Дополнения к основам техники насосов

Линия рабочих характеристик насоса и ее форма являются определяющими при ответах на все технические вопросы по эксплуатации установки. Это, прежде всего, относится к отопительным циркуляционным системам, применяемым в домостроительной технике, особенно в тех случаях, когда при установке систем применяются термостатические вентили, и из-за изменения подачи рабочая точка может менять свое положение.
В этом случае при выборе насоса определяющим критерием является его подача, необходимая для передачи максимального количества тепла для покрытия максимальной потребности в тепловой энергии. Если закрывать термостатические вентили на радиаторах отопления, то подача жидкости в радиаторы уменьшится. В соответствии с уменьшившейся подачей на линии рабочих характеристик насоса устанавливается новая рабочая точка, характеризующаяся большим напором.

Пологая линия рабочих характеристик насоса

Если линия рабочих характеристик насоса пологая, то даже очень значительные изменения подачи не приводят к сколько-нибудь существенному изменению напора. Обычно благодаря такой характеристики рабочей линии достигается: отсутствие шумов и то, что не меняются параметры управления.
Насосы с плоской линией рабочих характеристик исполняют по требованию, что при отключении радиаторов отопления пропорционально уменьшается количество воды.

Крутая линия рабочих характеристик насоса

Если линия рабочих характеристик насоса проходит круто, то даже малое изменение подачи ведет к относительно большому изменению напора. Воздействие на термостатические клапаны можно предотвратить, используя соответствующие устройства регулировки мощности насоса. Приборы управления, входящие в программы по выпуску приборов управления и регулировки насосов, предлагают решение проблем в том случае, если при уменьшении подачи нужно автоматически не допустить увеличение напора в зависимости от нагрузки.
Использование насосов с крутой линией рабочих характеристик имеет преимущество в таких установках, где на их работу не оказывают никакого влияния термостатические клапаны, например: обогрев пола или однотрубное отопление, а также там, где при расчетах можно предусмотреть большой запас по отклонению действительной рабочей точки от расчетной.
Поскольку практика показывает, что во всех без исключения случаях фактическое гидродинамическое сопротивление ниже рассчитанного теоретическим путем, получается более плоская линия рабочих характеристик трубопроводной сети. В этом случае более крутые линии рабочих характеристик насосов имеют то преимущество, что рабочая точка (точка пересечения линий рабочих характеристик насоса и трубопровода) сдвигается вправо не слишком сильно и, таких образом, недопустимое повышение подачи будет меньше, чем для насосов с плоской линией рабочих характеристик. Таким образом, уменьшается опасность появления шумов в трубопроводах или арматуре, вызванных большой подачей.

Мощность, потребляемая насосом.

