Коэффициент полезного действия (КПД) насосов

КПД насосов позволяет повысить энергоэффективность производства и сэкономить деньги. В статье рассмотрено из чего складывается КПД насосов, что на него влияет и как его посчитать. Приводится информация по центробежным (в т.ч. с магнитной муфтой), винтовым, импеллерным и мембранным пневматическим насосам.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности системы (устройства или машины) в отношении преобразования или передачи энергии, которая показывает совершенство его конструкции и экономичность эксплуатации. Так как насосы перекачивают жидкость посредством преобразования одного вида энергии в другой вид энергии, то они идеально подходят под данное правило, а значит, обладают собственным коэффициентом полезного действия.

Формула

Коэффициент полезного действия не имеет системы измерений и обозначается обычно в процентах. Общий КПД жидкостного насоса определяется произведением КПД его привода (электродвигатель, пневмодвигатель, гидродвигатель) и КПД насосной части. Ƞ = ƞ_пр * ƞ_нч

КПД привода насоса это не что иное, как отношение мощности, которую мы получаем на выходном валу двигателя к потребляемой двигателем мощности. Нужно сразу уточнить, что данное отношение не может быть больше единицы, так как потребляемая двигателем мощность всегда больше мощности на выходе. Это обуславливается тем, что в процессе преобразования энергии всегда присутствуют тепловые и механические потери. Ƞ_пр = P₂ / P₁

Расчет КПД

Потребляемая мощность зависит от вида и характеристик собственного источника. Если насос имеет электрический привод – электродвигатель, то потребляемая мощность электрическая, если пневмодвигатель, значит потребляемая мощность это мощность нагнетаемого воздуха. Электрическая потребляемая мощность это произведение напряжения на силу тока.

Мощность на выходном валу двигателя, это мощность механическая, полученная вследствие преобразования подведенного электрического или пневматического вида энергии. Данную мощность нужно рассматривать как отношение работы к единице времени.

Так как насосная часть состоит из деталей, узлов и механизмов, а во время её работы происходят различные процессы и присутствуют разные физические явления, то её коэффициент полезного действия необходимо рассматривать как произведение трёх составляющих: механический КПД, гидравлический КПД и объёмный КПД. Ƞ_нч = ƞ_м * ƞ_г * ƞ_о

Механический КПД

Механический КПД во многом зависит от качества изготовления насоса, от его конструктивных особенностей. Механические потери связанные с работой трущихся частей (в подшипниках, в механическом торцевом уплотнении, в сальниковом уплотнении, в проточной части) снижают данный КПД.

Гидравлический КПД

Гидравлический КПД определяется течением жидкости внутри проточной части насоса, а если точнее гидравлическими потерями, которые возникают во время работы насоса. Например, если шероховатость поверхности стенок насоса увеличена, то жидкости станет сложнее преодолеть сопротивление трения, а значит, скорость течения жидкости будет ниже. Многое зависит и от вида течения жидкости. Возникающий в проточной части насоса турбулентный (вихревой) поток жидкости увеличивает гидравлические потери.

Отношение количества жидкости поступившей в насос через всасывающий патрубок, к количеству жидкости вышедшей из него через напорный патрубок является объёмным КПД насосной части. Объёмный КПД ещё называют КПД подачи, так как его можно рассмотреть как отношение производительностей, действительной к теоретической.

Чтобы потребитель имел возможность определить КПД насоса в конкретной рабочей точке, многие производители насосного оборудования прилагают к диаграммам рабочих характеристик насоса диаграммы с графиками характеристик КПД.

График эффективности насоса на примере Argal TMR 10.15

КПД промышленных насосов

В данной статье косвенно рассмотрим коэффициент полезного действия насосов различных видов: центробежных, винтовых, импеллерных, мембаранно-пневматических.

Центробежный насос

КПД самых распространенных центробежных насосов во многом зависит от режима их работы и конструктивных особенностей. Максимальным КПД обладают центробежные насосы с приводом большой мощности и высокими рабочими характеристиками. Их эффективность может достигать 92-95 %. Значение мощности двигателя таких центробежных насосов обычно начинается от 10кВт, а насосная часть имеет высокое качество изготовления.

Насос с магнитной муфтой

Насосы с магнитной муфтой имеют схожий КПД. Для данного типа насоса очень важно, чтобы герметичная задняя крышка насоса, располагающаяся между ведущим и ведомым магнитом, была изготовлено из токонепроводящих материалов. Иначе, будут возникать вихревые токи, которые вызывают потерю мощности и снижают общий КПД насоса.

