления, кинетической энергии и потенциальной энергии является постоянной величиной. Это уравнение называется уравнением Бернулли по имени швейцарского физика Даниэля Бернулли.

Уравнение Бернулли справедливо при следующих условиях:

• 1. Течение установившееся — не изменяется со временем.
• 2. Жидкость несжимаема — справедливо для большинства жидкостей.
• 3. Течение без трения — потери на трение не учитываются.
• 4. Свободное течение — нет подвода механической энергии.

Формула (2.10) применяется для струйки жидкости или траектории частицы жидкости. Например, с помощью формулы может быть описано течение жидкости в диффузоре (2.10), но не поток через рабочее колесо, так как рабочее колесо подводит к жидкости механическую энергию.

В большинстве применений не все условия для уравнения энергии соблюдаются, Несмотря на это, уравнение может быть использовано для приблизительных вычислений.

Проверка выбранного электродвигателя а. Проверка продолжительности перекладки руля

Для выбранного насоса смотрим графики зависимости механического и объемного КПД от давления, создаваемого насосом (см. рис. 3).

4.1. Находим моменты, возникающие на валу электродвигателя при различных углах перекладки руля:

где: M

α – момент на валу электродвигателя (Н·м);

Q

уст – установленная производительность насоса;

P

α – давление масла, создаваемое насосом (Па);

P

тр – потери давления на трение масла в трубопроводе (3,4÷4,0)·105 Па;

n

н – число оборотов насоса (об/мин);

η

r – гидравлический КПД, связанный с трением жидкости в рабочих полостях насоса (для ротационных насосов ≈ 1);

η

мех – механический КПД, учитывающий потери на трение (в сальниках, подшипниках и других трущихся частях насосов (см. график на рис. 3).

Данные расчетов заносим в таблицу 4.

4.2. Находим скорости вращения электродвигателя для полученных значений моментов (по построенной механической характеристике выбранного электродвигателя – см. п. 3.6). Данные расчета заносим в таблицу 5.

Таблица 5

4.3. Находим действительную производительность насоса при полученных скоростях электродвигателя

где: Q

α – действительная производительность насоса (м3/сек);

Q

уст – установленная производительность насоса (м3/сек);

n

– действительная скорость вращения ротора насоса (об/мин);

n

н – номинальная скорость вращения ротора насоса;

η

v – объемный КПД, учитывающий обратный перепуск перекачиваемой жидкости (см. график 4.)

Данные расчета заносим в таблицу 5. Строим график Q

α
=f(α)
– см. рис. 4
.
Рис. 4. График Q

α
=f(α)
4.4. Полученный график разбиваем на 4 зоны и определяем время работы электропривода в каждой из них. Расчет сводим в таблицу 6.

Таблица 6

4.4.1. Находим расстояние, проходимое скалками в пределах зоны

где: Hi

– расстояние, проходимое скалками в пределах зоны (м);

Ro

– расстояние между осями баллера и скалок (м).

4.4.2. Находим объем масла, перекачиваемого в пределах зоны

где: Vi

– объем перекачиваемого масла в пределах зоны (м3);

m

цил – число пар цилиндров;

D

– диаметр плунжера (скалки), м.

4.4.3. Находим продолжительность перекладки руля в пределах зоны

где: ti

– средняя продолжительность перекладки руля в пределах зоны (сек);

Q

ср
i
– средняя производительность в пределах зоны (м3/сек) – берем из графика п. 4.4. или рассчитываем из таблицы 5).

4.4.4. Определяем время работы электропривода при перекладке руля с борта на борт

t

пер
= t1+ t2+ t3+ t4+ to
,

где: t

пер – время перекладки руля с борта на борт (сек);

t1÷t4

– продолжительность перекладки в каждой зоне (сек);

to

– время изготовки системы к действию(сек).

4.5. Сравниваем t перекладки с Т (время перекладки руля с борта на борт по требованию РРР), сек.

t

пер
≤Т
(30 сек)

Мощность

Кривые мощности показывают потребляемую мощность как функцию подачи, см. рисунок 2.7. Мощность выражается в ваттах (Вт). Следует различать три вида мощности, см. рисунок 2.8.

• Мощность насосной установки, передаваемая от внешнего источника к электродвигателю и контроллеру (P1).
• Мощность насоса, передаваемая электродвигателем на вал (P2).
• Полезная мощность, передаваемая от рабочего колеса насоса к жидкости (P полезн).

