Что такое динамический напор

Терминология технических характеристиках насосов

Напор

Относится к высоте столба воды, которая может поддерживаться давлением или вакуумом, создаваемым насосом.

Статический напор подачи (на входе)

Вертикальное расстояние между крыльчаткой (рабочим колесом) насоса и поверхностью жидкости на стороне всасывания (на входе) насоса.

Динамический напор подачи (на входе)

Статический напор подачи плюс дополнительный напор подачи, создаваемый трением жидкости, протекающей через шланги, фитинги и т.д. Насосы могут поднимать воду благодаря атмосферному давлению. В результате атмосферное давление 1,01 бар на уровне моря для любого насоса ограничивает практический подъем динамического напора подачи до менее чем 8 метров.

Статический напор выпуска (на выходе)

Вертикальное расстояние между выпускным отверстием насоса и точкой водовыпуска, которой является поверхность жидкости, если шланг погружен до или выкачивает на дно бака.

Динамический напор выпуска (на выходе)

Статический напор выпуска плюс дополнительный напор выпуска, создаваемый трением или сопротивлением (обычно называемый потерями) жидкости, протекающей через шланги, фитинги, спринклеры, сопло и т. д.

Общий (суммарный) напор

Динамический напор подачи (на входе) плюс динамический напор выпуска (на выходе).

Давление

Давление определяется весом на единицу площади и обычно обозначается в килограммах на квадратный сантиметр. Давление часто включают в эксплуатационные характеристики насоса. Давление и напор напрямую связаны, когда речь идет о производительности насоса.

Потери на трение

Дополнительное давление или напор, создаваемые в насосе из-за трения жидкости, протекающей через шланги, трубы, фитинги и т.д. Потери на трение возникают всегда, когда жидкость течет по трубам, и становятся больше по мере увеличения длины трубы и/или уменьшения диаметра. Потери на трение приводят к снижению производительности насоса и могут быть сведены к минимуму за счет использования самых толстых и самых коротких шлангов, насколько это возможно. Потери на трение включены в динамический напор подачи (на входе) и выпуска (на выходе).

Крыльчатка (рабочее колесо)

Крыльчатка (рабочее колесо) представляет собой вращающийся диск с лопатками, соединенный с коленчатым валом двигателя. Во всех центробежных насосах есть крыльчатка. При запуске двигателя крыльчатка (рабочее колесо) начинает вращаться и создает центробежную силу, под действием которой вода начинает прижиматься к стенкам улитки (корпуса насоса), обтекая её попадает в выпускной в патрубок и выталкивается наружу. Уменьшение количества воды в корпусе насоса создает пониженное давление, под действием которого образуется движение воды из впускного патрубка. Благодаря такому изменению давления жидкость протекает через насос.

Улитка

Улитка представляет собой неподвижный корпус, закрывающий крыльчатку. Улитка является корпусом насоса, в котором создаются центробежные силы, направляющие поток жидкости наружу по специальной траектории.

Самовсасывающий насос

Самовсасывающий – это термин, часто используемый для описания насосов, которые имеют возможность создавать в корпусе частичный вакуум, обеспечивая протекание воды через всасывающий шланг. Все жидкостные центробежные насосы, для активации функции самовсасывания, перед их запуском необходимо заполнить корпус насоса водой. Все насосы Honda являются самовсасывающими.

Торцовое уплотнение

Это подпружиненное уплотнение, состоящее из нескольких частей, которые уплотняют вращающуюся крыльчатку в корпусе насоса и предотвращают утечку воды и повреждение двигателя. Торцовое уплотнение подвергается износу при перекачке воды, содержащей абразивы, и будет быстро перегреваться при запуске насоса без предварительного заполнения камеры насоса водой перед запуском двигателя. Насосы для сильнозагрязнённой воды содержат торцовые уплотнения из карбида кремния, предназначенные для выдерживания воздействия абразивных материалов.

Кавитация

Гидравлический удар

Источник

Что такое динамический напор

В данном посте опишу теорию гидравлики простыми словами, чтобы понимать принципы поведения воды в трубе.
Как показала практика, многие работающие с системами автоматического полива люди, имеют ошибочное представление о поведении воды в трубопроводе. Так что опытным монтажникам думаю так же будет полезна данная статья.