Винтовой насос

Винтовые насосы имеют высокие механические потери. Они в первую очереди связаны с трениями, которые возникают в подшипниковом узле, а также между ротором и статором, но благодаря высоким рабочим характеристикам (расход, напор) данный тип насосов может иметь КПД колеблющийся от 40 до 80 %.

Импеллерный насос

Импеллерные насосы бережно перекачивают жидкость, создавая равномерный ламинарный поток и высокое давление на выходе, но высокие механические потери обусловленные трением гибких лопастей импеллера о внутреннюю поверхность корпуса не позволяет данному типу насосов быть лидером по эффективности.

Мембранно-пневматический насос

Мембранно-пневматические насосы не имеют двигателя и работают от поданного на него сжатого воздуха. Так как требуется дополнительное превращение электрической энергии в энергию сжатого воздуха, то КПД мембранно-пневматического насоса во многом зависит от КПД воздушного компрессора. Обычно КПД поршневых компрессоров составляет 80-92%, лопастных 90-96%. Кроме этого, в самом насосе, в той или иной мере, присутствуют все виды потерь. Гидравлические потери возникают, когда жидкость через небольшое всасывающее отверстие поступает в рабочую камеру насоса и выходит через отверстие подачи под определенным углом. Здесь поток жидкости сталкивается с внезапным расширением сечения при последующем резком повороте. Механические потери связаны с тем, что основная втулка насоса является парой трения скольжения. Кроме этого имеет место трение жидкости с деталями насоса: клапана, коллектора, мембрана, стенки боковой крышки. Объемные потери определяются отношением количества жидкости поступившего в насос и количеством жидкости вышедшего из него за два такта (всасывание – нагнетание).

Вывод

Подводя итог данной статьи можно сказать, что эффективность перекачивающих насосов во многом зависит от мощности двигателя насоса, а также от качества изготовления деталей и узлов самого насоса. Среди рассмотренных типов насосов наибольшим КПД обладают высокопроизводительные и высоконапорные центробежные насосы. Наименьшая эффективность у мембранно-пневматических насосов.

Мощность и КПД насосов

Насос или насосная система являются незаменимыми элементами большого количества технологических процессов. Поэтому, оборудование должно работать правильно, чтобы обеспечивать наилучшую производительность. Однако на эффективность работы насоса влияет множество факторов. КПД крупных насосов может достигать 0,92, а КПД небольших насосов — до 0,6 — 0,7 и менее. Мощность двигателя, приводящего в движение насос, всегда больше мощности насоса.

Эффективность самих насосов является наиболее важным фактором. Для насосов при одинаковых условиях работы, КПД может отличаться более чем на 15%. Если рабочие условия насоса ниже номинальных, эффективность насоса снижается, а потребление энергии растет. КПД двигателя во время работы практически не меняется, поэтому важно выбрать двигатель с высоким КПД. Правильное соответствие характеристик насоса и требований системы во многих случаях может снизить затраты на электроэнергию  в среднем на 20 процентов.

На величину КПД насоса также влияют различные потери энергии, которые случаются во время ее передачи от привода к качаемой жидкости.  Такие потери принято делить на три типа:

• Гидравлические
• Механические
• Объемные

Гидравлические потери насоса

В насосе складываются из потерь на преодоления сопротивлений (трение) в рабочем колесе и корпусе в процессе перемещения жидкости от всасывающего патрубка, к напорным и вихревым потерям. Потери на преодоление сопротивления трения очень сильно зависят от качества конструкции насосов, размеров их проточной части, качества обработки (шероховатости) стенок и поверхностей насоса. Данные потери пропорциональны квадрату скорости течения жидкости. Возникающие в насосе вихревые потери обуславливаются многими факторами. Масштабные вихревые потери возникают при резком расширении сечения или крутом повороте потока жидкости. Образовываются вихревые потери в результате отрыва потока от поверхности рабочего колеса или при режимах работы насоса вне предела его рабочих характеристик. Со временем, поверхность рабочего колеса, лопасти и т.п. неизбежно изнашивается, гидравлические потери увеличиваются, а гидравлический КПД снижается.

Механические потери насоса

Обусловлены процессами трения, возникающими в опорах радиальных и осевых подшипников, в механических торцевых уплотнениях, а также потерями на трение о рабочую жидкость образующимися при вращении рабочего колеса и вала насоса. Механические потери также очень сильно зависят от конструкции, качества изготовления и типоразмера насоса. Даже некачественная смазка подшипников и сальников может увеличить потери на трение.

