При эксплуатации насосного оборудования необходимо обращать внимание не только на его состояние (шум, вибрации, износ), но и контролировать рабочие параметры. Среди этих параметров можно выделить гидравлические, электрические и механические.
Часть параметров, например качество рабочей жидкости, относится не только к насосу, но и к системе в целом. Таким образом, рассматривать насос отдельно от системы нельзя.
Гидравлические параметры
Гидравлические параметры насоса должны соответствовать рабочим режимам системы. Именно эти параметры определяют типоразмер насоса.
Расход
Расходом называется количество жидкости, проходящее через насос за фиксированный промежуток времени. Обычно используют понятия: объемный расход и массовый расход.
Объемный расход (Q)
Объемный расход, измеряемый в м3/с, характеризует объем жидкости, проходящей через насос в единицу времени. Этим понятием пользуются, когда плотность перекачиваемой жидкости мало меняется от температуры, или температура жидкости не влияет на функции системы. Примером таких систем являются системы водоснабжения.
Массовый расход (QМ)
Массовый (весовой) расход — это масса жидкости, проходящей через насос в единицу времени, измеряется в кг/с. Массовый расход, как видно из названия, учитывает плотность жидкости. Понятие «массовый расход» широко применяется в теплотехнике и гидрогазодинамике. В гидравлических системах массовым расходом пользуются при расчете систем отопления, кондиционирования и т.п.
Давление (р)
Давление характеризует энергию, которую имеет жидкость. Подобно классификации видов энергии, различают статическое (потенциальная энергия) и динамическое (кинетическая энергия) давления. Сумма этих давлений дает полное давление (энергию) жидкости:
Статическое давление
Статическое давление может быть измерено с помощью пьезометра.
Динамическое давление
Динамическое и полное давление могут быть измерены с помощью трубки Пито (трубка полного напора). Динамическое давление рассчитывается по следующей формуле:
, где:
- ρ — плотность жидкости в кг/м3,
- ν — скорость жидкости в м/с
Согласно закону сохранения энергии, динамическое давление преобразуется в статическое путем снижения скорости потока, и наоборот. На рисунке показана часть системы, где диаметр трубы увеличен с D1 до D2, при этом скорость жидкости снизилась с ν1 до ν2. Предполагая, что в системе нет потерь на трение, сумма статического и динамического давлений будет постоянной по всей трубе.
Таким образом, увеличение диаметра трубы, как показано на рисунке, ведет к увеличению статического напора P2, измеряемого манометром.
Во многих гидравлических системах динамическое давление Pдин незначительно по сравнению со статическим. Например, при скорости движения потока воды 4,5 м/с динамическое давление будет около 0,1 бар. Позже в этой главе мы будем рассматривать связь между динамическим давлением и напором насоса.
Единицы измерения давления
Давление измеряется в паскалях (Па) [Н/м2], барах (бар) [105 Па] или в PSI [lb/in2] — фунт-сила на квадратный дюйм). Когда мы имеем дело с давлением, очень важно знать, в каких единицах давление измеряется. При измерении давления необходимо учитывать два его основных типа: абсолютное давление и барометрическое давление.
Абсолютное давление (Pабс)
Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля. Например, атмосферное давление 760 мм рт. ст. является абсолютным. При расчете большинства наземных систем давление атмосферы не учитывается, и нулем считается нормальное атмосферное давление. В таких случаях используют понятие барометрическое (избыточное) давление. Вакуум — это давление, которое ниже атмосферного давления, но выше абсолютного нуля.
Барометрическое (избыточное) давление
Барометрическое (избыточное) давление — это давление, которое выше нормального атмосферного давления (1 атм). Обычно давление р называется барометрическим давлением, потому что большинство датчиков и приборов для измерения давления измеряют разницу между давлением в системе и атмосферным давлением. В данном контексте термин «давление» обозначает барометрическое давление.
