Основы насосной техники
В инженерном оборудовании зданий всё
более важную роль играют насосы. Они выполняют всевозможные функции. Наиболее
известными и распространёнными являются циркуляционные насосы для систем отопления и ГВС. Данным насосам будет уделено преимущественное
внимание на этой странице.
Но без насосов нельзя обойтись и при
выполнении задач, связанных с водоснабжением зданий и удалением из них воды.
Прежде всего, здесь необходимо назвать следующие установки и
насосы:
- Повысительные установки, используемые в
том случае, если давление в городской системе водоснабжения недостаточно для
водоснабжения большого здания;
- Циркуляционные насосы для систем ГВС,
обеспечивающие наличие горячей воды в любое время в любом месте
забора;
- Откачивающие насосы для грязной воды, использование которых
необходимо в том случае, если сточные воды или воды, содержащие фекалии,
скапливаются ниже уровня обратного подпора;
- Другие специальные насосы, используемые в домашних хозяйствах и
промышленности, например, в фонтанах или аквариумах, или
для целей пожаротушения;
- Не в последнюю очередь стоит упомянуть
увеличивающееся в настоящее время использование дождевой воды для промывки туалетов и при
проведении очистных работ.
Данная страница содержит информацию о
насосной технике, которая может помочь молодым людям, получающим образование,
переучивающимся или повышающим свою квалификацию в этой области. Информация
подаётся в виде несложных предложений. Страница содержит многочисленные рисунки,
в ней приведены различные примеры. Всё это создаёт прочную основу для применения
данной информации на практике. Таким образом, выбор и целесообразное
использование насосов должны стать естественным и само собой разумеющимся
делом.
История насосной
техники
Когда мы думаем о «насосах», то первое,
что приходит нам в голову, это то, что человек уже в древние времена искал
технические средства, с помощью которых он мог бы поднять жидкости, в
особенности воду. Причиной этого поиска было как орошение полей, так и
заполнение водой оборонительных рвов вокруг городов и замков.
Простейший ковш - человеческая рука; а с
помощью двух рук можно сделать намного больше! Таким образом, наши исторические
предки пришли к идее придать глиняным сосудам форму ковшей. Так был сделан
первый шаг к изобретению кувшина.
Затем несколько таких кувшинов
подвешивались на цепь или на колесо. Люди или животные использовали свою силу
для того, чтобы привести эти устройства в движение и поднять
воду.
Археологические находки доказывают
существование таких ковшовых механизмов в Египте и Китае уже в X веке до н. э.
На рисунке 1 представлена схематическая реконструкция китайского черпального
колеса. Речь идёт о колесе, к которому прикреплены глиняные горшки, из которых
выливается вода, когда они достигают высшей точки подъёма.
Рисунок 1: Китайское черпальное колесо. Большие
колёса с прикреплёнными к ним глиняными горшками поднимают воду. В движение они
приводятся человеком или животными [1].
Эта идея была развита гениальным образом
в 1724 году Я. Лёйпольдом, который прикрепил к колесу изогнутые трубки. При
вращении колеса вода поднималась до его средней оси (рисунок
2).
Рисунок 2: Насосная установка из труб (1724 год).
Поток воды приводит колесо в движение. По трубам вода поднимается до центра
колеса [1].
Данное подъёмное устройство приводится в
движение также за счёт течения реки. В этой конструкции бросается в глаза форма
изогнутых трубок. Они имеют поразительное сходство с каналами рабочего колеса
современного циркуляционного насоса.
Архимед, величайший математик и учёный
древности, описал в 250 году до н. э. названный его именем винт Архимеда
(рисунок 3). Вода поднималась наверх за счёт вращения спирали в трубе или
резервуаре. Но в любом случае небольшое количество воды стекало назад по дну
трубы, так как в то время ещё не были известны надёжные
уплотнения.
Рисунок 3: Винт Архимеда. Шнековый механизм
поднимает воду в резервуаре или по трубе. Угол наклона составлял от 37° до 45°;
достигался напор от 2 до 6 м [1].
Так возникла зависимость между наклоном
винта и мощностью
насоса. Эти винтовые насосы
конструировались таким образом, что при их эксплуатации можно было выбирать
между большим количеством перекачиваемой среды и большим напором. Чем больше
угол наклона насоса, тем больший напор достигается при уменьшении объёма
перекачиваемой среды.
И снова же наблюдается разительное
сходство с современными циркуляционными насосами в поведении во время
эксплуатации. При рассмотрении рабочей характеристики насоса, чем мы займёмся
позднее, наблюдается та же зависимость между напором и подачей. Используя
различные исторические источники, можно установить, что эти винтовые насосы
использовались с углом наклона 37° и 45°. При этом достигался напор в 2 м и 6 м,
а максимальная подача составляла приблизительно 10 куб.м /ч.
Элементы перекачивающей системы
На рисунке 4 схематически представлены
элементы перекачивающей системы, задачей которой является
перекачивание жидкости из ёмкости, расположенной на более низком уровне (ZВ), в
ёмкость, расположенную на более высоком уровне (НВ). Насос всасывает воду из
нижней ёмкости и подаёт её под давлением на необходимую
высоту.
Рисунок 4: Насосная установка с различным уровнем
жидкости: Р перекачивающий насос; ZB ёмкость, из которой забирается
перекачиваемая среда; НВ ёмкость, в которую поступает перекачиваемая среда; ZL питающая линия;
Stl нагнетательный трубопровод; S
поплавковый клапан; Нgео геодезическая высота. Напор насоса =
геодезическая высота + требуемое давление у потребителя + потери на трении в
трубопроводе
При этом недостаточно только лишь
рассчитать подачу насоса, необходимую для данной высоты. Так как в месте
последнего водозабора, например, в душе на последнем этаже гостиницы, давление
должно оставаться достаточно высоким. При выборе насоса также необходимо
учитывать потери, возникающие из-за трения в трубопроводе.
Для обеспечения возможности проведения
ремонтных работ на трубопроводе в определённых местах должна быть установлена
запорная арматура. Прежде всего это относится к насосам, так как иначе в случае
ремонта или замены насоса будет необходимо сливать большой объём воды из
нагнетательного трубопровода.
Как в нижней ёмкости, так и в верхней
точке разбора следует установить поплавковые вентили и другие регулирующие элементы для
предотвращения возможного переполнения. В нагнетательном трубопроводе в
соответствующем месте может быть установлено реле давления, отключающее насос в
том случае, если все места водозабора закрыты.
Развитие отопительной техники (рисунок
5)
Рисунок 5: Развитие системы
отопления
В Германии были найдены сохранившиеся ещё
с римских времён остатки систем напольного отопления. Речь идёт о ранней форме
систем напольного отопления. Дымовые газы открытого огня направлялись в пустые
пространства, находившиеся под полом, и разогревали его.
В течение последующих столетий здания, в
особенности дворцы и крепости, отапливали с помощью каминов, при этом камины
располагали не строго вертикально в зданиях. Тёплые дымовые газы пропускали по
специальным газоходам, расположенным в стенах жилых помещений; таким образом,
была создана первая система центрального отопления. Также в то время было
изобретено системное деление посредством разделения каменных камер в подвале
стенами. С помощью огня разогревали воздух, который затем напрямую направляли в
бытовые помещения.
С распространением паровых котлов во
второй половине XVIII века стало развиваться паровое отопление: пар. который не
сконденсировался полностью в паровой машине, направляли посредством
теплообменников в бюро и жилые помещения.
Следующие знания, приобретённые людьми,
касались того, что не обязательно пропускать воду в виде пара, разогретого до
температуры свыше 100°С, через систему отопления, если необходимо разогреть
помещение лишь до 20°С. Воду нагревали до температуры ~90°С (то есть чуть ниже
температуры кипения). По трубопроводам очень большого диаметра горячая вода
поднималась наверх. После того, как вода отдавала часть своего тепла, под
воздействием силы притяжения она снова стекала в подвал. Такую систему отопления
называли отоплением за счёт силы притяжения.
В период между 1920 и 1930 годами
наконец было изобретено "устройство принудительной циркуляции"
для водяного отопления, которое лучше и проще прогоняло горячую воду под
давлением через трубопроводы. Однако, в то время ещё не использовалось понятие
«насос». Данное обозначение появилось позднее. С помощью устройства
принудительной циркуляции можно было подавать в трубопроводы воду при более
низкой температуре. В настоящее время известны различные отопительные системы,
самые современные из которых работают с водой при очень низкой температуре.
Такая отопительная техника была бы немыслимой
без
сердца отопительной установки, то есть без
циркуляционного насоса.