Статическое давление
Статическое давление- характеризует свойства воды когда она в покое т.е она не движется.
Динамическое давление- свойство воды, характеризующее ее при ее движении в заданном направлении по трубопроводу для обеспечения, например полива. Параметры двигающейся воды, с которыми мы будем в дальнейшем иметь дело это расход и давление.
Итак, статическое давление воды мы имеем в закрытой системе (перекрытые клапана) при неподвижном потоке воды. Значения давления в этом случае меняются только с изменением высоты водного уровня. Статическое давление показывает потенциал давления, с которым система сможет работать.
Следует запомнить, что значение статического давления на плоской местности остается постоянным и действующим с одинаковой силой во всех направлениях. Перепады высот оказывают влияние на его значение. Повышение высоты снижает, а снижение высоты повышает уровень статического давления.
Как только мы открываем, клапан или кран, вода начинает двигаться и, в этом случае, мы уже имеем дело с динамическим давлением. В этом случае появляются новые потери давления, а именно потери давления на трение по трубопроводу и местные потери (фитинги, обратные клапана, электромагнитные клапана и т.д.). Шероховатость стенок трубы, турбулентность — вот лишь та малая часть явлений, которые отрицательным образом сказываются на значении давления в трубопроводе при движении воды от магистрали к дождевателям.

Динамическое давление
Динамическое давление или «рабочее давление» отличается от статического тем, что оно зависит от потерь связанных с движением воды, и его необходимо также учитывать, как и изменение статического давления связанного с изменением высоты. Динамическое давление непосредственно связанно с расходом или тем количеством воды, которое проходит по трубе или в месте местного сопротивления.

С увеличением количества воды протекающего по трубопроводу, увеличивается скорость движения потока, увеличивая потери в давлении. Можно найти ряд таблиц с потерями на трение, учитывающих диаметры трубопровода, его материал и скорость потока воды. А также вы всегда сможете найти таблицу местных потерь давления в зависимости от расхода в каталогах производителей поливочного оборудования.

ВАЖНО!!
Самое частое заблуждение и стереотип даже у опытных людей, много лет работающих с системами автоматического полива- это святая вера в то, что ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ ЗАУЖЕНИЕМ ДИАМЕТРА ТРУБОПРОВОДА- СОХРАНЯЕТСЯ ИЛИ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ДАВЛЕНИЕ. Это не ТАК.
Увеличение скорости течения жидкости при переходе из участка трубы с большей площадью поперечного сечения в участок трубы с меньшей площадью поперечного сечения означает, что жидкость движется с ускорением.
Согласно второму закону Ньютона, причиной ускорения является сила. Этой силой в данном случае является разность сил давления, действующих на текущую жидкость в широкой и узкой частях трубы. Следовательно, в широкой части трубы давление жидкости должно быть больше, чем в узкой.
Закон Бернулли

Скорость потока (м3/ч, л/с), значение с которым вода двигается через компоненты трубопровода системы полива, очень важный фактор в анализе гидравлического расчета. Чем быстрее вода движется по трубе, тем выше потери на трение. Слишком большие скорости потока воды могут, также быть причинами других проблем (гидравлические удары, выход из строя запорного оборудования и т.д.).
Опытным путем и с помощью расчетов установлено, что скорость потока равная 1,5 м/с, является оптимальной для движения воды по пластиковым трубам. Дальнейшее увеличение скорости потока, приводит к непропорциональному увеличению значения потерь давления, порой в разы, что может привести к неприятным последствиям, когда на отдаленных зонах вы будете иметь давление, при котором полив осуществляться будет некорректно. А также, при скоростях меньших или равных 1,5 м/с, в системе снижается вероятность появления повреждений, связанных с гидравлическим ударом.

Напомню, что в сервисе по проектированию систем автоматического полива IRRISketch весь гидравлический расчёт делается автоматически, но знать азы всё равно полезно даже опытным работникам.

Источник

Характеристика насоса – напор, давление, мощность

Содержание

Показатели насоса обычно описываются с помощью набора кривых, которые называются характеристиками насоса. В этой части приведено описание таких кривых и методы их анализа.

Характеристики насоса используются заказчиком для выбора насоса, соответствующего требованиям для данного применения.

Заказная спецификация содержит информацию о напоре (H) для разной подачи (Q), см. рисунок 2.1. Требования к напору и подаче определяют габаритные размеры насоса.

Кроме напора, в заказных спецификациях также приводится потребляемая мощность насоса (P). Потребляемая мощность используется для расчета мощности источника питания насоса. Потребляемая мощность также отображается как функция подачи.

