Зависимость КПД гидравлической системы от расхода при регулировании расхода дросселированием

Рассмотрим систему теплоснабжения, в которой расход теплоносителя регулируется дросселированием с помощью регулирующего клапана (далее - РК).

Система теплоснабжения с регулированием расхода путём дросселирования с помощью регулирующего клапана

К - водогрейный котёл, Н - насос, М - электропривод, Р - расходомер, РБ - расширительный бак, РК - регулирующий клапан с электроприводом, П - потребитель тепла, БУ - блок управления, У - уставка по расходу.

В качестве рассматриваемого насоса возьмём Grundfos CR 3-3 (см. [1]).

Напорная характеристика и зависимость КПД насосного агрегата от подачи

Допустимый диапазон подач: от Q_мин = 1,19 м3/ч до Q_макс = 4,43 м3/ч.

Зададим авторитет РК равным 10% (доля напора насоса, затрачиваемая на преодоление сопротивления полностью открытого РК при расходе Q_макс). Оставшиеся 90% напора затрачивается на преодоление сопротивлений потребителя, котла и расходомера.

Определим что происходит при изменении расхода в системе с Q_макс до Q_мин посредством прикрытия РК.

КПД гидравлической системы для заданного значения подачи (расхода) Q находится по формуле:

η_с=η_н * H_тр/H_н

где, η_с - КПД системы, η_н - КПД насосного агрегата (насос + электродвигатель) для заданного Q, H_тр - требуемый напор для заданного Q, H_н - напор насоса для заданного Q.

Электрическая мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления РК:

P_пот=(H_н−H_тр)*ρ*g*q/η_н

где P_пот - потери электрической мощности, Вт; ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; H_н - напор насоса, м; H_тр - требуемый напор, м; q=Q/3600 - подача насоса, м3/с; Q - подача насоса, м3/ч; η_н - КПД насосного агрегата.

Зависимость параметров насоса и гидравлической системы от расхода при регулировании расхода дросселированием

"Требуемый напор" - это напор, которого достаточно, чтобы обеспечить нужный расход в системе без РК. Так же "Требуемый напор" является характеристикой гидравлической сети без РК (см. [2]).

Разница в значениях напора насоса и требуемого напора при подаче Q_макс равна перепаду давления на полностью открытом РК (в нашем случае 10% от значения напора при подаче Q_макс, т.к. мы приняли авторитет РК равным 10%). Так же при подаче Q_макс КПД системы меньше КПД насоса на те же 10% (относительных).

Чем выше значение авторитета РК тем больше его гидравлическое сопротивление и тем ниже максимальный КПД системы при прочих равных условиях.

Расход уменьшается путём прикрытия РК. Чем больше прикрывается РК тем больше на нём становится перепад давления, а значит, тем большая часть напора (и электрической мощности) насоса приносится в жертву ради получения возможности регулировать расход.

Чем круче напорная характеристика насоса тем на большую величину снижается КПД системы при уменьшении расхода. Это объясняется тем, что при снижении расхода требуемый напор так же уменьшается, а напор насоса увеличивается, и чем в большей степени напор насоса увеличивается тем большую часть этого напора приходится дросселировать (терять).

Если насос должен работать в широком диапазоне подач, то в этом случае лучше использовать насос с частотно-регулируемым приводом (см [3]).

Статью в формате Jupyter Notebook см. здесь.

Ссылки

1. Моделирование напорной характеристики насоса

2. Моделирование характеристики гидравлической сети

3. Оценка величины экономии электроэнергии при использовании частотно-регулируемого привода (ЧРП) насоса

4. Расходная характеристика регулирующего клапана