Элементы отопительной системы
На рисунке 6 схематически представлены
функциональные различия между отопительной установкой и перекачивающей
установкой [3]. В данном случае речь идёт о циркуляционной системе в чистом
виде. Ещё легче понять этот принцип, если представить себе, что вода в
трубопроводе должна постоянно находиться в движении. Отопительную систему можно
разделить на следующие составные части: элементы, производящие тепло, система
переноса тепла и распределения тепла, потребители тепла и регулирующие
элементы.
Рисунок 6: Пример циркуляционной системы
(отопительная установка): Р циркуляционный насос; V входящий трубопровод; К
обратный трубопровод;WE элемент, производящий тепло; WV потребитель тепла; DА
расширительный бак; RВ регулирующий элемент.
Под элементами, производящими тепло здесь
следует понимать отопительные котлы, работающие на газу, на жидком или твёрдом
топливе, а также циркуляционные водонагреватели. Здесь также необходимо назвать
электрические теплонакопительные устройства с централизованным нагревом воды,
теплопередаюшие станции и тепловые насосы.
Система переноса тепла и распределения
тепла включает в себя все трубопроводы, распределительные и накопительные
станции и, конечно же, циркуляционный насос.
При расчёте производительности насоса в
отопительной установке следует учитывать только потери на трение в трубопроводе.
Высота здания не имеет значения, так как вода, которая подаётся насосом в
подающий трубопровод, толкает воду в обратном трубопроводе в направлении котла.
Возможное остаточное давление на всасывающем патрубке насоса негативно
сказывается на продолжительности эксплуатации насоса.
Под потребителями тепла следует понимать
отопительные поверхности в отапливаемых помещениях (радиаторы, конвекторы,
пластинчатые отопительные элементы и т.п.). Как известно, тепловая энергия
перетекает из точек с более высокой температурой в точки с более низкой
температурой, и тем быстрее, чем больше разница температур. Эта передача
осуществляется тремя различными физическими процессами, а именно:
- Теплопередачей;
- Конвекцией
- Тепловым излучением.
Без достаточного регулирования сегодня
невозможно решить ни одну техническую проблему. Таким образом, само собой
разумеется, что в любой отопительной установке также имеются регулирующие
системы. Проще всего назвать здесь термостатические вентили для поддержания
постоянной температуры в помещении. Но также и в отопительных котлах, смесителях
и, конечно же, в насосах имеются современные механические, электрические и
электронные регулирующие устройства.
Вода как средство для переноса
тепла
В сегодняшних системах отопления и
горячего водоснабжения вода используется для транспортировки тепла от
производителя тепла к потребителю тепла. Следует выделить следующие свойства
воды как транспортного средства:
- теплоаккумулирующая
способность;
- увеличение объема, как при нагревании,
так и при охлаждении;
- связанное с этим уменьшение
плотности;
- испаряемость под воздействием внешнего
давления.
Мы полагаем, что следует описать данные
свойства более подробно.
Удельная теплоёмкость
Важнейшим качеством любого теплоносителя
является его теплоаккумулирующая способность. Если отнести теплоаккумулирующую
способность к массе и разнице температур материала, то можно получить удельную
теплоёмкость. Символ удельной теплоёмкости - с, единица измерения
-кДж/(кг • К).
Таким образом, удельная теплоёмкость -
это то количество тепла, которое необходимо затратить для увеличения температуры
1 кг материала на 10 К. И наоборот, при охлаждении материала он отдаёт такое же
количество тепла.
Кубик воды (1000 см3) содержит при
4°С1000 г
1000 см3 воды (90°С) в 965,3 г Объём
теплового расширения 35,95 см3 = 34,7 г
Производитель горячей
воды
Рисунок 8: Пример установки с открытым
расширительным баком: А - расширительный бак, SV - предохраняющий подающий
трубопровод, 5В - предохраняющий обратный трубопровод, К - вставная перепускная
линия, Е -удаление воздуха, 0 - перелив. Недостатки: вода имеет контакт с
воздухом, опасность замерзания при низких температурах [4].
Для воды при температуре от 0 до 100°С
средняя удельная теплоёмкость имеет следующее значение:
с = 4,19 кДж/(кг • К) или
c= 1,16
Вт*ч/(кг*К).
Количество тепла Q, подаваемого и
отводимого, измеряется в Дж или кДж представляет собой произведение массы т.
измеренной в кг, удельной теплоёмкости с и разницы температур
Δv,
измеренной в 0К. Это разница между температурой на входе в отопительную систему и
на выходе.
Формула для вычисления количества тепла
имеет следующий вид:
Q = m* с * Δv
Масса m равна произведению объёма
воды V, измеренному в м3 на плотность воды р,
измеренную в кг/м3. В виде формулы это может быть представлено в
следующем виде:
Q= V * р * с* (vv
-vR)
Плотность воды изменяется при изменении
температуры воды. Для упрощения расчётов используется следующее значение
плотности: р = 1 кг/дм3 при температуре от 4°С до 90°С.
Физические понятия энергия, работа и количество тепла тождественны. Для
пересчёта Джоулей в другие допущенные единицы измерения используется следующее
соотношение:
1 Дж = 1 Н • м = 1 Вт • с
или
1 МДж = 0,278 кВт • ч
Увеличение объёма
Все вещества на Земле расширяются при
нагревании и уменьшаются при охлаждении. Единственное вещество, которое является
исключением из этого правила, - вода.
При температуре +4°С плотность воды
максимальная, и она равна:
1 дм3 = 1 л = 1
кг
Когда температура воды снижается ниже
этого пункта или повышается выше него, то объём воды увеличивается, то есть
плотность воды уменьшается; уменьшается и удельный вес
воды. Данный процесс изображён на рисунке 7: резервуар с измеренным объёмом
теплового расширения.
Рисунок 7: При нагревании или охлаждении плотность
воды уменьшается, то есть уменьшается удельный вес воды.
В резервуаре находится ровно 1000
см3 воды при температуре v = 4°С. Если вода нагревается, то её
определённое количество выливается в измерительный стакан. Если температура воды
поднимается до 90°С, то в измерительном стакане оказываются 35,95
см3, что соответствует 34,7 граммам.
Тепловое расширение воды
В системах отопления температура воды в
подающем трубопроводе составляет до 90°С. При этом вода, которой заполняется
трубопровод, имеет температуру, равную приблизительно 10°С. Следует исключить
ситуацию с вытеканием воды, как это показано на рисунке 7. Когда в летний сезон
отопление отключается, то вода снова приобретает прежний объём. Таким образом,
необходимо предусмотреть установку достаточно большого приёмного резервуара для
того объёма воды, который образуется при её тепловом расширении.
В старых отопительных установках
устанавливались открытые расширительные баки (рисунок 8). Такие баки
устанавливались всегда в самой верхней точке отопительной системы. При повышении
температуры, то есть при тепловом расширении воды, уровень воды в таком баке
повышается. И, наоборот, при понижении температуры - он
снижается.
В современных отопительных установках
используются мембранные расширительные баки (рисунок 9). При поставке бак
заполнен азотом, который находится под давлением (давление на входе: от 0,5 до
1,5 бар). Вода, образующаяся при тепловом расширении, поступает в бак и
надавливает на газовую подушку через мембрану. - Так как газы можно сжать, а
жидкости -нет!
Рисунок 9: Мембранный расширительный бак: А при
максимальной температуре воды; В во время регулируемого отопления; С при
поставке. Преимущества: отсутствует контакт с воздухом, почти исключена
коррозия, большая палитра размеров, простой монтаж [4].
Охлаждение воды
Также если температура воды опускается
ниже 4°С, вода расширяется. Благодаря этой аномалии зимой мы может наблюдать,
как поверхность рек и озёр покрывается льдом.
Именно поэтому льдины держатся на поверхности воды. И только благодаря этому
весеннее солнце может растопить эти льдины. Солнце не смогло бы этого сделать,
если бы лёд погружался бы на дно. то есть если бы увеличивался его удельный
вес.
Но такое расширение воды таит в себе и
определённые опасности. Так, например, моторы автомобилей и трубопроводы
лопаются, если в них замерзает вода. Для того, чтобы избежать этого, в воду
добавляется антифриз. В отопительных системам в качестве антифриза используется
гликоль.
Рисунок 10: Изменение агрегатных
состояний.
При разогреве воды происходят следующие процессы:
Нагрев от 0 до 100°С - Образование пара при 100°С (const): латентное тепло;
полное испарение всего объёма воды - разогрев пара свыше
100°С.
Рисунок 11: Температура кипения воды в зависимости
от давления. Чем ниже давление на поверхности воды, тем ниже температура
кипения. Или наоборот: Чем выше давление на поверхности воды, тем выше
температура кипения.
Испаряемость воды
Когда воду разогревают до температуры
свыше 90°С, то при температуре в 100°С она превращается в пар. Если при
испарении измерить температуру воды, то можно установить, что она держится па
постоянном уровне в 100°С до тех пор, пока не испарится последняя капля. Таким
образом, приток тепла полностью используется для испарения воды, то есть для
изменения её агрегатного состояния. Эту энергию называют латентным (скрытым)
теплом. Если затем продолжить нагрев, то происходит увеличение температуры пара.
