Содержание
Характеристика насосов: напор, подача, рабочая точка.
Вода — основа нашей жизни на Земле. Конечно, не всегда, когда мы говорим это слово, мы имеем в виду то, что можно использовать для питья. Намного чаще мы говорим о жидкости, которая используется в различных отраслях промышленности. Чтобы извлекать или перемещать воду еще лучше и эффективнее, было создано множество сложных конструкций, называемых насосами.
Все насосное оборудование имеет номенклатурные показатели, которые характеризуют основные особенности их работы и сферу применения.
Подача насоса
Подача насоса Q – объём жидкости, подаваемый насосом в единицу времени. Подача насоса определяется рабочей точкой на его характеристике и кроме конструктивных особенностей зависит от частоты вращения рабочего колеса и гидравлической характеристики сети. Чаще всего обозначается в кубометрах в час М3/Ч.
Напор насоса H
Напор насоса H – это, давление, создаваемое рабочим органом насоса, а простыми словами, давление, необходимое для того, чтобы протолкнуть жидкость на заданную высоту.
Измеряется в метрах М
Напорно-расходная характеристика
Напорно-расходная характеристика — графическое отображение зависимости напора от его подачи, так называемая Q-H характеристика. Напорно-расходная характеристика, является основной характеристикой, используемой для выбора насосов и приводится в каталогах производителей в виде графиков. Необходима для правильной эксплуатации насосов и их подбора при создании различных перекачивающих установок.
Также напорно-расходная характеристика применяется для расчета рабочей точки гидравлической системы.
КПД насоса
КПД коэффициент полезного действия насоса – показатель, характеризующий отношение полезной гидравлической мощности к полной мощности, подводимой к насосу. Максимальное значение величины КПД характеризует оптимальный режим работы насоса. Различают оптимальный и номинальный режим работы насоса. Последний характеризуется допустимыми параметрами работы насоса, а оптимальный – это режим работы с такими параметрами, когда насос функционирует наиболее эффективно.
Кавитационный запас
Кавитационный запас – минимальное давление жидкости на входе в насос, при котором насос не будет кавитировать. Если насос работает с повышенным всасыванием, происходит разряжение на входе во всасывающий патрубок, давление падает, появляются пузырьки-каверны и жидкость преобразуется в пар. Появление пузырьков, которые лопаются при входе в патрубок нагнетания, ведет к возникновению процесса кавитации, наносящего серьезные повреждения механическим частям насоса. Кавитационный запас насоса обозначается как NPSHr (Net Positive Suction Head Required). Измеряется в метрах, М
Мощность насоса
Мощность насоса N – энергия, подводимая от двигателя к насосу в единицу времени, измеряется в ваттах, Вт
Работа насоса на сеть. Рабочая точка насоса.
В данной статье рассматриваются базовые понятия работы насоса на сеть и разбирается более подробно с вопрос о том, как определяется рабочая точка насоса.
Насос в системе работает на таком режиме, при котором необходимый напор системы равен напору насоса. Для того, чтобы определить необходимый напор системы необходимо построить ее характеристику в тех же координатах, в которых построена графическая характеристика насоса (зависимость напора H от расхода Q).
где Hcт — требуемый статический напор в системе, м; ∑hп — сумма потерь по всей длине трубопровода, соединяющего напорный и приемный резервуар, м.
Давайте более подробно рассмотрим характеристику системы, показанную выше. Расположение точки 1 на оси определяется статическим напором Hст системы (состоит из геометрического напораи разницы давлений в резервуарах). Геометрический напор Hгеом, по сути, представляет разницу высот между поверхностями жидкости в приемном и напорном резервуаре. Разница давлений (выраженная в м.в.с. Hp) может присутствовать, если один из резервуаров или оба находятся под давлением.
В случае, если давление в резервуарах атмосферное, эта составляющая статического напора равна 0.
где p» — давление в напорном резервуаре, Па; p’ — давление в приемном резервуаре, Па; g — ускорение свободного падения, м/с2; ρ — плотность перекачиваемой среды, кг/м3.