Объемные потери насоса

Как правило, случаются в процессе перетекания перекачиваемой среды из области с высоким давлением в область низкого давления, через зазоры между рабочим колесом и диффузором или неподвижными деталями корпуса насоса. Например, в центробежном насосе часть жидкости из спирального отвода в обход рабочего колеса перетекает обратно во всасывающий патрубок, при этом она не поступит в напорный патрубок, хотя на нее уже была затрачена энергия

Как определить и измерить эффективность центробежных насосов: часть 1

Если вы читали новости о насосах и двигателях за последние 10 лет, то знаете, что растет потребность в создании более эффективных насосов. Инициативы по энергосбережению насосов аналогичны тому, что произошло за последние 15 лет с конструкцией электродвигателя переменного тока (AC).

Начиная с 2011 года и заканчивая 2020 годом, Министерство энергетики США (DOE) установило требования (правила) к центробежным водяным насосам, чтобы они соответствовали минимальным уровням эффективности. Некоторые из этих работ были начаты в 1990-х годов, но правила («Стандарты энергосбережения для насосов») появились спустя годы.

Гидравлический институт (HI) инициировал множество программ, начиная от информирования общественности и заканчивая углубленным обучением и руководствами по управлению. Как говорится на их веб-сайте, «HI взяла на себя ведущую роль в представлении насосной отрасли в переговорах о справедливых и надлежащих правилах, разработанных для достижения целей энергосбережения».

Недавно ко мне обратился инженерный колледж с просьбой помочь мне в разработке более эффективных насосов. Я с нетерпением готовился к встрече, но проект был отменен из-за COVID-19пандемия. После этого, как очень плохая маркетинговая мелодия, я не мог выкинуть из головы тему эффективности помпы. Идеи по повышению эффективности проигрывались в моей голове педантичным голосом, зажженным в моей коре моей бабушкой по отцовской линии: «Легче сказать, чем сделать» и «Вы не можете получить что-то даром», воспроизводимые в непрерывном цикле.

Для справки: я считаю, что повышение эффективности — это и похвальная цель, и высокий приоритет в моей работе. В отличие от этой цели, мое личное мнение состоит в том, что если вы неправильно спроектируете соответствующую насосную систему и не будете правильно эксплуатировать насос, не имеет значения, эффективен ли насос или нет. Насос и система должны работать вместе — одно нуждается в другом.

Эффективность

Основным определением эффективности является простая формула. Эффективность — это отношение выпуска, деленное на вход, а затем умноженное на 100, чтобы выразить его в процентах.

Если ваш автомобиль оснащен бензиновым двигателем, его КПД составляет около 20 процентов; если двигатель дизельный, он может улучшиться до 30 процентов и более. КПД угольной или атомной электростанции может достигать 38 процентов. Газовые электростанции с комбинированным циклом могут достигать 60 процентов. Современные асинхронные двигатели переменного тока недавно приблизились к 9КПД составляет 9 процентов, но чаще всего он составляет от 91 до 95 процентов при почти полной нагрузке.

КПД центробежных насосов может приближаться к 94 процентам, но типичный КПД малых насосов составляет 55 процентов, а больших насосов — 70 процентов. Количество электроэнергии, потребляемой насосами на среднем промышленном объекте, зависит от типа установки. Типичный целлюлозно-бумажный комбинат будет использовать 30 процентов своей энергии для привода насосов. Химический завод может использовать 27 процентов, а нефтеперерабатывающий завод может использовать 60 процентов. Через короткое время стоимость энергии для привода насоса превысит первоначальные затраты на покупку и установку. Обычно за 20-летний период затраты на электроэнергию типичного 100-сильного насоса в 20 раз превышают первоначальную стоимость насоса, включая установку.

Эффективность насоса

Эффективность насоса представляет собой «водяную мощность», деленную на «тормозную мощность» и умноженную на 100, чтобы представить ее в процентах (см. формулы на Рисунке 1).

Водяная мощность является инструментом проектирования системы и представляет собой мощность, которая потребовалась бы насосу для выполнения гидравлических условий, если бы он был на 100% эффективнее. Эффективность насоса не является фактором в уравнении мощности воды. Водяная лошадиная сила определяет самую низкую границу требований к мощности. Или подумайте об этом как о минимальной мощности, необходимой для перемещения жидкости (воды). Это удобная информация, которую необходимо иметь на ранних стадиях проектирования завода. Обратите внимание, что при выполнении этого расчета следует использовать удельный вес.

