Завод производит насосы

      Эффективность Насоса—Что Такое Эффективность?


      В этой серии из нескольких частей мы рассмотрим несколько аспектов эффективности центробежного насоса. Во-первых, я определю эффективность и приведу несколько примеров. Далее я рассмотрю некоторые критерии проектирования, которые в конечном счете определяют эффективность, демонстрируемую конкретным насосом.

      Я также постараюсь сделать эту несколько туманную величину, известную как удельная скорость, более значимой. Я проиллюстрирую его влияние на форму кривой производительности насоса и общую эффективность насоса. 


      Далее я объясню вклад отдельных компонентов насоса в общую эффективность насоса и покажу, почему совокупная эффективность насоса и его привода является продуктом, а не средним значением двух показателей эффективности. 

      Также будет рассмотрено, как можно сохранить эффективность насоса, изменив скорость рабочего колеса, а не уменьшив его диаметр. Затем я сравню значение максимальной эффективности с шириной эффективности в диапазоне потоков. Обсуждение закончится обсуждением важности, а иногда и неважности эффективности в том, что касается конкретного приложения или процесса.

      Что Такое Эффективность Насоса?
      Когда мы говорим об эффективности любой машины, мы просто имеем в виду, насколько хорошо она может преобразовывать одну форму энергии в другую. Если на машину подается одна единица энергии, а ее производительность в тех же единицах измерения составляет половину единицы, ее КПД составляет 50 процентов. 

      Каким бы простым это ни казалось, оно все равно может быть немного сложным, потому что единицы измерения, используемые нашей английской системой измерения, могут быть совершенно разными для каждой формы энергии. К счастью, использование констант обеспечивает эквивалентность этим в остальном различным величинам.

      Распространенным примером такой машины является тепловой двигатель, который использует энергию в виде тепла для производства механической энергии. В это семейство входит много членов, но двигатель внутреннего сгорания-это тот, с которым мы все знакомы. Хотя эта машина является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, ее эффективность в преобразовании энергии намного меньше, чем мы могли бы ожидать. 


      КПД типичного автомобильного двигателя составляет около 20 процентов. Иными словами, 80 процентов тепловой энергии в галлоне бензина не выполняет никакой полезной работы. Хотя с годами расход бензина несколько увеличился, это увеличение связано как с повышением механической эффективности, так и с повышением эффективности самого двигателя. 

      Дизельные двигатели работают лучше, но все равно расходуют максимум около 40 процентов. Это увеличение обусловлено, в первую очередь, его более высокой степенью сжатия и тем фактом, что топливо под высоким давлением впрыскивается непосредственно в цилиндр.

      В насосной промышленности большая часть работы связана с двумя чрезвычайно простыми, но эффективными машинами—центробежным насосом и асинхронным двигателем переменного тока. Центробежный насос преобразует механическую энергию в гидравлическую энергию (поток, скорость и давление), а двигатель переменного тока преобразует электрическую энергию в механическую энергию. 

      Многие средние и большие центробежные насосы обеспечивают КПД от 75 до 93 процентов, и даже меньшие насосы обычно находятся в диапазоне от 50 до 70 процентов. С другой стороны, большие двигатели переменного тока достигают КПД 97 процентов, и любой двигатель—мощностью десять лошадиных сил и выше—может быть спроектирован так, чтобы преодолеть 90-процентный барьер.

      Общая эффективность центробежного насоса-это просто отношение мощности воды (выходной) к мощности вала (входной), что иллюстрируется приведенным ниже уравнением:


      Ef = PW / ПС

      Где:

      Ef= эффективность

      Pw= мощность воды

      Ps= мощность вала

      В США Ps-это мощность, подаваемая на вал насоса в тормозных лошадиных силах (л. с.), а Pw-это:

      Pw = (Q х В) / 3960

      Где:

      Q= Расход (галлоны в минуту—GPM) 

      H= Голова (ноги)

      Константа (3960) преобразует произведение расхода и напора (GPM-футов) в BHP. Эти уравнения предсказывают, что насос, производящий 100 г / мин при 30 футах напора и требующий 1 л. с., будет иметь общую эффективность 75,7 процента в этой точке потока. Расширение второго уравнения также позволяет рассчитать мощность, требуемую в любой точке кривой производительности насоса, если мы знаем его гидравлическую эффективность. Я покажу несколько примеров этого позже в этой серии.