Форма характеристики системы определяется гидравлическими потерями в системе hп (трение жидкости о стенки трубопроводов, повороты потока, задвижки и др.). Все эти потери зависят от расхода жидкости: чем больше расход, тем выше потери. Эта зависимость параболическая, что и определяет форму характеристики.
где ∑hп — сумма потерь по всей длине трубопровода, соединяющего напорный и приемный резервуар, м; Q — текущий расход в системе, м3/ч.
Соответственно, рабочей точкой для насоса является точка, где пересекается характеристика системы и характеристика насоса (см. Рис. 1, точка 2). Данная точка зачастую отличается от номинальной рабочей точки насоса (точка максимального КПД), что является нормальной практикой при эксплуатации насосного оборудования.
Рассмотрим как определить рабочую точку в циркуляционной системе с насосом.
В данном случае перепад высот отсутствует, p»=p’ и, следовательно, статический напор в системе отсутствует. Поэтому характеристика системы определяется только гидравлическими потерями и точка 1 совпадает с началом координат.
Еще один интересный случай — отрицательный перепад высот. В данном случае геометрический напор отрицателен и точка 1 смещается ниже оси расхода. На рисунке показал случай при p’=p».
Также в данном случае появляется дополнительная характерная точка 0. В этой точке будет определяться расход в системе при выключенном насосе.
Понимание расхода насоса в зависимости от давления и почему это важно
Если вы оператор насосного опрыскивателя и выполняете мягкую промывку двухэтажного жилого дома, чтобы удалить лишайник или плесень, как вы получаете спрей чтобы добраться до карниза дома и обеспечить равномерное освещение без необходимости подниматься по лестнице?
Должны ли вы увеличить давление или поток, чтобы получить более интенсивную форму распыла?
Существует распространенное заблуждение, что для достижения более широкой вертикальной или горизонтальной струи вам просто нужен насос, создающий большее давление.
Наоборот, увеличение скорости потока часто является ключевым фактором.
Получите наш БЕСПЛАТНЫЙ путеводитель!
Рекомендации GPM и PSI для различных отраслей промышленности
Разница между расходом насоса и давлением
Нередко операторы насосов жалуются на то, что в их распылителе недостаточно давления, хотя на самом деле проблема заключается в расходе. На самом деле, некоторые люди используют эти два термина взаимозаменяемо, как будто это одно и то же. Это не так, и знание различий и роли каждого из них является ключом к достижению надлежащей производительности насоса.
Работа насоса не в том, чтобы создавать давление; скорее, это обеспечение скорости потока, перекачивание определенного количества жидкости за заданный промежуток времени из резервуара или резервуара к выпускному отверстию. Скорость потока часто указывается в галлонах в минуту или в галлонах в минуту. Есть несколько насосов меньшего размера, которые расходуют галлоны в час или даже галлоны в день, выдавая чрезвычайно небольшое количество жидкости за заданное время.
Однако давление насоса является мерой сопротивления потоку. Без потока нет давления. В насосе прямого вытеснения, таком как плунжерный насос, показатель в фунтах на квадратный дюйм или PSI показывает, какое сопротивление рассчитано на то, чтобы насос выдержал.
Значение PSI насоса важно, поскольку оно указывает на то, что насос изготовлен из материалов и рассчитан на определенное давление. Но операторы помп должны в равной степени заботиться о скорости потока помпы, которая определяет, сколько вы хотите дозировать, распылять или вводить.
Приводит ли увеличение давления насоса к увеличению расхода?
Как правило, при увеличении давления в насосе расход уменьшается. Возьмем, к примеру, насос для распыления, который должен производить сверхтонкий туман для охлаждения или подавления пыли. Многие насосы для туманообразования рассчитаны на 1000 фунтов на квадратный дюйм, но их скорость потока довольно низкая — 0,25 галлона в минуту.
Очевидно, что высокое давление в данном случае очень важно для получения капель нужного размера.