Эта зависимость показана на рисунке 10.
Основным условием, обеспечивающим
протекание процесса в соответствии с графиком рисунка 10, является нормальное
атмосферное давление в 1013 мбар. При любом другом атмосферном
давлении температура кипения воды отличается от 100°С. При повторении описанного
опыта, но уже на высоте 3000 м на вершине какой-либо горы, можно установить, что
вода закипает уже при 90°С. Причиной этого является уменьшение атмосферного
давления с увеличением высоты. Чем меньше атмосферное давление на поверхности
воды, тем ниже температура кипения. И наоборот, повышения температуры кипения
можно достичь увеличением давления. Данный принцип используется в специальной
посуде для приготовления пищи.
Отопительные системы также осознанно
эксплуатируют при избыточном давлении. Таким образом, предотвращается
образование пузырьков пара даже при критическом режиме работы. Благодаря
избыточному давлению исключается возможность проникновения воздуха снаружи в
водную систему.
График на рисунке 11 показывает то, каким
образом изменяется температура кипения воды в зависимости от давления. При
давлении в 2 бара температура кипения воды составляет уже до
120°С.
Защита от избыточного давления
При повышенном давлении в установке
следует принять меры, предотвращающие воздействие недопустимой сжимающей
нагрузки на трубы и другие части установки. Поэтому отопительная установка
должна быть оснащена предохранительным клапаном (Смотрите рисунок 8). Он должен
открываться при избыточном давлении в 2,5 бара и выпускать воду, образующуюся
при тепловом расширении, ту воду, которую не принял мембранный расширительный
бак. - В тщательно спроектированной установке подобная ситуация не должна
возникать никогда.
Прежде при расчётах вообще не учитывали
того факта, что циркуляционные насосы ещё больше повышают давление в
отопительной установке. Очень важно учитывать взаимодействие таких факторов, как
максимальная температура воды, тип выбранного насоса, размер расширительного
бака и момент срабатывания предохранительного клапана.
Нельзя допускать случайного выбора частей установки, исходя только из закупочной
цены.
Рабочее давление установки
В отопительном контуре следует
принципиально различать 2 различных вида давления:
1. Статическое давление существует
всегда
Статическое давление можно определить
двумя способами. Во-первых, на основании уровня заполнения открытого
расширительного бака над заданной расчётной точкой. Во-вторых, статическое
давление зависит от давления на входе в мембранный расширительный бак. Поэтому
было бы целесообразно установить в непосредственной близости от входа в
расширительный бак манометр.
2. Производимый циркуляционным насосом
перепад давления
Перепад давления служит для преодоления
суммы всех потерь на трении в трубопроводе, то есть за счёт него вода
поддерживается в постоянном движении. Перепад давления суммируется со
статическим давлением.
Но из-за постоянного снижения давления
насоса из-за потерь на трении в трубопроводе, арматуре, котле и у потребителей в
каждой точке установки возникает своё рабочее давление.
В одной из следующих глав напор насоса
будет рассматриваться в качестве перепада давления. И тогда статическое
давление уже не будет рассматриваться столь подробно.
Отопление с естественной
циркуляцией
Уже в начале эпохи водяного отопления
люди использовали описанные изменения физических состояний горячей воды. В
особенности, это касалось использования изменения плотности воды при изменении
её температуры для приведения в движение воды в отопительных контурах. Значения
плотности воды при различных температурах представлены в таблице
1.
Таблица 1:
Температура,
0С
|
Плотность,
кг/дм3
|
Сила тяжести,
H
|
|
4 |
1,00000 |
9,80665 |
|
70 |
0,97787 |
9,58963 |
|
90 |
0,96552 |
9,46852 |
Ускорение свободного падения, которое
составляет приблизительно 9,81 м/с2, воздействует на массу воды силой
тяжести, как она представлена в таблице.
На рисунке 12 представлена принципиальная
конструкция отопления с естественной циркуляцией. Данная система функционирует
исключительно благодаря разным значениям сил подъёма воды при различных
температурах по отношению к силе тяжести. Если упрощённо исходить из того, что в
трубопроводе не происходит потерь тепла и, таким образом, не происходит
температурных изменений, то вода при температуре 90СС (рисунок)
поступает из отопительного котла (точка нагрева А) в нагревательный элемент
(точка охлаждения В). При прохождении через нагревательный элемент температура
воды меняется, опускается до 70°С. По обратному трубопроводу
вода с этой более низкой температурой
снова поступает в отопительный котёл. Различные силы тяжести служат причиной
движения воды вверх и вниз.
Рисунок 12: Система отопления с естественной
циркуляцией. Q переносимое количество тепла,
Q=т*с*(VА-VB) в кДж; т масса переносимой
среды в кг; с теплоёмкость среды в кДж/(кг-К); V температура в определённой
точке в К или °С.
Если мы рассмотрим систему отопления
высотой 3 метра, то в результате вычислений мы можем получить значения,
представленные на рисунке 13.
Рисунок 13: Принцип работы системы отопления с
естественной циркуляцией. Характеристики: незначительное гидравлическое
сопротивление трубопровода, достаточная подача, большой диаметр
трубопровода.
С помощью следующей формулы можно вычислить перепад давления:
ΔP=g*h*Δp;
Δp=363,5
Па
Это соответствует напору циркуляционного
насоса, равному 0,036 м:H = 0,036м = 3.6 см.
Для пересчёта давления используются
следующие коэффициенты:
1 Н/м2 = 1 Па
105Па=1 бар
10м= 1 барИз-за этого незначительного перепада
давления в системе отопления с естественной циркуляцией следует стремиться к
минимизации гидравлического сопротивления трубопровода. Для того, чтобы добиться
при этом достаточной подачи, необходимо использовать трубы большого
диаметра.
Первые циркуляционные насосы для систем
отопления
Даже несмотря на относительно вялое начало развития систем отопления с
естественной циркуляцией, уже в начале нашего столетия возникали идеи,
касающиеся установки в трубопроводах отопительных систем так называемых
ускорителей циркуляции. Кроме прочего, возникали и идеи по использованию остаточной
энергии парового отопления для приведение в действие турбин.
В то время электродвигатели не подходили
для использования в качестве приводного механизма, так как они работали с
открытыми контактными кольцами. Использование таких электродвигателей в водяных
системах отопления могло привести к многочисленным авариям. Только благодаря
изобретению швабским инженером Г. Баукнехтом первого закрытого (герметичного)
электродвигателя стало возможным использование двигателей в ускорителях
циркуляции. Его друг, вестфальский инженер В. Оплендер, разработал такую
конструкцию (рисунок 14), за которую он получил патент в 1929
году.
В колене трубы было установлено насосное
колесо в форме пропеллера. Привод осуществлялся через вал с уплотнениями, который, в свою
очередь, приводился в действие электродвигателем. В то время данный ускоритель
циркуляции ещё не называли «насосом». Этот термин начали использовать позже. Так
как, как это уже было описано ранее, слово «насосы» всегда связывают со
словосочетанием «поднимать воду».
Подобные ускорители циркуляции
изготавливались почти до 1955 года.
Рисунок 14: Первый циркуляционный насос для систем
отопления
Насосы с мокрым ротором
Слабым местом описанной конструкции
насоса было то, что вал проходил через корпус, выполненный в виде колена.
Уплотнение осуществлялось с помощью сальника. Сальник часто протекал, его нужно
было часто заменять.
Эту проблему устранил швейцарский инженер Рютчи, который изобрёл «бессальниковый» циркуляционный насос. Электродвигатель
привинчивали непосредственно к корпусу колена, через которое проходила вода, и
герметизировали его. Вода играла при этом роль смазки. Позднее мотор соединили с
улиткой. При этом возникли значительные гидравлические
преимущества.
Путём установки циркуляционного насоса,
либо в питающем, либо в обратном трубопроводе, скорость воды в отопительном
контуре может быть увеличена. Таким образом, здесь можно использовать трубы с
меньшим поперечным сечением. Тем самым уменьшается и цена отопительной
установки.
Таким образом, в трубопроводе
отопительной системы может находиться меньшее количество воды. Отопительная
система может более оперативно реагировать на температурные колебания, и, тем
самым, улучшается её регулирование.
Конструкционные характеристики
На рисунке 15 изображён разрез
циркуляционного насоса с мокрым ротором. Именно такие насосы производятся и
часто монтируются с 1952 года.
Рисунок 15: Насос с мокрым ротором. Преимущества:
бесшумная работа, абсолютно не требует технического обслуживания, хорошие напор
и подача.