      Как Достигается Эффективность Насоса?
      Общая эффективность центробежного насоса является результатом трех отдельных показателей эффективности—механической, объемной и гидравлической. Механическая эффективность включает потери в несущей раме, сальниковой коробке и механических уплотнениях. Объемный КПД включает потери из-за утечки через износные кольца, балансировочные отверстия и зазоры между лопастями в случае полуоткрытых рабочих колес. Гидравлическая эффективность включает жидкостное трение и другие потери в спирали и крыльчатке.

      Хотя механические и объемные потери являются важными компонентами, гидравлическая эффективность является самым большим фактором. Центробежный насос имеет много общего с асинхронным двигателем, когда дело доходит до этапа проектирования. Общность заключается в том, что оба имеют только два основных компонента, которые могут быть изменены разработчиком. В случае двигателя это ротор и статор. Для центробежного насоса это рабочее колесо и спираль (или диффузор). Давайте начнем наше исследование эффективности центробежного насоса с рабочего колеса.

      Законы сродства довольно много говорят нам о внутренней работе импеллера. Мы знаем, что для любого данного рабочего колеса создаваемый им напор изменяется в квадрате изменения скорости. Увеличьте скорость вдвое, и напор увеличится в четыре раза. Если вы поддерживаете постоянную скорость, то то же правило справедливо и для небольших изменений ее диаметра. 

      Поток через рабочее колесо следует аналогичному правилу, но в этом случае его изменение прямо пропорционально изменению скорости или диаметра—удвойте скорость или диаметр, и поток удвоится. На самом деле изменение скорости вращения или диаметра рабочего колеса относится к его окружной скорости или скорости, в футах в секунду, точки на его периферии. Именно эта скорость определяет максимальный напор и расход, достижимые любым рабочим колесом.

      Напор, создаваемый рабочим колесом, почти полностью зависит от его окружной скорости, но на поток влияют несколько других факторов. Очевидно, что ширина и глубина (площадь поперечного сечения) проточных каналов (лопастей) и диаметр проушины рабочего колеса являются важными факторами, поскольку они определяют легкость, с которой некоторый объем воды может проходить через рабочее колесо. 

      Другие факторы, такие как форма лопасти, также влияют на производительность рабочего колеса. Но с чего начать, если вы хотите спроектировать крыльчатку с нуля? Вы делаете дикие предположения о размерах и формах, делаете несколько образцов, а затем тестируете их? 

      В первые дни именно это и делали разработчики насосов. Однако сегодня они могут опираться на многолетний опыт и, как минимум, найти подходящую отправную точку для проектирования. Эта отправная точка-определенная скорость. В следующем месяце мы исследуем конкретную скорость и то, как она может предсказать производительность конкретного рабочего колеса.

      Производительность Центробежного Насоса — Удельная Скорость


      Ранняя конструкция центробежного насоса находилась под сильным влиянием турбинной технологии в середине-конце 1800-х годов. Удельная скорость была впервые применена к центробежным насосам в конце 1800-х годов и представляла собой модифицированную версию насоса, разработанного для водяных турбин. Многие разработчики насосов считают, что удельная скорость является наиболее важным фактором, влияющим на конструкцию центробежного насоса. Это позволяет использовать существующие конструкторские и испытательные данные для проектирования аналогичных насосов с более высоким и низким расходом, поскольку удельная скорость насоса не зависит от его размера.

      Порядковый Номер
      Как заявил Терри Хеншоу в “Удельная скорость центробежного насоса” (Насосы и системы, сентябрь 2011 г.), определение удельной скорости может привести к путанице. Лучше всего думать об этом как об индексном номере, который может предсказать определенные характеристики насоса. Рассматриваемая таким образом, определенная скорость может быть полезна при выборе насоса для конкретного применения и прогнозировании преждевременного выхода из строя из-за работы в точке наилучшей эффективности (BEP). 


      На рисунке 1 показана зависимость численного значения удельной скорости от геометрического профиля рабочего колеса.

      Рисунок 1. Сравнение профилей насосов (любезно предоставлено www.pumpfundamentals.com)
      Более низкие значения (от 500 до 1500) слева от рисунка описывают геометрию рабочего колеса с радиальной лопастью, в то время как более высокие значения (9000 и выше) справа от рисунка соответствуют истинным рабочим колесам с осевым потоком (пропеллерам). Рабочее колесо с радиальной лопастью выпускает 100 процентов своего потока перпендикулярно всасыванию, обычно с низким отношением расхода к напору. 