Однако это не указывает на большую производительность или вертикальный или горизонтальный выброс. Вместо этого более высокое давление в сочетании с правильными форсунками приводит к образованию тонкого тумана с очень небольшим потоком, который может покрыть только небольшую площадь внутреннего дворика.
С другой стороны, опрыскиватель с мягкой промывкой может иметь давление всего 100 фунтов на квадратный дюйм и галлонов в минуту 5,4, но при этом он может достигать вертикального выброса почти 40 футов и горизонтального выброса более 50 футов в сочетании с правильные насадки.
Большее давление изменяет скорость жидкости, но также уменьшает расход или выход. Причина снижения расхода связана с двумя факторами: объемным КПД насоса и снижением скорости двигателя. Объемная эффективность — это мера фактического расхода по сравнению с ожидаемым теоретическим (расчетным) расходом — объемная эффективность уменьшается по мере увеличения давления. Объемный КПД наших плунжерных насосов прямого вытеснения составляет около 90–100 % по сравнению с центробежными насосами, КПД которых находится в диапазоне 0–100 %.
Это означает, что плунжерные насосы теряют только около 10% потока при перекачивании против противодавления, в то время как центробежные насосы теряют весь поток при слишком высоком давлении.
Снижение скорости двигателя происходит при большей нагрузке двигателей. Так, когда давление в насосе вызывает большую нагрузку на двигатель, он замедляется. Когда двигатель замедляется, расход падает на тот же процент. Двигатель, который работает со скоростью около 2000 об/мин при низком давлении, обычно замедляется примерно до 1750 об/мин, когда давление в насосе достигает максимального значения.
Понятно, что увеличение давления насоса не увеличивает расход. В примере с мягкой мойкой большее давление не поможет оператору добраться до карниза двухэтажного дома с таким же покрытием. Оператору нужен двигатель насоса с идеальным сочетанием давления и расхода.
Как добиться надлежащего расхода и давления
Разработка насосов для любого применения требует понимания гидродинамики, а потребности каждой отрасли различаются.
Слишком часто компания выбирает готовый насос высокого давления для выполнения работы и недоумевает, почему он не работает должным образом. Вероятно, это связано с тем, что операторам не хватает полного понимания взаимосвязи между расходом и давлением.
Использование диаграмм производительности насосов для различных моделей насосов может помочь определить скорость потока в галлонах в минуту, фунтах на квадратный дюйм и то, сколько ампер будет потреблять насос.
Инженеры-эксперты Pumptec хорошо разбираются в гидродинамике и помогают OEM-производителям и дистрибьюторам насосов точно определять их потребности. Они дают рекомендации, основанные на научных принципах и многолетнем опыте работы в различных отраслях, и даже могут настроить насосы в точном соответствии с вашими потребностями.
На самом деле, мы разработали Руководство по GPM и PSI, в котором представлены некоторые из этих отраслевых рекомендаций. Ознакомьтесь с ним, а затем обратитесь к специалистам по насосам компании Pumptec.
Мы будем рады обсудить ваши потребности и определить правильный насос для вашего применения.
«Напор» и «давление» в насосах
В середине 1960-х годов я работал подмастерьем механика на сталелитейном заводе в Бирмингеме, штат Алабама. Когда однажды один из наших водяных насосов вышел из строя в прудах-охладителях, мой начальник дал мне приказ о реквизиции и ключи от грузовика компании. Он сказал мне, чтобы я поехал в город и купил еще один насос в доме промышленного снабжения.
Он сказал: «Купите водяной насос, который перекачивает 30 фунтов на квадратный дюйм [фунтов на квадратный дюйм] со скоростью 400 галлонов в минуту [галлонов в минуту]». Он написал это в заявке.
В магазине промышленных товаров торговый представитель сопроводил меня в демонстрационный зал насосов. Он сказал: «Это водяной насос, который вам нужен. Он создает 70 футов напора при 400 галлонах в минуту. Вам также нужны муфта и двигатель?»