Тормозная мощность (BHP) — это мощность на валу, необходимая насосу для работы с нагрузкой. Тормозная мощность учитывает КПД насоса, но не КПД двигателя. Эти данные используются для определения размера драйвера. Входная мощность и КПД насоса могут быть рассчитаны по базовой формуле BHP, но при подготовке кривых производительности производитель измеряет скорость и крутящий момент вала двигателя, подаваемого на насос. Эффективность насоса — это простой расчет, когда у вас есть данные о скорости и крутящем моменте.

Эффективность «провод-вода» — это количество энергии, переданной перекачиваемой жидкости (воде), деленное на энергию, введенную электрической системой, или отношение выполненной работы к затраченной работе. При использовании дробей или десятичных дробей мы можем умножать вместо деления, и поэтому эффективность провод-вода представляет собой эффективность насоса, умноженную на эффективность двигателя. Эта информация позволяет нам правильно рассчитать электрическое подключение к двигателю. (Эффективность «провод-вода» называется эффективностью «провод-вода», если жидкость не является водой.)

Например, двигатель с КПД 90 %, который приводит в действие насос с КПД 70 %, имеет реальный КПД 63 % (0,90 x 0,70 = 0,63 или КПД 63 %). Примечание: это не средняя эффективность двух факторов, что является распространенной ошибкой. Эффективность «провод-вода» становится основным фактором и важным инструментом при расчете стоимости электроэнергии для перекачки определенного количества жидкости.

Почему насос не работает более эффективно?

Некоторыми факторами, препятствующими повышению эффективности насоса, являются шум, вибрация, рециркуляция и нагрев. К другим препятствиям для эффективности насоса относятся:

Механический КПД факторов, которые в основном представляют собой потери на трение в подшипниках, уплотнениях, механических уплотнениях, дисбалансе рабочего колеса и ротора, муфтах и ​​несоосности привода.

Объемный КПД представляет собой сумму потерь от утечек через компенсационные кольца, зазор рабочего колеса до корпуса, межступенчатых втулок, уравновешивающих барабанов, линий подогрева/байпаса и внутреннего потока обратно в сальник/фонарное кольцо.

Гидравлический КПД факторы являются самой большой помехой. Это сумма всех потерь на трение жидкости в насосе, включая потери на трение диска и гидравлический удар. Ударные потери возникают из-за быстрого ускорения и замедления жидкости, которые больше при низких скоростях потока и зависят от геометрии рабочего колеса. Именно из-за ударного фактора крыльчатки с высокой удельной скоростью вращения обычно более эффективны.

ИЗОБРАЖЕНИЕ 1: Формулы, необходимые для расчета эффективности центробежных насосов (Изображение предоставлено автором)

Часть 2 этой колонки посвящена повышению эффективности насоса.

Подробнее о распространенных ошибках при перекачивании читайте здесь.

КПД насоса — что такое КПД?

Примечание редактора: Это первая статья в серии из шести статей об эффективности центробежных насосов. Чтобы просмотреть другие статьи из этой серии, нажмите Серия «Эффективность центробежных насосов».

В этой серии статей мы рассмотрим несколько аспектов эффективности центробежных насосов . Сначала я дам определение эффективности и приведу несколько примеров. Далее я рассмотрю некоторые конструктивные критерии, которые в конечном счете определяют эффективность, демонстрируемую конкретным насосом.

Я также попытаюсь сделать эту несколько туманную величину, известную как удельная скорость, более осмысленной. Я проиллюстрирую его влияние на форму кривой производительности насоса и общий КПД насоса.

Далее я объясню вклад отдельных компонентов насоса в общий КПД насоса и покажу, почему объединенный КПД насоса и его привода является произведением, а не средним значением двух КПД.

Также будет рассмотрен вопрос о том, как можно сохранить эффективность насоса за счет изменения скорости вращения рабочего колеса, а не уменьшения его диаметра. Затем я сравню значение пиковой эффективности с широтой эффективности в диапазоне расхода. Обсуждение закончится важностью, а иногда и неважностью эффективности применительно к конкретному приложению или процессу.

Что такое КПД насоса?

Когда мы говорим об эффективности любой машины, мы просто имеем в виду, насколько хорошо она может преобразовывать один вид энергии в другой. Если к машине подводится одна единица энергии и ее выход в тех же единицах измерения равен половине единицы, то ее КПД составляет 50 процентов.

