Дизайнерская практика
Проектирование гидравлических систем обычно разрабатывается с учетом требований других систем. Например, в системах охлаждения потребности в теплопередаче определяют необходимое количество теплообменников, их размеры и требуемые скорости потока. Впоследствии параметры производительности насоса рассчитываются на основе компоновки системы и характеристик оборудования. В других областях применения, таких как сброс муниципальных сточных вод, производительность насоса зависит от требуемого объема воды, а также от требуемого напора и давления. Выбор и конфигурация насоса должны определяться в соответствии с требованиями к расходу и давлению системы или услуги.
После определения эксплуатационных требований к насосной системе необходимо спроектировать комбинацию насоса и двигателя, компоновку и технические характеристики клапанов. Выбор подходящего типа насоса, а также его скоростных и мощностных характеристик требует понимания принципов его работы.
Наиболее сложной задачей проектирования является достижение экономически эффективного соответствия характеристик насоса и двигателя системным требованиям. Учитывая значительные колебания расхода и требуемого давления, это соответствие часто становится сложной задачей. Для обеспечения соответствия оборудования системным требованиям в экстремальных условиях эксплуатации проектировщики обычно используют резервные конструкции. Кроме того, насосы, превосходящие требуемые характеристики, увеличивают затраты на материалы, монтаж и эксплуатацию. Однако использование трубопроводов большего диаметра может снизить энергозатраты на перекачку.
Энергия жидкости
В практических применениях насосов энергия жидкости обычно измеряется напором (Head). Измеряемый в футах или метрах, напор обозначает высоту столба жидкости в системе с эквивалентной потенциальной энергией. Этот термин удобен, поскольку он объединяет факторы плотности и давления, что позволяет оценивать центробежные насосы в различных жидкостных системах. Например, при заданном расходе центробежный насос может создавать различное выходное давление для жидкостей с разной плотностью, однако значения напора в этих двух условиях остаются одинаковыми.
Полный напор в жидкостной системе состоит из трех компонентов или измерений: статического напора (избыточного давления), высотного напора (или потенциальной энергии) и скоростного напора (или кинетической энергии).
Статическое давление: как следует из названия, это давление жидкости в системе, измеряемое обычными манометрами. Хотя высота уровня жидкости существенно влияет на статическое давление, оно также служит независимым показателем энергии жидкости. Например, манометр на вентиляционном баке может показывать атмосферное давление. Однако, если бак расположен на высоте 15 метров над насосом, насос должен создавать напор не менее 15 метров, чтобы создать давление воды в баке.
Напор (или потенциальная энергия): Гравитационная потенциальная энергия жидкости, определяемая как разница вертикальных высот между входом и выходом, измеряемая в метрах (м). Она представляет собой вертикальное расстояние, на которое поднимается жидкость.
Скоростной напор (также известный как «динамический напор») измеряет кинетическую энергию жидкости. В большинстве систем он, как правило, меньше статического напора. При установке манометров, проектировании систем или интерпретации показаний манометров необходимо учитывать скоростной напор, особенно в трубопроводах с изменяющимся диаметром. Показания манометра на выходе могут быть ниже, чем на входе, даже если расстояние между ними составляет всего 0,2 метра.
Свойства жидкости
Помимо типа обслуживаемой системы, на спрос на насосы также влияют такие свойства жидкости, как вязкость, плотность, содержание частиц и давление пара.
Вязкость — это свойство, измеряющее сопротивление жидкости сдвигу. Жидкости с высокой вязкостью требуют больше энергии при движении, поскольку их сопротивление сдвигу генерирует тепло. Некоторые жидкости (например, холодные смазочные масла с температурой ниже 15°C) имеют настолько высокую вязкость, что центробежные насосы не могут эффективно их перекачивать. Поэтому изменения вязкости жидкости в диапазоне рабочих температур системы являются критически важными факторами при проектировании системы. Насосно-двигательная комбинация, правильно подобранная для температуры масла 26°C, может оказаться недостаточно мощной при работе при 15°C.
Количество и характеристики твердых частиц в жидкостных системах существенно влияют на конструкцию и выбор насоса. Некоторые насосы не выдерживают чрезмерного количества примесей. Более того, если межступенчатые уплотнения в многоступенчатых центробежных насосах подвергаются эрозии, их производительность заметно снижается. Другие насосы специально разработаны для перекачивания жидкостей с высоким содержанием твердых частиц. В силу своих принципов работы центробежные насосы обычно используются для перекачивания жидкостей с высоким содержанием твердых частиц, таких как угольная суспензия.
