Насосы – один из самых распространённых видов оборудования в мире. Без них не сможет работать ни одно современное предприятие, ни одна коммунальная система. При этом насосы – рекордсмены по энергозатратам. Так, в системах отопления и водоснабжения на их долю приходится до 50 % всей потребляемой электроэнергии, а, например, в нефтедобыче – до 60 %.
Рассмотрим устройство насоса и способы повышения его энергоэффективности на примере насосов GRUNDFOS CR. Их называют вертикальными центробежными и используют для перекачивания жидкостей и повышения давления. Центробежными – это значит, что насос работает благодаря вращению рабочего колеса, которое расположено внутри его корпуса. При вращении рабочего колеса возникает центробежная сила, благодаря которой вода вытесняется от центра колеса к его периферийным участкам.
Один насос CR мощность 200 кВт (примерно 268 лошадиных сил) может снабжать водой 9,5 тысяч человек или поднять её на верхний этаж небоскрёба высотой 400 м.
Как и любой насос, CR состоит из электродвигателя и гидравлической части. Все это смонтировано на основании – плите, которая крепится к конструкциям здания.
Электродвигатель – непосредственный потребитель электроэнергии. Значительно повысить его энергоэффективность позволяет частотный преобразователь. Это устройство, которое позволяет регулировать обороты электродвигателя, подбирая их под конкретную задачу. В зависимости от дополнительных систем это может делаться вручную или автоматически. Таким образом, насос никогда не работает вхолостую и не тратит лишнюю электроэнергию. Экономия порой достигает 50 – 70%. Кроме того, регулирование оборотов повышает срок службы насоса, иногда в 2-3 раза. Поэтому в конечном итоге насос с частотным преобразователем обходится дешевле.
Гидравлическая часть состоит из рабочей камеры с рабочим колесом, всасывающего и напорного патрубков.
Через всасывающий патрубок вода поступает в рабочую камеру, где вращается рабочее колесо – ключевая деталь насоса. Оно создаёт давление, необходимое для подачи жидкости на нужное расстояние или её подъёма на требуемую высоту. Из насоса жидкость под давлением подаётся через напорный патрубок.
Рабочих камер и колёс в насосе может быть несколько, например, в насосах CR – от 3 до 36. Такие насосы называют многоступенчатыми. Подобная конструкция позволяет использовать один насос с мощным двигателем вместо нескольких, установленных последовательно. Поднимаясь через каждую ступень, жидкость увеличивает своё давление, которое достигает максимального значения в верхней точке гидравлической части. Затем жидкость спускается вниз к напорному патрубку и под давлением выходит через него. Такое решение также снижает потребление электроэнергии, а заодно и стоимость системы, упрощает её, экономит место.
Очень большое значение имеют материал и геометрия рабочих колёс, камер и всей проточной части насоса. Например, за счёт их особой формы удалось дополнительно повысить КПД насосов CR на 4 – 9 %.
Рабочие колёса закреплены на валу насоса, который приводится в движение электродвигателем и соединён с его валом с помощью муфты. Её конструкция также важна: она должна быть такой, чтобы без потерь передавать на вал насоса создаваемый двигателем крутящий момент.
Чтобы жидкость не вытекала из рабочей камеры и не возникало гидравлических потерь в месте соединения вала насоса и вала электродвигателя, в её верхней части установлено герметичное торцевое уплотнение вала. Конструкция вала и то, из каких материалов он сделан, определяет, с какими жидкостями насос будет работать.
Энергоэффективность насоса определяется суммой всех перечисленных технических решений.