Для того, чтобы точно рассчитать привод насоса и определить эксплутационные расходы или произвести расчет экономической эффективности, необходимо знать, какую мощность насос потребляет в той или иной рабочей точке. Поэтому потребляемая мощность насоса, также как и его гидравлическая производительность, представляются в виде диаграммы. Отмечается зависимость мощности двигателя насоса от подачи.
При максимальной подаче насоса потребляемая насосом мощность достигает максимума.
Для этой точки двигатель насоса рассчитывается в том случае, если эксплуатация насоса предусмотрена по всей протяженности линии его рабочих характеристик.
Насосы с мокрым ротором всегда комплектуются такими двигателями, которые обеспечивают их эксплуатацию по всей протяженности линии рабочих характеристик. Благодаря этому уменьшается количество типов насосов, а это, в свою очередь, упрощает содержание склада запасных частей.
Если расчетная рабочая точка насоса (насосы с сухим ротором) лежит в начале линии рабочих характеристик, то в соответствии с необходимой мощностью может быть выбран менее мощный двигатель. Однако в этом случае существует опасность перегрузки двигателя, если фактическая рабочая точка будет соответствовать большей подачи, чем подача расчетная (линия рабочих характеристик трубопровода более пологая).
Поскольку на практике всегда происходит смещение рабочей точки, двигатель насоса с сухим ротором должен иметь запас мощности, равный 5-20%.
Для расчета эксплутационных расходов насоса необходимо различать мощность, потребляемую насосом Р2 [кВт] и потребляемую мощность двигателя Р1 [кВт].
Указанные данные являются основной для расчета эксплутационных расходов. Если известна только потребляемая мощность Р2, то разделив ее на коэффициент полезного действия двигателя, можно получить потребляемую мощность Р1,
Потребляемая мощность Р1 [кВт] указывается в том случае, если насос и двигатель представляют собой единый конструктивный блок в одном корпусе, как, например, у так называемых насосов с мокрым ротором. Для таких насосов является правилом указывать на типовой табличке насоса оба значения Р1 и Р2. Для агрегатов, где насос и двигатель соединены через муфту или жесткое соединение вала, то есть для насосов с сухим ротором, указывается необходимая мощность вала Р2 [кВт]. Для таких насосов это необходимо уже потом\. что на практике на насосы устанавливаются двигатели различного исполнения, начиная от нормальных IЕС-двигателей до специальных, которые имеют различную потребляемую мощность и коэффициент полезного действия.

Рабочее давление Приточное давление во всасывающем патрубке

Для безотказной работы насоса необходимо, чтобы на входе насоса присутствовало минимальное статическое давление, которое также известно как минимальный уровень статического давления на притоке. При прохождении жидкости через насос данное давление уменьшается вследствие изменения скорости движения перекачиваемой среды в корпусе и в рабочем колесе насоса. Критическим местом является вход на рабочее колесо. Если падение давления настолько велико, что оно становится ниже давления пара жидкости, то это приводит к образованию пузырей пара. Дальнейшее прохождение жидкости рабочего колеса приводит к повышению гидравлического давления в рабочем колесе. В зоне более высокого давления пузырька пара разрушаются, что приводит к повреждению конструктивного материала в этих местах. Данный процесс, называемый кавитацией, можно определить по потрескивающим звукам, которые усиливаются с увеличением кавитации.
При усиливающейся кавитации параллельно с разрушением конструктивных материалов происходит уменьшение мощности насоса, так как насосу приходится перекачивать водно-газовую смесь (пузырьки пара). В целях предотвращения кавитации во всасывающем патрубке насоса всегда должно присутствовать минимальное давление на притоке.
Необходимая величина этого давления зависит от: температуры перекачиваемой среды и от необходимого кавитационного запаса давления (международное обозначение: NPSH) для рабочей точки насоса.
Для небольших насосов (с мокрым ротором) значения необходимого уровня подачи для обычного диапазона температур (с учетом необходимого запаса) представлены в таблицах. Данные значения могут быть напрямую использованы для определения минимального уровня подачи, без проведения каких-либо дополнительных расчетов. Для более крупных насосов (с сухим ротором) необходимо провести расчет, исходя из рабочей точки и рабочей температуры.
Необходимый кавитационный запас давления (NPSH) является особым для каждого насоса и обычно дается производителем в виде кривой на диаграмме рабочих характеристик насоса. Очень велика зависимость от числа оборотов насоса, при неизменной конструкции имеются следующие соответствия: большое число оборотов >большой необходимый кавитационный запас давления малое число оборотов >небольшой кавитационный запас давления
Для более точного расчета рабочей точки, при выборе насоса указанные значения в целях безопасности следует увеличивать на 0,5м.
Что касается необходимого кавитационного запаса давления, то на основании произведенных замеров установлено, что при запасе давления НН допустима минимальная кавитация, которая:

Из-за допустимой кавитации могут появляться кавитационные шумы, которые от части воспринимаются как свидетельство о неисправности.
Для устранения остаточной кавитации необходимо расчетный минимальный уровень подачи увеличить на 5-20 метров. Данная прибавка зависит от числа оборотов и от рабочей точки насоса.

