_png.png "Автоматика для вентиляции")
.png "Циркуляционные насосы")
Перемещение жидкостей всегда играло важную роль в жизни человека. С самых древних времён вода требовалась для приготовления пищи, орошения полей и просто для выживания. И даже сегодня без налаженных способов подачи воды современное общество в буквальном смысле не смогло бы существовать. Первые устройства для транспортировки воды были крайне простыми. Чтобы достать воду из колодца, использовали ведро на веревке и примитивный ворот. Всё было просто, но требовало усилий.
Сегодня задачи по перемещению жидкостей решаются куда эффективнее — с помощью насосов с электрическим приводом. Они стали основой водоснабжения, орошения, отопления и множества других процессов. Для разных целей разработаны разнообразные типы насосов. Однако особенно большую популярность получили центробежные насосы — благодаря своим явным преимуществам:
Преимущества
- высокая надёжность
- простота конструкции
- доступная стоимость
- широчайший спектр применения
Физические условия
В этом обзоре мы постараемся помочь вам разобраться, как правильно выбрать насос под конкретные задачи, а также объясним, какие физические законы лежат в основе работы центробежного насоса.
Чтобы подобрать насос, который справится с конкретной задачей, важно учесть несколько ключевых физических условий. Без них правильный выбор сделать просто невозможно.
Вот на что нужно обратить внимание (схема 1)
- Свойства перекачиваемой жидкости
Плотность — другими словами, «тяжесть» жидкости
Давление насыщенных паров — связано с температурой кипения
Температура — важно, насколько жидкость нагрета или охлаждена
Вязкость — проще говоря, насколько жидкость густая - Объём подачи
Сколько жидкости требуется перекачивать в единицу времени — это определяется через расход - Высота всасывания
Разница по высоте между насосом и уровнем жидкости в баке или резервуаре - Высота нагнетания
Разница по уровню между насосом и самой высокой точкой, куда нужно доставить жидкость - Потери давления на всасывающем участке
Это сопротивление, которое жидкость испытывает, двигаясь к насосу — в основном за счёт трения в трубах - Потери давления на напорном участке
Сопротивление, с которым жидкость сталкивается на пути от насоса к точке подачи - Конечное избыточное давление
Давление жидкости в точке подачи - Начальное избыточное давление
Давление в системе до входа жидкости в насос
Когда все эти параметры известны, можно точно рассчитать режим работы насоса и выбрать модель, которая будет максимально эффективной для ваших задач.
Почему характеристики жидкости так важны при выборе насоса
Для правильного подбора насоса нужно хорошо понимать, с какой именно жидкостью предстоит работать. От её свойств напрямую зависит, сколько энергии потребуется для перекачивания и как долго прослужит оборудование.
Плотность — один из важнейших параметров. Проще говоря, чем «тяжелее» жидкость, тем больше усилий понадобится для её транспортировки. Плотность обозначают греческой буквой ρ («ро») и измеряют в килограммах на кубометр (кг/м³). Этот показатель отражает массу единицы объёма жидкости.
Есть ещё такой важный момент, как давление насыщенных паров — оно связано с температурой, при которой жидкость начинает закипать. Чем ниже давление, тем ниже и температура кипения. Особенно это важно на всасывающей стороне насоса: если давление слишком упадёт, жидкость может начать закипать ещё до попадания в рабочее колесо. Это приводит к образованию пара и кавитации — опасного явления, способного сильно повредить насос (подробнее об этом — в отдельной главе).
Вязкость отвечает за то, насколько жидкость сопротивляется течению, а значит, влияет на потери давления в трубопроводах. Чем «гуще» жидкость (например, масло), тем выше сопротивление, а значит, и требования к насосу. При этом важно помнить: у вязких жидкостей вязкость падает при нагревании, что нужно учитывать при расчётах.
Что такое расход воды и как его измеряют
Расход воды — один из основных параметров, который нужно учитывать при подборе насоса. Он показывает, какой объём жидкости необходимо перекачать за определённый промежуток времени. В формулах расход принято обозначать буквой Q.
В зависимости от производительности насоса используют разные единицы измерения
- для компактных насосов — литры в минуту (л/мин)
- для оборудования средней мощности — кубометры в час (м³/ч)
- для самых мощных промышленных насосов — кубометры в секунду (м³/с)
Также важно помнить
Размеры трубопроводов напрямую зависят от объема перекачиваемой жидкости и скорости её движения (v). Подбирая диаметр труб, нужно учитывать и расход, и допустимую скорость потока, чтобы система работала эффективно и без лишних потерь.
