Provoz odstředivého čerpadla je ekonomický při rychlosti, při které je dosaženo požadovaného průtoku a výšky zdvihu kapaliny.
Při správné volbě čerpadla tomuto stavu odpovídá pouze jeden bod, nazývaný pracovní bod, – průsečík charakteristik čerpadla a charakteristiky potrubí. Průtok vody spotřebovaný sítí se však v průběhu času mění; V souladu s tím se musí pohybovat i pracovní bod, pro který je nutné změnit charakteristiku potrubí nebo čerpadla.
Umělá změna charakteristiky potrubí nebo čerpadla pro zajištění daných hodnot průtoku a tlaku čerpadla se nazývá regulace čerpací jednotky.
Změnu charakteristiky potrubí dosáhneme škrcením ventilu, změnou charakteristiky čerpadla změnou počtu otáček oběžného kola čerpadla nebo změnou průměru oběžného kola.
Regulace průtoku a tlaku škrcení na výtlaku
Otevřením nebo zavřením ventilu na výtlačném potrubí můžete změnit průtok čerpadla z QA do QA1 (Obr. 5).
Rýže. 5. Charakteristika čerpadla a sítě
při regulaci průtoku čerpadla tlakovým ventilem:
1 – charakteristika čerpadla ;
2 – charakteristika potrubí s plně otevřeným vypouštěcím ventilem;
3 – charakteristika potrubí s mírně otevřeným vypouštěcím ventilem;
4 – charakteristika čerpadla;
A – pracovní bod s plně otevřeným ventilem;
А1 – pracovní bod s mírně otevřeným vypouštěcím ventilem
Podívejme se na podstatu této metody. Když je ventil plně otevřený, čerpadlo vytváří tlak HА a dodává kapalinu QA do výtlačného potrubí.
Chcete-li snížit posuv na QA1 je nutné uzavřít ventil na výtlaku, čímž se zvýší odpor ve výtlačném potrubí, charakteristika potrubí bude strmější a podle toho bude tlak čerpadla NA1. Bohužel účinnost čerpadla klesne.
Způsob ovládání pomocí ventilu na výtlačném potrubí je jednoduchý, ale neekonomický (snižuje se účinnost), protože část energie spotřebované čerpadlem je vynaložena na překonání odporu ve ventilu.
Regulace přívodu škrcení sání
Řízení průtoku čerpadla lze teoreticky dosáhnout škrcení sání. Snížením průtoku se v tomto případě zvyšuje odpor sacího potrubí, což zvyšuje podtlak v čerpadle, podporuje uvolňování par z kapaliny a zvyšuje možnost kavitace v čerpadle. V tomto případě je narušena plynulost proudění a vzniká nerovnoměrné rozložení rychlosti na vstupu do oběžného kola, což zvyšuje tlakové ztráty. Způsob regulace průtoku čerpadla škrcení sacího potrubí se tedy prakticky nedoporučuje.
Ovládání nasávání vzduchu
Regulace napájení čerpadla vstřikováním vzduchu do sacího potrubí je možná, když je geometrická sací výška výrazně menší než přípustná. V tomto případě nesmí nasávání vzduchu zhoršit výkon čerpadla nebo způsobit kavitaci.
Při vstřikování vzduchu se charakteristika čerpadla posouvá směrem dolů a účinnost klesá, čím více je vstřikováno více vzduchu. Tento způsob je ekonomičtější než regulace škrcení sání, ale v průmyslové praxi není obvyklý.
Regulace dodávky kapalinovým bypassem
Průtok čerpadla lze řídit obtokem kapaliny z výtlačného potrubí do sacího potrubí, což však snižuje účinnost systému.
Obtok kapaliny do sacího potrubí zlepšuje kavitační vlastnosti čerpadla, ale to vyžaduje instalaci cirkulačního potrubí a instalaci dalších armatur, což komplikuje potrubí čerpadla.
Ovládání posuvu otáčením oběžného kola
Průtok je možné upravit změnou průměru oběžného kola instalovaného v čerpadle.
V tomto případě musíte mít dvě sady kol odpovídající maximálnímu a minimálnímu posuvu.
Tento způsob lze provést otáčením oběžného kola podél vnějšího průměru.
Regulace průtoku a tlaku změnou
rychlost otáčení oběžného kola
Změnou rychlosti otáčení můžete měnit průtok a tlak čerpadla, což je ve srovnání s jinými způsoby ovládání ekonomicky výhodnější.