      Рабочее колесо с осевым потоком выпускает 100 процентов своего потока вдоль той же оси, что и его всасывание, с высоким отношением расхода к напору. Рабочие колеса со смешанным потоком (от 4000 до 8000) обладают как радиальными, так и осевыми характеристиками, разгружаясь между радиальным и осевым углами с соотношением высокого расхода к умеренному напору. 

       

      Те, что находятся между радиальным и смешанным потоком (от 1700 до 3500), известны как лопастные рабочие колеса Фрэнсиса. Эта конструкция разряжается радиально, но переход от входа к выходу происходит более постепенно и обеспечивает максимальную эффективность. Изображения поперечного сечения на рисунке 1 показывают, что с увеличением удельной скорости диаметр входного отверстия рабочего колеса или отверстия увеличивается и в конечном итоге приближается или равен диаметру выходного отверстия лопасти. Проточные каналы также увеличиваются в размерах с соответствующей скоростью.

      Конструкция Насоса

      Хотя это хорошее сравнение, разработчики насосов могут усомниться в его полезности. Было разработано уравнение (показано ниже), которое связывает удельную скорость и соответствующую ей геометрию с реальными прикладными значениями напора, расхода и скорости вращения.

       

      Ns = n x √Q / Ч0.75

      Где: 

      Ns= удельная скорость


      n= частота вращения насоса (об / мин)

      Q= расход (галлоны в минуту)

      H= голова (ноги) 

       

      Это уравнение можно использовать для определения того, какая конструкция рабочего колеса наилучшим образом соответствует требованиям приложения.

      Геометрическая Конструкция Рабочего Колеса
      Необходима крыльчатка, которая будет производить 900 галлонов в минуту (gpm) на высоте 190 футов. Если эти значения введены как Q и H в уравнение со скоростью двигателя 3600 об / мин, удельная скорость составляет 2110. Геометрия будет аналогична крыльчатке лопасти Фрэнсиса (рис. 1 в точке 2000). 

      Если скорость двигателя будет снижена до 1800 об / мин, для того же потока и напора потребуется рабочее колесо с определенной скоростью 1055 об / мин. Его геометрия была бы аналогична радиальному лопастному рабочему колесу (ниже 1000 точек). При 1200 об / мин удельная скорость составляет 703, и рабочее колесо будет выглядеть как гибрид двух рабочих колес, показанных слева на рисунке 1. Удельная скорость прямо пропорциональна скорости вращения, когда напор и поток остаются постоянными. Однако удельная скорость одной конструкции рабочего колеса не меняется при изменении скорости вращения. Он остается постоянным, потому что поток и напор изменяются в соответствии с законами сродства.

      Производительность Насоса
      На рисунке 2 показано, как определенная скорость может обеспечить прогнозирование производительности конструкции рабочего колеса. Опыт подсказывает, что эффективность насоса достигает максимума при определенных скоростях от 2000 до 3000, хотя благоприятная эффективность может наблюдаться практически при любой определенной скорости. Кроме того, область вокруг BEP имеет тенденцию быть более плоской и широкой по мере уменьшения удельной скорости. 

      эффективность ump также повышается с увеличением частоты вращения насоса, особенно при высоких скоростях. Увеличение не так заметно при 3600 оборотах в минуту и ниже. Удельная скорость также влияет на форму кривой производительности головки. Низкие удельные скорости (от 500 до 1500) создают плоские кривые. Высокие скорости (6000 и выше) создают крутые повороты. Промежуточные скорости создают кривые между крайними значениями. Форма кривой будет обсуждаться далее в другой колонке. 

       

      Кривая мощности
      Удельная скорость обеспечивает еще одно предсказание—характеристики кривой мощности. При определенных скоростях ниже 4000 мощность падает по мере уменьшения расхода и находится на минимальном уровне при отключении напора. Кривая мощности остается относительно плоской, по всей кривой мощности головки-между 4000 и 4500—и поднимается к отключению при определенных скоростях 5000 и выше. При скоростях выше 9000 кривая мощности становится чрезвычайно крутой и почти совпадает с кривой мощности головки.

      Размеры рабочего колеса
      Как только геометрия рабочего колеса выбрана, проектировщик насоса может провести математический анализ, который позволит ему определить все размеры и углы рабочего колеса, необходимые для соответствия проектной точке. Это трудная задача. Чтобы ознакомиться с исчерпывающим примером того, как это делается, см. страницы 2.23 - 2.31 второго издания Руководства по насосам.