При проектировании насосной системы важно учитывать так называемые геодезические высоты — они напрямую влияют на подбор оборудования.
Геодезическая (статическая) высота всасывания — это разница по уровню между впускным патрубком насоса и свободной поверхностью жидкости в самом низком резервуаре. Измеряется она в метрах (м). Представить это просто: насколько насос стоит выше уровня жидкости, которую он должен затянуть в систему (см. схема 1, поз. 1).
Статическая высота подачи, или иначе статический напор — это разница по уровню между выпускным патрубком насоса и самой высокой точкой, куда требуется подать воду или другую жидкость. Этот показатель также измеряется в метрах (см. схема 1, поз. 2).
Оба этих параметра обязательно учитываются при расчётах: от них зависит, сможет ли насос справиться с заданной задачей без риска поломок и снижения производительности.
Когда жидкость движется по трубопроводу, часть энергии неизбежно теряется из-за трения между потоком и стенками труб. Эти потери давления зависят от нескольких факторов:
- вязкости жидкости
- шероховатости внутренней поверхности труб
- скорости потока
Есть один важный момент: если скорость потока увеличивается в два раза, потери давления возрастают уже в четыре раза — то есть во второй степени (см. схема 2, поз. 1). Это нужно обязательно учитывать при проектировании системы.
Данные о потерях давления в прямых участках трубопровода, коленах, отводах и других фитингах можно получить у производителя оборудования или в технической документации.
Потери давления в напорном трубопроводе рассчитываются по тем же принципам, что и на всасывающей линии — подробнее об этом можно посмотреть выше (см. схема 2, поз. 2).
При расчётах насосной системы важно учитывать давление не только внутри самого насоса, но и по краям системы — в точках, откуда жидкость берётся и куда подаётся.
Конечное избыточное давление — это то давление, которое должно быть обеспечено в точке подачи жидкости. Например, если насос перекачивает воду в систему отопления или в технологический узел, давление в этой конечной точке должно соответствовать заданным требованиям (см. схема 3, поз. 1).
Начальное избыточное давление — это давление на свободной поверхности жидкости в месте её забора. Если забор идёт из открытого бака или резервуара, то здесь речь идёт об обычном атмосферном давлении, также называемом барометрическим (см. схема 3, поз. 2).
Оба этих параметра важны для расчета напора и подбора оборудования, особенно в системах с перепадом высот, длинными трубопроводами или нестабильным источником воды.
Как показано на рисунке 6, столб воды высотой 10 метров создает такое же давление, как и столб ртути высотой 0,7335 метра. Если умножить высоту столба (напор) на плотность жидкости и ускорение свободного падения, можно вычислить давление, которое он оказывает. Это давление выражается в ньютонах на квадратный метр (Н/м²) или в паскалях (Па).
- ρv × g × hv = ρHg × g × hHg
- ρv × hv = ρHg × hHg
- hv = hHg × ρHg/ρv
Так как полученные значения оказываются довольно малы, в сфере насосного оборудования было принято использовать более крупную единицу измерения — бар, равный 100 000 паскалей. Уравнение, приведённое на схеме 4, можно также выразить в метрах высоты соответствующего жидкостного столба:
Таким образом, высоту столба разных жидкостей можно пересчитать в эквивалентную высоту водяного столба. Это позволяет унифицировать расчёты и упрощает сопоставление данных.
Таблица перевода единиц измерения давления
| Паскаль (Н/м², Па) |
Бар бар |
Метры водяного столба м H2O |
Техническая атмосфера (кгс/см²), ат |
Стандартная атмосфера атм |
Тор (0 °C) мм рт. ст. |
Фунт/кв. дюйм (фунт/дюйм²) |
|
| 1 Па | 1 | 10–5 | 1,020×10–4 | 1,020×10–5 | 9,869×10–6 | 7,500×10–3 | 1,450×10–4 |
| 1 бар | 10⁵ | 1 | 10,2 | 1,020 | 0,9869 | 750 | 14,5 |
| 1 м H2O | 9806,7 | 0,09807 | 1 | 0,1 | 0,09678 | 73,55 | 1,422 |
| 1 ат | 98 066 | 0,9807 | 10 | 1 | 0,9678 | 735,5 | 14,22 |
| 1 атм | 101 325 | 1,013 | 10,33 | 1,033 | 1 | 760 | 14,7 |
| 1 мм Hg | 133,32 | 1,333×10–3 | 0,01360 | 1,360×10–3 | 1,316×10–3 | 1 | 1,934×10–3 |
| 1 фунт/кв. дюйм | 6895 | 0,06895 | 0,7031 | 0,07031 | 0,06804 | 51,71 | 1 |
Что такое гидравлическая мощность насоса
Гидравлическая мощность (Phyd) показывает, сколько энергии требуется, чтобы подать определённый объем жидкости на заданную высоту за конкретное время. Иначе говоря, это та часть мощности, которая непосредственно тратится на перемещение жидкости в системе.