Рабочее колесо ранее было аксиального
типа, в настоящее же время используют колёса центробежного
типа. Вал, приводящий в движение рабочее
колесо, изготовлен из нержавеющей стали; подшипники вала - из агломерированного
угля или из керамического материала. Ротор мотора, закреплённый на вале,
работает в воде. Вода смазывает подшипники и охлаждает мотор.
Функцию отделения находящегося под
напряжением статора мотора от перекачиваемой среды выполняет гильза (см. рисунок
15). Она изготовлена из ненамагничивающейся нержавеющей стали, толщина стенок
гильзы составляет от 0,1 до 0,3 мм. Заглушка на корпусе мотора служит для
удаления воздуха из гильзы. Кроме того, после удаления этой заглушки можно
ослабить вал и снова привести
его в движение, если он застопорился
из-за загрязнений,
содержащихся в воде.
Можно установить постоянное число
оборотов в том случае, если насос используется для каких-либо особенных целей.
Например, он может использоваться для подогрева хозяйственной воды в отдельном
контуре водоснабжения; или если в больших установках требуется повысить
температуру в обратном трубопроводе котла путём смешения.
Рисунок 16: Отопительная система с насосами.
Преимущества: Меньшие поперечные сечения труб, меньший объём воды, более
оперативная реакция на температурные колебания, меньшие затраты на
монтаж.
Однако, если циркуляционный насос
используется в отопительном контуре, то есть для энергообеспечения
нагревательных элементов (рисунок 16), то его параметры должны быть приведены в
соответствие с изменяющейся теплопотребностью здания. В зависимости от внешней
температуры и наличия иных источников тепла требуется различное количество воды
в отопительном контуре. Термостатические вентили, установленные перед
поверхностями нагрева, определяют подачу насоса.
Поэтому моторы насосов с мокрым ротором
работают на нескольких скоростях. Переключение скоростей может осуществляться
вручную с помощью встроенных переключателей или штекеров. Этот процесс может
быть автоматизирован путём использования различных регулирующих и управляющих
систем, работающих в зависимости от времени, перепада давления или
температуры.
Насосы с мокрым ротором в зависимости от
габаритов и требуемой мощности подключаются к однофазной сети (230 В) или к
трёхфазной сети (400 В).
В современных насосах переключение
скорости благодаря наличию встроенной системы электронного регулирования
происходит бесступенчато.
Циркуляционные насосы с мокрым ротором
обладают тем преимуществом, что они почти не требуют технического обслуживания.
Они выделяются бесшумностью при работе, оптимальными подачей и
напором.Новые разработки
Новое поколение насосов с мокрым ротором
конструируется в соответствии с модульным принципом (рисунок 17). Представленные
на рисунке 17 блоки группируются в
зависимости от габаритов насоса и требуемой подачи. Таким образом, облегчается и
проведение ремонта путем замены определённых деталей.
Рисунок 17: Модульная конструкция
насоса
Рабочее колесо таких насосов соединяет в
себе преимущества аксиального и радиального колёс. Вал с подшипниками и ротором
образуют в «картуше» единый блок. Важным качеством этой конструкции является её
способность к самоудалению воздуха при пуске.
Монтаж насосов с мокрым ротором
Насосы с мокрыми роторами с условным
проходом до R 11/4 поставляются в качестве насосов с резьбовым
соединением. Если размер условного прохода превышает, то монтаж осуществляется с
помощью фланцевых соединений.
Как это уже было упомянуто, смазка
подшипников циркуляционного насоса осуществляется водой отопительного контура.
Кроме того, вода выполняет и функцию охлаждения. Поэтому должна быть обеспечена
непрерывная циркуляция воды через гильзу. И именно поэтому вал насоса всегда
должен находиться в горизонтальном положении (рисунок 18).
Рисунок 18: Установка насосов с мокрым
ротором.
Если же при монтаже вал оказывается в вертикальном положении или
подвешенном состоянии, то это может стать причиной нестабильной работы насоса и
быстрого выхода из строя.
Описанные насосы с мокрым ротором
обладают благодаря своей конструкции хорошими рабочими характеристиками.
Издержки на их производство сравнительно ниже. Однако, они имеют действительно
низкие КПД.
Насосы с сухим ротором
Для перекачивания больших объёмов в
больших установках применяются так называемые насосы с сухими роторами. Насосы с
сухими роторами также лучше подходят для перекачивания свежей воды, охлаждающей
воды и агрессивных сред. Своё название эти насосы получили из-за того, что
моторы этих насосов не соприкасаются с перекачиваемой водой.Конструкционные характеристики
На рисунке 19 представлен разрез такого
насоса с сухим ротором. Здесь, также как и при описании насосов с мокрым
ротором, речь идёт о центробежном насосе, рабочее колесо которого приводится в
движение электродвигателем.
Рисунок 19: Насос с сухим
ротором
Характерным отличием является наличие
уплотнения между насосной частью и электродвигателем. В качестве уплотнения
используется «скользящее торцевое уплотнение». Оно состоит, если рассматривать
его упрощённо, из двух колец с очень точно отполированными поверхностями.
Пружина прижимает их друг к другу, и при работе они вращаются друг относительно
друга.
Между
поверхностями скольжения образуется тонкая плёнка воды,
так как вода в отопительном контуре находится под повышенным давлением по
сравнению с окружающей атмосферой. Данная плёнка воды герметизирует насос, когда
поверхности вращаются друг относительно друга. Кольца изготавливаются обычно из
агломерированного угля. Для работы в сложных условиях они могут быть изготовлены
из керамики или нержавеющей стали. Для насосов с сухим ротором используются
обычные трёхфазные моторы с постоянным основным числом
оборотов.
Рисунок 20: Консольный насос на фундаментной
раме
1-мотор 2-муфта 3-вал 4-гилза вала 5-сальннк
6-крышка 7-спиральнын корпус 8-рабочее колесо 9-щелевое уплотнение подшипника
сальника 10-крышка корпуса 11-корпус основы 12-подшипннк с
бороздками 13-опорная рама
Регулирование таких насосов
осуществляется с помощью внешнего электронного устройства изменения числа
оборотов. Общий КПД насосов с сухим ротором лучше КПД насосов с мокрым
ротором.Конструкции насосов с сухим
ротором
Конструктивно различаются два типа
насосов с сухим ротором. Прежде всего, это - центробежные насосы с при
фланцованным мотором (рисунок 19). Если всасывающий и напорный патрубки
расположены на одной оси и имеют одинаковые условные проходы, то такие насосы
называются насосами прямопоточного исполнения. В инженерной технике зданий такие
насосы используются и при больших мощностях. Такие насосы могут устанавливаться
непосредственно в трубопровод. Либо трубопровод необходимо закрепить с помощью
консоли, либо насос устанавливается на фундамент или на собственную консоль. При
прямопоточной конструкции положение мотора и вала не оказывают влияния на работу
насоса (Сравните с рисунком 18).
Во-вторых, большие центробежные насосы с
мотором и муфтовым соединением могут устанавливаться на общей опорной раме
(рисунок 20). В данном случае речь идёт о консольных насосах на фундаментной
раме, соответствующих стандарту DIN 24255.
В зависимости от перекачиваемой среды
возможно исполнение насоса со скользящим торцевым уплотнением или с сальником.
Вертикально расположенный напорный патрубок определяет условный проход насоса. А
всасывающий патрубок, расположенный горизонтально, имеет, как правило, больший
диаметр.Функции центробежных насосов
Центробежные насосы по своей конструкции
и способу преобразования энергии являются гидравлическими машинами,
преобразующими механическую энергию в энергию потока. Несмотря на то, что
имеется большое число различных конструкций, во всех центробежных насосах
жидкость поступает аксиально в рабочее колесо.
Электродвигатель приводит в движение вал
насоса, на котором находится рабочее колесо. Поступающая через всасывающий
патрубок и в дальнейшем через горловину рабочего колеса в осевом направлении
вода меняет своё направление движения в каналах рабочего колеса на радиальное.
Воздействующие на каждую частицу жидкости центробежные силы вызывают повышение
статического давления, а также и скорости при прохождении жидкости через каналы
рабочего колеса. После рабочего колеса жидкость
собирается в спиральном корпусе, при
этом, благодаря специальной конструкции корпуса, скорость движения жидкости
замедляется, благодаря этому превращению энергии происходит дальнейшее повышение
статического давления.
Такое повышение давления в насосе
называется напором. Полученное в насосе повышение давления и производительность
зависят друг от друга. Эта зависимость показывает характеристику
насоса.Характеристика насоса
Характеристика циркуляционного насоса
представлена на диаграмме (рис. 21): На вертикальной оси (ордината) обозначается
напор Н насоса в метрах (м). Возможна другая система координат. При этом
используется следующий пересчет значений:1 бар = 10 м или
1 бар = 100000 Па или
1 бар= 100 кПа.
На горизонтальной оси (абсцисса)
наноситься производительность V насоса в кубометрах в час (м3/ч).