Потребляемая мощность зависит от плотности жидкости. Кривые мощности обычно строятся для стандартной жидкости, имеющей плотность 1000 кг/м3, что соответствует воде при температуре 4°C. Таким образом, мощность, измеренная на жидкости с другой плотностью, должна быть пересчитана.

Обычно в заказных спецификациях P1 приводится для комплектных изделий, в то время как P2 приводится для насосов, поставляемых со стандартным электродвигателем.

Частота вращения

Подача, напор и потребляемая мощность изменяются в зависимости от частоты вращения насоса. Сравнение характеристик насоса возможно только если они построены для одинаковой частоты вращения. Возможно приведение характеристик к одинаковой скорости с использованием уравнений, приведенных ниже.

Регулирование частоты вращения

При регулировании частоты вращения насоса характеристики QH, мощности и NPSH изменяются. Пересчеты характеристик насоса при изменении его частоты вращения выполняются с помощью уравнений подобия.

Индекс A в уравнениях указывает исходные значения, а индекс В указывает измененные значения.

Эти уравнения позволяют получить когерентные точки на параболе подобия на графике QH. Парабола подобия показана на рисунке 3.11.

На основании соотношения между характеристикой насоса и его частотой вращения могут быть получены различные регулировочные характеристики. Наиболее распространенными методами регулирования являются метод пропорционального регулирования и метод регулирования в режиме поддержания постоянного давления.

Виды мощности прибора для скважины

Во время выпуска устройств на заводе-изготовителе применяются обозначения разновидностей мощности:

1. P1 (кВт). Входная электромощность – та, которую электродвигатель забирает от электросети.
2. P2 (кВт). На валу электродвигателя – та, которую он отдает на вал. Входная электромощность насоса P1 равняется мощности на валу электродвигателя P2, поделенной на КПД электродвигателя.
3. P3 (кВт). Входной показатель гидронасоса равняется величине P2, когда муфта, которая соединяет вал устройства и вал электродвигателя, не расходует электроэнергию.
4. P4 (кВт). Полезная мощность погружного гидравлического насосного оборудования — та, которая выходит в процессе функционирования в виде расхода и напора воды.

КПД

КПД насосной установки (ηполн) — это отношение полезной мощности к мощности насосной установки. На рисунке 2.9 показаны кривые КПД для насоса (ηполезн) и для насосной установки, включающей электродвигатель и контроллер (ηполн). Гидравлический КПД относится к P2 , а КПД насосной установки — к P1:

КПД всегда меньше 100 %, так как мощность насосной установки всегда больше, чем полезная мощность, вследствие потерь в контроллере, электродвигателе и насосе. КПД насосной установки (контроллер, электродвигатель и насос) является произведением отдельных КПД:

Подача, при которой насос имеет максимальный КПД, называется точкой оптимального режима или точкой наибольшего КПД (QBEP).

NPSH — допускаемый кавитационный запас

Кавитацией называется процесс образования пузырьков пара в областях, где локальное давление падает до значения давления насыщенного пара. Степень кавитации зависит от того, насколько низким будет давление в насосе. При кавитации происходит снижение напора и появление шума и вибрации.

Кавитация вначале возникает в областях наименьшего давления в насосе, чаще всего образуются на кромках лопаток на входе в рабочее колесо, см. рисунок 2.10.

Значение NPSH — абсолютное и всегда положительное. NPSH измеряется в метрах, как напор, см. рисунок 2.11. Так как NPSH измеряется в метрах, нет необходимости учитывать плотность различных жидкостей.

Существуют два различных значения NPSH: NPSHR и NPSHA.

NPSHA обозначает имеющийся NPSH и определяет, насколько близко к парообразованию находится жидкость во всасывающем трубопроводе. NPSHA определяется по формуле:

NPSHR обозначает требуемый NPSH и выражает наименьшее значение NPSH, требуемое для приемлемой работы насоса. Абсолютное давление на входе может быть рассчитано по заданному значению NPSHR и давлению насыщенных паров жидкости путем подстановки в формулу (2.16) NPSHR вместо NPSHA.

Чтобы определить, может ли насос быть безопасно установлен в систему, следует найти NPSHA и NPSHR для наибольших значений подачи и температуры в пределах рабочего диапазона.