Рассчитать её можно по простой формуле — она учитывает расход, напор и плотность жидкости. Формула приводится ниже.
Phyd = Q × H × ρ × g [Вт]
где
- Q – расход в [м3/с]
- H – напор насоса в [м]
- ρ – плотность жидкости в [кг/м3]
- g – ускорение свободного падения в [м/с2]
Рассмотрим практическую задачу. Необходимо перекачать 35 м³ воды за один час из колодца глубиной 4 метра в бак, который установлен на высоте 16 метров относительно насоса. Кроме того, в баке требуется поддерживать конечное давление 2 бара.
Есть дополнительные потери:
- 0,4 м — на всасывающем участке трубопровода
- 1,3 м — на напорной стороне, включая колена и фитинги
В расчётах будем использовать:
- плотность воды — 1000 кг/м³
- ускорение свободного падения — 9,81 м/с²
На основе этих данных можно вычислить общий напор, а затем — и необходимую гидравлическую мощность насоса.
Общий напор (H):
- Высота всасывания 4,00 м
- Потери напора на всасывании 0,40 м
- Высота нагнетания 16,00 м
- Потери давления в напорном трубопроводе 1,30 м
- Общий напор 32,23 м
Конечное давление:
- 2 бара*~ 20,40 м
- Минус 1 атм**~ -9,87 м
Гидравлическая мощность определяется по формуле:
Phyd = Q [м3/с] × H [м] × ρ [кг/м3] × g [м/с2] = 35/3600 × 32,23 × 1000 × 9,81 = = 3074 [Вт] = 3,07 [кВт]
В этом примере конечное избыточное давление указано в абсолютных единицах, то есть измерено не относительно атмосферы, а по шкале от абсолютного вакуума.
Если давление в расчётах задано в абсолютных величинах, важно помнить одну деталь: начальное избыточное давление нужно вычесть. Почему? Потому что оно фактически помогает насосу — снижает нагрузку на всасывание. Не учесть это — значит завысить требуемый напор и, как следствие, неправильно подобрать оборудование.
Как работает насос: преобразование энергии в движении жидкости
Когда вода поступает через всасывающий патрубок насоса, она попадает на вход рабочего колеса. Лопасти колеса вращаются и придают жидкости ускорение — то есть увеличивают её скорость. Так создаётся кинетическая энергия потока.
Далее жидкость направляется в диффузор — это расширяющийся канал, в котором происходит важное преобразование: кинетическая энергия движения превращается в потенциальную — то есть в давление. Именно этот процесс и обеспечивает подачу жидкости по системе.
- Сторона нагнетания
- Рабочее колес
- Сторона всасывания
- Корпус насос
- Направление вращения
- Диффузо
- Направление потока жидкости
Если посмотреть на схему, видно, что давление в насосе постепенно растёт от входа к выходу. Это происходит за счёт того, что рабочее колесо разгоняет поток, а диффузор превращает скорость в напор — создавая нужное давление на выходе из насоса.
В многоступенчатых насосах в конструкции диффузора используются направляющие аппараты — это участки с неподвижными лопатками, которые стабилизируют поток и обеспечивают более эффективное преобразование энергии.
Рабочие характеристики насоса
На рисунке показана типичная эксплуатационная характеристика центробежного насоса — график зависимости подачи (Q) от напора (H).
Из графика видно
Максимальное давление на выходе насос создаёт тогда, когда подача равна нулю, то есть когда напорный патрубок перекрыт. Как только насос начинает перекачивать жидкость, поток увеличивается — и при этом высота напора постепенно снижается
Точную зависимость между подачей и напором определяет сам производитель, проводя испытания на специальном стенде. Например, на рисунке видно: при напоре H₁ насос обеспечивает подачу Q₁, а при напоре H₂ — подачу Q₂.
Что ещё важно знать об эксплуатационной характеристике насоса
Как уже упоминалось, потери напора на трение в трубопроводе зависят от нескольких факторов:
- качества внутренней поверхности труб
- скорости движения жидкости (потери растут пропорционально квадрату скорости)
- а также от длины самого трубопровода
Эти потери можно отобразить на графике зависимости напора (H) от подачи (Q) в виде отдельной кривой — её называют характеристикой гидросистемы.