Я сказал: «Подождите минутку! Мне не нужен 70 футов напора. Я хочу 30 фунтов на квадратный дюйм при 400 галлонах в минуту. Что такое 70 футов напора?» Я думал, что торговый представитель пытается меня «заманить и подменить». В заявке четко указано 30 фунтов на квадратный дюйм. Я задавался вопросом, почему торговый представитель использовал разные термины. Возмущенный, я ушел и пошел в конкурирующую компанию по производству промышленных товаров, где повторил тот же словесный обмен с их торговым представителем.
Я знаю, что я не один. Это непонимание насчет напора и давления происходит ежедневно по всей стране… да и вообще по всему миру.
Пользователям насосов нужно давление. Производители насосов поставляют футы (или метры) напора. В конечном счете они одинаковы, просто выражены с двух разных точек зрения. Как человек, который определяет и/или устанавливает насосы, вы должны знать, как эти термины соотносятся друг с другом.
Происхождение напора, напора
Древний Рим и Греция снабжались проточной водой по гигантским акведукам, по которым пресная вода из горных озер и ручьев поступала в город. Подземные глиняные трубы под действием силы тяжести несли воду в разные районы. Вода собиралась в фонтанах, чтобы домохозяйки ежедневно уносили ее в глиняные кувшины. Центурион обычно охранял фонтан, чтобы предотвратить кражу или загрязнение воды.
Это было 2600 лет назад, когда вода текла самотеком, поток распределялся по кувшинам и бочкам, манометров и приборов не было. Тем не менее, обычно считалось, что сила (измеряемая в единицах энергии) необходима для подъема количества (объема или веса) воды против силы тяжести. Требовалось определенное количество энергии (силы), чтобы поднять кувшин с водой из фонтана в телегу или на голову хозяйке.
В Греции 2200 лет назад Архимед разработал первый практичный насос постоянного расхода. «Винт Архимеда» поднимал воду из реки в оросительный канал для сельского хозяйства. Винт использовался в качестве трюмной помпы на королевской барже. Он также поднимал колодезную воду на поверхность, чтобы жены могли нести ее домой и использовать для купания своих мужей. (Тема освобождения женщин требует отдельной статьи.)
Начиная с винта Архимеда и египетской нории (еще одного насосного устройства), сила насоса измерялась в единицах энергии по отношению к гравитации. По этой причине насосы оцениваются в «напоре», чтобы выразить то, что мы называем давлением.
В 1643 году французский изобретатель и математик Блез Паскаль понял, что воздух (атмосфера) также имеет вес и что его сила действует во всех направлениях, а не только под действием гравитации. Так, он разъяснил понятие «давление», как оно используется в физических науках: Он определил давление как силу, приложенную к площади, например, фунт силы, приложенный к квадратному дюйму площади: таким образом, фунты на квадратный дюйм .
Полезная формула
Сегодня современные насосные компании продолжают оценивать силу жидкости как единицу энергии против гравитации. Если мы приложим эту же силу в другом направлении — например, к внутренней боковой стенке резервуара под давлением — мы будем использовать термин «давление».
Проще говоря, математическая константа 2.31 преобразует единицу энергии, действующей против гравитации, в единицу силы, действующей на любую другую площадь. Эта константа преобразует фут водяного столба в давление: напор в футах водяного столба, разделенный на 2,31, равен давлению в фунтах на квадратный дюйм, а давление в фунтах на квадратный дюйм, умноженное на 2,31, равно напору в футах.
Если жидкость не является водой (например, краска, шоколадный сироп или бензин), в формуле необходимо учитывать удельный вес жидкости.
Константа 2,31 получается из следующего: квадратный фут площади содержит 144 квадратных дюйма; кубический фут воды при температуре окружающей среды весит 62,38 (62,4) фунта на кубический фут при 70 F на уровне моря.
Если бы я налил 1 фунт воды в высокий узкий сосуд, занимающий 1 квадратный дюйм площади пола, я бы наполнил этот сосуд до высоты 2,31 фута. Теперь давайте применим эту информацию к некоторым примерам.