Напор (Н)
Напор насоса — это величина, характеризующая приращение энергии, которое получает жидкость проходя через насос. Напор принято выражать в метрах столба жидкости. Согласно принципу действия центробежного насоса, его напор не зависит от рода жидкости. Однако высота столба жидкостей разной плотности, прошедших через один и тот же насос, будет различной, см. рисунок. Напор измеряется в метрах (м) и не зависит от плотности жидкости. Следующая формула определяет зависимость между давлением (р) и напором (Н):
где:
- Н — напор в м;
- р — давление в Па= Н/м2;
- ρ — плотность жидкости в кг/м3;
- g — ускорение свободного падения в м/с2
Как определить напор
Напор насоса определяется исходя из значений давлений во всасывающем и напорном патрубках р1 и р2 на рисунке. Если имеется перепад высот между двумя точками измерения, как видно из рисунка, необходимо компенсировать эту разницу. Более того, при наличии разницы диаметров всасывающего и напорного патрубков, фактический напор также должен быть скорректирован с учетом этой разницы. Фактический напор насоса рассчитывается по следующей формуле:
где:
- Н — фактический напор насоса в м;
- р — давление на фланцах в Па = Н/м2;
- ρ — плотность жидкости в кг/м3;
- g — ускорение свободного падения, м/с2;
- h — геодезическая высота в м;
- v — скорость жидкости в м/с;
Скорость жидкости рассчитывается по следующей формуле:
где:
- v — скорость в м/с
- Q — объемный расход в м3/с
- D — диаметр патрубка в м
При объединении этих двух формул становится видно, что величина напора зависит от следующих факторов: значений давлений р1 и р2, геодезической разницы высот между всасывающим и напорным патрубками (h2 – h1), расхода насоса Q и диаметров патрубков.
Разница диаметров напорного и всасывающего патрубков влияет на напор насоса, поправку можно вычислить по формуле или воспользовавшись номограммами в приложении F.
Пример расчета
Насос, такой же, как представлен на рисунке, установлен в системе со следующими параметрами:
- Q = 240 м3/ч
- р1 = 0,5 бар
- р2 = 1,1 бар
- Перекачиваемая жидкость: вода при 20°С
- Диаметр всасывающего патрубка D1 = 150 мм
- Диаметр напорного патрубка D2 = 125 мм.
- Разница высот между двумя патрубками, где установлен манометр (h2 – h1), = 355 мм.
Теперь по этим данным мы можем рассчитать высоту напора насоса:
Как видно из расчета, перепад давлений, замеренный манометром, примерно на 1,1 м ниже фактического значения. Объясняется это следующим. Во-первых, это отклонение является причиной имеющейся разницы высот между установленными манометрами (0,36 м) и, во вторых, это обусловлено разницей диаметров двух патрубков, в этом случае 0,77 м.
Если манометры устанавливаются на одной и той же геодезической высоте или если разница давлений манометров используется для расчетов, нет необходимости производить корректировку на разницу высот (h2 – h1). У насосов «ин-лайн» входной и напорный патрубки находятся на одном и том же уровне и имеют один и тот же диаметр. Для таких типов насосов имеется упрощенная формула для определения величины напора:
Перепад давлений (Δр)
Перепад давлений — это разница между давлениями, измеренными в двух точках системы.
Давление в системе
Давление в системе — это статическое давление при выключенном насосе. Статическое давление важно учитывать при работе с закрытыми системами. Давление в системе Нстат, выраженное в метрах, должно быть выше, чем ее геометрическая высота. Это гарантирует, что система заполнена жидкостью и из нее удален воздух.
Кавитация и NPSH
Кавитация появляется в том случае, если давление жидкости в насосе падает до давления ее насыщенных паров, см. рис. 1 и 2.
При падении давления на всасывающем патрубке насоса до давления насыщенных паров жидкости (рис. 2, желтая точка), из нее начинает выделяться растворенный газ. Образуются пузырьки.
При последующем увеличении давления происходит мгновенное схлопывание пузырьков (см. рис. 2, красная точка), сопровождаемое выделением энергии. Поверхности рабочего колеса испытывают тепловое, электрохимическое и ударное воздействие, вследствие чего разрушаются. Степень повреждения при этом зависит от материала, из которых изготовлены колеса. Нержавеющая сталь более устойчива к кавитации, чем бронза, а бронза — более стойкая, чем чугун.
Развивающаяся кавитация вызывает срыв подачи насоса, см. рис. 3. Повреждения, вызванные кавитацией, зачастую обнаруживаются только после демонтажа насосной части.
Кавитационный расчет
Для проверки работоспособности насоса при риске возникновения в нем кавитации пользуются следующей формулой:
hмакс — максимально допустимая высота всасывания (если значение больше нуля) или необходимый подпор (если значение меньше нуля).
Нb — атмосферное давление со стороны насоса; это максимальная теоретическая высота всасывания, см. таблицу 1.
Нf — потери давления на трение со стороны всасывания.
NPSH — аналог понятия «кавитационный запас» (значение определяется по характеристике NPSH при максимальном расходе), см. рис. 4.
HV — давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при определенной температуре; более подробная информация о давлении насыщенных паров воды имеется в приложении D.
НS — запас надежности. Экспериментальная величина, обычно равная 0,5–1 м, а для жидкостей, содержащих газ, — до 2 м, см. рис. 6.
Параметр NPSH представляет собой минимальное абсолютное давление, при котором в насосе не возникает кавитация, т.е. он отражает «требования» насоса к системе, см. таблицу.