В замкнутых системах, например в системах центрального отопления, ситуация немного другая. Там текущая высота нагнетания зачастую не учитывается, потому что она компенсируется положительным напором со стороны всасывания. Проще говоря, насос работает в более уравновешенных условиях.
| Размер трубы | Содер. воды (л/м) |
Внутренний Ø (мм) |
Поток 0,1 м³/час |
Поток 0,5 м³/час |
Поток 1,0 м³/час |
Поток 1,5 м³/час |
Поток 2,0 м³/час |
Поток 3,0 м³/час |
Поток 4,0 м³/час |
Поток 5,0 м³/час |
Поток 6,0 м³/час |
| Медные трубы ⅜ʺ |
0,12 | 12,5 | 79 | 1459 | – | – | – | – | – | – | – |
| Медные трубы ½ʺ |
0,20 | 16,0 | 24 | 445 | 1563 | – | – | – | – | – | – |
| Медные трубы ¾ʺ |
0,37 | 21,6 | 6 | 105 | 369 | 769 | 1269 | – | – | – | – |
| Медные трубы 1ʺ |
0,58 | 27,2 | 2 | 35 | 122 | 254 | 427 | 892 | 1502 | – | – |
| Медные трубы 1¼ʺ |
1,01 | 35,9 | 0 | 9 | 32 | 67 | 112 | 234 | 395 | 592 | 824 |
| Медные трубы 1½ʺ |
1,37 | 41,8 | 0 | 4 | 15 | 32 | 54 | 113 | 190 | 285 | 369 |
| Стальные трубы CU 10 × 1 |
0,05 | 8,0 | 602 | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Стальные трубы CU 12 × 1 |
0,08 | 10,0 | 209 | 3499 | – | – | – | – | – | – | – |
| Стальные трубы CU 15 × 1 |
0,13 | 13,0 | 60 | 1006 | – | – | – | – | – | – | – |
| Стальные трубы CU 18 × 1 |
0,20 | 16,0 | 22 | 375 | 1263 | – | – | – | – | – | – |
| Стальные трубы CU 22 × 1 |
0,31 | 20,0 | 8 | 130 | 437 | 890 | 1473 | – | – | – | – |
| Стальные трубы CU 28 × 1,5 |
0,49 | 25,0 | 3 | 45 | 151 | 308 | 510 | 1038 | – | – | – |
Потери давления [Па/м] при температуре t = 60 °C
Рекомендуемые потери в трубах – не более 150 Па/м
Рабочая точка
Это момент, где сходятся два графика: характеристика самого насоса и характеристика гидросистемы. Проще говоря, это та самая точка, в которой насос и система работают в согласии: заданный напор соответствует требуемому расходу.
Однако система редко бывает стабильной надолго. Стоит немного приоткрыть клапан, сузить проходное сечение, или если внутри труб появились отложения — всё это тут же меняет характер сопротивления, а значит, и положение рабочей точки. С другой стороны, изменения могут происходить и на стороне насоса: например, при износе рабочего колеса или при изменении частоты вращения. В обоих случаях насос начинает вести себя по-другому, и рабочая точка смещается.
Последовательно включенные насосы
Многоступенчатый насос по сути — это несколько одноступенчатых насосов, соединенных последовательно внутри одного корпуса. Такое конструктивное решение позволяет получить высокий напор, который недостижим в обычных одноступенчатых моделях.
Однако есть и нюансы. В отличие от реального каскада из отдельных насосов, здесь невозможно по одному отключить или диагностировать каждую ступень в отдельности. Это может осложнить обслуживание, особенно если нужно понять, в каком именно месте возник износ или сбой.
Важно помнить, что неработающий насос или ступень создают значительное гидравлическое сопротивление. Поэтому в системах с возможностью отключения отдельных насосов обязательно предусматривают байпасную линию с обратным клапаном — это позволяет потоку обходить неактивную часть без ущерба для системы.
Если несколько насосов работают последовательно, их общий напор складывается: при заданной подаче система будет выдавать сумму напоров от каждой ступени или каждого насоса.
Параллельно включенные насосы
Такую схему установки используют, когда нужно повысить надёжность системы или упростить контроль состояния оборудования. Например, в отопительных системах часто применяют сдвоенные насосы — один работает, второй в резерве. Это позволяет избежать простоев в случае выхода из строя основной машины.