Информация о КПД насоса (η) и NPSH также содержится в заказной спецификации. NPSH — это сокращение термина «допускаемый кавитационный запас» (Net Positive Suction Head). Кривая NPSH показывает напор на входе, который необходим для предотвращения кавитации. Кривая КПД предназначена для выбора самого экономичного насоса в определенном рабочем диапазоне. Пример характеристик в заказной спецификации приведен на рисунке 2.1.

Желаемые характеристики являются важной частью технических условий на проектирование при создании нового насоса. Подобные кривые осевых и радиальных нагрузок используются для расчета подшипников насоса.

Характеристики описывают показатели всей насосной установки, см. рисунок 2.2. Если выбран насос без электродвигателя, то для привода насоса можно использовать стандартный электродвигатель соответствующей мощности, Характеристики могут быть пересчитаны с учетом выбранного двигателя.

Для насосов, которые поставляются как с электродвигателем, так и без него, приводятся характеристики только для проточной части, то есть без электродвигателя и контроллера. Для комплектных изделий характеристики приводятся для изделия в целом.

Давление

Давление (p) выражает силу, действующую на единицу площади, и делится на статическое и динамическое давление. Сумма этих двух давлений представляет собой полное давление.

Измерение статического давления производится с помощью манометра, исключительно при неподвижной жидкости или с помощью отвода давления, установленного перпендикулярно направлению потока, см. рисунок 2.3.

Для измерения полного давления приемное отверстие отвода давления следует расположить навстречу направлению потока, см. рисунок 2.3. Динамическое давление определяется как разность между полным и статическим давлением. Такое измерение может быть выполнено с помощью трубки Пито.

Динамическое давление зависит от скорости жидкости, Динамическое давление может быть рассчитано по следующей формуле, в которой скорость (V) получена с помощью измерения, а плотность (ρ) жидкости известна:

Динамическое давление может быть преобразовано в статическое, и наоборот. При течении в расширяющейся трубе происходит преобразование динамического давления в статическое, см. рисунок 2.4. Течение в трубе называется потоком в трубе, а участок трубы, в котором диаметр трубы увеличивается, называется диффузором.

Абсолютное и относительное давление

Давление может быть выражено двумя различными способами — как абсолютное или относительное давление. Абсолютное давление измеряется относительно абсолютного 0 и, таким образом, может иметь только положительное значение. Относительное давление измеряется относительно давления окружающей среды. Положительное относительное давление означает, что давление выше барометрического давления, а отрицательное относительное давление указывает на то, что давление ниже барометрического давления.

Определение абсолютной и относительной величины известно также по измерениям температуры, где абсолютная температура измеряется в Кельвинах (K), а относительная температура измеряется в градусах Цельсия (°C). Температура в Кельвинах всегда положительна и измеряется относительно абсолютного 0. В отличие от этого, температура в градусах Цельсия измеряется относительно точки замерзания воды (соответствует 273,15 K), и поэтому может быть отрицательной.

Барометрическое давление измеряется как абсолютное давление. Барометрическое давление зависит от погоды и высоты. Переход от относительного давления к абсолютному осуществляется добавлением существующего барометрического давления к измеренному относительному давлению.

На практике статическое давление измеряется с помощью манометров трех различных типов.

Напор

На следующих страницах представлены различные характеристики.

Кривая QH показывает напор (H) как функцию подачи (Q). Подача (Q) — это объем жидкости, проходящей через насос на единицу времени. Подача обычно выражается в кубических метрах в час (м 3 /ч), но в формулах используются кубические метры в секунду (м 3 /с). Типичная кривая QH показана на рисунке 2.5.

Построение кривой QH для заданного насоса производится с помощью установки, показанной на рисунке 2.6.

Насос запускается и работает с постоянной частотой вращения. При полном закрытии арматуры Q равно нулю, а H достигает максимального значения. При постепенном открытии арматуры Q увеличивается, а H уменьшается. H — это высота столба жидкости в открытой трубе за насосом. Кривая QH представляет собой последовательность точек, соответствующих парам значений Q и H, см. рисунок 2.5.

В большинстве случаев измеряется давление насоса Dp_полн, а напор H рассчитывается по следующей формуле:

Кривая QH будет точно такой же, если опыт, изображенный на рисунке 2.6, провести с жидкостью, плотность которой отличается от плотности воды. Таким образом, кривая QH не зависит от перекачиваемой жидкости. Это можно объяснить с помощью теории, где доказано, что Q и H зависят от геометрии насоса и скорости вращения рабочего колеса, но не от плотности перекачиваемой жидкости.

