Как перевести напор в давление

Характеристика насоса – напор, давление, мощность

Содержание

Показатели насоса обычно описываются с помощью набора кривых, которые называются характеристиками насоса. В этой части приведено описание таких кривых и методы их анализа.

Характеристики насоса используются заказчиком для выбора насоса, соответствующего требованиям для данного применения.

Заказная спецификация содержит информацию о напоре (H) для разной подачи (Q), см. рисунок 2.1. Требования к напору и подаче определяют габаритные размеры насоса.

Кроме напора, в заказных спецификациях также приводится потребляемая мощность насоса (P). Потребляемая мощность используется для расчета мощности источника питания насоса. Потребляемая мощность также отображается как функция подачи.

Информация о КПД насоса (η) и NPSH также содержится в заказной спецификации. NPSH — это сокращение термина «допускаемый кавитационный запас» (Net Positive Suction Head). Кривая NPSH показывает напор на входе, который необходим для предотвращения кавитации. Кривая КПД предназначена для выбора самого экономичного насоса в определенном рабочем диапазоне. Пример характеристик в заказной спецификации приведен на рисунке 2.1.

Желаемые характеристики являются важной частью технических условий на проектирование при создании нового насоса. Подобные кривые осевых и радиальных нагрузок используются для расчета подшипников насоса.

Характеристики описывают показатели всей насосной установки, см. рисунок 2.2. Если выбран насос без электродвигателя, то для привода насоса можно использовать стандартный электродвигатель соответствующей мощности, Характеристики могут быть пересчитаны с учетом выбранного двигателя.

Для насосов, которые поставляются как с электродвигателем, так и без него, приводятся характеристики только для проточной части, то есть без электродвигателя и контроллера. Для комплектных изделий характеристики приводятся для изделия в целом.

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.

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 (м 3 /ч), но в формулах используются кубические метры в секунду (м 3 /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 Dp_полн, 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.

Давление насоса — описание давления насоса

Полное давление насоса рассчитывается как сумма трех составляющих:

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 (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:

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.

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:

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.

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.

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

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.

Полезная мощность

Полезная мощность (P _полезн) — это мощность, передаваемая от насоса к жидкости. Как видно из следующей формулы, полезная мощность рассчитывается по подаче, напору и плотности.

Отдельная кривая полезной мощности обычно не приводится в заказных спецификациях, однако используется для расчета КПД насоса.

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 (Q_BEP).

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: NPSH_R и NPSH_A.

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

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

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

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

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 NPSH_A 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.

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

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

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

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

Барометрическое давление 101 кПа.

Рассчитанные потери на трение в трубах между точкой измерения (p_{стат.вх.}) и насосом H_{потерь труб.} = 1м.

Температура системы 80°C.

Для этой системы формула 2.16 для NPSH_A имеет следующий вид:

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

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.

Радиальная нагрузка

Радиальная нагрузка является суммой сил, действующих на вал в радиальном направлении, см. рисунок 2.16. Гидравлическая радиальная нагрузка возникает вследствие разности давлений в спиральной камере. Значение и направление изменяются в зависимости от подачи. Силы минимальны при расчетном режиме, см. рисунок 2.17. Для правильного выбора радиального подшипника важно знать значение радиальной нагрузки.

Выводы

В статье приведено объяснение терминов, применяемых для описания показателей насоса, и приведены кривые напора, мощности, КПД, NPSH и действия нагрузок. Кроме того, два термина — напор и NPSH — были пояснены на примерах расчета.

Источник

Давление насосов

Статья отредактирована и дополнена в мае 2019 года.

Если производительность насоса отвечает на вопрос какой объем жидкости насос может переместить за единицу времени, то давление отвечает на вопрос какое именно сопротивление трубной системы (в барах) может преодолеть насос.

Небольшие центробежные насосы (например, аквариумные) способны развивать максимальное давление 0,05 бар (то есть создавать напор воды до 0,5 метра). Некоторые промышленные насосы объемного типа (например, плунжерные) способны развивать давление до 200 бар и даже больше.

В чем измеряют давление насосов? Какие бывают единицы измерения?

Другая популярная единица измерения давления – бар (1 бар = 100 000 Паскаль = 0,1 МПа).