Regulace průtoku v širokém rozsahu vede k mírné změně účinnosti čerpadla.
Tato metoda se provádí pomocí kapalinových spojek, elektromagnetických spojek, vícerychlostních elektromotorů, spalovacích motorů atd.
Rychlost otáčení oběžného kola se volí tak, aby charakteristika čerpadla procházela pracovním bodem při daném průtoku.
Zařízení pro regulaci rychlosti otáčení elektromotorů používaných k pohonu odstředivých čerpadel, zejména vysokovýkonných, jsou stále konstrukčně složitá a drahá. Nejčastěji se tento způsob využívá použitím dvou a čtyř rychlostních motorů, tzn. kroková regulace.
U čerpacích stanic s několika jednotkami je rychlost otáčení obvykle nastavena pro jedno nebo dvě čerpadla.
Řízení dodávky otáčkami se nejčastěji používá u čerpadel hasičských vozidel, měnící otáčky spalovacího motoru automobilu.
Skříň odstředivého čerpadla je vyrobena ve formě spirálově lité konstrukce, uvnitř které je na hřídeli uloženo oběžné kolo. Skříň má dvě potrubí: sací potrubí, kterým voda proudí k oběžnému kolu, a výtlačné potrubí, které ji pod tlakem odvádí z čerpadla. Průměr sacího potrubí je obvykle větší než výtlačného potrubí. Před spuštěním se sací potrubí a pouzdro naplní vodou.
Tlak vyvíjený odstředivým čerpadlem závisí na průměru D oběžného kola, jeho rychlosti otáčení, tvaru a počtu lopatek. U většiny odstředivých čerpadel lze tlak generovaný oběžným kolem o průměru D s otáčkami n nebo rychlostí ω určit pomocí výrazu
kde H je tlak vyvíjený čerpadlem, m; υ-obvodová rychlost na vnějším obvodu oběžného kola, m/s; α je součinitel snížení tlaku v důsledku výskytu hydraulického odporu s přihlédnutím ke konečnému počtu lopatek oběžného kola. Pro spirální čerpadla α = 0,35. 0,5, s vodicí lopatkou α = 0,45. 0,55 n – otáčky oběžného kola, min -1; ω — frekvence otáčení oběžného kola, rad/s -1; R – poloměr oběžného kola, m; g – gravitační zrychlení, m/s 2 .
Průtok odstředivého čerpadla závisí na stejných faktorech a také na příčných rozměrech kanálů oběžného kola. Tlak a přívod vody u odstředivého čerpadla závisí na provedení (kvalita hydraulického těsnění mezi výtlačnou a sací plochou čerpadla), které je u každé značky přesně stanoveno výrobcem. Charakteristiky odstředivých čerpadel jsou založeny na experimentálních datech.
Z jejich charakteristik se určuje tlak, průtok, přípustná podtlaková sací výška, účinnost a výkon čerpadla. Všechny výše uvedené parametry jsou vzájemně propojeny. S rostoucí výtlačnou výškou tedy klesá průtok odstředivého čerpadla a mění se sací výška, účinnost a výkon. Na Obr. 10.7 uvádí katalogové charakteristiky čerpadla. Odstředivá čerpadla se vyznačují počtem stupňů, způsobem přívodu a vypouštění vody z oběžného kola a umístěním hřídele.
Podle počtu stupňů se čerpadla dělí na jednostupňová (jedno oběžné kolo) a vícestupňová (několik sekvenčních oběžných kol na jedné hřídeli). Voda ve vícestupňovém čerpadle prochází postupně všemi oběžnými koly, z nichž každé zvyšuje tlak o určitou hodnotu. Není-li možné vybrat odstředivé čerpadlo s charakteristikou splňující zadaný tlak a průtok, používají se různé způsoby regulace.
Když je tlak výrazně překročen, jeho snižování škrcení je nerentabilní, protože je spojeno s neproduktivními náklady na energii. Racionálním způsobem regulace odstředivých čerpadel je transformace charakteristiky změnou frekvence, rotace nebo průměru oběžného kola (natáčení).
Pokud se rychlost otáčení oběžného kola odstředivého čerpadla zvýší nebo sníží, pak se průtok, tlak a výkon odpovídajícím způsobem sníží nebo zvýší. Závislost těchto veličin na rychlosti otáčení lze vyjádřit rovnicí dynamické podobnosti odstředivého čerpadla:
kde Q, I, N – průtok, tlak a výkon čerpadla, m 3 / s, m, kW, při jmenovitých otáčkách n min -1 nebo ω rad / s; Qu Нь Nt – stejné hodnoty při změněné rychlosti otáčení.