Повышение давления в насосе можно измерить в метрах водяного столба (м вод. ст.). Метр водяного столба — это единица давления, которую нельзя путать с напором, выраженным в метрах. Как видно из таблицы физических свойств воды, при повышении температуры плотность воды существенно изменяется. Таким образом, необходимо выполнять преобразование давления в напор.

Давление насоса — описание давления насоса

Полное давление насоса рассчитывается как сумма трех составляющих:

Статическое давление может быть измерено непосредственно с помощью датчика дифференциального давления, или можно установить датчики давления на входе и выходе насоса. В этом случае статическое давление может быть найдено по формуле:

Динамическое давление (разность динамических давлений между входом и выходом насоса) определяется по следующей формуле:

На практике при испытаниях насоса измерение динамического давления и скорости потока на входе и выходе насоса не производится. Вместо этого динамическое давление определяется расчетным методом на основе расхода жидкости и диаметра трубы на входе и выходе насоса:

Как следует из формулы, динамическое давление равно нулю, если диаметры трубы до и после насоса одинаковы.

Разность барометрических давлений

Разность барометрических давлений в точках установки датчиков давления на входе и выходе насоса может быть определена следующим образом:

Δz — разность высот между точками установки манометра, соединенного с трубой на выходе, и манометра, соединенного с трубой на входе.

Разность барометрических давлений имеет значение, только если Δz не равно нулю. Таким образом, положение отводов давления на трубе не имеет значения при определении разности барометрических давлений.

Если для измерения статического давления используется дифференциальный манометр, то разность барометрических давлений принимается равной нулю.

Уравнение энергии для течения идеальной жидкости

Согласно уравнению энергии для течения идеальной жидкости сумма энергии давления, кинетической энергии и потенциальной энергии является постоянной величиной. Это уравнение называется уравнением Бернулли по имени швейцарского физика Даниэля Бернулли.

Уравнение Бернулли справедливо при следующих условиях:

Формула (2.10) применяется для струйки жидкости или траектории частицы жидкости. Например, с помощью формулы может быть описано течение жидкости в диффузоре (2.10), но не поток через рабочее колесо, так как рабочее колесо подводит к жидкости механическую энергию.

В большинстве применений не все условия для уравнения энергии соблюдаются, Несмотря на это, уравнение может быть использовано для приблизительных вычислений.

Мощность

Кривые мощности показывают потребляемую мощность как функцию подачи, см. рисунок 2.7. Мощность выражается в ваттах (Вт). Следует различать три вида мощности, см. рисунок 2.8.

Обычно в заказных спецификациях P₁ приводится для комплектных изделий, в то время как P₂ приводится для насосов, поставляемых со стандартным электродвигателем.

Подача, напор и потребляемая мощность изменяются в зависимости от частоты вращения насоса. Сравнение характеристик насоса возможно только если они построены для одинаковой частоты вращения. Возможно приведение характеристик к одинаковой скорости с использованием уравнений, приведенных ниже.

Регулирование частоты вращения

При регулировании частоты вращения насоса характеристики QH, мощности и NPSH изменяются. Пересчеты характеристик насоса при изменении его частоты вращения выполняются с помощью уравнений подобия.

Индекс A в уравнениях указывает исходные значения, а индекс В указывает измененные значения.

Эти уравнения позволяют получить когерентные точки на параболе подобия на графике QH. Парабола подобия показана на рисунке 3.11.

На основании соотношения между характеристикой насоса и его частотой вращения могут быть получены различные регулировочные характеристики. Наиболее распространенными методами регулирования являются метод пропорционального регулирования и метод регулирования в режиме поддержания постоянного давления.

Полезная мощность

Полезная мощность (P _полезн) — это мощность, передаваемая от насоса к жидкости. Как видно из следующей формулы, полезная мощность рассчитывается по подаче, напору и плотности.

Отдельная кривая полезной мощности обычно не приводится в заказных спецификациях, однако используется для расчета КПД насоса.

КПД всегда меньше 100 %, так как мощность насосной установки всегда больше, чем полезная мощность, вследствие потерь в контроллере, электродвигателе и насосе. КПД насосной установки (контроллер, электродвигатель и насос) является произведением отдельных КПД:

Подача, при которой насос имеет максимальный КПД, называется точкой оптимального режима или точкой наибольшего КПД (Q_BEP).

NPSH — допускаемый кавитационный запас

Кавитацией называется процесс образования пузырьков пара в областях, где локальное давление падает до значения давления насыщенного пара. Степень кавитации зависит от того, насколько низким будет давление в насосе. При кавитации происходит снижение напора и появление шума и вибрации.