Как соотносятся между собой бары/паскали с одной стороны и метры водяного столба/тех. атмосферы с другой?
0,1 МПа = 1 бар = 1,0197 кгс/см² = 10,197 м.в.ст.

То есть выходит, что один бар чуть больше, чем одна техническая атмосфера (кгс/см²). А 10 метров водяного столба чуть меньше, чем 1 бар. Разница составляет менее 2%. Так вот на практике этой разницей пренебрегают и приравнивают бар с технической атмосферой. Говорят, столб чистой воды высотой 10 метров давит с такой же силой, что и 1 бар или 1 атмосфера. И большой ошибки в этом не будет, кроме тех ситуаций, где нужна высокая точность расчетов.

Иногда давление называют напором. Нет ли здесь ошибки?

На самом деле ошибки нет. Давление и напор насосов можно считать тесно связанными понятиями. Термин «давление» более корректный и универсальный, его чаще используют для объемных насосов. Термин «напор» обычно используют для центробежных насосов из-за его удобства.

Когда говорят про напор, то имеют в виду на какую высоту способен поднять жидкость насос в открытой системе. В открытой системе поток жидкости не изолирован от атмосферы. В такой системе насосу приходится преодолевать не столько сопротивление трубной системы, сколько «бороться» с тяжестью водяного столба в напорной линии.

Типичный пример подбора насоса с нужным напором – это подбор многоступенчатого центробежного насоса. Если нужно поднять воду на высоту 20 этажей (при высоте этажа 3 метра), то говорят, что насос должен развить напор не менее 60 метров (водяного столба). На самом деле напор насоса должен быть еще немного выше, ведь он должен еще преодолеть потери на трение в трубопроводе. В любом случае давление в напорном трубопроводе при работе насоса составит не менее 6 атмосфер.

Как между собой связаны давление, производительность и потребляемая мощность насоса?

У центробежных насосов зависимость между производительностью и давлением выражена кривой производительности. Чем больше давление, тем меньше производительность. При этом потребление энергии насоса растет по мере увеличения производительности.

Изображение 1. Зависимость производительности, давления, потребляемой мощности и КПД центробежного насоса.

На изображении 1 показаны кривые характеристик одного центробежного насоса. Синяя кривая показывает зависимость производительности от давления. Черная линия показывает мощность на валу насоса по мере роста производительности. И, наконец, кривая зеленого цвета показывает изменение КПД по мере изменения давления.

Если сопротивление трубной системы будет равно 0, то есть насос будет выливать воду из напорного патрубка без подключения к линии, то его производительность будет максимальной, а создаваемый напор будет нулевым. Работа в таком режиме для центробежного насоса не очень полезна, поскольку потребляемая мощность будет максимальной и двигатель насоса может сгореть.

Если сопротивление системы будет соответствовать напору 32 метра водяного столба, то насос будет работать в точке, показанной красным цветом. При этом его производительность будет составлять 54 м³/час, давление 32 м.вод.ст. (3,2 кгс/см²), потребляемая мощность (на валу) 6,6 кВт, а КПД будет равен 71,3%.

У объемных насосов давление и производительность тоже имеют корреляцию, но обычно более слабую, чем у центробежных насосов. Исключение – мембранные пневматические насосы, которые имеют кривые характеристик, похожие на центробежные насосы. Обычно объемный насос имеет производительность, определяемую объемом перемещения жидкости за один рабочий такт и скоростью совершения этих тактов. Рабочее же давление объемного насоса определяется сопротивлением системы. При максимальном рабочем давлении производительность объемного насоса обычно немногим меньше, чем при нулевом давлении.

Сопротивление системы

В реальных условиях насос всегда выполняет некоторую полезную работу по перемещению жидкости в трубопроводной системе. Система может быть простейшей и состоять из трубы, опущенной в колодец (всасывающая линия насоса), и шланга, ведущего от насоса в бочку (напорная линия). В других случаях система может быть сложной и состоять из десятков различных трубопроводных контуров и резервуаров.

Система может быть двух типов: открытая (сообщается с атмосферой) и закрытая (изолирована от атмосферы).

В открытой системе насосу приходится преодолевать статическое и динамическое сопротивление, а в закрытой есть только динамическое сопротивление.