Работа на всасывание нормально всасывающих центробежных насосов

При перекачивании воды температурой до 100°С, например перекачивание холодной и охлаждающей воды, необходимый для насоса минимальный подпор принимает отрицательное значение. Данный факт объясняет очень резким снижением давления при холодной воде.
Насосы с отрицательным минимальным подпором могут работать на всасывание (не в самовсасывающем режиме). Всасывающая способность соответствует приблизительно значению отрицательного минимального подпора за вычетом 1 метра запаса. Поскольку насосы, применяемые обычно в домостроительной технике, не работают в режиме самовсасывания, для обеспечения всасывания необходимо выполнить следующие условия:

Недостаточно ограничиться только обратными клапанами, установленными на напорном проводе, так как при остановке насоса воздух может попасть в него через уплотнение вала (скользящее торцевое уплотнение или сальник).

Всасывающая способность нормально всасывающих насосов лежит в диапазоне 2-4 метра, что обусловлено их конструкцией. Для подачи на большую высоту -макс. 8-9 метров - а также для обеспечения самовсасывания следует использовать специальные насосы.

Кавитация

Под кавитацией - образованием пузырей - понимают взрывообразное образование в жидкости пузырьков пара. Пузырьки возникаю в том случае, если статическое давление жидкости опускается ниже давления пара, соответствующего той или иной температуре. Если после этого статическое давление в направлении движения потока снова поднимается и становится выше давления пара, это приводит к взрывообразной конденсации пузырьков пара.

Предотвращение кавитации

Если статический напор установки, называемый также статическим давлением, будет ниже необходимою для насоса уровня подачи, то необходимо провести такие мероприятия, которые обеспечили бы по крайней мере равновесие. Для этого можно предпринять следующие шаги:

Уплотнения вала

В отличие от насосов с мокрым ротором для насосов с сухим ротором необходимо использовать уплотнение двигателя, чтобы отделить его от перекачиваемой среды.
Уплотнение бывает двух видов: Сальник - традиционное уплотнение вала - требует больших затрат на проведение технического обслуживания и поэтому используется только в насосах, устанавливаемых на фундаментную плиту. В насосах Inline подобное уплотнение может иметь специальное исполнение.
В зависимости от условий эксплуатации необходимы различные сальниковые уплотнения. При нормальном давлении и температуру можно исходить из того, что капеж в количестве 10 капель в минуту обеспечит достаточную смазку сальника. В отдельных случаях необходимо учитывать специальные требования производителя. Стандартный срок службы сальниковых уплотнений должен составлять от одного года до двух лет. Однако если сальниковые уплотнения испытывают очень малую нагрузку, то их служба в течение нескольких лет не является исключением из правил. С другой стороны, экстремальные параметры водной среды (загрязнения, примеси, перегрев и т.д.) могут значительно сократить срок службы сальника.
Во избежание повреждений вала агрессивной перекачиваемой средой или неправильным обращением с сальником необходимо использовать вал с защитой.
Для всех насосов с сухим ротором и фланцевым соединением наиболее часто используется скользящее торцевое уплотнение. При функционировании насоса не наблюдается потеря воды и не требуется проведения никакого технического обслуживания на протяжение всего срока службы скользящего торцевою уплотнения. Средний срок его службы составляет от года до двух, максимум трех при нормальных условиях эксплуатации и характеристиках воды. Экстремальные параметры водной среды (загрязнения, примеси, перегрев и т.д.) могут значительно сократить срок службы скользящего торцевого уплотнения. В таких случаях следует согласовать с производителем целесообразность использования такого типа уплотнений или его специальное исполнение, которое: работает независимо от направления вращения благодаря сильфону плотно сидит на валу (при износе скользящего торцевого уплотнения происходит его автоматическая регулировка с помощью встроенной пружины) обеспечивает оптимальный эффект смазки благодаря сочетанию жестких и мягких материалов (керамика или твердый металл и уголь) смонтировано на его защитном патроне вала, изготовленном из бронзы или нержавеющей стали.