Но есть один важный момент: если один из насосов остановлен, он может стать источником обратного тока, что приведёт к потерям и даже повреждению оборудования. Чтобы этого не происходило, каждый насос обязательно должен быть оснащён обратным клапаном. В сдвоенных насосах эту функцию чаще всего выполняет встроенный переключающий клапан — как правило, это поворотная заслонка, которая закрывает путь потоку при остановке одного из агрегатов.
Когда насосы работают параллельно, их общий расход складывается. При этом напор остаётся постоянным, а подача увеличивается за счёт работы всех насосов одновременно. Это удобно, когда системе нужно больше производительности без повышения давления.
Что такое КПД насоса и от чего он зависит
Коэффициент полезного действия (КПД) насоса показывает, насколько эффективно он работает — то есть какая часть механической энергии, подведённой к его валу, в итоге превращается в полезную гидравлическую энергию. Проще говоря, это показатель того, сколько энергии насос тратит «в дело», а сколько — на потери.
На КПД влияет сразу несколько факторов
геометрия корпуса и его гидравлическая обтекаемость форма и точность изготовления рабочего колеса и диффузора уровень шероховатости внутренних поверхностей величина зазоров между всасывающей и напорной частями — чем они меньше, тем выше эффективность
Чтобы пользователь мог заранее оценить эффективность насоса в нужной ему точке работы, производители обычно публикуют вместе с основными характеристиками и графики КПД. Эти диаграммы помогают выбрать оптимальный режим эксплуатации — тот, где потерь меньше, а полезной работы больше.
Типовые закономерности влияния диаметра рабочего колеса
Чем больше диаметр рабочего колеса, тем выше напор, подача и потребляемая мощность. Поэтому даже незначительное изменение размеров колеса может сильно повлиять на эффективность и энергопотребление. Производители учитывают эти зависимости при настройке оборудования под разные рабочие условия.
- Напор пропорционален диаметру во второй степени. Согласно этой закономерности, удвоение диаметра повысит напор в 4 раза (формула 1)
- Подача пропорциональна диаметру (формула 2)
- Потребляемая мощность пропорциональна диаметру в третьей степени. Согласно этой закономерности, удвоение диаметра повысит потребляемую мощность в 8 раз (формула 3)
Типовые закономерности влияния вращения рабочего колеса
Типовые зависимости показывают, как изменение частоты вращения рабочего колеса отражается на характеристиках насоса. С увеличением оборотов возрастает и подача, и напор, и потребляемая мощность — но, как и с диаметром, неравномерно.
- Подача пропорциональна частоте вращения. Согласно этой закономерности, удвоение частоты вращения в два раза повысит подачу (формула 1)
- Напор пропорционален квадрату частоты вращения. Согласно этой закономерности, удвоение частоты вращения в 4 раза повысит напор (формула 2)
- Потребляемая мощность пропорциональна частоте вращения в третьей степени. Согласно этой закономерности, удвоение частоты вращения в 8 раз повысит потребляемую мощность (формула 3)
Потребляемая мощность
Мощность насоса
- P1 – мощность, потребляемаяэлектродвигателем из электросети
- P2 – мощность на валу электродвигателя
- P3 – мощность, потребляемая насосом
- P4 – мощность насоса (Phydraulic)
Что означают эти мощности в насосах
P1 — это мощность, которую потребляет электродвигатель из сети. Если двигатель напрямую соединён с насосом, как в циркуляционных установках, максимальное значение указывается прямо на шильдике. При необходимости P1 можно вычислить по формуле, учитывая напряжение, ток и коэффициент мощности:
P₁ = V × I × cosφ × √3 (Вт) трёхфазные электродвигатели P₁ = V × I × cosφ × √3 (Вт) трёхфазные электродвигатели
P2 — мощность на валу двигателя. Она указывается, если мотор и насос — отдельные устройства. Это значение важнее P1, если стоит задача оценить чистую передачу энергии от двигателя к насосу.
P3 — это мощность, которую реально потребляет насос. Если двигатель и насос соединены напрямую, то P3 приравнивается к P2.
P4 — гидравлическая мощность, то есть та энергия, которая фактически используется для перемещения жидкости. Она рассчитывается по формуле:
P4 = ρ × g × H × Q (кВт)
Если электродвигатель напрямую соединён с валом насоса, как это часто бывает в циркуляционных установках, максимальная потребляемая мощность указывается на шильдике с техническими данными.
Когда двигатель и насос — отдельные устройства (в том числе стандартные и погружные моторы), на табличке обычно приводится максимальная мощность на валу двигателя.
Чтобы определить текущую нагрузку электродвигателя, ориентируются на кривую мощности насоса. В случае жёсткого соединения двигателя и насоса значения P3 и P2 совпадают: P3 = P2.