Рекомендуется добавить минимальный запас безопасности 0,5 м. В зависимости от применения может понадобиться больший запас безопасности. Например, для применений, чувствительных к шуму, или для мощных насосов, таких как питательные насосы котлов, европейская ассоциация производителей насосов рекомендует применять к значению NPSH3% коэффициент безопасности SA=1,2 — 2,0.

Риск кавитации в системах может быть снижен или исключен с помощью следующих мер:

• установка насоса ниже по отношению к уровню жидкости в открытых системах;
• повышение давления в закрытых системах;
• уменьшение длины линии всасывания для снижения потерь на трение;
• увеличение площади поперечного сечения всасывающего трубопровода для снижения скорости движения жидкости и, как следствие, уменьшения потерь на трение;
• исключение локальных падений давления, возникающих вследствие изгибов и других препятствий во всасывающем трубопроводе;
• снижение температуры жидкости для уменьшения давления паров.

Следующие два примера показывают, как рассчитывается NPSH.

Пример 2.1 Насос для подачи жидкости из колодца

Насос должен подавать жидкость из резервуара, уровень воды в котором на 3 метра ниже уровня насоса. Для расчета значения NPSHA необходимо знать потери на трение во всасывающем трубопроводе, температуру воды и барометрическое давление, см. рисунок 2.12.

Температура воды 40°C

Барометрическое давление 101,3 кПа.

Потери давления во всасывающем трубопроводе при существующей подаче 3,5 кПа.

При температуре воды 40°C давление паров равно 7,37 кПа, а ρ равно 992,2 кг/м3.

Значения взяты из таблицы «Физические свойства воды» в конце статьи.

Для этой системы выражение NPSHA в формуле (2.16) может быть записано в следующем виде:

Hвсас— уровень воды относительно насоса. Hвсас может быть выше или ниже насоса и выражается в метрах. В этой системе уровень воды находится ниже насоса. Таким образом, Hвсас отрицательно, Hвсас = –3 м. Значение NPSHA для системы:

Насос, предназначенный для работы в рассматриваемой системе, должен иметь значение NPSHR меньше, чем 6,3 м минус запас безопасности 0,5 м. Таким образом, при существующей подаче для насоса требуется значение NPSHR меньшее, чем 6,3 – 0,5 = 5,8 м.

Пример 2.2 Насос в закрытой системе

В закрытой системе отсутствует свободная поверхность воды для использования в качестве плоскости отсчета. Этот пример показывает, как датчик давления, расположенный выше плоскости отсчета, может использоваться для определения абсолютного давления в линии всасывания, см. рисунок 2.13.

Измеренное относительное статическое давление на стороне всасывания pстат.вх = -27.9 кПа. Таким образом, в точке установки манометра имеется отрицательное давление. Манометр установлен выше насоса. Следовательно, разность между высотой манометра и высотой входа в рабочее колесо имеет положительное значение Hвсас = +3 м. Скорость в трубе, где измеряется давление, создает дополнительное динамическое давление 500 Па.

Барометрическое давление 101 кПа.

Рассчитанные потери на трение в трубах между точкой измерения (pстат.вх.) и насосом Hпотерь труб. = 1м.

Температура системы 80°C.

Давление паров pн.п. = 47.4 кПа, плотность ρ = 973 кг/м3, значения взяты из таблицы «Физические свойства воды».

Для этой системы формула 2.16 для NPSHA имеет следующий вид:

Несмотря на отрицательное давление в системе, значение NPSHA для существующего расхода превышает 4 м.

Номинальный напор

Напором именуют разность удельных энергий воды на выходе из агрегата и на входе в него.

Напор бывает:

• Объёмный;
• Массовый;
• Весовой.

Полная мощность израсходуется на запуск. Она подходит извне в качестве энергии привода электродвигателя или с расходом воды, которая подается к струйному аппарату под особым напором.

Осевая нагрузка

Осевая нагрузка является суммой сил, действующих на вал в осевом направлении, см. рисунок 2.14. Осевая нагрузка в основном возникает вследствие разности давлений на переднем и заднем диске рабочего колеса.

Значение и направление осевой нагрузки может использоваться для определения типоразмера подшипников и конструкции электродвигателя. Насосы с нагрузкой, направленной вверх, требуют применения фиксированных подшипников. Дополнительно к осевой нагрузке необходимо учесть силы, действующие на вал вследствие давления в системе. Пример кривой осевой нагрузки представлен на рисунке 2.15.

Осевая нагрузка связана с напором и поэтому пропорциональна квадрату скорости.