Представьте, что вы плывете по чистому горному озеру в лодке со стеклянным дном. Если бы смотровые окна находились на глубине 6 футов ниже поверхности воды, какое давление действовало бы на стеклянные панели? Ответ: Давление, действующее на окна, составит 2,6 фунта на квадратный дюйм, или 6 футов ÷ 2,31 = 2,6 фунта на квадратный дюйм.
Представитель насоса был прав
Вот еще один пример: в большинстве населенных пунктов есть приподнятый резервуар с водой из окружающей среды, который подает воду под давлением в сообщества и районы ниже резервуара. Если вода в резервуаре находится на высоте 150 футов над кухонным краном в одном из домов, каково давление воды в кране (при условии отсутствия других воздействий на давление)? Ответ: 150 ÷ 2,31 = 65,8 фунтов на квадратный дюйм.
Стандартный манометр показывает 66 psi. В кухонном кране будет давление воды 66 фунтов на квадратный дюйм, пока кто-нибудь не откроет кран и не потечет вода. Когда кран открывается и вода начинает течь по трубам, возникает небольшой перепад давления из-за трения между водой и внутренними стенками трубы.
Теперь давайте поработаем в другом направлении. Если я хочу купить насос, который развивает давление 30 фунтов на квадратный дюйм для перекачки воды, каков номинал моего насоса? Какой насос купить?
30 фунтов на квадратный дюйм x 2,31 = 70 футов
Если вам нужен насос для создания давления воды в 30 фунтов на квадратный дюйм, купите насос с напором 70 футов.
Итак, оказывается, что еще в 1965 году торговый представитель насосов пытался показать мне насос, подходящий для моего применения.
Дифференциальное давление
Позвольте мне уточнить пару моментов:
Насосы создают дифференциальный напор или дифференциальное давление. Это означает, что насос принимает давление всасывания, добавляет дополнительное давление (расчетное давление) и создает давление нагнетания. Таким образом, давление нагнетания равно давлению всасывания плюс расчетное давление насоса. Давление нагнетания насоса должно быть примерно равно общему динамическому напору (TDH), необходимому для системы (баки, трубы, колена, клапаны, фланцы и фитинги).
Для контроля и управления помпой на помпе должны быть установлены манометр всасывания и манометр нагнетания. Вас беспокоит дифференциал.
Допустим, ваш насос рассчитан на давление 40 фунтов на квадратный дюйм. Допустим, давление в жидкости, поступающей в насос, составляет 3 фунта на квадратный дюйм. Манометр давления всасывания будет показывать 3 фунта на квадратный дюйм. Насос предназначен для добавления 40 фунтов на квадратный дюйм давления. Манометр нагнетания будет показывать 43 фунта на квадратный дюйм. Дифференциал составляет 40 фунтов на квадратный дюйм.
Если давление на входе в насос составляет 25 фунтов на квадратный дюйм, манометр нагнетания будет показывать 65 фунтов на квадратный дюйм. Дифференциал составляет 40 фунтов на квадратный дюйм.
Больные перекачивают плохо работающие
Я работаю консультантом по перекачке. Часто ко мне обращаются для разбора проблемы с больной помпой. Обычно я приезжаю и обнаруживаю, что на больном насосе не установлены манометры. Или, может быть, больной насос имеет только манометр нагнетания. Оператор насоса, установщик или владелец не знает, что делает насос. Обычно это источник проблемы.
Управление насосом без манометров похоже на управление автомобилем без приборной панели. Я имею в виду, что вам нужен таймер и датчик температуры только для того, чтобы испечь печенье в духовке.
После того, как мы контролируем и контролируем перепад давления в насосе, насос успокаивается и ведет себя нормально. Манометр нагнетания бесполезен без манометра на всасывании. Помните, что это дифференциальное давление или дифференциальный напор.
Наконец, если вашей системе требуется 50 футов напора при 600 галлонах в минуту, вам следует приобрести насос с лучшими координатами эффективности 50 футов при 600 галлонах в минуту на кривой производительности насоса. Когда вы читаете эти кривые при выборе насоса, на графике кривой насоса есть определенная оптимальная зона, в которой вы хотите оставаться. В этой зоне насос работает наиболее эффективно.