Также возможна размерность в (л/с).
Характеристика потока указывает
зависимость перехода электрической энергии привода (при учете суммарного
коэффициента полезного действия) насоса в два, уже упомянутых, вида
гидравлической энергии, в статическое давление (повышение давления) и
динамический напор (транспортировка жидкости). Если насос работает на закрытую
задвижку, то возникает только статическое давление. В этом случае говорят о
нулевой производительности насоса. Если задвижку начать медленно открывать, то
жидкость начинает устремляться в открывшееся отверстие. Вследствие этого часть
электрической энергии переходит в энергию движения жидкости. Первоначальное
давление, в этом случае, больше не будет сохраняться. Поэтому, характеристика
насоса имеет пологий вид с изменением напора и производительности. Теоретически,
точка пересечения характеристики насоса с осью производительности достигается,
если жидкость содержит энергию движения и отсутствует статическое
давление.
Рисунок 21: Характеристика
насоса.
Повышение давления в насосе или напор и проходящее
через насос количество жидкости или производительность зависят друг от
друга.
Так как система трубопроводов, всегда
имеет внутренние сопротивления, то реальная характеристика насоса кончается
перед пересечением с осью производительности.
Характеристика сети
Это внутреннее сопротивление сети трубопроводов ведет к потере давления
переданного жидкости по всей длине сети. Эта зависимость представлена в графике
характеристики сети (рисунок 22).
Рисунок 22: Характеристика сети. Характеристика
сети показывает связь между сопротивлением и объемом жидкости
.
Для этого используют такую же диаграмму как для графика характеристики
насоса. Характеристика протекания жидкости в системе показывает общие
сопротивления потоку: причиной сопротивления сети трубопроводов являются трения
воды по стенам трубы, трениями капель воды между собой и изменениям направления
движения жидкости в арматуре. При изменении объема перекачиваемой жидкости,
например, вследствие открытия или закрытия термостатических вентилей, изменяется
также скорость воды и соответственно сопротивление сети трубопроводов. При
рассмотрении неизменного поперечного сечения трубы, как прохождение жидкости
через одинаковую площадь, наблюдается следующая квадратичная зависимость:
где Н1 и Н2 в (м)
сопротивления потоку жидкости при соответствующем объёме V1 и
V2 в (мЗ/ч) различные объёмыперекачиваемой жидкости.
При построении графика зависимости
возникает форма параболы.
Влияние частоты вращения мотора
Если изменяют частоту вращения насоса при
неизменных технических параметрах системы, то пропорционально изменяется
производительность. Согласно предыдущим условиям, напор изменяется в квадрате к
частоте вращения.
где, n1 и n2 в
(об/мин) различные частоты вращения насоса. В связи с этой зависимостью можно
включать насос либо на различной ступени частоты вращения, либо регулировать его
бесступенчато. Зная это можно подобрать напор и производительность, оптимально
приспосабливаясь к потребностям системы.
Пример применения
Если уменьшить объемный поток в два раза
при неизмененной сети трубопроводов, то сопротивление потоку уменьшается в
четыре раза. Если увеличить объемный поток в два раза, то сопротивление потоку
увеличивается в четыре раза. В качестве примера может служить процесс вытекания
воды из крана (рисунок 23). При давлении величиной 2 бара, что соответствует
напору насоса около
20 м, из водопроводного крана с условным
проходом DN 1/2 " поступает вода объемом 2 м3/ч.
Рисунок 23: Напор насоса. Поток воды, вытекающий
из крана при различном давлении (2 бара и 8 бар соответственно). Для удвоенного
увеличения объемного потока требуется четырехкратное увеличение напора
воды.
Для увеличения
объемного потока в два раза до 4 м3/ч необходимо увеличить давление
или напор насоса в 4 раза, с 2 до 8 бар.
Выбор оптимального насоса для отопительной
установки:
Рабочая точка насоса
Там, где характеристика насоса
пересекается с характеристикой сети (рисунок 24), называется актуальной рабочей
точкой системы отопления или установки водоснабжения. Это говорит о том, что в
этой точке господствует равновесие между мощностью напора насоса и мощностью
сопротивления сети трубопровода . Напор насоса так же велик, как гидравлическое
сопротивление установки. Из этого следует, что при изменении производительности,
которую может обеспечивать насос, рабочая точка также изменяется.
Рисунок 24: Рабочая точка установки рабочая точка=
пересечение характеристики насоса и характеристики сети.
Проектировщик должен рассчитать рабочую
точку установки при максимальной нагрузке. При выборе циркуляционного насоса для
системы отопления критерием является нормы тепловой потребности здания, при
выборе повысительного насоса критерием является максимальный расход при открытии
всех точек водозабора.
Все другие рабочие точки, которые в
процессе эксплуатации отличаются от установленной, лежат на графике
характеристик слева от этой рассчитанной рабочей точки.
Выбор насоса (рисунок 25)
Рисунок 25: Выбор насосов. Если характеристики
насосов и сети трубопровода не совпадают с расчетной точкой, то выбирают насос с
меньшими значениями параметров.
Предположим что, расчет расхода тепла для
отопительной установки жилого блока дал итоговую мощность системы (QN
= 632 кВт. При разнице температур между подающим и обратным трубопроводами
величиной 20 К требуется производительность насоса V = 27,2 м3/ ч. В
качестве сопротивления потоку жидкости был определен напор величиной Н = 3,90 м.
Для этой рабочей точки нужно теперь выбрать подходящий насос. При этом нужно
заметить, что это было бы чистой случайностью, если бы мы нашли в каталоге
насос, идеально удовлетворяющий требованиям расчета.
На рисунке 25 получены две рабочие
характеристики насоса, которые дают рабочие точки В1 и B2
и расположены над и под вычисленной рабочей точкой. Точки пересечения кривой
характеристики сети трубопроводов с обеими характеристиками насосов дают в итоге
следующие рабочие точки:
Насос PU1: V1 = 30,7
м3/ч при Н1 = 5,00 м
Насос PU2: V2 = 23,8
м3/ч при Н2 = 2,80 м
Отклонения ΔV от желаемого объемного
потока жидкости составляют, таким образом, для:
насоса PU1:
ΔV1 = + 3,5 м3/ч, т.е.+ 12,9%
насоса PU2:
ΔV2 = -
3,4 м3/ч, т.е.-12,5%.
Рассчитанная рабочая точка, как описано
выше, представляет собой состояние системы при максимальной нагрузке. Но такие
условия случаются крайне редко. Наибольшую часть отопительного сезона необходима
незначительная потребность в тепловой энергии.
Поэтому, если есть сомнения, то всегда
выбирают меньший циркуляционный насос для системы отопления. И вследствие этого
выбора достигаются нижеследующие преимущества:
- меньший насос означает меньшую
стоимость;
- он будет потреблять меньшее количество
электроэнергии;
- более низкая скорость движения жидкости уменьшает шумы:
- В насосе
- В сети трубопровода и
- В термостатических
вентилях.
Страх перед выбором насоса с нижними
параметрами является необоснованным.Потребляемая мощность циркуляционных
насосов
Электродвигатель вырабатывает энергию,
как описано выше, для вращения вала насоса, на котором установлено рабочее
колесо. Произведенное в насосе повышение давления и подача объема жидкости
являются результатом перехода электрической энергии в гидравлическую
энергию.
Вырабатываемая мотором энергия является
потребляемой мощностью насоса.Характеристика потребляемой мощности
насосов
Характеристика потребляемой мощности
циркуляционных насосов также представляются на графике:
На вертикальной оси, ординате, находится
потребляемая мощность Р насоса в Ваттах (Вт). На горизонтальной оси, абсциссе,
наносится, точно так же как на характеристике насоса, производительность V
насоса в кубометрах в час (м3/ч)
Шкала графика выбирается, при этом, в
одинаковом масштабе. Оба этих графика часто представляются в каталогах вместе,
чтобы была возможность (рисунок 26), наблюдать связь между параметрами
насоса.
Рисунок 26: Потребляемая мощность
насоса.
Зависимость между потребляемой мощностью
и объемом перекачиваемой жидкости указывает на следующее отношение: При
незначительном объемном потоке мотор потребляет минимальное количество
электроэнергии. Потребляемая мощность растет с возрастанием перекачиваемого
объема. При этом эта зависимость возрастания выполняется в определенном
соотношении.Влияние частоты вращения
Если изменяют частоту вращения вала
насоса при неизменных технических условиях системы, то потребляемая мощность Р
изменяется в третьей степени к частоте вращения n.
Р1/Р2 =
(n1/n2)3
где n1 и n2 в
(об/мин), соответственно, различная частоты вращения насоса и Р1 и
Р2 в (Вт), соответственно, различные потребляемые
мощности.