      Эффективность Центробежного Насоса—Индивидуальная Эффективность

      Гидравлическая Эффективность
      Форма и расстояние между лопастями рабочего колеса влияют на общую эффективность насоса. Хотя идеальное рабочее колесо имело бы бесконечное количество лопастей, реальный мир ограничивает нас пятью-семью для насосов для чистой воды и еще меньшим количеством для насосов, которые обрабатывают более крупные твердые частицы. 

      Кроме того, поток всегда будет точно параллелен поверхностям лопастей, но этого тоже не происходит. Как ни странно, если проектировщик следует некоторым хорошо документированным правилам, потери эффективности лопастей рабочего колеса остаются относительно низкими (около 2,5 процента) в определенном диапазоне скоростей (Нс) от 500 до 7000.


      Трение диска, вызванное контактом жидкости с кожухами рабочего колеса и поверхностями ступицы, может снизить эффективность рабочего колеса еще на 4-15 процентов при определенных скоростях ниже 2000, но снижается до 2 процентов или менее при определенной скорости 3000 и выше. В зависимости от своей конструкции рабочее колесо может снизить общую эффективность насоса всего на 4,5 процента или на целых 17,5 процента.

      Спираль также играет важную роль в эффективности насоса. При определенных скоростях ниже 2000 потери на трение варьируются от 1 до 2,5 процента, но потери могут приближаться к 10 процентам при определенной скорости 5000 и выше. Как правило, конструкция спирали начинается с горловины (см. рисунок 1). 

      Его площадь поперечного сечения будет определять скорость потока из спирали. Поток через горловину и другие части корпуса следует закону постоянного углового момента. Поэтому дизайнер постарается избежать резких изменений в его почти круглой геометрии, постепенно увеличивая его объем. 

      Рисунок 1. Спираль насоса

      Другой критической областью спирали является зазор между внешней окружностью рабочего колеса и окружностью язычка спирали или среза воды. По мере увеличения этого расстояния все больший объем жидкости выходит из горловины спирали и возвращается обратно в корпус спирали. Наименьшее расстояние, которое не вызывает пульсаций давления при прохождении лопасти, обеспечит наилучшую эффективность. Как правило, от 5 до 10 процентов радиуса рабочего колеса, как правило, является безопасным значением. В следующем разделе это объясняется более подробно, сравнивая эффективность, получаемую в результате обрезки рабочего колеса, с изменением скорости его вращения.
      Объемная Эффективность

      Является ли объемный КПД центробежного насоса функцией спирали или рабочего колеса спорным (вероятно, это и то, и другое), но я включу его влияние здесь. Объемный КПД представляет собой мощность, теряемую из-за утечки потока через изнашиваемые кольца, передние зазоры лопастей полуоткрытых рабочих колес и балансировочные отверстия в заднем кожухе. 

      Утечка обычно увеличивается с уменьшением удельной скорости, расхода или их комбинации. Например, при определенной скорости 500 и потоке 100 галлонов в минуту утечка может составлять до 7 процентов от общей потребляемой мощности. При скорости 2000 галлонов в минуту она снижается примерно до 2 процентов. При более высоких удельных скоростях и потоках объемные потери могут составлять всего 1 процент.<--взлом страницы-->
      Механическая Эффективность
      Заключительной частью головоломки эффективности насоса являются механические потери, хотя некоторые из этих потерь не всегда включены в опубликованные кривые эффективности. В случае насоса, установленного на раме, эти потери вызваны подшипниками вала и механическим уплотнением или уплотнением. Для насосов с тесной связью потери в подшипниках учитываются в КПД двигателя. Опять же, эмпирическое правило следует за правилом объемной эффективности, и потери увеличиваются по мере уменьшения расхода и/или удельной скорости. 

      Если использовать те же значения удельной скорости и расхода, что и в приведенном выше объемном примере, мы могли бы ожидать потерь в размере 5% и 1% для насоса, установленного на раме. При более высоких удельных скоростях и потоках механические потери могут упасть ниже 1 процента.

      Рисунок 2. Упрощенная общая эффективность
      Комбинированная Эффективность

      При рассмотрении общей эффективности работающего насоса необходимо учитывать эффективность привода, и во многих случаях этим приводом будет электродвигатель. Когда в декабре 2010 года вступил в силу Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 года, он повысил планку эффективности двигателя. Сегодня все новые двигатели должны соответствовать высоким стандартам эффективности. 