Адаптация насосов к переменным условиям работы
При проектировании гидросистем потери давления рассчитываются для конкретных условий эксплуатации. Однако на практике система почти никогда не работает строго по теоретическим характеристикам. Это связано с тем, что инженеры закладывают коэффициенты запаса прочности. В итоге рабочая точка — место пересечения графика насоса с графиком системы — часто смещается, а фактическая подача оказывается выше расчётной.
Такое несоответствие может вызывать проблемы: шум в отопительных системах, кавитацию в конденсатных установках или неоправданно большие потери энергии из-за избыточной подачи.
Чтобы устранить эти эффекты, рабочую точку корректируют одним из трёх способов:
- изменяют характеристику системы путём дросселирования — прикрывают дроссельный клапан (рис. 1)
- уменьшают наружный диаметр рабочего колеса механической обработкой (рис. 2)
- регулируют частоту вращения насоса (рис. 3)
Регулирование подачи с помощью дроссельного клапана
Когда в гидросистеме уменьшают проходное сечение дроссельного клапана, сопротивление потоку возрастает. Это приводит к росту потерь давления (гидродинамический напор Hdyn), из-за чего кривая характеристики системы становится круче, а рабочая точка смещается в сторону меньшей подачи.
Поскольку мощность центробежных насосов снижается вместе с уменьшением подачи, общее энергопотребление также уменьшается. Но тут есть важный нюанс: при работе с большими мощностями потери энергии из-за дросселирования могут оказаться значительными. Поэтому в таких случаях перед настройкой обязательно выполняют расчёты, чтобы понять, насколько оправдан такой способ регулирования с точки зрения затрат и эффективности.
Эти зависимости подходят только для случаев незначительного уменьшения производительности. Если требуется серьёзное снижение подачи, уменьшать диаметр рабочего колеса следует поэтапно. Сначала колесо обтачивают до размера чуть больше расчётного Dx, затем проводят испытания. По их результатам определяют окончательный диаметр.
При серийном производстве такой подход не требуется. Для типовых насосов существуют готовые графики характеристик с различными степенями уменьшения диаметра рабочего колеса. По ним можно сразу определить нужное значение Dx, применяя приведённые выше формулы.
Модификация рабочего колеса
Если требуется постоянно снизить производительность насоса и напор, оптимальным решением становится уменьшение наружного диаметра рабочего колеса. Для этого его обтачивают по краям или снимают материал только с торцов лопаток. Чем сильнее уменьшается диаметр, тем больше снижается КПД насоса.
Особенно заметно это падение КПД у насосов, работающих на высоких оборотах. У низкооборотных моделей снижение эффективности обычно не столь ощутимо, особенно если уменьшение диаметра небольшое.
Если уменьшение наружного диаметра небольшое, можно с высокой точностью использовать следующие соотношения для оценки изменений рабочих характеристик насоса.
Qx/Q = (Dx/D)² и Hx/H = (Dx/D)²
На рисунке показан способ определения нового, уменьшенного диаметра Dx с помощью диаграммы «H/Q» в линейных координатах. Из начала координат (Q = 0, H = 0) проводят прямую к новой рабочей точке (Qx, Hx) и продолжают её до пересечения с характеристической кривой существующего насоса в точке «s».
После этого диаметр Dx можно рассчитать по следующей формуле:
Dx = D (кор.V) Qx/Q и Dx = D (кор.V) Hx/H
Регулирование частоты вращения
Изменение частоты вращения приводит к изменению рабочих характеристик центробежного насоса. Для оценки этих изменений применяют типовые зависимости, которые уже упоминались ранее.
Qx/Q = Nx/N - Qx = Q ⋅ Nx/N
Hx/H = (Nx/N)² - Hx = H ⋅ (Nx/N)
Кавитация: главная проблема на входе насоса
Большинство проблем при работе насосов связано с условиями всасывания. Почти всегда причиной становится слишком низкое гидростатическое давление (подпор) на входе. Это может быть результатом неправильного выбора насоса для конкретных условий или ошибок в проектировании гидросистемы.
Когда рабочее колесо вращается, оно отбрасывает жидкость к стенкам корпуса, создавая разряжение со стороны всасывающей полости. Это разряжение затягивает жидкость через всасывающий клапан и трубопровод обратно к колесу, где цикл повторяется.
Величина разряжения зависит от высоты установки всасывающего патрубка относительно уровня жидкости, потерь на трение во всасывающем трубопроводе и плотности перекачиваемой среды.
