Выбор циркуляционного насоса для системы отопления. Часть 4

Зависимости напора и расхода при работе насоса, рабочая точка насоса и системы отопления.

Давайте возьмем условный циркуляционный насос с напором 4 м и максимальным расходом 4 л/мин. и проделаем следующий эксперимент.

Для начала входную часть насоса (сторону, где он создает область пониженного давления) присоединим к емкости с водой, а другую часть — к тройнику, куда вкручена вертикальная труба (высотой чуть больше 4 м) и вентиль (см. рисунок). Вентиль закроем.

Теперь включим его и увидим, как столб жидкости поднимется на высоту 4 м. В этом состоянии расход насоса нулевой, а напор максимальный.

Теперь полностью откроем вентиль. Мы увидим, что вода, вместо того, чтобы подняться по трубе, льется полным потоком через горизонтальную часть тройника (см. следующий рисунок).

В этом эксперименте мы с вами наблюдали два важных состояния работы циркуляционного насоса: работу насоса, когда расход нулевой (работа на закрытую задвижку) и работу насоса на максимальный расход, когда расход настолько велик, что насос не может больше «дать» воде дополнительного усилия, достаточного не только на свободный излив, но еще и на подъем по трубе.

Построим график и отметим на нем оба состояния работы циркуляционного насоса точками.

Теперь прикроем наш вентиль настолько, чтобы вода по трубе поднялась до отметки 1 м, а расход составил бы 3 л/мин. Отметим и эту точку на нашем графике.

Проделаем то же самое еще 2 раза. Каждый раз будем прикрывать вентиль так, чтобы вода смогла подняться сначала на 2 м, а потом на 3 м. В каждом случае мы будем наблюдать, как расход будет уменьшаться. Сначала он упадет с 3 л/мин до 2 л/мин, а затем он снизится до 1 л/мин.

Отметим эти изменения на графике.

Теперь соединим эти точки. Мы получили линию работы насоса, из которой ясно видны зависимости:

при увеличении расхода напор падает;

при уменьшении расхода напор увеличивается;

при нулевом расходе (закрытом вентиле) напор достигает своей максимальной величины;

при нулевом напоре расход достигает своего наибольшего значения.

Точки, которые мы с вами получили называются рабочими точками. Это точки, в которых пересекаются характеристики насоса и системы отопления.

Два состояния работы насоса на закрытую задвижку, когда напор максимальный или когда максимальный расход, а напор нулевой являются недопустимыми.

В этом положении насос не создает никакой полезной работы. Более того, он находится в аварийном режиме, что быстро приведет его к выходу из строя.

Давайте создадим еще один график, отражающий параметры проектируемой системы отопления (водьмем пример из 2 и 3 статей).

Напомню, за основу мы брали четырехуровневый дом площадью 490 м 2 с цокольным этажом, где расположен котел и циркуляционный насос.

В результате расчетов мы получили расход G = 2,11 м 3 /час и напор H = 2,48 м. (У производителей насосного оборудования принято расход обозначать буквой Q).

Какой насос нужен для таких значений этих параметров?

Берем каталог фирмы Grundfos и, просматривая графики циркуляционных насосов для бытового назначения, находим, что это UPS 32 — 60.

Первые две цифры обозначают диаметры подключаемых штуцеров насоса, а вторые две цифры — напор, выраженный в дециметрах (1 м = 10 дм).

Подобрав циркуляционный насос, давайте задумаемся. А что весь отопительный сезон насос так и работает в этой точке?

Весь расчет системы отопления делается согласно нормативам, которые гласят: «Расчетная тепловая мощность системы определяется на основе составления теплового баланса в обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха, называемой расчетной (средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92).

А где можно посмотреть эту расчетную температуру наиболее холодной пятидневки?

В таблицах СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Там в алфавитном порядке представлены наименования областных и краевых центров по всей территории РФ.

Для Воронежа температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 составляет — 26 о С. Именно на эту температуру считаются теплопотери и мощность отопительной системы.

Всегда ли в течение отопительного периода стоит такая температура? Нет.

Когда тепло или не очень холодно, владельцы частных домов прикрывают отдельные отопительные приборы, чтобы не было жарко (в современных системах отопления это делается автоматически за счет термостатических клапанов или датчиков, которые подключены к узлам автоматики).

Иными словами изменяется гидравлическое сопротивление, как отдельных узлов системы отопления, так и всей системы.