Účinnost čerpadla se při změně rychlosti otáčení prakticky nemění. Snížení rychlosti otáčení o více než polovinu se nedoporučuje. Navýšit ji lze pouze po dohodě s výrobcem, zpravidla maximálně o 10 % nad nominální hodnotu. Při poklesu otáček odstředivého čerpadla se přípustná sací výška mírně zvýší, při zvýšení se sníží. Průtok, tlak a výkon odstředivých čerpadel lze měnit zmenšením (obroušením) průměru oběžného kola. To zajišťují konstrukční řešení výrobních závodů. Při otáčení kola se parametry odstředivého čerpadla mění stejným způsobem jako při změně rychlosti otáčení:
kde D a D1 — průměry normálních a obráběných oběžných kol. Snížení průměru oběžného kola o více než 20 % není povoleno. Aby se rozšířil rozsah použití, někteří výrobci vyrábějí čerpadla s normálními i obráběnými oběžnými koly. V případech, kdy provozní podmínky čerpadla vyžadují časté změny v dodávce z důvodu nerovnoměrné spotřeby vody, spolu s popsanými technikami se používají speciální metody řízení, které zajistí nejen požadovaný průtok a tlak, ale také udrží vysoké hodnoty účinnosti. v kontrolním rozsahu. To je obvykle spojeno s použitím automatického ovládání.
Řízení posuvu škrcení
Při instalaci odstředivého čerpadla je na jeho výtlačné straně instalován ventil pro provádění uzavíracích a regulačních funkcí. S jeho pomocí se mění průtok čerpadla. Dle svého určení a provedení slouží jako aretační zařízení a regulátor, ale při častém seřizování nefunguje spolehlivě. Regulace ventilem (škrcení) se navíc ukazuje jako energeticky nevýhodná: část tlaku je vynaložena na překonání uměle vytvořeného odporu ve ventilu. V řadě případů je však škrcení účinné, zvláště když je potřeba snížit tlak v potrubí na velkých spádech, kdy tlak nelze využít a je potřeba jej snížit. Taková regulace se používá na uzavřené zavlažovací síti semipermanentního systému k udržení konstantního tlaku na vstupu do zavlažovacích strojů („Fregat“). Podstatu a energetickou charakteristiku tohoto způsobu řízení ukazuje Obr. 10.8
S plně otevřeným ventilem, pracovní bod A1 bude umístěn v průsečíku charakteristik Si potrubí a čerpadla Q-H. Průtok čerpadla odpovídá hodnotě Qa1. Segment hT1 charakterizuje ztrátu tlaku v důsledku tření, když se kapalné médium pohybuje rychlostí υ odpovídající posuvu Qa1. Chcete-li snížit posuv na hodnotu Qa2 ventil částečně zakryjte. Jeho odpor změní celkový odpor potrubí a zvýší se sklon charakteristiky (průsečík A2). Tlaková ztráta je určena součtem segmentů ht2 +h3dindikující ztráty v potrubí a ve ventilu. Účinnost čerpací jednotky se sníží. Ztráta výkonu při škrcení se zjistí pomocí vzorce
kde Qa2 — průtok čerpadla při zavřeném ventilu, m 3 /s; h3d — tlaková ztráta ve ventilu, m; γ—objemová hmotnost, kg/m3; η — účinnost čerpadla na přívodu Qa2.
Regulace obtokem části přívodu vody čerpadlem do sacího potrubí a přivedením vzduchu do sacího potrubí.
Snižte přívod vody do systému z Qa do Qв (obr. 10.9) je možné, pokud přečerpáte část čerpané kapaliny Qa—Qв přes obtokové potrubí do sacího potrubí, tj. nainstalujte obtokové potrubí. V tomto případě, když je ventil na obtokovém potrubí otevřen (je instalován elektrický ventil pro automatizaci procesu), charakteristika potrubní sítě se změní z 2 na 3 s posunem pracovního bodu čerpadla do polohy C. V důsledku toho zajistit dodávku QB musíte dodávat průtok Q přes obtokové vedeníс—Qв. Tlak vytvářený čerpadlem klesá a spotřeba energie (křivka 4) roste.