Однако разряжение ограничено физикой: если давление на входе упадёт ниже давления насыщенного пара жидкости при данной температуре, начнётся образование пузырьков пара — жидкость начнёт закипать. Это явление и называется кавитацией.
Кавитация — одна из главных угроз для насосного оборудования. Она возникает, когда давление на задней стороне лопаток рабочего колеса (обращённой к всасывающей полости, обычно у впускного отверстия) падает ниже давления насыщенного пара жидкости. В результате образуются пузырьки газа.
Когда пузырьки перемещаются в область высокого давления, они схлопываются (взрываются), создавая мощные ударные волны. Эти волны разрушают внутренние элементы насоса. Повреждения могут возникнуть как за несколько минут, так и спустя годы эксплуатации.
Наиболее уязвимы:
- подшипники
- сварные швы
- поверхности рабочего колеса
Масштабы разрушений зависят от материала рабочего колеса. Для сравнения (потери массы при кавитации, чугун принят за 1,0):
- нержавеющая сталь — 0,05
- бронза — 0,5
- бронзовые сплавы — 0,1
- чугун — 1,0
Кроме разрушений, кавитация сопровождается повышенным шумом, падением напора и нестабильностью работы. Часто повреждения остаются незамеченными до разборки насоса или электродвигателя.
Расчеты по устранению опасности кавитации
Чтобы предотвратить возникновение кавитации — опасного процесса, который может привести к разрушению внутренних элементов насоса и выходу оборудования из строя, необходимо правильно рассчитать кавитационный запас Hₘₐₓ.
Этот параметр определяет, при каких условиях насос сможет работать без риска кавитационных повреждений, и вычисляется по следующей формуле:
Hmax = Hb – H(fs) – NPSH – Hv – Hs
- Hmax — кавитационный запас насоса. Если значение положительное, насос может безопасно работать при данной высоте всасывания. Если отрицательное — необходимо изменить условия работы, чтобы значение стало положительным
- Hb — атмосферное давление на стороне насоса. Это величина, определяющая теоретически возможную максимальную высоту всасывания: Hᵦ = pᵦ / (ρ · q). Значение зависит от плотности перекачиваемой жидкости и ускорения свободного падения g
- H(fs) — потери давления на трение в всасывающем клапане и присоединённом трубопроводе. Также зависят от плотности жидкости: H(fs) = p(fs) / (ρ · q)
- NPSH — необходимый кавитационный запас насоса. Указан в технических характеристиках оборудования
- Hv — высота парообразования (зависит от температуры жидкости)
- Hs — геометрическая высота всасывания
Температура кипения воды при различных значениях барометрического давления
| Высота над уровнем моря (м) | Барометрическое давление pb (бар) | Высота водяного столба (м) | Температура кипения воды (℃) |
| 0 | 1,013 | 10,33 | 100 |
| 500 | 0,935 | 9,73 | 99 |
| 1000 | 0,899 | 9,16 | 96 |
| 2000 | 0,795 | 8,10 | 93 |
Параметры давления на всасывании: пояснения
Для надёжной и безопасной работы насосного оборудования важно правильно оценивать все параметры, влияющие на давление на всасывании. Эти величины помогают определить условия, при которых насос сможет функционировать без кавитации и других эксплуатационных рисков. Ниже рассмотрены основные составляющие давления на всасывании и их роль в расчётах.
Этот параметр отражает минимальное давление на всасывании, необходимое для безаварийной работы насоса. Он учитывает потери давления на трение в участке всасывающего трубопровода до первой ступени рабочего колеса, где давление минимально. Значение NPSH определяет гидравлические условия, при которых насос ещё способен всасывать сплошной столб жидкости высотой до 10,33 м. При увеличении подачи насоса значение NPSH также возрастает, что хорошо видно на графиках характеристик.
Для циркуляционных насосов график NPSH обычно не используется. Вместо него применяют таблицы, в которых указано минимальное необходимое давление на всасывании при разных температурах перекачиваемой жидкости.
Этот параметр представляет собой запас прочности, который выбирается с учётом условий эксплуатации и степени надёжности расчётной методики. На практике Hₛ обычно принимают в пределах 0,5–1 м. Если в воде присутствует газ, значение часто увеличивают до 2 м.