      Очевидно, что двигатель с более высокой эффективностью повысит общую эффективность насосной системы, но на сколько? Как мы рассчитываем совокупную эффективность насосов и двигателей?

      Когда я задаю этот вопрос на занятиях по гидравлике, здравый смысл подсказывает, что это среднее значение двух показателей эффективности. В конце концов, эффективность двух или более насосов, работающих параллельно, равна среднему значению их индивидуальной эффективности в их рабочих точках. 

      Однако, когда машины работают последовательно, их совокупная эффективность отличается. Точно так же, как общая эффективность центробежного насоса является результатом нескольких различных внутренних коэффициентов полезного действия, так и общая эффективность насоса и его привода. 

      Общий КПД электродвигателя и центробежного насоса (КПД от провода до жидкости или КПД от провода до воды) является результатом отдельных КПД. Иногда это трудно визуализировать из-за единиц измерения, используемых для вычисления двух показателей эффективности. Рисунок 2 упрощает это, используя единую единицу измерения, которую можно использовать для описания работы любой машины. Эта единица представляет собой “мешок” энергии. 

      В этом примере двигатель потребляет 10 мешков и производит 9 мешков, поэтому его КПД составляет 90 процентов. Насос потребляет 9 мешков, предоставляемых двигателем, и производит 7, поэтому его эффективность составляет 78 процентов. Таким образом, на каждые 10 мешков энергии, потребляемых двигателем, насос производит 7 мешков, а общая эффективность системы составляет 70 процентов (7 мешков / 10 мешков).  

      Это подтверждает, что произведение двух отдельных показателей эффективности является общей эффективностью системы (90 процентов х 78 процентов = 70 процентов). Если эта система управляется VFD с эффективностью 97 процентов, общая эффективность будет снижена до 68 процентов (на полной скорости, 60 Гц). Эта более низкая эффективность является результатом трех отдельных показателей эффективности.

      Эффективность центробежного насоса—Сохранение эффективности


      Производительность центробежного насоса с обрезанным рабочим колесом будет соответствовать законам сродства до тех пор, пока эта обрезка относительно мала. Многие эксперты рекомендуют уменьшить максимальный диаметр конструкции не более чем на 10 процентов, но, если посмотреть на типичный набор кривых каталога производителя, можно найти обрезки от 30 до 35 процентов.

      В части 3 этой серии я рассмотрел вклад спирали в гидравлическую эффективность. Важной частью спирали является язык, или срезанная вода. Его цель состоит в том, чтобы поддерживать поток в горловину, сводя к минимуму рециркуляцию обратно в корпус. Оптимальный зазор между язычком и периферией рабочего колеса-это наименьшее расстояние, которое не вызывает пульсаций давления при прохождении наконечника лопасти. Хорошо спроектированный насос будет иметь полноразмерное рабочее колесо, соответствующее этим критериям зазора. Когда рабочее колесо обрезается, это расстояние увеличивается и позволяет большему количеству жидкости рециркулировать обратно в корпус. По мере увеличения рециркуляции гидравлическая эффективность снижается.
      Влияние отделки рабочего колеса

      На рисунке 1 показаны кривые каталога для центробежного насоса с 9-дюймовым полноразмерным рабочим колесом и несколькими планками.В точке наилучшего КПД (BEP) гидравлический КПД составляет 77 процентов для 9-дюймового рабочего колеса. При урезании до 8 дюймов (11 процентов) эффективность BEP снижается до 74 процентов. 23 - процентная обрезка (7 дюймов) снижает эффективность BEP до 70 процентов, а 33-процентная обрезка (6 дюймов) снижает ее всего до 62 процентов. Хотя на графике это не показано, если бы обрезка составляла всего 6 процентов (8,5 дюйма), эффективность BEP оставалась бы на уровне 77 процентов.  Планки, показанные на кривых каталога производителя, являются допустимыми планками, не обязательно самыми разумными. 

      Хотя снижение эффективности на 3 процента может быть приемлемым в некоторых приложениях, снижение на 7 и 15 процентов редко должно быть приемлемым. Если вам нужно так сильно обрезать рабочее колесо, чтобы оно соответствовало требованиям приложения, пришло время рассмотреть насос меньшего размера.