Зная это и описанную в прежней главе
связь, можно рационально регулировать насос и оптимально приспосабливать его к
потребностям системы в тепловой энергии.
Если удвоить частоту вращения, то
производительность повышается в таком же соотношении. Сопротивления движению
жидкости возрастет в четыре раза. Необходимое количество энергии возрастает, в
этом случае, приблизительно в восемь раз (таблица 2).
Таблица 2: Влияние частоты вращения на рабочие параметры
|
Обозначение |
Единица измерения |
Отношение |
Значение
|
Увеличение |
Уменьшение |
|
Число оборотов |
n |
(1/мин) |
X |
1 |
2 |
0,7 |
|
Подача |
V |
(м3/ч) |
X |
1 |
2 |
0,7 |
|
Напор |
Н |
(м) |
X2 |
1 |
4 |
0,5 |
|
Потребляемая мощность |
Р |
(Вт) |
X3 |
1 |
8 |
0,35 |
Если уменьшают частоту вращения, то
уменьшаются производительность, сопротивление протекания жидкости в сети
трубопроводов и потребляемая мощность согласно условиям описанным
выше.
Сравнение частоты вращения
В таблице 2 находиться, в первую очередь,
сравнение между
высокоскоростным насосом (n < 2800
об/мин), например, типа RS/ТОР-S и низкоскоростной насос (n < 1400 об/мин),
например, типа RР/Р. Знания, полученные выше, являются результатом этого
сравнения.
Разумеется, конструкция мотора
низкоскоростного насоса несколько дороже и, соответственно, несколько выше цена
этих насосов. Однако там, где по техническим требованиям к контуру отопления
необходимо использовать низкоскоростной насос, управление высокоскоростным
насосом, возможно, приведет к более высокому потреблению
электроэнергии.
И наоборот, стоимость насоса со снижением
частоты вращения более высокая, но это приводит к значительной экономии
потребляемой электроэнергии. Дополнительные капитальные затраты будут быстро
компенсированы.
Второе сравнение в таблице 2
рассматривает отрегулированное снижение частоты вращения согласно требованиям
отопительной мощности. В этом случае постепенное переключение на пониженные
обороты или бесступенчатое регулирование с помощью электроники насосов отчетливо
показывает эффект экономии.Коэффициент полезного действия
насоса
Коэффициент полезного действия любой
машины, или уже упомянутый коэффициент эффективности, является отношением
полученной мощности к выданной мощности. Это отношение обозначается греческой
буквой n (eta).
Рисунок 27: Коэффициент полезного действия насоса.
Оптимальное значение КПД насоса лежит в середине его рабочей
характеристики.
Так как в системе всегда есть потери, то
КПД n всегда меньше 1. Для насосов с мокрым ротором для систем отопления мы
имеем два составляющих:
КПД мотора nм, который касается электрической
части и КПД насоса nр, касающийся гидравлической части. Умножение
этих параметров дает общий КПД.nges=nm*np
Этот коэффициент полезного действия
зависит от конструкции насоса, его размеров и области применения [2]. Для
насосов с мокрым ротором можно определить общий КПД между 10 и 50 %; для насосов
с сухим ротором общий КПД составляет от 40 до 80%.
Также в пределах поля рабочих
характеристик насосов, между нулем и максимальным значением, находится,
соответственно, фактический коэффициент полезного действия (рисунок 27): Если
насос работает на закрытую задвижку, т. е. производительность равна 0, то
достигается только высокое давление насоса, однако жидкость не движется и
действие насоса равняется нулю. Тоже самое происходит, если представить открытую
трубу. Получается только большой расход жидкости, а давление не вырабатывается,
поэтому действие насоса также равно нулю.
Оптимальный коэффициент полезного
действия циркуляционного насоса для системы отопления лежит приблизительно в
середине его характеристики. В каталогах производителей насосов эта оптимальная
рабочая точка
для каждого насоса специально
обозначается.
Это говорит о том, что насос никогда не
работает в одной единственной определенной точке. Поэтому нужно принимать во
внимание то, что рабочая точка отопительного насоса большую часть времени
периода отопления находится в средней трети характеристики насоса. В этом случае
насос будет работать в области оптимальной эффективности работы или в зоне
максимального КПД.Адаптация насосов к потребностям системы
отопления
Как мы знаем, в наших климатических
широтах четыре явно выраженных сезона со значительными колебаниями температур
воздуха. От температуры в летнее время от 20 °С до 30 °С, термометр показывает
падение зимой от минус 15 °С до 20 °С или даже ниже (рисунок 28).
Рисунок 28: Зависимость температуры наружного
воздуха от сезона. Заштрихованная площадь указывает время сезона отопления и,
соответственно, снабжения помещения тепловой энергией.
Эти колебания неприемлемы для температуры
воздуха в жилых помещениях. Первоначально, помещения обогревались огнем.
Позднее, стали разрабатываться отопительные системы, которые описаны в первой
части этот азбуки (рисунок 5). Но всегда отопление используется для поддержания
нормальной температуры в помещении и выравнивания некомфортной наружной
температуры.
Колебания погодных условий
На рисунке 28 отчетливо видно вертикально
заштрихованную область, которая означает, что при сезонных колебаниях температур
наружного воздуха требуется различная тепловая энергия. Когда, до этого времени,
используемые виды энергии (древесина, угль и жидкое топливо очень мало стоили, а
также государственное субсидированное отопления во времена ГДР), то было все
равно, каким количеством топлива обогревалось помещение. В крайнем случае,
просто открывались окна. (Эта техника автоматического регулирования температуры
в помещении шутливо называлась ,"Двух позиционное регулирование, обозначающее -
окно открыто / окно закрыто").
С первым кризисом жидкого топлива в 1973
году возникла необходимость экономного использования энергии. При хорошей
теплоизоляции зданий экономия энергии происходила сама собой.
Дальнейшее развитие получили
законодательные нормы, которые постоянно издавались с предписаниями о тепловой
защите зданий при строительстве. Само собой разумеется, кроме этого проходил
технический прогресс параллельно и в отоплении. Сначала широкое применение на
рынке отопления получили термостатические вентили, так как они позволяли
отрегулировать температуру в помещении согласно потребностям в тепловой энергии.
До того практикующееся дросселирование повышало давление в системе по
характеристике насоса, что приводило к возникновению шумов в вентилях. В ответ
на это стали устанавливаться перепускные клапаны.
Регулирование частоты вращения
Производители насосов предлагают примерно
с 1982/83 насосы с мокрым ротором с переключением ступеней частоты вращения в
(рисунок 29). Как описывалось в предыдущих частях, уменьшение тепловой нагрузки
- взаимосвязь прохождения жидкости через нагревательный элемент или регулирующий
вентиль с производительностью и частотой вращения. Вместе с тем, циркуляционный
насос может реагировать непосредственно на регулирование комнатной температуры.
Применение перепускного клапана будет теперь необоснованно.
Рисунок 29: Характеристика насоса с мокрым ротором
для системы отопления DN 40 с 4 частотами вращения. Ступень 1: расчетная ступень
для стандартной тепловой нагрузки. При ступенях от 2 до 4 для небольшой тепловой
мощности сокращаются производительность, напор и потребляемая
мощность.
Чтобы была возможность изменять частоту
вращения моторов, они изготавливаются с различным числом обмоток. Если поступает
немного жидкости по трубам системы отопления и в системе такое же незначительное
сопротивление трубопровода, то насос может работать с незначительным напором.
Одновременно значительно сокращается количество потребляемой мотором
электрической энергии.
Между тем к каскадному регулированию
частоты вращения насосов с мокрым ротором для системы отопления разрабатывалось
большое количество регулирующих устройств. Они изменяют частоту вращения
автоматически в зависимости
- От времени,
- От температуры воды,
- От разницы давлений и от других входных
параметров системы.
Бесступенчатое регулирование частоты
вращения
В это же время, в первой половине 80-х
годов, удавалось изготавливать насосы с сухим ротором с большими мощностями
мотора с бесступенчатым регулированием для полной адаптации к отопительной
системе. Для такого регулирования применяли электронный преобразователь частоты
вращения. Для объяснения этой техники регулирования обратимся к известной
частоте тока величиной 50 герц (Гц). Эта частота говорит о том что, ток меняется
50 раз в секунду между полюсами плюса и минуса. С соответствующей скоростью
двигается ротор мотора насоса. С помощью электронного модуля удается делать, ток
„ быстрее " или „медленнее " т.е. устанавливать бесступенчато частоту, например,
между 100 Гц и 0 Гц. По причинам конструкции мотора частота тока в отопительных
установках не регулируется ниже 20 Гц, или не может быть меньше чем 40 % от
максимальной частоты вращения. Так как максимальная тепловая нагрузка в
расчетный день определена, то рационально будет, нагружать мотор более высокой
частотой, больше 50 Нz, только в особенных случаях.