Изменяется также и расход теплоносителя. Соответственно рабочая точка насоса не стоит на месте, она перемещается. И большую свою часть циркуляционник работает не в этой крайней правой зоне, а левее.

Осознание этого помогает понять, почему нужно стараться, чтобы подбираемая на самый холодный период отопительного сезона рабочая точка лежала в правой части графика.

В этом случае (при смещении этой точки левее) большую часть времени насос будет работать в самой продуктивной области — области наибольшего КПД.

Подбор характеристик циркуляционного насоса по рабочей точке, находящейся в зоне максимального КПД.

Мы с вами подошли к последнему важному параметру (если опустить явление кавитации), который обязательно нужно учитывать, подбирая насос для системы отопления. К счастью, нам с вами не нужно делать никаких расчетов, потому что уважающие себя производители насосного оборудования размещают в паспортах своих изделий не только график зависимости напора H от расхода Q, но и график КПД. Этот график накладывается или располагается чуть ниже графика Q/H. Ниже вы можете посмотреть пример такого графика.

Для долговечной работы циркуляционного насоса необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из рабочей точки насоса на график, расположенный ниже, попадал в зону наибольшего КПД или чуть правее (в некоторых случаях кривая КПД уже начинает идти на спад).

Как было отмечено выше, рабочая точка рассчитывается на самую холодную пятидневку, т.е. насос в этой точке будет работать очень короткое время.

В остальное же время его рабочая точка будет перемещаться левее по графику. Точно также, левее, будет передвигаться и опущенный на кривую перпендикуляр КПД.

Для более точного позиционирования, давайте опустим направления «левее», «правее» и введем более точные определения.

Разобьм горизонтальную часть графика, на которую нанесена характеристика расхода, на три зоны — 3/3. (См. рисунок).

Теперь поднимем от размеченных границ этих зон три перпендикуляра так, чтобы они пересеклись с кривой характеристики насоса.

Рабочая зона насоса у нас с вами разделилась на три части.

Подбирая насос, старайтесь убедиться, что большую часть отопительного сезона он проработает во второй трети характеристики насоса. Это гарантирует работу насоса при оптимальном КПД.

Чем большее времени насос отработает в зоне повышенного КПД, тем больше полезной работы он совершит, радуя своей долговечной работой владельцев частных домов.

Что такое «рабочая точка» насоса?

Если Вы впервые сталкиваетесь с необходимостью подобрать насос для перекачивания какой-либо жидкости, то, скорее всего, второй вопрос, который Вы услышите (первый будет касаться как раз перекачиваемой жидкости и типа насоса): «А на какую рабочую точку Вам подобрать насос?». Для специалистов вопрос про рабочую точку достаточно очевидный — это определяющий параметр для корректной работы насоса. И для них определение рабочий точки насоса будет дано чуть ниже.

А для тех, кто впервые столкнулся с понятием «рабочая точка», больше подойдёт такое объяснение: рабочая точка — это точка пересечения характеристики насоса с характеристикой системы. То есть — это напор и подача, которые нужны для того, чтобы получить желаемый результат на Вашей системе. Другими словами, если Вы подбираете насос для водоснабжения, отопления или канализации и не знаете ответа на вопрос «Какова рабочая точка?» — просто обратитесь к специалисту и объясните: что, откуда куда (в метрах по вертикали и горизонтали) и в каком объёме Вы хотите перекачивать. На основе этих данных специалист и рассчитает рабочую точку, которая в свою очередь поможет ему в подборе насоса.

Ну а для желающих подробно разобраться с понятием «рабочая точка насоса», представим полный ответ (на примере центробежного насоса):

Рабочая точка центробежного насоса является точкой пересечения кривой напора H(Q) и характеристической кривой установки HA(Q). При этом кривая H(Q) зависит от параметров насоса, а зависимость HA(Q) обусловлена параметрами установки (см. рис. 1 Рабочая точка)

Положение рабочей точки изменяется, когда кривая напора H(Q) и/или характеристическая кривая установки HA(Q) принимают другое положение или изменяют вид:

H(Q) изменяется, HA(Q) остается неизменной:

• Данное явление характерно для центробежных насосов с регулируемой частотой вращения (см. «Регулирование»). (см. рис. 2 Рабочая точка)
• Может возникать вследствие подключения одинаковых центробежных насосов, работающих параллельно. (см. рис. 3 Рабочая точка)

HA(Q) изменяется, H(Q) остается неизменной:

Характеристическая кривая установки может изменяться в процессе эксплуатации вследствие увеличения потерь напора (например, в результате дросселирования регулирующей арматурой, образования налета в трубах) или изменения геодезического напора (например, изменения уровня в резервуарах).