       

      Рисунок 1. Кривые каталога для центробежного насоса с 9-дюймовым полноразмерным рабочим колесом и несколькими планками 
      Измененная Скорость
      Альтернативой обрезке рабочего колеса является изменение скорости вращения рабочего колеса. Этого можно достичь многими способами. На рисунке 2 показан один и тот же насос с четырьмя различными кривыми скорости, которые были выбраны в соответствии с планками, показанными на рисунке 1. Эти изменения скорости были произведены частотно-регулируемым приводом (VFD), поэтому кривые обозначены в Герцах. Другие варианты изменения скорости включают ременные передачи и регулируемые магнитные муфты.


      В результате эффективность BEP остается на уровне полной скорости (диаметр) (77 процентов) в широком диапазоне скоростей. Это происходит потому, что зазор между периферией рабочего колеса и язычком остается неизменным, а рециркуляция ограничена расчетными условиями. Законы сродства также справедливы во всем этом диапазоне.

      В следующем месяце в пятой части этой серии будет проведено сравнение влияния максимальной эффективности BEP по сравнению с широким диапазоном высокой эффективности. Это также покажет, как ширина кривой эффективности насоса может повлиять на работу как с фиксированной, так и с переменной скоростью.

       

      Рисунок 2. Тот же насос с рисунка 1 с четырьмя кривыми скорости

      Примечание:


      В части 2 этой серии “Удельная скорость центробежного насоса” (март 2012 г.) я забыл упомянуть, что в некоторых частях Европы при расчете удельной скорости (Ns) для насосов с двойным всасыванием используется альтернативный метод. 

      Европейский метод использует половину потока BEP. В США мы используем полный поток независимо от конструкции насоса. Когда Ns рассчитывается с использованием половины потока BEP, результат равен 0,707 от полного расчета потока.

      Эффективность центробежного насоса — Форма кривой и ширина эффективности
      Формы кривых показывают диапазон максимальной эффективности насоса.


      Форма Кривой
      В части 2 я показал влияние удельной скорости (Нс) на форму кривой производительности насоса и его максимальную эффективность. Типичная кривая производительности является относительно плоской при низких значениях Ns и становится более крутой по мере увеличения Ns. Эффективность насоса самая низкая при низких значениях Ns (500 и ниже) и увеличивается с увеличением Ns. Он достигает своего максимума в диапазоне от средних до высоких 2000 и начинает снижаться выше 3000. Однако снижение выше 3000 намного меньше, чем ниже 1000.

      На рисунке 1 сравнивается форма кривой четырех насосов с различными удельными скоростями. Он также показывает процентное увеличение напора от точки наилучшей эффективности (BEP) до отключения. Как показано, наклон кривой увеличивается с увеличением Ns. Черная кривая (Ns = 600) относительно плоская, и этот пример фактически уменьшается по мере приближения к отключению.

      Рисунок 1. Сравнение форм кривых четырех насосов
      Рисунок 1. Сравнение форм кривых четырех насосов
       


      Синяя кривая (Ns = 3600) также непрерывно растет, но демонстрирует увеличение головы на 55 процентов. Красная кривая (Ns = 5700) чрезвычайно крутая, и головка увеличивается на 100 процентов от BEP до выключения. Более крутые кривые обычно обеспечивают больший диапазон регулирования при работе с регулируемой скоростью при некотором фиксированном перепаде высот или напоре. Эти насосы могут быть проблематичными при параллельной работе или запуске при различных условиях напора системы. Зеленая кривая (Ns = 2500) непрерывно повышается по мере приближения к выключению, и головка увеличивается примерно на 35 процентов от BEP до выключения. 

      Более плоские кривые прекрасно работают в сквозных приложениях до тех пор, пока статический или напорный напор остается относительно постоянным. Они также хорошо работают в системах циркуляции с замкнутым контуром (и в большинстве систем с разомкнутым контуром) при работе с регулируемой скоростью.

      Хотя показанные кривые представляют форму, которую конечные пользователи могут ожидать для этих значений Ns, они не отлиты из камня. Например, насосы с определенным диапазоном скоростей от 900 до 1200 могут быть чрезвычайно плоскими, или они могут демонстрировать увеличение напора на 15-20 процентов по мере приближения к отключению. То же самое относится и к насосам в диапазоне от 1500 до 2000. Они могут быть относительно плоскими или демонстрировать подъем головы на 20-30 процентов. Фактические условия будут зависеть от индивидуальной конструкции насоса.