Кавитация вначале возникает в областях наименьшего давления в насосе, чаще всего образуются на кромках лопаток на входе в рабочее колесо, см. рисунок 2.10.

Значение NPSH — абсолютное и всегда положительное. NPSH измеряется в метрах, как напор, см. рисунок 2.11. Так как NPSH измеряется в метрах, нет необходимости учитывать плотность различных жидкостей.

Существуют два различных значения NPSH: NPSH_R и NPSH_A.

NPSH_A обозначает имеющийся NPSH и определяет, насколько близко к парообразованию находится жидкость во всасывающем трубопроводе. NPSH_A определяется по формуле:

NPSH_R обозначает требуемый NPSH и выражает наименьшее значение NPSH, требуемое для приемлемой работы насоса. Абсолютное давление на входе может быть рассчитано по заданному значению NPSH_R и давлению насыщенных паров жидкости путем подстановки в формулу (2.16) NPSH_R вместо NPSH_A.

Чтобы определить, может ли насос быть безопасно установлен в систему, следует найти NPSH_A и NPSH_R для наибольших значений подачи и температуры в пределах рабочего диапазона.

Риск кавитации в системах может быть снижен или исключен с помощью следующих мер:

Следующие два примера показывают, как рассчитывается NPSH.

Пример 2.1 Насос для подачи жидкости из колодца

Насос должен подавать жидкость из резервуара, уровень воды в котором на 3 метра ниже уровня насоса. Для расчета значения NPSH_A необходимо знать потери на трение во всасывающем трубопроводе, температуру воды и барометрическое давление, см. рисунок 2.12.

Температура воды 40°C

Барометрическое давление 101,3 кПа.

Потери давления во всасывающем трубопроводе при существующей подаче 3,5 кПа.

Значения взяты из таблицы «Физические свойства воды» в конце статьи.

Для этой системы выражение NPSH_A в формуле (2.16) может быть записано в следующем виде:

H_всас— уровень воды относительно насоса. H_всас может быть выше или ниже насоса и выражается в метрах. В этой системе уровень воды находится ниже насоса. Таким образом, H_всас отрицательно, H_всас = –3 м.
Значение NPSH_A для системы:

Насос, предназначенный для работы в рассматриваемой системе, должен иметь значение NPSH_R меньше, чем 6,3 м минус запас безопасности 0,5 м. Таким образом, при существующей подаче для насоса требуется значение NPSH_R меньшее, чем 6,3 – 0,5 = 5,8 м.

Пример 2.2 Насос в закрытой системе

В закрытой системе отсутствует свободная поверхность воды для использования в качестве плоскости отсчета. Этот пример показывает, как датчик давления, расположенный выше плоскости отсчета, может использоваться для определения абсолютного давления в линии всасывания, см. рисунок 2.13.

Барометрическое давление 101 кПа.

Рассчитанные потери на трение в трубах между точкой измерения (p_{стат.вх.}) и насосом H_{потерь труб.} = 1м.

Температура системы 80°C.

Для этой системы формула 2.16 для NPSH_A имеет следующий вид:

Несмотря на отрицательное давление в системе, значение NPSH_A для существующего расхода превышает 4 м.

Осевая нагрузка

Осевая нагрузка является суммой сил, действующих на вал в осевом направлении, см. рисунок 2.14. Осевая нагрузка в основном возникает вследствие разности давлений на переднем и заднем диске рабочего колеса.

Значение и направление осевой нагрузки может использоваться для определения типоразмера подшипников и конструкции электродвигателя. Насосы с нагрузкой, направленной вверх, требуют применения фиксированных подшипников. Дополнительно к осевой нагрузке необходимо учесть силы, действующие на вал вследствие давления в системе. Пример кривой осевой нагрузки представлен на рисунке 2.15.

Осевая нагрузка связана с напором и поэтому пропорциональна квадрату скорости.

Радиальная нагрузка

Радиальная нагрузка является суммой сил, действующих на вал в радиальном направлении, см. рисунок 2.16. Гидравлическая радиальная нагрузка возникает вследствие разности давлений в спиральной камере. Значение и направление изменяются в зависимости от подачи. Силы минимальны при расчетном режиме, см. рисунок 2.17. Для правильного выбора радиального подшипника важно знать значение радиальной нагрузки.

Выводы

В статье приведено объяснение терминов, применяемых для описания показателей насоса, и приведены кривые напора, мощности, КПД, NPSH и действия нагрузок. Кроме того, два термина — напор и NPSH — были пояснены на примерах расчета.

Источник