Различают следующие понятия:
- NPSHТ — значение NPSH, требуемое насосом
- NPSHФ — значение NPSH, обеспечиваемое системой (абсолютное давление, которое существует на входе в насос в данной системе).
Кривую NPSH для насоса определяют на основании стандарта ISO 9906. Для этого, задавшись определенным расходом, измеряют перепад давления между напорным и всасывающим патрубком насоса, постепенно понижая давление на входе. Как только перепад давления уменьшится на 3%, измерения прекращают, а полученное значение NPSH заносят в таблицу. Составив таблицу для всего диапазона подач, получают характеристику NPSH.
Электрические параметры
Далее приводятся наиболее важные параметры, характеризующие работу электродвигателя насоса.
Потребляемая мощность (Р)
Принципиальная конструкция насоса показана на рисунке.
В соответствии с конструкцией насоса, поток мощности разделяют на несколько составляющих:
Р1 — мощность, потребляемая от электрической сети, или, другими словами, количество электроэнергии, за которую потребитель должен платить.
Р2 — мощность, потребляемая насосной частью, или мощность на валу электродвигателя.
РН — гидравлическая мощность — мощность, определяемая потоком жидкости (зависит от Q и H).
Понятно, что P1>P2>PН. Разница между мощностями — КПД того или иного узла насоса.
Единица измерения мощности — Ватт (Вт).
Для удобства подбора электродвигателей производители насосного оборудования указывают мощность на валу насосной части, т.е. P2.
КПД (η)
КПД (коэффициент полезного действия) для насосов обычно характеризует только насосную (гидравлическую) часть ηН. Гидравлический КПД определяется геометрией проточной части и шероховатостью ее поверхностей. Общий (полный) КПД насоса с электродвигателем рассчитывается по следующим формулам:
Если электродвигатель оснащен преобразователем частоты, общий КПД также будет включать в себя КПД преобразователя частоты:
Напряжение (U)
Напряжение (U), измеряющееся в вольтах (В), является одним из важнейших электрических параметров.
Наиболее распространена трехфазная схема питания электрических машин. При ней кабельная разводка содержит четыре кабеля с тремя фазами (L1, L2, L3) и нейтраль (N). Кроме этих четырех кабелей к системе добавляется заземление, см. рисунок. Номинальное напряжение сети различно в каждой стране.
Для электрической сети переменного тока с напряжением 3х400 В / 230 В напряжение между двумя любыми фазами (L1, L2, L3) составляет 400 В. Напряжение между каждой фазой и нейтралью (N) составляет 230 В.
Ток (I)
Электрический ток — это поток электрически заряженных частиц, который измеряется в амперах (А). Сила электрического тока в сети зависит от напряжения и сопротивления в электрической сети. Различают постоянный (DC) и переменный (AC) ток.
Мощность (Р) и коэффициент мощности (cos φ или PF)
Для насосов со стандартными асинхронными электродвигателями входная мощность определятся через входное напряжение, силу тока и коэффициент мощности cos φ. Все эти данные можно найти на шильдике электродвигателя или насоса; cos φ — это сдвиг по фазе между напряжением и силой тока. Потребляемая мощность Р1 зависит от фазности электродвигателя и рассчитывается по следующим формулам (справа):
Свойства жидкости
При расчете гидравлических систем необходимо учитывать свойства жидкостей. Наиболее важными из них являются: температура жидкости, ее плотность и теплоемкость.
Температура жидкости (t, T)
Температура жидкости измеряется в °С (градусы по Цельсию), °К (градусы по Кельвину) или °F (градусы по Фаренгейту). °С и °К — фактически одни и те же единицы, но 0°С — это точка замерзания воды, а 0°К — это абсолютный ноль, который соответствует –273,15°С и является минимальной возможной температурой. Соотношением между температурой по шкале Фаренгейта и Цельсия является следующая формула: °F = °C · 1,8 + 32, таким образом, температура замерзания воды по шкале Фаренгейта составляет 32°, температура кипения воды — 212°.
Плотность жидкости (ρ)
Плотностью жидкости называется масса жидкости, заключенная в единице объема. Плотность жидкости измеряется в кг/м3 или кг/дм3.
Теплоемкость жидкости (СР)
Теплоемкость — это величина, показывающая, какое количество удельной энергии можно сообщить жидкости при ее нагреве. Теплоемкость жидкости зависит от ее температуры, см. рисунке. Это свойство жидкости используется в системах обмена энергии, например, в системах отопления, охлаждения и кондиционирования. Смеси жидкостей, такие как гликоль и вода, для систем кондиционирования имеют меньшую теплоемкость, чем чистая вода, и поэтому для передачи одного и того же количества энергии потребуется большее количество жидкости, т.е. больший расход.