       

      Широта эффективности
      Например, центробежный насос 2 x 2,5 x 8 с эффективностью BEP 70 процентов при 200 галлонах в минуту (GPM) снижается до 63 процентов при потоках ниже 190 GPM или более 210 GPM. Поскольку насосы редко работают при BEP, широкий диапазон высокой эффективности может привести к ошибкам проектирования и потенциальным изменениям в системе.Все насосы достигают максимальной эффективности при BEP, но диапазон максимальной эффективности может значительно варьироваться от модели к модели. Некоторые насосы—особенно модели с низким расходом—демонстрируют узкий диапазон BEP, и как только расход выходит за пределы этого диапазона, эффективность быстро падает. 

      На рисунке 2 показаны кривые переменной скорости для насоса с удельной скоростью 1654. Он демонстрирует увеличение скорости отключения примерно на 30 процентов и широкий диапазон высокой эффективности.

      Рисунок 2. Кривые переменной скорости для насоса с удельной скоростью 1654
      Рисунок 2. Кривые переменной скорости для насоса с удельной скоростью 1654

       

      При работе поперек линии (кривая 60 Герц) этот насос будет поддерживать свою эффективность BEP на уровне 86 процентов от 1500 до 1750 GPM. Изменение напора в этом диапазоне составляет около 17 футов и допускает неправильные расчеты напора в рабочей точке, а также старение системы. Он по-прежнему работает на 85 процентах с 1375 до 1875 GPM и будет поддерживать 84 процента с 1250 до 1900 GPM.

      Если бы этот насос работал с переменной скоростью, то на системной кривой, показанной красным цветом, диапазон его регулирования составлял бы около 12 Герц (от 49 до 60 Герц), и он поддерживал бы 86-процентную эффективность от 1375 до 1625 GPM. Эффективность по-прежнему будет на уровне 85 процентов до 1250 GPM и останется на уровне 84 процентов до 1050 GPM. Эта высокая эффективность во всем диапазоне расхода увеличивает снижение мощности за счет изменения скорости.

      Эффективность Центробежного Насоса—Когда Важна Эффективность?


      Мощность, требуемая насосом, прямо пропорциональна как расходу, так и напору, который он производит. По мере увеличения расхода и/или напора увеличивается и требуемая мощность. И наоборот, мощность обратно пропорциональна гидравлическому КПД. Для одного и того же потока и напора повышение эффективности снижает потребляемую мощность. Два приведенных ниже уравнения иллюстрируют эту взаимосвязь:
       P = (Расход x Напор) / Ef

      BHP = ((Расход х напор) / 3960) / Ef
       

      Где:

      P = Гидравлическая мощность

      Л. С. = Тормозная мощность
      Ef = Эффективность насоса
       


       

       

       

       

       


       

       

       

       

      Насосы, работающие непрерывно или в течение длительного времени, могут значительно снизить затраты на электроэнергию при относительно небольшом повышении эффективности. На рисунке 1 показаны два насоса производительностью 3000 галлонов в минуту, которые работают 24/7. При КПД 87% и 84% требуемая мощность составляет 130 и 135 лошадиных сил соответственно. Стоимость электроэнергии за тысячу галлонов составляет 5,7 и 5,9 центов. Две десятых цента-не такая уж большая разница, но если учесть годовые затраты на электроэнергию, насос с более низкой эффективностью добавляет дополнительно 3200 долларов к общему счету за электроэнергию.
       


      Рисунок 1. Информация о проводе к воде для двух насосов мощностью 3000 галлонов в минуту, которые работают 24/7

       

      Еще одним фактором, который может повысить привлекательность более высокой эффективности, является стоимость электроэнергии. Стоимость энергии в размере 10 центов за киловатт-час, используемая на рисунке 1, представляет собой среднюю коммерческую ставку за 2010 год. Однако она может существенно различаться в зависимости от штата.

      В некоторых штатах стоимость электроэнергии может составлять всего 6 центов, а в некоторых районах Вашингтона кооперативные тарифы могут составлять всего 4 цента. Однако расходы штатов Новой Англии находятся на высоком уровне. Что является наихудшим случаем? Гавайи—с Оаху по 23 цента и некоторыми внешними островами, превышающими около 40 центов.

      По мере увеличения стоимости киловатт-часа увеличивается и экономия за счет повышения эффективности насоса. Будет интересно посмотреть, какими будут средние ставки в 2011 году. Я подозреваю, что они существенно возросли. Еще одним фактором, который следует учитывать при выборе насоса, который не будет работать непрерывно, является фактический требуемый расход. Действительно ли конечному пользователю требуется 3000 галлонов в минуту, или тех же результатов можно достичь, если дольше использовать насос со скоростью 2000 галлонов в минуту?