Разница между давлением пара жидкости и давлением в системе является еще одним фундаментальным фактором при проектировании и выборе насоса. Разгон жидкости до высоких скоростей (характерная особенность центробежных насосов) вызывает падение статического давления. Это снижение давления может понизить давление жидкости до давления пара или ниже. В этот момент жидкость «кипит» и переходит из жидкого состояния в газообразное. Это явление, известное как кавитация, серьезно влияет на производительность насоса. Во время кавитации образуются микропузырьки, поскольку жидкость претерпевает фазовый переход. Поскольку пар занимает значительно больший объем, чем жидкость, эти пузырьки уменьшают поток через насос.
Разрушительный эффект кавитации проявляется, когда эти пузырьки резко схлопываются и возвращаются в жидкую фазу. В процессе схлопывания высокоскоростной поток воды воздействует на окружающие поверхности. Сила удара часто превышает механическую прочность ударяемой поверхности, что приводит к потере материала. Со временем кавитация может вызвать серьезные проблемы эрозии в насосах, клапанах и трубопроводах.
К другим причинам подобных повреждений относятся обратный поток на всасывании и обратный поток на нагнетании. Обратный поток на всасывании — это образование разрушительных потоков в зоне всасывания рабочего колеса, приводящее к повреждениям, подобным кавитации. Аналогично, обратный поток на нагнетании возникает, когда в наружной области рабочего колеса образуются разрушительные потоки. Эти эффекты обратного потока обычно вызваны насосами, работающими при чрезмерно низких расходах. Для предотвращения таких повреждений многие насосы имеют маркировку с указанием минимального расхода.
Тип системы
Как и насос, насосные системы имеют разнообразные характеристики и требования, но в целом их можно разделить на системы с замкнутой и открытой циркуляцией.
Системы с замкнутым контуром: жидкости циркулируют по пути с общей начальной и конечной точками. Насосы, обслуживающие системы с замкнутым контуром (например, системы охлаждения воды), как правило, не требуют преодоления статических напорных нагрузок, если только в системе нет вентилируемых резервуаров, расположенных на разных уровнях. В системах с замкнутым контуром основная нагрузка на насос приходится на потери на трение в трубопроводах и оборудовании системы.
Системы с разомкнутым контуром: Эти системы имеют входные и выходные патрубки, через которые жидкость транспортируется из одной точки в другую. В отличие от систем с замкнутым контуром, они, как правило, требуют использования насосов для преодоления статического напора, вызванного перепадами высот и необходимостью создания давления в резервуаре. Ярким примером являются системы дренажа шахт, которые используют насосы для подъема воды из-под земли на поверхность. В таких случаях статический напор часто является основной нагрузкой на насос.
Принцип регулирования потока
Регулирование потока имеет решающее значение для производительности системы. Достаточный поток обеспечивает надлежащее охлаждение оборудования и позволяет быстро опорожнять или наполнять резервуары. Поддержание достаточного давления и потока для удовлетворения требований системы часто приводит к выбору насосов и приводных двигателей избыточной мощности. Поскольку в конструкции систем предусмотрены устройства регулирования потока для регулирования температуры и предотвращения избыточного давления в оборудовании, выбор насосов избыточной мощности влечет за собой высокое энергопотребление этих механизмов регулирования потока.
Существует четыре основных метода регулирования расхода в системе управления или ее ответвлениях: дроссельный клапан, перепускной клапан, регулирование скорости насоса и комбинация нескольких насосов. Выбор подходящего метода регулирования расхода зависит от размеров и компоновки системы, характеристик рабочей жидкости, формы кривой мощности насоса, нагрузки системы и чувствительности системы к изменению расхода.
Дроссельный клапан ограничивает поток жидкости, уменьшая количество жидкости, проходящей через клапан, и, следовательно, создавая перепад давления на нем. Дроссельные клапаны, как правило, более эффективны, чем перепускные клапаны, поскольку они поддерживают давление на входе в закрытом состоянии, обеспечивая поток жидкости через параллельные ответвления системы.
Обводная линия позволяет жидкости обтекать компоненты системы. Основной недостаток обводных клапанов заключается в их негативном влиянии на эффективность системы: энергия, затрачиваемая на перекачку обводной жидкости, расходуется впустую. Однако в системах, работающих преимущественно при статическом напоре, обводные клапаны могут быть более эффективными, чем дроссельные клапаны или системы, оснащенные регулируемыми приводами (ASD).
Регулирование скорости насоса использует как механические, так и электрические методы для согласования скорости насоса с требованиями системы к расходу/давлению. Автоматическое определение скорости (ASD), многоскоростные насосы и многонасосные конфигурации, как правило, являются наиболее эффективными решениями для регулирования расхода, особенно в системах, где преобладает напорное усилие. Это связано с тем, что энергия жидкости, добавляемая насосом, напрямую определяется потребностями системы. Регулирование скорости насоса особенно подходит для систем, где напорное усилие играет доминирующую роль.