Существует два вида сопротивления в системе:

— Диаметр труб. Он должен соответствовать диаметру труб насоса. Особенно важно, чтобы напорный патрубок насоса не подключался к трубе маленького диаметра – это создаст высокое сопротивление системы и приведет к росту давления в ней при снижении производительности (см. ниже Дросселирование). Засорение трубопровода так же приводит к уменьшению полезного проходного сечения трубы.

— Наличие изгибов и колен трубопровода. Все изгибы создают дополнительное сопротивление. Всегда рекомендуют проектировать трубопровод с минимальным числом изгибов.

— Наличие сужений и расширений трубопровода (например, задвижек и регулирующих вентилей). Такие элементы деформируют поток жидкости и приводят к дополнительным потерям из-за образования дополнительной турбулентности течения потока.

— Материал трубопровода. Чем более шероховатый материал трубы, тем сильнее будет сопротивление. Например, в стальном трубопроводе потери будут несколько выше, чем в полипропиленовом.

— Длина трубопровода. Чем длиннее трубопровод, тем сильнее будут потери на трение. Зависимость потерь давления от длины трубопровода определяется по сложной формуле, которая включает в себя не только длину, но также диаметр и материал труб, скорость течения и вязкость жидкости.

— Вязкость жидкости. Чем более вязкая жидкость, тем выше потери на сопротивление при ее перемещении.

— Скорость течения жидкости. Чем быстрее течет жидкость, тем выше потери на сопротивление.

Изображение 2. Реальная производительность и давление насоса будут зависеть как от параметров самого насоса, так и от характеристики сопротивления трубопроводной системы

На изображении 2 показано, что реальная производительность насоса (центробежного или объемного) зависит не только от его собственных характеристик, но и от характеристик трубопроводной системы.

Обратите внимание, что даже про нулевой производительности кривая сопротивления системы не равна 0. Это обусловлено наличием в ней статического сопротивления. Общее сопротивление системы всегда равно сумме статического и динамического сопротивления.

Если система короткая и диаметр труб в ней достаточный, то расчетом динамического сопротивления можно пренебречь. Если же система длинная, то пренебрегать этим расчетом не стоит.

Возьмем центробежный насос с максимальным напором 15 м.в.ст., максимальной допустимой производительностью 3,6 м³/час и рабочей точкой 2,7 м³/час при напоре 10 метров. Насос имеет присоединение G 1″ (один дюйм). Для расчета сопротивления линии нам нужен точный внутренний диаметр трубы в мм. Согласно ОСТ 266 резьба BSP 1″ (резьба G1″) имеет внутренний диаметр 30,29 мм.

Нам нужно при помощи этого насоса поднять воду на высоту 10 метров по вертикали, при этом общая длина трубы составит 100 метров. Какова будет производительность насоса?

Изображение 3. Насос подает воду на высоту 10 метров при общей длине трубы 100 метров

Если сделать расчеты, то выяснится, что при расходе 45 л/мин (2,7 м³/час) сопротивление линии составит 4,28 м.в.ст., а значит насос не сможет работать в этой точке. Возьмем несколько точек по производительности и построим кривую сопротивления нашей линии.

Изображение 4. В нашем примере насос будет работать с производительностью 1,9 м3/час при давлении в линии 12,4 м.в.ст. (1,24 кгс/см²).

Если сделать расчет сопротивления нашей линии при нескольких значениях производительности и соединить эти значения кривой линией, то сразу становится очевидной реальная рабочая точка, в которой насос будет работать в нашем примере. Это точка пересечения двух кривых. Она составит 1,9 м3/час при давлении в линии 12,4 м.в.ст.

Как избежать таких потерь производительности? Самое простое – укоротить напорную линию или увеличить диаметр трубы. Например, если взять в качестве напорной трубы не G1″, а следующую по размеру G1¼» (внутренний диаметр 38,95 мм), то потери давления уменьшатся в 3 раза, а производительность насоса составит примерно 2,4 м3/час.

Ловушки при определении давления (напора) насоса

Изображение 5. Зависимость давления в напорной линии от плотности жидкости.

