CC BY
34УДК 629.7.036 621
О ПОДХОДЕ К СРАВНЕНИЮ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ПО ЭКОНОМИЧНОСТИ
Боровский Б.И., Дихтярь Т.В.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), ФГАОУ ВО КФУ им. В.И.Вернадского,
295943, г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-шай: ta_titova@mail.ru
Аннотация. Из соображения обеспечения энергосбережения всегда выбирают насосы высокой экономичности, делая ставку на иностранные насосы, так как существует мнение, что иностранные технологии более передовые. В статье на основании анализа экспериментальных параметров выполненных одноступенчатых и многоступенчатых насосов трёх зарубежных насосных фирм "ШЬО, (Германия), ОКиМОЕОБ (Дания) и Са1ре<1а (Италия) проведено сравнение по экономичности иностранных и отечественных насосов. При этом используется единый подход к оценке экономичности насосов.
Ключевые слова: центробежный насос, одноступенчатый и многоступенчатый насосы, экономичность, кпд, диаметр входа в колесо, коэффициент быстроходности насоса.
ВВЕДЕНИЕ
Насосы входят в различные технические системы, в том числе, в системы жизнеобеспечения зданий и сооружений. При проектировании гидравлических систем заданным является коэффициент быстроходности насоса. По значению этого коэффициента полезно оценить в первом приближении ожидаемую экономичность различных типов насоса отечественного производства и зарубежных фирм. В статье проведено сравнение экономичности отечественных и зарубежных насосов трёх фирм WILO, (Германия), GRUNDFOS (Дания) и Calpeda (Италия). При этом используется параметры выполненных насосов и единный подход к оценке экономичности насосов.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ
Правильно подобранный и эксплуатируемый насос может быть одним из самых эффективных средств исполнения полезной работы. Среднеразмерный насос работает с эффективностью около 75%, по сравнению с двигателем внутреннего сгорания, который работает с эффективностью всего лишь 20%. В относительных показателях насос может быть эффективной машиной.
Можно легко упустить из виду огромный потенциал для экономии энергии, который существует за счет оптимизации насосных систем. Проблема в том, что насос очень чувствителен к тому, как его эксплуатируют. Поэтому насосная система имеет наибольшее влияние на используемую насосом энергию.
В основном, управление насосами происходит таким же образом, что и 50 лет назад. Новые технологии пока не спешат адаптироваться. Только в последнее время в связи с увеличивающейся стоимостью энергии вновь обратили внимание на сокращение энергозатрат насосов.
В работе [1] приведена информация, касающаяся оценки экономического совершенства центробежных насосов различного типа: одноступенчатых и многоступенчатых. Параметры выполненных насосов содержится в каталогах [3-7].
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью статьи является обоснование подхода к сравнению отечественных и зарубежных насосов. Задача состоит в выявлении экономических преимуществ типов насосов и использование экономических показателей насосов различного типа в таблицах, применяемых при проектировании насосов.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
Существенное влияние на гарантированное обеспечение потребителей тепловой и электрической энергией оказывает устойчивая, высокоэффективная работа насосных агрегатов, составляющих значительную часть оборудования теплоэнергетических объектов. Вопросы повышения надежности эксплуатации насосов являются весьма актуальными и требуют проявления повышенного внимания как проектирующих, так и эксплуатирующих организаций.
По различным оценкам, на привод насосных агрегатов затрачивается до 10% вырабатываемой на энергоблоке электроэнергии. Отметим, что в суммарной оценке затрат на обслуживание насосов величина оплаты электроэнергии на привод, для отдельных отраслей промышленности, достигает более 85%, поэтому вопросы повышения КПД насосного оборудования являются актуальными и перспективными.
В настоящее время основное направление технической политики в области совершенствования функционирования гидравлических систем связано в основном с модернизацией эксплуатируемого насосного оборудования и повышением согласованности используемых насосов с гидравлической сетью. По данным Еигоришр, до 60% насосных станций, эксплуатирующихся в мире, работают с КПД всего лишь 10-40%, что обусловлено широким диапазоном реальной рабочей зоны, в которой вынуждены работать насосные агрегаты. Следует отметить, что данная область существенно отличается от оптимальной рабочей зоны, на которую насос
был спроектирован. Второе обстоятельно, негативным образом воздействующее на энергоэффективность гидравлических систем, связано с невозможностью регулирования требуемого расхода экономичными способами, что в итоге также приводит к большим потерям энергии и значительному сокращению располагаемого ресурса гидромашины.
Отмеченные обстоятельства показывают актуальность разработки методов, способных с повышенной достоверностью определять реальный ресурс насосного агрегата с учетом особенностей эксплуатации конкретных технологических циклов, а также модернизации эксплуатирующихся насосов с целью повышения их КПД [2].
В работе [1] получено общее выражение для максимального кпд:
Чмакс =, Л 4/34 + 0,051 ф0 -0,1). (1)
(1+71,6/п5' 1
Для одноступенчатых насосов со спиральными отводами коэффициент А = А1 = 0,853 при с = 4%. Многоступенчатые насосы разделяются на два типа: спиральные и секционные. В спиральных насосах используются спиральные, а в секционных - лопастные отводы.