Расчетные точки и точки по запросу (требования заказчика) лишь в исключительных случаях полностью совпадают с рабочей точкой. Таким образом, рабочая точка часто приводится в соответствие путем дроссельного регулирования. (см. рис. 4 Рабочая точка)

Характеристика сети. Рабочая точка насоса

В любой системе трубопроводов неминуемы потери давления. Они возникают, в основном, вследствие трения жидкости о стенки труб, а также от изменения направления потока в фасонных деталях арматуры. Потери давления зависят от температуры и вязкости перекачиваемой жидкости, скорости потока, диаметра, протяженности трубопроводов, шероховатости стенок труб.

Потери давления в системе трубопроводов можно отобразить на графике в виде характеристики сети H_A(Q). Причем для изображения характеристики сети используется такой же график зависимости напора от подачи, как и для характеристики насоса.

При изменении подачи в системе, например, при открытии или прикрытии клапанов, изменяется также скорость потока и, исходя из этого, гидродинамическое сопротивление. Так как сечение труб можно рассматривать как площадь живого сечения потока, то получается, что сопротивление изменяется квадратично. Поэтому график характеристики системы будет иметь форму параболы. Эту зависимость можно представить в виде следующего уравнения:

Из данного уравнения можно выявить следующие закономерности:

• при увеличении подачи в трубопроводной сети вдвое напор увеличится в четыре раза;
• при уменьшении подачи в сети в два раза напор уменьшится на 75%.

Рабочая точка

Рабочая точка – это точка пересечения графика характеристики насоса с характеристикой системы трубопроводов. Это означает, что в этой точке полезная мощность насоса равна мощности, которую потребляет трубопроводная сеть, а напор насоса равен сопротивлению системы. От положения рабочей точки также зависит и производительность, которая может быть обеспечена насосом.

При этом необходимо обращать внимание на то, что подача насоса не должна быть ниже определенного минимального значения, установленного производителем. Иначе это может вызвать слишком сильное повышение температуры воды в насосной камере и, как следствие, повреждение оборудования. Во избежание этого необходимо полностью соблюдать инструкции производителя. Рабочая точка за пределами характеристики насоса может вызвать повреждение мотора. Смещение рабочей точки при изменении частоты вращения насоса

Понятно, что любые изменения в гидравлической системе, например, потери напора вследствие дросселирования регулирующей арматурой или образования отложений в трубопроводе, сказываются на характеристике системы H_A(Q), в результате чего положение рабочей точки изменится. Аналогичным образом изменения параметров насоса вследствие, например, износа рабочего колеса или изменения частоты вращения, вызовут возникновение новой рабочей точки.

Рабочие характеристики насоса H(Q) имеют достаточно высокую точность, так как они определяются производителями оборудования экспериментальным путем. Характеристика же системы H_A(Q) имеет достаточно приблизительный вид, так как гидравлическое сопротивление трубопроводной системы точно неизвестно и выводится только с помощью расчетов. Необходимо учитывать все нюансы, так как если характеристика системы будет рассчитана неверно, то насос, установленный в нее, не сможет обеспечить требуемые параметры напора и подачи.

Нахождение оптимальной расчетной рабочей точки в соответствии с максимальными эксплуатационными требованиями является одной из основных задач при проектировании трубопроводных систем. Такими требованиями для циркуляционных насосов систем отопления является теплопотребление здания, для установок повышения давления – пиковый расход для всех точек водоразбора. Определившись с расчетной рабочей точкой, подбирают циркуляционный насос с наиболее близкой характеристикой. Так как найти насос точно под конкретную систему практически невозможно, то выбирают модель «с запасом». Все остальные рабочие точки будут находится в левой стороне от данной расчетной рабочей точки.

Влияние изменения гидродинамического сопротивления на смещение рабочей точки показано на следующих рисунках. Видно, что при смещении рабочей точки влево от расчетной вызовет увеличение напора насоса, в результате чего может возникнуть шум в клапанах. Смещение рабочей точки вследствие дросселирования

В настоящее время циркуляционные насосы комплектуются частотным преобразователем, которые позволяют осуществлять регулирование напора и подачи насоса в зависимости от потребности. Насосы со встроенным частотным преобразователем стоят дороже обычных, но данная опция позволяет существенно снизить энергопотребление и эксплуатационные расходы, а также увеличить срок службы.