На изображении 5 показана зависимость давления в напорной линии от плотности жидкости. На левом рисунке насос перекачивает чистую воду с плотностью 1 кг/дм³. Перепад высоты между манометром и точкой подъема жидкости насосом составляет 50 метров. При этом манометр показывает давление 5 кгс/см².

На среднем рисунке насос перекачивает растворитель с плотностью 0,7 кг/дм³ (ниже плотности воды). При том же самом перепаде высоты 50 метров манометр будет показывать лишь 3,5 кгс/см².

Наконец, на правом рисунке насос перекачивает насыщенный раствор сахара с плотностью 1,3 кг/дм³ (выше плотности воды). При перепаде высоты 50 метров манометр покажет давление 6,5 кгс/см².

Возьмем раствор сахара плотностью 1,3 кг/дм³ (то есть в 1,3 раза больше чем у воды). Какой насос нужен, если раствор сахара требуется поднять на высоту 50 метров?

Есть мнение, что для перекачивания раствора сахара нам нужен насос, изначально рассчитанный на напор 65 метров (при работе с водой), который будет выдавать лишь 50 метров напора при работе с раствором сахара. Но это ошибка!

Кривая работы центробежного насоса не зависит от плотности жидкости! Если насос может поднять столб воды на высоту 50 метров, то на такую же высоту он сможет поднять и раствор сахара с той же самой производительностью. Но какой ценой!? Ведь давление в напорной линии вырастет пропорционально увеличению плотности. А значит вырастет и потребляемая насосом мощность. Все что требуется – поставить более мощный двигатель на тот же самый насос.

Однако следует помнить, что если изначально насос конструктивно был рассчитан на перекачивание воды, то при работе с более плотной жидкостью вырастет нагрузка на все его внутренние узлы. И он может быстро выйти из строя. Поэтому при выборе центробежного насоса следует обращать на указанную производителем максимально допустимую плотность жидкости. Также обращайте внимание на максимально допустимое давление в корпусе насоса.

Изображение 6. Плотность жидкости не влияет на производительность и напор насоса, но влияет на давление и потребляемую мощность.

На изображении 6 показана ситуация, когда один и тот же насос перекачивает воду (слева) или раствор сахара (справа). Высота подъема жидкости и производительность насосов будут одинаковыми в обоих случаях. Однако давление в напорной линии будет отличаться, а вместе с ним будет отличаться и потребляемая насосом мощность. Вероятнее всего, на насос слева следует поставить двигатель номинальной мощностью 5,5 кВт (двигатель всегда берется с некоторым запасом от реальной потребляемой мощности), а на насос справа следует поставить двигатель мощностью 7,5 кВт.

Дело в том, что жидкость может попадать в насос уже с некоторым давлением (положительным или отрицательным).

На изображении 7 показана схема, при которой насос перекачивает воду в замкнутом (но не изолированном от атмосферы) контуре. Высота подъема жидкости после насоса равна 4 метра, но и на вход в насос вода попадает с тем же самым подпором 4 метра. Поскольку статическое давление на входе и выходе из насоса равны, то полезный напор, создаваемый насосом, будет равен 0 (или чуть больше 0 с учетом потерь на сопротивление). Иначе говоря, насос будет работать при нулевом перепаде давлений. Все, что требуется насосу в этой ситуации – это преодолеть сопротивление трубопровода. При этом давление в корпусе насоса будет равно 0,4 кгс/см2 (то есть будет равно статическому давлению столба воды высотой 4 метра).

Изображение 8. Полезный напор насоса на этом рисунке составляет 20 метров в.ст. (30 на выходе минус 10 на входе).
На изображении 8 вода поступает в насос с положительным подпором в 10 м.в.ст (манометр на входе в насос показывает 1 кгс/см²). Насос же поднимает водяной столб на высоту 30 м.в.ст. (манометр на выходе из насоса показывает 3 кгс/см²). Полезный напор насоса составляет 20 м.в.ст. (30 на выходе – 10 на входе). Иными словами перепад давлений в насосе составит 2 кгс/см².

С точки зрения самого насоса ситуация с 10 метрами подпора на входе и 30 метрами напора на выходе идентична той, когда, например, на входе нулевое давление, а напор на выходе равен 20 метрам. То есть 30 – 10 = 20 – 0.