Каким бы простым это ни казалось, оно все же может стать немного сложным, потому что единицы, используемые в нашей английской системе измерения, могут сильно различаться для каждой формы энергии. К счастью, использование констант приводит к эквивалентности этих в остальном различных величин.

Типичным 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 галлона бензина не совершает полезной работы. Хотя расход бензина с годами несколько увеличился, это увеличение связано как с повышением механической эффективности, так и с повышением эффективности самого двигателя.

Дизельные двигатели работают лучше, но по-прежнему имеют максимальную мощность около 40 процентов. Это увеличение связано, в первую очередь, с его более высокой степенью сжатия и тем, 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 (расход, скорость и давление), а двигатель переменного тока преобразует электрическую энергию в механическую.

Многие центробежные насосы среднего и крупного размера обеспечивают КПД от 75 до 93 процентов, и даже меньшие насосы обычно попадают в диапазон от 50 до 70 процентов. С другой стороны, большие двигатели переменного тока приближаются к КПД 97 процентов, и любой двигатель мощностью от десяти лошадиных сил и выше может преодолеть 90-процентный барьер.

Общий КПД центробежного насоса представляет собой просто отношение мощности воды (выходной) к мощности на валу (входной) и иллюстрируется приведенным ниже уравнением:

E _F = P _W / P _S

, где:

E _F = эффективность

P _W = Вода

P _W = вода

P _W = вода

P _{W. мощность на валу}

В США Ps — это мощность, подаваемая на вал насоса в тормозных лошадиных силах (BHP), а Pw составляет:

P _w = (Q x H) / 3960

Где:

Q= Расход (галлонов в минуту — GPM) 

H= Напор (футы)

Константа (3,960) преобразует произведение расхода и напора (футы в галлонах в минуту) в забойные давления. Эти уравнения предсказывают, что насос, который производит 100 галлонов в минуту при 30 футах напора и требует 1 л.с., будет иметь общий КПД 75,7% в этой точке подачи. Расширение второго уравнения также позволяет вычислить забойное давление, необходимое в любой точке кривой производительности насоса, если мы знаем его гидравлический КПД. Я покажу некоторые примеры этого позже в этой серии.

Как достигается эффективность насоса?

Общий КПД центробежного насоса является произведением трех отдельных КПД — механического, объемного и гидравлического. Механический КПД включает потери в корпусе подшипника, сальниковой коробке и торцовых уплотнениях. Объемный КПД включает потери из-за утечек через компенсационные кольца, балансировочные отверстия и зазоры лопастей в случае полуоткрытых рабочих колес. Гидравлический КПД включает жидкостное трение и другие потери в улитке и рабочем колесе.

Хотя механические и объемные потери являются важными компонентами, гидравлический КПД является самым важным фактором. Центробежный насос имеет много общего с асинхронным двигателем, когда дело доходит до этапа проектирования. Общим является то, что оба имеют только два основных компонента, которые могут быть изменены дизайнером. В случае двигателя это ротор и статор. Для центробежного насоса это рабочее колесо и улитка (или диффузор). Начнем исследование КПД центробежного насоса с рабочего колеса.

Законы подобия многое говорят нам о внутренней работе крыльчатки. Мы знаем, что для любого данного рабочего колеса напор, который он производит, зависит от квадрата изменения скорости. Удвойте скорость, и голова увеличится в четыре раза. Если вы поддерживаете постоянную скорость, то же правило остается верным для небольших изменений его диаметра.

Расход через рабочее колесо подчиняется аналогичному правилу, но в этом случае его изменение прямо пропорционально изменению скорости или диаметра — удвойте скорость или диаметр, и расход удвоится. На самом деле изменение скорости вращения или диаметра рабочего колеса относится к его периферийной скорости или скорости в футах в секунду точки на его периферии. Именно эта скорость определяет максимальный напор и расход, достижимые для любого рабочего колеса.

Напор, создаваемый крыльчаткой, почти полностью зависит от ее окружной скорости, но на расход влияют несколько других факторов. Очевидно, что ширина и глубина (площадь поперечного сечения) проходных каналов (лопастей) и диаметр проушины крыльчатки являются важными факторами, поскольку они определяют легкость, с которой некоторый объем воды может пройти через крыльчатку.

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

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

Где можно узнать больше?

Сегодня доступно множество замечательных книг о помпе, но одна из классических книг теперь доступна для бесплатной загрузки в Google Книгах.