Вода в насосе через всасывающий патрубок попадает на вход рабочего колеса (или колес) и под действием вращающихся лопаток испытывает положительное ускорение. В насосе кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления. В трубопроводе энергия давления преобразуется в кинетическую энергию текущей жидкости. Кроме того если на вход насоса вода поступает, например, из водонапорной башни, то на выходе из башни вода обладает энергией положения, которая, в свою очередь, преобразуется в энергию давления на входе насоса (часто это давление называют подпором).

На рисунке 1 в точке 0 вода имеет потенциальную энергию положения , но не имеет энергии давления и движения. В точке 1 энергия положения перешла в энергию давления. В точке 2 энергия давления точки 1 преобразовалась насосом в кинетическую энергию жидкости. Но в любом случае сумма удельной энергии положения, удельной энергии давления и кинетической удельной энергии есть величина постоянная во всех сечениях потока жидкости (происходит только преобразование энергии).

Однако при перемещении жидкости по реальному трубопроводу ее удельная энергия будет убывать, так как часть ее затрачивается на преодоление сопротивления движению, обусловленного внутренним трением и вязкостью жидкости. Это преобразование энергии выражается в потере давления:

Δp=K*L*Q2/d5

где: Δp-потери давления (Па), 100000Па=100кПа=1Атм=10 метров водяного столба); К-коэффициент пропорциональности (в данном случае его физический смысл не имеет значения для определения закономерностей в потерях давления); L-длина трубопровода (м); d-диаметр трубы (м); Q-расход вода (или поток) (м.куб./час)

Потери давления Δp пропорциональны длине L трубопровода, и они возрастают вчетверо при удвоении потока Q и снижаются на 1/32 своего первоначального значения, если диаметр трубопровода d удваивается. Этот очень важный факт для правильного выбора насосной установки часто не принимается во внимание на практике.

В дальнейшем удобнее для выбора насоса оперировать понятием потери напора Hv, выраженного в метрах. Это легко сделать, если разделить значение потерь давления в Па на 10000. Если мы вычислим потери напора Нv1 при величине расхода Q1, то легко можно вычислить эти потери для Q2, Q3 и т.д.:

Нv2=Нv1*(Q2/Q1)2

Почему столь важна данная закономерность? Это связано с тем, что во многих источниках можно найти либо таблицы, либо графики для расчета потерь напора при каких-то определенных исходных данных. Нас же будет интересовать диапазон этих условий (не только различные диаметры труб, но и расходы Q). Вычислив по таблице или графику потери Hv1 при Q1, легко построим кривую потерь для данного трубопровода в диапазоне значений Q (см. рисунок 2).

Для подбора насоса может потребоваться зависимости потерь от диаметра трубы. Если в трубе диаметром d1 при расходе Q мы имеем потери Нv1, то в трубе d2 при том же расходе потери давления Нv2

Нv2=Нv1*(d1/d2)5

Как видно из формулы, даже незначительное изменение диаметра трубы может приводить к заметным изменениям потерь напора.

Следует помнить, что потери напора происходят не только в трубе, но и в элементах трубопровода: задвижках, отводах и т.д. В таблице 1 представлены ориентировочные коэффициенты ( или «эквивалентные длины») для различных элементов трубопровода. В таблицах 2, 3, 4 приведены коэффициенты для расчетов потерь напора в трубах.

Пример расчета потерь напора

Пусть у нас есть трубопровод d80мм, в котором длина трубы составляет 60м. В трубопроводе установлены 2 задвижки d80, один вентиль d80 и отвод d80. Расход составляет Q=25м.куб./час.

Для расчета потерь напора Hv в различных трубах воспользуемся таблицами 2, 3, 4, в которых приведен коэффициент потерь i. Формула расчета:

Нv=i*L/1000

Рассчитаем потери напора. По таблице находим, что для стальной трубы d=80мм показатель i=22,9.
Длина трубы Lтр=60м;
Длина задвижек Lэз=2*1,2=2,4м;
Длина вентиля Lэв=20м;
Длина отвода Lэо=1,7м.

Тогда потери давления в трубопроводе равны:
Н1=(60+2,4+20+1,7)*22,9/1000=1,925м
Тогда при изменении расхода до Q2=40м.куб./час потери напора составят величину
Н2=Н1*(Q2/Q1)2 = 1,925*(40/25)2=1,925*2,56=4,928м.
При расходе Q3=50м.куб./час потери напора в трубопроводе составят
Н3=Н1*(Q3/Q1)2 = 1,925*(50/25)2=1,925*4=7,7м.

Если нанести точки Qi (горизонтальная ось) и соответствующие им точки Нvi (вертикальная ось), получим график характеристики гидросистемы (например, трубопровода). Нa рис.3 эта характеристика (соответственно для гидросистем А1 и А2, отличающихся, например, диаметрами труб или количеством элементов трубопровода) совмещена с напорной характеристикой насоса.

Точка пересечения графика характеристики насоса с графиком характеристики гидросистемы Qnenn называется рабочей точкой. Изменение характеристик гидросистемы (например, частичное закрытие вентиля, отложение осадка в трубах ит.п.) будет приводить к изменению положение рабочей точки изменяется. Таким же образом на положение рабочей точки оказывает влияние и изменение характеристик насоса (износ рабочего колеса, нестабильное питающее напряжение) . Если опустить перпендикуляр из рабочей точки на кривой А2 на график потребляемой насосом мощности, можно сделать вывод, что в рабочей точке Qmax насос будет работать вне пределов допустимых эксплуатационных параметров и необходимо выбрать другой насос или изменить характеристики гидравлической системы (например, «зажать» вентиль на трубопроводе на выходе насоса, что приведет к увеличению потерь в напоре и переместит рабочую точку в сторону точки Qnenn).