Только следует помнить, что корпус насоса должен быть рассчитан именно на давление в напорной линии, а не на размер перепада между входом и выходом. В нашем примере насос создает перепад давлений 2 кгс/см2, однако давление в корпусе насоса при этом составит 3 кгс/см². Именно на 3 кгс/см² он и должен быть рассчитан (и желательно с запасом).

Изображение 9. Полезный напор насоса на этом рисунке составляет 34 метра в.ст. (30 на выходе + 4 высота самовсоса).

Часто считают, что слишком мощный насос не стоит ставить в маленькую систему. Будто он создаст такое давление, которое разорвет трубы. Однако это утверждение может быть справедливым, только если пропускная способность трубопроводной системы низкая (например, если диаметр трубы меньше диаметра патрубков насоса). Если же пропускная способность системы достаточна, то насос не создаст в ней избыточного давления.

Требуется перекачать воду с производительностью 5 м³/час с подъемом на высоту 32 метра. Однако в наличии есть центробежный насос, который обеспечивает производительность 5 м³/час при напоре 57 метров (например, Pedrollo 2CPm 25/16A). То есть наш насос намного мощнее, чем надо. Означает ли это, что насос создаст огромное давление в системе, намного больше, чем требуется? Ответ простой – нет. Давайте взглянем на кривую характеристик центробежного насоса.

Изображение 10. Рабочая точка центробежного насоса зависит от сопротивления в линии

На изображении 10 видно, что насос может работать как при напоре 32 метра (рабочая точка №2 на рисунке), так и при напоре 58 метров (рабочая точка №1 на рисунке). Однако в какой именно точке насос будет работать выбирает не он сам, а сопротивление системы. Если требуется поднять воду всего лишь на высоту 32 метра, то насос вынужден будет работать в рабочей точке №2. В этом случае его производительность правда будет значительно выше, чем требуется – 9,6 м³/час вместо требуемых 5 м³/час.

Еще проще ситуация с объемным насосом, например, с шестеренным. Если он рассчитан на максимальное давление 10 бар и производительность 5 м³/час, то при сопротивлении 10 бар он покажет производительность 5 м3/час. Если же сопротивление в линии будет небольшим (5 бар), то насос обеспечит ту же самую производительность 5 м³/час при давлении 5 бар. Изменится только потребляемая мощность (снизится в 2 раза).

Таким образом если сопротивление в линии ниже, чем максимальное давление насоса, реальное давление в линии окажется равно этому сопротивлению (а не максимальному давлению насоса).

Если сопротивление в линии выше, чем то, что может преодолеть насос, для насоса это будет равносильно работе на закрытую задвижку. При этом динамические насосы будут работать «вхолостую» и с ними может ничего не произойти, кроме риска перегрева (ведь они перестанут охлаждаться потоком жидкости). Мембранные пневматические насосы в этой ситуации остановятся и с ними не будет ничего плохого. Большинству же объемных насосов работа на закрытую задвижку строго противопоказана. Ведь они не ограничены верхним пределом создаваемого давления и будут пытаться повысить его, пока их двигатель не перегреется или корпус насоса не повредится от избыточного давления.

Давление различных видов насосов

Давление зависит от вида насоса. Насосы бывают динамические (центробежные, вихревые) или объемные, (шестеренные, винтовые, плунжерные, перистальтические, мембранные).

Центробежные одноступенчатые насосы не способны обеспечивать давление более 10-11 кгс/см² (то есть не могут развить напор воды более 100-110 метров) даже при очень большой мощности электродвигателя.

Высокое давление могут обеспечить объемные насосы различных типов. К ним относятся шестеренные, винтовые, плунжерные, перистальтические, мембранные).

Большинство мембранных пневматических насосов обеспечивают максимальное давление до 7-8 кгс/см².

Плунжерные дозировочные насосы из нашего каталога развивают давление до 20-25 кгс/см².

Способы регулировать давление насосов

Изменить давление (и производительность) насоса можно несколькими методами. Часть из них касается изменения параметров самого насоса, а часть касается изменения параметров трубопроводной линии.

Для центробежного насоса снижение частоты вращения вала приводит к пропорциональному уменьшению максимальной производительности и уменьшению максимального давления во второй степени. Например, уменьшение частоты вращения в 1,5 раза приводит к уменьшению производительности в 1,5 раза и уменьшению давления в 2,25 раза (1,5²).