Z energetického hlediska je způsob regulace dodávky obtokem přijatelný pro odstředivá čerpadla s rychlostním koeficientem ns>300, axiální a vířivá čerpadla. Koeficient otáček je rychlost otáčení oběžného kola, které při užitečném výkonu 735,5 W a průtoku 75 l/s poskytuje dopravní výšku 1 m.
Obr. 10.9. Řízení průtoku odstředivého čerpadla obtokem
U odstředivých čerpadel nižších otáček vede taková regulace ke zvýšení příkonu a přetížení elektromotoru, komplikaci řídicích systémů a v důsledku toho ke snížení spolehlivosti instalace.
Snížení průtoku čerpadla při zachování stejných charakteristik potrubní sítě je dosaženo zavedením určitého množství vzduchu do sacího potrubí. To je přijatelné a prakticky to neovlivňuje provoz systému, pokud je skutečná sací výška čerpadla výrazně menší než přípustná. Při přivádění vzduchu se charakteristiky čerpadla Q-H a Q-η pohybují dolů, což umožňuje zvolit provozní režim, který zajišťuje nezbytný přívod vody do systému.
Množství vzduchu vstupující do sacího potrubí čerpadla obvykle nepřesahuje 5 % objemu čerpané vody. Ekonomické ukazatele tohoto způsobu regulace průtoku čerpadel malého a středního výkonu jsou oproti škrcení ventilem na výstupu čerpadla o něco lepší. Pro regulaci průtoku se používají další speciální zařízení pro změnu nebo stabilizaci provozních parametrů. Při konstantní rychlosti otáčení oběžného kola se používají v uvažovaných způsobech kvantitativní regulace nebo jejich kombinacích.
Regulace zásobování vodou změnou počtu a složení jednotek
Metoda poskytuje diskrétní (krokové) řízení dodávky vody do vodovodního systému. Diskrétní krok je konstantní a odpovídá napájení jedné čerpací jednotky (viz paralelní provoz čerpacích jednotek). Pro snížení diskrétního kroku a zavedení plynulé regulace jsou instalovány různé typy jednotek.
Například pro zajištění regulačního rozsahu 1:8 lze do stanice nainstalovat čtyři jednotky. Pokud jsou stejného typu, pak dosažitelný krok rozlišení bude 2/8 Q (maximální tok stanice). Pokud nainstalujete jednotky: dvě s přívodem 1/8 Q a dvě s přívodem 3/8 Q, pak je dosažitelná poloviční diskrétnost 1/8 Q.
Počet kombinací různých typů jednotek je vždy větší než u stejného typu, schéma jejich automatického výběru a spínání je poněkud složitější. Nárůst složitosti je odůvodněn výrazným zlepšením provozních podmínek a hlavně snížením režijních nákladů. V praxi lze takovou regulaci provádět dvěma čerpacími jednotkami, avšak s instalací dvourychlostních elektromotorů s příslušným řídicím systémem na každou z nich.
Regulace přívodu vody při proměnných otáčkách oběžného kola
Způsob regulace čerpacích jednotek změnou rychlosti otáčení je nejekonomičtější. Na základě stabilních vztahů mezi nejdůležitějšími parametry čerpacích jednotek a rychlostí otáčení jejich oběžných kol. S dostatečnou přesností pro praktické výpočty v dostupných provozních rozsazích lze účinnost čerpadel při změně rychlosti otáčení považovat za nezměněnou:
Průtok odstředivých čerpadel je úměrný rychlosti otáčení oběžného kola:
Tlak je úměrný druhé mocnině rychlosti otáčení:
Výkon je úměrný třetí mocnině rychlosti otáčení:
V uvedených výrazech ω2 — nová rychlost otáčení oběžného kola, rad/s. Z rozboru výrazů je zřejmé, že
Z posledního výrazu vyplývá parabolická závislost H = KQ 2, udávající, jak jsou pracovní body se stejnou účinností umístěny na charakteristice čerpadla Q-H. Obecně platí, že tlak vyvíjený odstředivým čerpadlem závisí na rychlosti otáčení a průtoku. Při úplném uzavření ventilu je výkon na hřídeli čerpadla asi 40 % jmenovitého. Pokud ventil postupně otevíráte, výkon se zvyšuje téměř přímo úměrně průtoku:
Úpravou rychlosti čerpadla lze tlak, který vyvíjí, uvést do souladu s tlakem v systému při daném průtoku, aniž by ventil absorboval přetlak. Pokud čerpadlo překonává pouze dynamický tlak, výkon spotřebovaný čerpadlem při regulaci rychlosti otáčení je úměrný třetí mocnině průtoku:
Porovnáním výrazů pro výkon při škrcení regulace průtoku a jeho regulaci změnou rychlosti otáčení oběžného kola vidíme, že v druhém případě je potřeba podstatně menší výkon a průtok roste s rostoucím regulačním limitem. Pro stanovení potřebného výkonu na hřídeli čerpadla v případě překonání statického a dynamického tlaku, při měnícím se průtoku, je nutné sestrojit Q-H charakteristiku pro konkrétní čerpadlo při různých otáčkách.