Внимание:

Сальниковые уплотнения и скользящие торцевые уплотнения являются частями, подвергающимися износу. По этой причине эксплуатация в режиме сухого хода недоступна, поскольку в обоих случаях ведет к разрушению уплотнений.

Насосы, имеющие двигатель с разделительным стаканом

Конструкция

Насосы, оснащенные электродвигателем с разделительным стаканом, представляют собой насосы с мокрым ротором, в которых все движущиеся части внутри электродвигателя омываются перекачиваемой средой. Таким образом, здесь нет нужды использовать необходимые для других типов насосов уплотнительные элементы вала, какие как сальник или скользящее торцевое уплотнение. Перекачиваемая среда служит, с одной стороны, в качестве смазки для подшипников мотора (подшипник скольжения), а с другой стороны, как охлаждающая среда для внутренней полости ротора. От внешней среды или обмотки двигателя эта, так называемая, мокрая полость отделена разделительным стаканом. Данный разделительный стакан имеет среднюю толщину стенки от 0,1 мм до 0,3 мм и выполнен из немагнитной высоколегированной стали. Статическое уплотнение разделительного стакана производится, как правило, с помощью кольцевого уплотнения.

Функция / Признак

Однозначным преимуществом данной конструкции является то, что она совершенно не требует технического обслуживания. Нет необходимости производить центровку и рихтовку, замену уплотнительных элементов, напротив, насос безукоризненно функционирует на всем протяжении срока его эксплуатации. Особо следует отметить плавность хода данной конструкции. Кроме виброгасящих свойств воды, в которой вращаются части насоса, данный эффект достигается за счет использования в роторе подшипников скольжения. Благодаря этому исчезают все шумы, возникающие при использовании подшипников качения, например шарикоподшипников.
Данный конструктивный элемент значительно влияет не только на плавность хода, но и на продолжительность службы насоса и число его неисправностей. Исполнение подшипниковой опоры является одним из важнейших конструктивных признаков насосов с мокрым ротором. Наряду с конструктивным исполнением, решающую роль для надежности в эксплуатации играет сочетание конструктивных материалов, применяемых в подшипниках. Свою эффективность на практике показали следующие комбинации: Керамический вал/керамический подшипник, вал из закаленной хромовой стали/ угольный подшипник.
Керамическая подшипниковая опора: вал и подшипник изготовлены из одного и того же материала. Хотя данное сочетание материалов противоречит традиционной теории подшипников, однако, благодаря чрезвычайно твердому, но хрупкому материалу -алюминиево-оксидной керамике - при оптимальной смазки достигается очень незначительный износ подшипников. Однако при отсутствии достаточного количества смазки, например при работе в режиме сухого хода вследствие скопления воздуха или образования пара при перегреве, уже через короткий промежуток времени существует опасность блокировки. Сюда следует добавить довольно высокую чувствительность керамического вала к механическим нагрузкам, возникающим, например, при ударах во время транспортировки или при попытках деблокирования с помощью отвертки, что может привести к разрушению вала.
Подшипниковые опоры из двух материалов: вал из закаленной хромовой стали / угольный подшипник - в противоположность к вышеописанному, металлизированный угольный подшипник обладает очень высокой устойчивостью к работе на сухом ходу и в аварийном режиме. Следует также отметить исключительную устойчивость закаленного стального вала к ударам и сотрясениям.