В течение 10 лет до этого очень
большие частотные
преобразователи удалось сделать такими
маленькими, что стало возможным устанавливать их непосредственно в клеммной
коробке насоса с мокрым ротором. (рисунок 30).
Рисунок 30: Насос с мокрым ротором для системы
отопления с бесступенчатым регулированием частоты вращения DN 40 до DN 80.
Установочная кнопка на клеммой коробке справа устанавливает напор,
поддерживаемый насосом.
Встроенный частотный преобразователь, регулирующий частоту вращения,
заботится о том, чтобы предварительно выставленный напор постоянно поддерживался
на заданном значении, вне зависимости от величины производительности,
климатических условий и области применения насоса (рисунок 31).
Рисунок 31: График рабочей области насоса с мокрым
ротором для системы отопления DN 40 с бесступенчатым регулированием частоты
вращения . При твердо установленном напоре изменяются производительность и
потребляемая мощность с частотой вращения.
Для очень маленьких насосов
бесступенчатое регулирование частоты вращения, уже в течение нескольких лет,
стало возможным с применением другой электронной техники. Для этого
регулирования используемая электроника, а именно устройство обрезания фаз,
сравнима с регулированием димера в области освещения.Приспособление насосов системе
трубопроводов
Известно, что производительность, которую
должен обеспечивать циркуляционный насос системы отопления, зависит от
необходимого количества тепла для отопления здания. Напор определяется
существующим сопротивлением на трение в трубах. При установке новой
системы отопления значения параметров легко рассчитываются по компьютерным
программам, которые сегодня выпускаются высокого качества.
При реконструкции уже существующих
отопительных установок этот расчет будет произвести уже сложнее. Отопительную
нагрузку еще можно определить по различным приблизительным расчетом до некоторой
степени точности; для расчета же потерь в системе трубопроводов нет подобного
приближенного метода.
Производительность насосов
Если в отопительной системе установлен
новый насос с мокрым ротором, то значение его производительности можно
определить по следующей формуле:
где,
V = Производительность насоса
в
рабочей точке в
(м3/ч)
QNGeb = Тепловая
потребность здания по DIN 4701 в (кВт)
Δv = разница температур между подающим и
обратным трубопроводами в(0К)
Умножающий коэффициент 0,86 для пересчета
размерностей 860 ккал = 1 кВт.
В некоторых книгах по специальности
отопление можно найти и обратную величину 1,163 1, 10 кВт/ккал в качестве
дробного коэффициента. Кроме того, умножающий коэффициент содержится в формуле
для учета десятичной степени.
Расчетное
значение или
"Нормальные условия " берется к расчету
для нормальной наружной температуры в месте обогрева здания или оценивается с
приемлемым допуском.Пример расчета
Тепловая потребность среднего дома для
одной семьи старой постройки, согласно выполненному расчету, составляет 23.25
кВт. При разнице температур 20К (Vv = 90°С/Vt =70°С)
необходимая подача получается из:
Если такое же здание отапливать с меньшей
разницей температур, например 5 К с системой обогрева пола, то циркуляционный
насос должен давать четырехкратную производительность, т.е. 4 м3 /ч,
чтобы подавать необходимое количество тепловой энергии от источника производства
тепла к источнику потребления тепла
Допустимое отклонение от расчетных
параметров
Если тепловая потребность здания с
неизвестной системой трубопроводов может определиться только с помощью
приближенных вычислений, то возникает вопрос правильности расчетов после
получения результата . На рисунке 32 показана типичная характеристика мощности
нагревательного элемента для помещений с тепловой мощностью по DIN
4704.
Рисунок 32: Диаграмма мощности нагревательного
элемента. При меньшей подаче снижается скорость воды. Вследствие этого
продлевается время контакта воды в нагревательном
элементе.
В этом рисунке показана следующая
зависимость: если уменьшается производительность V примерно на 10 %, то
нагревательный элемент получает тепловую энергию Q всего примерно на 2 % меньше.
Если увеличить производительность V примерно на 10 %, то нагревательные элементы
будут получать примерно на 2 % больше тепловой энергии.
Причина этого лежит в том, что скорость
воды в нагревательном элементе находиться в непосредственной зависимости от
производительности. Более высокая скорость потока означает более короткое время
взаимодействия жидкости в нагревательном элементе. При снижении скорости потока
остается большее количество энергии переданной жидкостью и больше времени для
передачи тепла в помещение.
Это ошибочно мнение, что
необходимо выбирать насос на основе так называемого
„ Чувства страха " с большими параметрами.
Выбор насоса с нижними параметрами, при сравнении, имеет
незначительные последствия, т. к. даже при производительности 50 % от
максимальной, нагревательный
элемент будет отдавать в помещение около
85 % тепловой энергии.
Напор насосов
Жидкость должна транспортироваться в
любую точку системы отопления, так как напор насоса должен превосходить сумму
всех потерь давления на трение в трубопроводе, т. е. потери напора. Они
рассчитывается по формуле:
Нv = потери напора в
(м)
L = общая длина трубопровода до самого
удаленного нагревательного элемента в (м)
R = сопротивления трения прямой трубы
в(мбар/м)
Z= коэффициенты сопротивления на
фитинги, арматуру, смеситель в(мбар)
q = Плотность воды: 1,0
кг/дм3
g = Ускорение свободного падения: 9,81
м/с2
Однако, как уже было упомянуто, такой
процесс вычисления можно применять только для расчета параметров новых систем.
Для уже существующих систем не возможно точно определить параметры системы
трубопроводов, такие как разветвленность труб и номинальные внутренние диаметры.
Кроме того, подразумевается, что величины R и Z, используемые в формуле расчета
потерь напора, требуют абсолютно новых труб и арматуры. Из-за применения старых
заросших труб принудительные вычисления показали, что эти величины очень сильно
изменяются.Вторая выгода от использования циркуляционных
насосов с электронным регулированием
Современный циркуляционный насос с
электронным регулированием частоты вращения позволяет очень просто устанавливать
необходимый напор на неизвестной установке:
- Для фиксации напора поддерживаемого
насосом используют кнопку электронного регулирования со шкалой или без шкалы, в
зависимости от производителя. Эту кнопку поворачиваю в крайнее левое положение и
начинаю установку с самого малого напора. В месте с неблагоприятной нагрузкой на
нагревательный элемент (самая удаленная точка всей системы
отопления) находится человек с рацией для
наблюдения.
- Само собой разумеется, что система
трубопроводов тщательно сбалансирована и из неё полностью удален воздух. Все
регулирующие нет пли нужно открыть.- После первого сообщения, что горячая
жидкость отопительной системы не достигла этой удаленной точки, медленно
повышают напор поворотом регулятора. При этом обращают внимание на инертность
отопительной системы.
- В тот момент, когда неблагоприятная
(удаленная) точка снабжается тепловой энергией, установка
закончена.
Совместная работа нескольких насосов
Вся прежняя информация относилась к
центробежным насосам с одним рабочим колесом. Но на практика возникают ситуации,
при которых одинарный насос не может выполнять поставленные перед ним задачи В
таких случаях устанавливаются! или два насоса или один большим по мощности. В
зависимости от поставленных задач насосы устанавливают или в последовательном
включении (рисунок 33) или в параллельной включении (рисунок 34).
Рисунок 33: Два одинаковых насоса при
последовательном режиме работы: Только при V = 0 происходит удвоение
напора.
Рисунок 34: Два одинаковых насоса при параллельном
режиме работы: Только при Н = 0 происходит удвоение
производительности.
Но прежде чем обратить внимание на
подробности функционирования насосов следует обратить внимание, на часто
встречающееся заблуждение что, что два одинаковых насоса при последовательном
режиме работы будут давать удвоенный напор и что два одинаковых насоса при
параллельном режиме работы дадут удвоенную производительность
воды.Насосы при последовательном режиме
работы
Если два насоса устанавливаются
последовательно, то характеристика получается, как показано на рисунке 33. Если
насосы работают на закрытую задвижку, то произведенное ими давление
складывается. При нулевой производительности, при работе двух одинаковых
насосов напор удваивается.
При рассмотрении другой крайней точки,
т.е. при отсутствии напора при совместной работе двух насосов, они
не могут транспортировать больше количество жидкости, чем один насос. На
практике получается так. что доля участия каждого насоса в гидравлической работе
получается в виде пропорционального повышения:
На вертикальной оси графика
характеристики насоса, напор имеет обозначение Н и считается, что повышение
напора тем круче, чем левее расположена характеристика сети. На горизонтальной
оси графика характеристики насоса, производительность имеет обозначение V, что
говорит о самом сильном ее повышении в середине характеристики.Первый пример применения: нескольких насосных
контуров
В больших отопительных
установках для техники автоматического регулирования используют несколько отопительных
контуров. Иногда могут быть установлены несколько котлов. Рисунок 35 показывает
пример такой установки: Три контура отопления от НК1 до НКЗ работают независимо
друг от друга. Здесь нужно обращать внимание только на три циркуляционных насоса
UP1 до UPЗ. Каждый из них становится источником компенсации потерь давления.