Soubor charakteristik odstředivého čerpadla při různých rychlostech otáčení je na Obr. 10.10. Analýza charakteristik ukazuje, že účinnost frekvenční regulace klesá s rostoucím podílem statického tlaku. Pracovní bod b je přidělen pro 50 % jmenovitého napájení, 50 % statické a 50 % dynamických složek tlaku (charakteristika 1) a jmenovitý provozní režim při jmenovitých otáčkách bude v bodě a. Při poklesu průtoku o 50 % se pracovní bod b (charakteristika 1) protne s vertikálou odpovídající 50. průtoku nominálního režimu. Zde se objeví na experimentální křivce Q-H odpovídající 75 % jmenovitých otáček. Potřebný výkon na hřídeli čerpadla je určen průsečíkem N-Q charakteristiky s vertikálou pro 50 % průtoku a jak je patrné z obrázku, je to 33 % spotřebovaného výkonu ve jmenovitém režimu.
Obrázek 10.10: Charakteristika odstředivého čerpadla při různých rychlostech:
Pokud čerpadlo překonává pouze dynamický tlak (provozní charakteristika by byla znázorněna křivkou 2), pak jsou v tomto případě nutné charakteristiky Q-H a Q-N. (neznázorněno na obr. 10.11), pokud by se průtok snížil o 50 %, musely by se o 50 % snížit také otáčky oběžného kola. Požadovaný výkon by byl 12,5 %, a ne 33 %, jako v prvním případě.
Ke změně rychlosti otáčení oběžných kol čerpacích jednotek lze použít různá mechanická a elektrická zařízení. I když obsahují další ztráty, metody kvalitativní regulace se ukazují jako ekonomičtější ve srovnání s jakýmikoli metodami kvantitativní regulace. Specifickým a důležitým parametrem pro kvalitní regulaci čerpacích jednotek je koeficient hloubky regulace rychlosti otáčení čerpacího kola:
kde ωр a Qp — minimální hodnoty otáček a průtoku požadované provozními podmínkami pro čerpací jednotku s proměnným elektrickým pohonem.
U ponorných čerpacích jednotek typu ECB by minimální průtok neměl být nižší než hodnota požadovaná k zabránění ohřívání vody uvnitř tělesa čerpadla nad 25 °C, obvykle brané (Qmin > 0,1Qnom). Při volbě regulačního koeficientu je nutné zohlednit rozsah změn ztrát v potrubní síti v závislosti na kolísání průtoku podle harmonogramu spotřeby vody.
Na Obr. 10.11 uvádí souhrnné charakteristiky uvažovaných způsobů regulace odstředivých čerpadel s uvedením energetických nákladů pro různé způsoby změny průtoku čerpadel. Jmenovitý provozní režim čerpadla bude v bodě A s průtokem Qa. Pokud se změní na hodnotu Qв získáváme nové polohy pracovních bodů pro různé způsoby ovládání: Bdr — s ovládáním plynu ventilem; Vasi — s regulací frekvence, změnou rychlosti otáčení oběžného kola; Vbiskupa – regulace bypassovým vedením, když výstupní čerpadlo zajišťuje napájení Q = Qв+Qbiskupa.
Stejný obrázek ukazuje odpovídající ztrátu výkonu. Při regulaci dodávky změnou rychlosti otáčení budou minimální a s regulací plynu výrazně narostou a budou maximální v případě regulace bypassem:
Rýže. 10.11. Porovnání účinnosti různých způsobů regulace průtoku odstředivých čerpadel.
Uvažované provozní režimy odstředivých čerpadel a způsoby řízení ukazují fungování hydraulického systému čerpadlo-potrubní, které je nezbytné pro správný výběr čerpadla a zajištění zvýšeného výkonu, spolehlivosti a účinnosti celého vodovodního systému.
lihu nebo, překryjte spodní konec sklenice neprostupnou elastickou membránou, nejprve do ní nalijte potřebné množství vody.