Этот параметр соответствует давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости. Чем выше температура жидкости, тем быстрее она начинает испаряться, что увеличивает значение Hᵥ. Параметр учитывается в формуле и зависит от плотности жидкости:
Hv = pv / (ρ · q)
Минимальное давление на всасывании насоса модели UMK 50–60 в зависимости от температуры жидкости
| tm (℃) | Hmin (м) | |
| 75 | 90 | 120 |
| 0,5 | 4,0 | 16,5 |
Как избежать кавитации
Рекомендации по предотвращению кавитации основаны на уже приведённой формуле: Hmax = Hb – H(fs) – NPSH – Hv – Hs
Она отражает влияние каждого из параметров на кавитационный запас насоса
- Hmax
Насос следует устанавливать как можно ниже или, если это невозможно, повысить уровень жидкости на стороне всасывания. Второй способ зачастую проще и дешевле. Положительное давление на всасывании (создаваемое самим насосом или расширительным баком) рекомендуется поддерживать максимально высоким - Hb
Это постоянная величина, зависящая от свойств жидкости и условий установки насоса - H(fs)
Всасывающий трубопровод должен быть максимально коротким и иметь минимальное количество колен, клапанов, вентилей и фитингов для снижения потерь давления - NPSH
Рекомендуется выбирать насос с минимально возможным требуемым кавитационным запасом (NPSH) - Hv
Этот параметр можно уменьшить, снизив температуру жидкости или окружающей среды - Hs
Задаётся индивидуально, исходя из условий надёжности и безопасности работы
Практический совет
Самый простой способ уменьшить риск кавитации — снизить подачу насоса, частично прикрыв напорный (нагнетательный) клапан. Это уменьшит требуемые значения NPSH и H(fs), что приведёт к увеличению доступного кавитационного запаса Hmax.
Альтернативная методика расчёта для предотвращения кавитации
Во многих случаях формулу удобнее преобразовать, выразив её через функцию NPSH:
Hmax = Hᵦ – H(fs) – NPSH – Hv – Hs
⇓
NPSH = Hb – H(fs) – Hv – Hs – Hmax
Такое преобразование позволяет определить значение NPSHavailable (имеющийся кавитационный запас) для конкретной гидросистемы. Это значение затем сравнивается с требуемым запасом NPSHrequired, указанным на графиках рабочих характеристик выбранного насоса.
- NPSHavailable ≥ NPSHrequired — кавитации удаётся избежать
- NPSHrequired > NPSHavailable — сохраняется риск возникновения кавитации
Подключение электродвигателя GRUNDFOS в соответствии с обозначением на его шильдике
Электродвигатели, установленные на насосах GRUNDFOS, имеют шильдик (табличку с данными), на котором указана вся необходимая информация для корректного подключения и эксплуатации. Правильное считывание этой информации критически важно для обеспечения безопасности, надёжности и долговечности оборудования.
Расшифровка обозначений:
« – » означает «от – до» « / » означает, что электродвигатель может подключаться двумя разными вариантами « D » обозначение соединения обмоток электродвигателя по схеме «треугольник» « Y » обозначение соединения обмоток электродвигателя по схеме «звезда»
- Двигатель может быть подключен к однофазной сети переменного тока с напряжением U = 1 × 220–230 В
- Двигатель может быть подключен к однофазной сети переменного тока с напряжением U = 1 × 240 В
- Двигатель может быть подключен к трёхфазной сети переменного тока с напряжением U = 3 × 380–415 В по схеме «звезда»
- Двигатель может быть подключен к трёхфазной сети переменного тока с напряжением U = 3 × 220–240 В по схеме «треугольник» (например, в Бельгии, Норвегии, Италии, Франции)
- Двигатель может быть подключен к трёхфазной сети переменного тока с напряжением U = 3 × 220–240 В по схеме «звезда–треугольник»
- Двигатель может быть подключен к трёхфазной сети переменного тока с напряжением U = 3 × 380–415 В по схеме «треугольник»
- Двигатель может быть подключен к трёхфазной сети переменного тока с напряжением U = 3 × 380–415 В по схеме «звезда–треугольник»
Вывод
Перекачивание жидкостей лежит в основе множества инженерных процессов — от простого водоснабжения до сложнейших технологических цепочек в промышленности, энергетике и транспорте. Понимание основных принципов гидравлики, взаимодействия насосов с рабочей средой, а также особенностей выбора схем подключения электродвигателей позволяет не просто эксплуатировать оборудование, но и оптимизировать его работу под конкретные условия.
Сегодня технологии перекачки движутся в сторону повышения энергоэффективности, интеллектуального управления и универсальности оборудования. Это открывает новые возможности для снижения эксплуатационных затрат, повышения надёжности систем и адаптации под будущие стандарты промышленности 4.0.
Таким образом, теория перекачивания жидкостей остаётся неотъемлемым фундаментом для всех, кто стремится к эффективному проектированию, безопасной эксплуатации и технологическим инновациям в области транспортировки жидких сред.