Как двигатели с регулируемой скоростью (ASD), так и многоскоростные двигатели могут работать с изменяющейся скоростью через приводные насосы для удовлетворения различных системных требований. В периоды снижения системной нагрузки насос работает на пониженной скорости. Ключевое функциональное различие между двигателями ASD и двигателями с регулируемой скоростью заключается в степени доступного регулирования скорости. В двигателях ASD скорость односкоростных двигателей обычно регулируется механическими средствами (например, редукторами) или электрическими методами (например, частотными преобразователями), в то время как многоскоростные двигатели оснащены отдельными обмотками для каждой скорости. Двигатели ASD особенно подходят для применений с постоянно меняющимися требованиями к расходу.
Многоскоростные двигатели идеально подходят для систем, требующих переменного расхода в различных диапазонах рабочих скоростей, где каждый уровень скорости требует увеличенного времени работы. Ключевым недостатком является более высокая стоимость оборудования, поскольку для каждого уровня скорости требуются отдельные обмотки двигателя, что делает их дороже, чем односкоростные двигатели.
Многонасосная система Обычно состоит из насосов, установленных параллельно, с двумя основными конфигурациями: схема «большой-малый насос» или серия насосов одинакового размера, соединенных параллельно.
В конфигурации с двумя насосами (большой и малый) малый насос (обычно называемый «вспомогательным насосом») работает в нормальных условиях, а большой насос задействуется в периоды пиковой нагрузки. Поскольку вспомогательный насос рассчитан на стандартный режим работы системы, такая конфигурация превосходит системы, в которых большой насос используется для обработки нагрузок, значительно меньших, чем его оптимальная производительность.
При параллельном расположении насосов одинакового размера количество работающих насосов может регулироваться в соответствии с системными требованиями. Когда насосы имеют одинаковые габариты, они могут работать согласованно, обслуживая один и тот же напорный коллектор. Однако, если насосы различаются по размеру, больший насос, как правило, начинает доминировать над меньшим, что приводит к снижению эффективности меньшего насоса. При правильном выборе каждый насос может работать ближе к точке пиковой эффективности. Еще одним преимуществом параллельного расположения насосов в системах регулирования расхода является то, что кривая системы остается неизменной независимо от того, работает один или несколько насосов; изменяется только рабочая точка вдоль этой кривой.
Параллельные конфигурации с несколькими насосами идеально подходят для систем со значительными колебаниями расхода и относительно стабильным напором. Еще одним ключевым преимуществом является резервирование системы: при выходе из строя или необходимости технического обслуживания одного насоса оставшиеся насосы могут продолжать работу системы. При использовании идентичных параллельно работающих насосов крайне важно поддерживать согласованные кривые производительности всех агрегатов. Поэтому каждый насос должен работать одинаковое время, и все насосы должны проходить синхронизированное техническое обслуживание.
Стоимость эксплуатации системы
Энергия, потребляемая системой, представляет собой произведение напора и расхода.
Из-за потерь эффективности в двигателях и насосах мощность двигателя, необходимая для достижения этих параметров напора и расхода, несколько выше. КПД насоса измеряется делением мощности, потребляемой жидкостью, на мощность, потребляемую валом насоса; для насосно-моторных агрегатов с прямым подключением это соответствует мощности двигателя в лошадиных силах.
Насосы различаются по уровню эффективности. Точка работы с наивысшей эффективностью для центробежных насосов называется точкой максимальной эффективности (ТМП). Диапазон эффективности составляет от 35% до более 90%, в зависимости от различных конструктивных характеристик. Работа насосов в точке ТМП или вблизи нее не только минимизирует затраты на электроэнергию, но и снижает нагрузку на насос и требования к техническому обслуживанию.
Для систем с длительным годовым сроком эксплуатации эксплуатационные и технические расходы значительно выше по сравнению с первоначальными затратами на приобретение оборудования. В системах увеличенной мощности с длительным периодом эксплуатации неэффективность может существенно увеличить годовые эксплуатационные расходы; однако эти дорогостоящие неэффективности часто игнорируются при обеспечении надежности системы.
Затраты на выбор насосов избыточной мощности выходят за рамки счетов за электроэнергию. Избыточная мощность жидкости должна рассеиваться через клапаны, регуляторы давления или сами трубопроводы системы, что увеличивает износ и расходы на техническое обслуживание. Износ седел клапанов (вызванный чрезмерным потоком и кавитацией) представляет собой серьезную проблему для технического обслуживания, потенциально сокращая интервал между капитальными ремонтами клапанов. Аналогично, шум и вибрация от чрезмерного потока создают переменные напряжения на сварных швах и опорах трубопроводов, что в тяжелых случаях может даже привести к эрозии стенок труб.
Следует отметить, что когда конструкторы пытаются повысить надежность насосных систем путем выбора оборудования избыточной мощности, непредвиденным последствием часто является снижение надежности системы. Это объясняется совокупным воздействием чрезмерного износа и неэффективной работы оборудования.
IPv6 network supported.