      Если у вас одинаковый напор и эффективность при этих двух скоростях потока, стоимость перекачки тысячи галлонов будет одинаковой для обоих. В большинстве случаев уменьшение расхода на 1000 галлонов в минуту приведет к существенному уменьшению напора трения. Поскольку мощность двигателя прямо пропорциональна напору, конечный пользователь может увидеть существенное снижение затрат на тысячу галлонов, перекачиваемых насосом меньшего объема.

      Рисунок 2. Кривая H/Q для 4-дюймового вихревого насоса для сточных вод

       

      Когда Эффективность Не Так Важна?
      Выбор наиболее эффективных насосов и двигателей всегда приведет к снижению затрат на электроэнергию, но иногда окупаемость по сравнению с первоначальными затратами не уменьшается. Примеры включают насосы меньшего размера, насосы, которые используются нечасто, и насосы, установленные только для резервного или аварийного использования.

      Во многих промышленных применениях эффективность будет отодвигаться на второй план по сравнению со способностью насоса надежно выполнять определенный процесс. Хорошим примером является шламовый насос, с помощью которого большие зазоры увеличивают срок службы. Другим является вихревой насос, который популярен как в промышленных, так и в сточных водах.

      На рисунке 2 показана кривая H/Q для 4-дюймового вихревого насоса для сточных вод. При скорости 800 галлонов в минуту его гидравлическая эффективность составляет всего 48 процентов. Стандартный 4-дюймовый насос без засорения с аналогичной производительностью будет иметь КПД от 68 до 75 процентов—на 20-27 пунктов выше. Причина более низкой эффективности заключается в том, что вихревое действие представляет собой двухэтапный процесс, а общая эффективность является результатом двух отдельных показателей эффективности. Однако, несмотря на то, что эффективность намного ниже, чем обычно желаемая, есть и чрезвычайно положительная сторона. Почти все, что попадает во всасывание вихревого насоса, выйдет из его нагнетания.

      Это связано с тем, что вихревое рабочее колесо утоплено и редко контактирует с какими-либо твердыми или другими материалами в насосной системе. Это может быть полезно, когда требуются меньшие насосы для сточных вод. Более эффективный 4–дюймовый насос без засорения может часто подключаться при наличии тряпок и волокнистого материала, и это часто приводит к снятию насоса с эксплуатации для еженедельной очистки.

      В этих приложениях вихревой насос может быть гораздо более надежным, а экономия затрат на техническое обслуживание намного превышает дополнительные затраты на электроэнергию из-за более низкой эффективности. Один из семинаров, которые я провожу для инженеров-проектировщиков, называется “Как снижение эффективности насоса может снизить затраты”. Обычно это привлекает их внимание.

      Если насос работает от бензинового двигателя, можно сделать вывод, что эффективность насоса не слишком важна. Хотя насос с эффективностью 80 процентов должен экономить довольно много энергии по сравнению с насосом с эффективностью 65 процентов, газовый двигатель (примерно 20 процентов) снижает их общее количество до 16 процентов и 13 процентов соответственно.

      Может быть трудно оправдать более высокую начальную стоимость насоса при такой небольшой экономии энергии, если только насос не используется часто и в течение длительного периода времени.

      Наконец, существуют некоторые точки проектирования приложений, для которых разумная эффективность не может быть достигнута, но насос все еще требуется. Предположим, что какая-то технологическая линия стоимостью в миллион долларов не может использовать объемный насос, а вместо этого требует центробежного насоса, который может выдавать 20 галлонов в минуту на высоте 3000 футов.

      Действительно ли имело бы значение, если бы одноступенчатый насос должен был работать со скоростью 23 000 оборотов в минуту и его КПД составлял менее 25 процентов? Вероятно, нет, и существует гораздо больше приложений такого типа, чем вы могли бы предположить.

      Когда дело доходит до эффективности насоса, определенно существует несколько сторон. Эффективность-это хорошо, и мы всегда должны рассматривать насос с более высокой эффективностью, если окупаемость инвестиций снизится.

      Часто пиковая эффективность, которая добавляет один или два процентных пункта, не так важна, поскольку немногие насосы работают в своих лучших точках эффективности (BEPs). Широта высокой эффективности по обе стороны от BEP может быть гораздо более полезной.