Следует отметить, что при отсутствии напорной характеристики насоса контролировать положение рабочей точки можно только одним способом-измерять ток, потребляемый двигателем, при одновременном измерении давления в системе и расхода.

Если требуемые давление и расход не достигаются при номинальном токе двигателя насоса, необходимо выбрать другой насос или изменить параметры гидросистемы или согласиться с достигнутыми при номинальном токе расходом Q и напором Н.

Что учесть при подборе погружного насоса

Чтобы правильно выбрать глубинный насос типа ЭЦВ или погружной насос типа ГНОМ следует руководствоваться следующими величинами:

  • требуемая производительность насоса Q и требуемое давление H в конечной точке гидросистемы
  • требуемое давление в конечной точке гидросистемы Н
  • динамическая высота жидкости в скважине, колодце или водоеме относительно уровня земли
  • перепад высот между начальной и конечной точками гидросистемы
  • потери напора в гидросистеме

Напор Н, который должен развивать насос, равен сумме состовляющих:
  • динамический уровень воды Нд в скважине (водоеме)
  • высота Нт конечной точки гидросистемы или гидропровода (например, водонапорной башни)
  • давление Нн в трубе на входе в конечную иочку гидросистемы (например, водонапорную башню или бак-гидроаккумулятор)
  • перепад Нп высоты между точкой водозабора на поверхности земли и конечной точкой гидросистемы (например, скважиной и точкой нахождения подножия водонапорной башни)
  • потери Нv напора в трубопроводе

Н=Нд+Нт+Нн+Нп+Нv

Основная ошибка при выборе погружного насоса покупателями (особенно типа ЭЦВ) заключается в том, что за отправной параметр при расчетах насоса принимается глубина его погружения (высота от поверхности земли) и совершенно не принимается во внимание столб воды над насосом. На самом деле принимать во внимание необходимо динамический уровень воды в скважине (водоеме).

Динамический уровень – это расстояние от поверхности земли до поверхности жидкости, устанавливающееся в водоеме (скважине) при отборе из него жидкости с расходом Q. Он может существенно отличаться от статического, когда жидкость не отбирается из водоема (скважины) и тем более от глубины погружения насоса.

Пример подбора глубинного насоса

Глубина скважины -100м;
Глубинный насос погружен на глубину 70м;
Статический уровень жидкости -10м от поверхности земли;
Динамический уровень жидкости – 30м от поверхности земли;
Расстояние до водонапорной башни 400м;
Водонапорная башня расположена выше поверхности земли, где находится скважина (перепад высот), на 4м;
Высота водонапорной башни- 25м.
Производительность насоса 6м.куб./час.
Давление на входе в водонапорную башню – 2атмосферы ( или 20м);
Диаметр трубы-50мм, материал трубы-сталь;
На трубопроводе установлены 1 вентиль d=50мм, пять отводов d=50мм, обратный клапан d=50мм.
Необходимо выбрать насос ЭЦВ, который обеспечит на входе в башню расход воды 6 куб.м/час.

1) Определяем потери напора за счет трения в трубах и элементах трубопровода.
Общая длина трубы =70м+500м+25м.=595м
Общая «длина» элементов трубопровода (см. таблицу 1) =12м+5*1м+7,8м=24,8м.
По таблице №3 для трубы 50мм и расходе Q=6м.куб./час определяем коэффициент i=32,2
Тогда потери напора в трубопроводе составят Нv=(595+24,8)*32,2/1000=19,95м.

2) Напор, который должен развивать насос, равен сумме состовляющих:
— динамический уровень воды в скважине (водоеме) – 30м;
— высота водонапорной башни – 25м;
— давление в трубе на входе в водонапорную башню- 20м;
— перепад высоты между скважиной и точкой нахождения водонапорной башни- 4м;
— потерь напора в трубопроводе – 19,95м.
Н=30+25+20+4+19,95=98,95м.

Исходя из расчетов, выбираем по каталогу насос ЭЦВ 6-6.3-105.

Следует помнить, что если оценка потерь в трубопроводе окажется завышенной, а в реальности она будет заметно меньшей, то кривая потерь гидросистемы пересечется с кривой напора насоса в правой части графика рисунке 3. Например, А1 есть расчетная кривая, а А2-реальная. Тогда рабочая точка насоса ЭЦВ 6-6.3-105 будет расположена за пределами допустимых режимов насоса. В этом случае при сомнении в расчетах потерь напора лучше выбрать насос с более мощным двигателем или зажать вентилем выход насоса ЭЦВ6-6.3-105 для увеличения сопротивления гидросистемы и тем самым сдвига кривой гидросистемы влево (рабочая точка А1).

Анатолий Павлов
директор компании «ЭлектроСталь»
+38(0412) 418421

Литература:
1.Теория перекачивания жидкостей. Издание ООО «Грундфос»
2.Теоретические основы гидравлики. Издание ООО «Грундфос»
3.Насосная азбука, Издание «Вило Рус»
4.Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунтных, асбоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. Шевелев Ф.А. Изд. 5-е дополн. М., Стройиздат, 1973г, 112с.