Срок службы

На основании многолетней практической работы с миллионами насосов были получены статические данные о том, что при нормальных условиях эксплуатации и в зависимости от конструкции продолжительность службы насосов составляет от 40.000 до 70.000 моточасов. Это соответствует в среднем 8-12 годам эксплуатации при нормальном отопительном режиме. Оптимальная работоспособность данной конструкции подчеркивается еще и тем, что большее число насосов с мокрым ротором работают более 15, а некоторые и до 20 лет (свыше 100.000 моточасов), не ломаясь и не требуя технического обслуживания. Насосы с мокрым ротором нынешнего поколения имеют еще одну особенность: возможность регулировки числа оборотов приводных двигателей. Переключение числа оборотов может производиться с помощью установленного переключателя вручную, либо автоматически через специально подобранный прибор управления.

Эксплуатация сдвоенных насосов

Условия использования / вид эксплуатации

С учетом эксплутационных особенностей, следует отметить:

Эксплуатация одинарных / сдвоенных насосов

Сдвоенные насосы используются в следующих режимах:

Использование сдвоенных или двух одинарных насосов с Y -образными трубами в качестве главного и резервного насосов является традиционным и наиболее широко распространенным. Здесь всегда имеется один резервный насос, который в случае неисправности может взять на себя всю работу главного. Это особенно важно для того, чтобы не допустить перебоев в снабжении потребителей даже на короткое время, например: больницы, промышленные предприятия, садоводческие предприятия и т.д. Эксплуатация сдвоенных насосов как насосов основной и пиковой нагрузки дает возможность снизить эксплуатационные расходы. Здесь для обеспечения полной мощности, то есть полной расчетной мощности (по DIN 4701) необходимая работа сразу двух насосов. Для обеспечения частичной мощности (частичная нагрузка), например на протяжении большей части отопительного сезона или в ночное время, достаточно работать только одному насосу. Дальнейшая дифференциация производительности возможна благодаря тому, что оба одинарных насоса рассчитываются на разную мощность. В случаях неисправностей для покрытия частичной нагрузки всегда имеется 100-процентный резерв, а для покрытия полной нагрузки в период непродолжительных холодов имеемся так называемый аварийный резерв, который обеспечивает уровень теплоснабжения, близкий к достаточному.

Принцип частотного преобразования.

К асинхронным моторам центробежных насосов подключается электронный частотный преобразователь. Цель регулирован, скорость в соответствии с переменным током, путем преобразования напряжения и частоты в сети в диапазоне 380-440V ±6% при 50 / 60 Hz в единую систему трехфазного напряжения частот и изменяемых амплитуд. Частотный преобразователь позволяет таким образом контролировать скорость мотора.
Одновременное воздействие на частоту и напряжение осуществляется благодаря 2 основным устройствам:

Выпрямитель - это диодный мостик. Переменное напряжение, достигая диодного мостика, превращается в постоянное напряжение, называемое «выпрямленным». На этом этапе, для того чтобы улучшить качество напряжения на выходе из выпрямителя установка из конденсаторов и катушки индуктивности позволяют избежать легкого остаточного колебания, после выпрямителя. Таким образом мы получаем сглаженное постоянное напряжение, называемое «постоянной магистралью». В дополнение к этому изменению инвертор окончательно регулирует напряжение на выходе из частотного преобразователя с тем, чтобы оптимизировать намагничивание мотора. Постоянное напряжение при входе в инвертор трансформируется транзисторами в переменное напряжение в форме импульсов по времени. Этот принцип называется модуляцией ширины импульсов. Эти транзисторы управляются микроконтроллером, который их включает либо выключает, чтобы изменять частоту на выходе из частотного преобразователя. Транзисторы (IGTB:Insulated Gate Bipolar Transistor) играют роль выключателей, чтобы превращать постоянное напряжение в переменное. Частота их включения позволяет изменять величины напряжения и амплитуды частот. Частота их включений должна быть высокой, чтобы избежать шума, появляющегося при намагничивании (частота, не воспринимаемая человеческим ухом: 8-16 кНz).

Документация по насосному оборудованию

Дополнения к основам техники насосов.

Форма линий рабочих характеристик насоса.