Изображение 11. Уменьшение скорости вращения вала центробежного насоса приведет к одновременному уменьшению давления и производительности в системе.

На изображении 11 центробежный насос изначально работает на обычной скорости 2900 об/мин. С учетом сопротивления системы он работает в рабочей точке №1. Его производительность составляет 3,1 м³/час при напоре 4,5 м.в.ст.

Затем частота вращения вала была уменьшена в 1,5 раза до 1933 об/мин. Это привело к изменению кривой характеристик насоса. Максимальная производительность снизилась в 1,5 раза (с 3,6 до 2,4 м³/час), а максимальный напор снизился в 2,25 раза (с 20 до 8 м.в.ст.). Поскольку производительность насоса снизилась, то снизилось и сопротивление трубопроводной системы. Давление в системе упадет вместе с производительностью. Теперь новая кривая характеристик насоса (1933 об/мин) будет пересекаться с кривой трубопроводной системы в новой точке №2. Теперь производительность составит 1,9 м³/час при напоре 3 м.в.ст.

Для объемных насосов уменьшение частоты вращения вала насоса приводит к пропорциональному снижению производительности и потребляемой мощности. За счет освободившегося запаса по мощности такой насос сможет работать в системе с увеличенным давлением (по сравнению с работой при номинальной скорости вала).

Если же объемный насос остается в той же системе, где и работал до понижения скорости, то при снижении производительности произойдет и некоторое уменьшение давления из-за снижения сопротивления системы.

Как изменить скорость вращения вала насоса?

Менять скорость вращения вала насоса, например, можно при помощи понижающей/повышающей редукторной (или ременной) передачи между двигателем и насосом.

Частоту вращения вала двигателя (и соответственно насоса) также можно регулировать при помощи частотного преобразователя. Этот способ регулирования давления является наиболее гибким и экономичным. Он позволяет насосу подстраиваться под изменение параметров системы и работать без существенного понижения КПД, несмотря на уменьшение производительности. Как правило, сильное падение КПД происходит лишь при очень резком (менее 30% от номинала) уменьшении частоты вращения.

Уменьшение сечения напорной линии уменьшает ее пропускную способность (а с ней и производительность), зато позволяет повысить давление на участке между насосом и задвижкой. Такой способ регулирования параметров насосов уменьшает КПД насоса из-за дополнительного сопротивления в системе, которое насос пытается преодолеть.

Уменьшение сечения всасывающей линии так же уменьшает производительность насоса, с одновременным понижением давления (давление на выходе из насоса понижается за счет создания дополнительного разрежения во всасывающей линии между задвижкой и насосом). КПД насоса так же снижается, но несколько меньше, чем при дросселировании напорной линии. Зато растет риск возникновения кавитации, а с ним и риск быстро погубить насос.

Если увеличить диаметр напорного трубопровода, то сопротивление линии уменьшится. Давление в линии снизится. Производительность (в случае с центробежным насосом), напротив, возрастет. Имеет смысл только при большой протяженности напорного трубопровода, чтобы эффект был заметен.

Любой метод регулирования давления насоса влияет и на другой его параметр – производительность. А что если нам нужно изменить давление в системе, но при этом сохранить производительность на том же уровне?

Здесь поможет только комбинация методов. Можно, например, уменьшив частоту вращения вала насоса, одновременно увеличить диаметр труб в напорном трубопроводе. Однако возможность применения тех или иных методов зависит от конкретной трубопроводной системы и универсального решения дано быть не может.

Чаще же всего для решения таких задач используют автоматические насосные станции, состоящие из нескольких насосов, частотных преобразователей и управляющей автоматики. Такие станции могут самостоятельно поддерживать нужные параметры в системе при необходимости включая или отключая некоторые насосы, а также изменяя им частоту вращения двигателя

Полезные статьи:

Как рассчитать потери напора в трубопроводе в зависимости от его длины и диаметра? Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором расчета потерь напора в трубе.

Как подобрать насос с нужным давлением? Мы подготовили небольшую статью, в которой описали как подобрать необходимый насос по давлению (напору) и расходу (производительности). Перейдите сюда для подбора насоса онлайн.

Источник