Каждый из этих трех насосов стоит в ряде с насосом контура котла КР. Они имеет
задание уже в контуре котла превосходить потери давления.
Рисунок 35: Отопительная установка с двумя котлами
и тремя контурами отопления (рисунок из Buderus Heiztechnik).
Предыдущее теоретическое рассмотрение
исходило из установки одинаковых насосов. Но в данной ситуации другой случай.
Каждая из трех комбинаций насосов имеет различную совместную
производительность.
Но существует серьезная опасность при
такой установке, если производительности насосов не согласовываются друг с
другом. Если установлен слишком мощный подающий насос в контуре котла, то его
энергия расходуется не полностью.
Вследствие этого может возникнуть большой
остаточный подпор на всасывающих патрубках оставшихся насосов. И они работают
тогда не как насосы, а как турбины. Вследствие этого появляются неисправности в
работе насосов
и последующие выходы их из строя в самое
ближайшее время. (В рамках этой задачи можно пренебречь гидравлическим
разделением).Второй пример применения: многоступенчатый насос
повышения давления
При подаче воды в больших количествах
обыкновенное рабочее колесо не может обеспечивать необходимый напор. В связи с
этим, стали разрабатываться конструкции многоступенчатых центробежных насосов
повышения давления (рисунок 36). В сущности, это много насосов в одном корпусе.
Самые маленькие типы насосов имеют два последовательно соединенных рабочих
колеса. Рабочие линии на рисунке 37 показывают насосы с 3, 4 и 5 ступенями
рабочих колес. Очень большие типы насосов имеют до 20 ступеней. Они достигают
напора до 250 м и имеют монтажную длину от 1,80 м. Описанный центробежный насос
высокого давления принадлежит исключительно к семье насосов с сухим ротором. В
недавнем времени их удалось оснащать моторами с мокрым ротором, как представлено
на рисунке 36.
Рисунок 36: Многоступенчатый центробежный насос
высокого давления / в разрезе
Рисунок 37: Многоступенчатый центробежный насос
высокого давления / рабочее поле.
Насосы при параллельном режиме
работы
Если два насоса устанавливаются
параллельно друг к другу, то характеристики насосов складываются согласно
рисунку 34. Это говорит о том, что если они работают без нагнетания давления на
открытую трубу, то поддерживаемую ими производительность складывают.
Максимальная производительность при работе двух одинаковых насосов удваивается.
Как уже указывалось, эта точка характеристики является только теоретической
предельной величиной.
При рассмотрении другой крайней точки,
т.е. при нулевой производительности, два насоса не могут обеспечивать напор
больший, чем один насос. На практике получается, что доля участия каждого насоса
в гидравлической работе получается в виде пропорционального
повышения:
На горизонтальной оси диаграммы
характеристик, наносится производительность, обозначаемая V, которая говорит о
том что повышение сильнее, чем правее характеристика сети . На вертикальной оси
наносится напор, обозначаемый Н, который говорит о самом сильном повышении в
середине рабочей линии.
Рисунок 38. Сдвоенный насос с модулями
регулирования.
Третий пример применения: насос основной и
резервный
Смыслом отопления является то, чтобы
греть квартиры в холодное время года. Поэтому будет очень правильно
предусмотреть резервный насос в каждом контуре отопления для увеличения
надежности. Особенно это важно для многоквартирных домов. Но с другой стороны
установка второго насоса требует, дополнительно, необходимую арматуру и прибор
регулирования, что ясно говорит о более высоких финансовых затратах при
установке. Хорошее и простое решение данной проблемы предлагают производители
насосов. Таким решением является сдвоенные насосы (рисунок 38). В едином корпусе
насоса размещены два рабочих колеса с электромоторами.
Рисунок 39: Работа сдвоенного
насоса.
Рисунок 39 показывает возможные варианты
эксплуатации сдвоенного насоса. В режиме работы с резервированием включаются
насос I или II по временном изменении (например, по 24 часа соответственно).
Другой насос в это время стоит. Обратный поток через не работающий насос
предотвращается серийно установленным переключающим клапаном.
Если мощность отопления достигает своего
высшего значения, включаются насосы I и II вместе в совместном режиме работы.
Для этого необходимы управляющие приборы или штекерные модули, которые
устанавливаются просто в клемную коробку современных насосов (как показано на
рисунке 38).
Так как каждый из сдвоенных насосов
смонтирован из двух одинарных насосов, то он является многоступенчатой
переключаемой установкой с широким спектром рабочего поля для приспособления к
отопительной нагрузке (см. рисунок 40). Жирные линии показывают индивидуальную
характеристику при работе каждого из насосов. Пунктирные линии показывают
совместную характеристику при работе двух насосов сразу.
Как описано в начала этого раздела, при
выходе из строя одного из насосов, происходит автоматическое переключение на
готовый к эксплуатации резервный насос.
Четвертый пример применения: Режим пиковой
нагрузки с несколькими насосами
Если в очень больших помещениях требуется
большой объем перекачиваемой жидкости системы отопления, то идут по пути
установки несколько одинарных насосов с неполной нагрузкой. Рассмотрим,
например, больницу с 20 зданиями и центрально расположенной
котельной.
В примере (рисунок 41) установлены четыре
больших циркуляционных насоса для системы отопления параллельно друг к другу. В
зависимости от пиковой нагрузки на систему, насосные установки могут состоять из
одинаковых насосов в количестве от 2 до 6. Справа наверху нарисован блок
управления для регулирования по датчику перепада давления общего постоянного
напора (ΔР conct). При этом абсолютно не имеет значения, какой объем жидкости
проходит через термостатический регулирующий вентиль нагревательного элемента и
сколько насосов из четырех, находятся в работе.
Осуществление функции указанной в примере
происходит следующим образом: Насос основной нагрузки или главный насос Рh будет
бесступенчато регулироваться между максимальной частотой вращения n = 100 % и
минимальной частотой n = 60 %,
по сигналу, полученному от датчика
перепада давления DDG. Вследствие этого производительность при частичной
нагрузке передвигается в области VT1 - < = 25%.
Рисунок 40. Сдвоенный
насос . Характеристика
Если производительность требуется Vt >
25 %, то к главному насосу дополнительно включается первый насос пиковой
нагрузки на полной частоте вращения. Основной насос Рh регулируется далее
бесступенчато таким образом, что производительность устанавливается между 25 % и
50 %. Этот процесс повторяют другие насосы пиковой нагрузки РS2 и РS3,
соответственно, на полной частоте вращения. Максимальная тепловая потребность
всей больницы обеспечивается, если все 4 насоса работают на самой большой
производительности.
Тогда они дают производительность при
полной нагрузке Vv. По такому же принципу выключаются насосы пиковой нагрузки
PS3 до PS1 при уменьшении тепловой нагрузки.
Чтобы достигать по возможности
равномерного периода эксплуатации все циркуляционные насосы, передается задание
как отрегулированный основной насос в ежедневном круговом изменении. При взгляде
на нижнюю диаграмму на рисунке 41 видно, какую экономию можно получить при
использовании такой системы. Для больших установок экономия электроэнергии во
время эксплуатации является преимуществом по сравнению с небольшими затратами на
покупку. Так как четыре маленьких насоса стоят больше чем один большой
насос.
Но эта мысль ошибочна. Так как
электронное регулирование явно дороже насоса. В предложенном примере, каждый
мотор имеет потребляемую мощность от 10 кВт. Электроника с бесступенчатым
регулированием частоты вращения должна работать здесь только на один работающий
мотор. Без разделения на несколько насосов электроника должна была бы
регулировать частоту вращения мотора 40 кВт. И, в конечном счете, установка с
несколькими насосами дает более высокую эксплуатационную надежность при
неисправности в насосе.
Рисунок 41. Четырехнасосная установка с
бесступенчатым регулированием оборотов насосов пиковой
нагрузки
Заключительные положенияНасосная азбука „ Основы техники насосов
" начиналась с ранних открытий и простейших зависимостей и продолжилась
конкретными примерами, в которых было показано, где и как могут применяться
насосы. Нужно было показать комплексные зависимости работы насоса и какие
улучшения работы достигаются прис электронном
регулировании.
- Если рассматривать отопительную
установку в здании как единое целое, то циркуляционный насос, от общей
стоимости, является одним из самый малых по затратам компонентов системы. Однако
только он заботится о том, чтобы все другие узлы системы могли функционировать.
Если сравнивать отопительную систему с телом человека, то можно говорить о том,
что: насос является сердцем установки.
Документация по насосному оборудованию
Основы насосной техники