Спиральные насосы. Этим насосам соответствует коэффициент А = Ас =0,782 при с = 1,6 %. Секционные насосы. К этим насосам относится коэффициент А = Асекц=0,940 при с = 2,2 %. Насосы спиральные уступают по экономичности секционным насосам на 20%, а насосы типа Д превосходят насосы типа К на 13,7%.
Сравним с отечественными насосами данные по максимальному кпд насосов трёх мировых производителей насосного оборудования зарубежных фирм WILO, (Германия), GRUNDFOS (Дания) и Calpeda (Италия).
Фирма WILO, (Германия) является мировым производителем насосного оборудования, имеет представительства в 60 странах и дочерние предприятия в 30 стран, в том числе в Российской Федерации.
Одноступенчатые насосы. С помощью каталога [3] рассмотрены характеристики всех 153 центробежных насосов серии''По. Характеристики насосов представляют собой зависимостями напора Н и кпд п от подачи 0 при постоянном числе оборотов п. Эти насосы определяются следующими параметрами: 0 = 3,5 - 500 м3/ч; Н =2,5 - 80 м; максимальный п = 0,390 - 0,850;
п = 1450 и 2900 об/мин; п, = 38 - 320. По значениям п, и формуле (1) при А = А] = 0,853 рассчитывались значения максимальных кпд Пф. Среднее отношение п / Пф для совокупности позволяет сравнить экономичность исследуемых насосов с отечественными одноступенчатыми насосами типа К. Из исследуемой совокупности насосов выделяются 43 насосов (28%) с повышенной экономичностью: п / Пф = 1,05 - 1,18, п, = 43 - 190, при тех же значениях коэффициентов быстроходности.
С учётом этих насосов среднее отношение всей совокупности п / Пф =0,972, то есть насосы типа К имеют преимущества по экономичности в 2,8%.
Фирма GRUNDFOS (Дания) является мировым производителем насосов, имеет 56 представительств и производственные подразделения, в том числе - завод в Московской области Российской Федерации.
Одноступенчатые насосы. С использованием каталога [4] проведен анализ характеристик 140 одноступенчатых центробежных насосов с сухим ротором, 21 серии насосов ТР, ТР Б и ТРЕ (данные насосов с мокрым ротором не содержат значений кпд [5]). Указанным 140 насосам соответствуют следующие параметры: о = 3,5 - 775 м3/ч; Н =1,6 - 69 м;
максимальный п = 0,485 - 0,825; п = 970, 1450 и 2900 об/мин; п,, =47 - 380.
По значениям п, и формуле (1) при А = А; = 0,853 рассчитывались значения максимальных кпд Пф. В исследуемой совокупности насосов отмечаются 14 насосов (10%) с повышенной экономичностью: п / Пф = 1,05 - 1,10, п, = 70 - 175, при тех же значениях коэффициентов быстроходности.
С учётом этих насосов среднее отношение всей совокупности п / пф =0,948, то есть насосы типа К в среднем имеют преимущества по экономичности на 5,2%.
Многоступенчатые насосы [6]. В отечественном и зарубежном насосостроении получили распространение два типа многоступенчатых насосов: спиральные и секционные. В спиральных насосах используются спиральные, а в секционных - лопастные отводы. В каталоге [4] приведены характеристики ступеней многоступенчатых насосов. Пяти спиральные насосы имеют следующие параметры: 0 = 28 - 80 м3/ч; Н =15 - 23 м;
П = 0,76 - 0,80; п = 2900 об/мин; п, = 122 - 153.
По значениям п, и формуле (1) при А = Ас = 0,782 рассчитывались значения максимальных кпд Пф. В среднем отношение п / пф = 1,106, многоступенчатые спиральные насосы имеют преимущество перед отечественными по экономичности на 10,6%.
Семи секционные насосы имеют следующие параметры: 0 = 0,85 - 21 м3/ч;
Н = 4 - 12 м;
П = 0,35 - 0,73;
п = 2900 об/мин;
П = 57 - 135.
По значениям п и формуле (1) при А = А-щ = 0,940 рассчитывались значения максимальных кпд т|ф. Среднее отношение п / Пф для совокупности семи данных насосов позволяет сравнить экономичность секционных насосов с отечественными секционными насосами. В данном случае среднее отношение п / Пф = 0,744, то есть немецкие секционные насосы уступают по экономичности на 25,6%. Отметим, что с увеличением коэффициента быстроходности до 130 разность уменьшается до 8,6%.
Фирма Calpeda (Италия) известный международный производитель насосного оборудования, имеет представительства в 15 странах, включая Российскую Федерацию.
Одноступенчатые насосы [7]. Проведен анализ характеристик всех 90 одноступенчатых центробежных насосов с сухим ротором, кроме центробежных насосов с рабочими колёсами, имеющими один канал. Параметры этих 90 насосов следующие: 0 = 40 - 1200 м3/ч; Н = 5 - 95 м; максимальный кпд п = 0,38 - 0,84; п = 750, 950, 1450, 2850 и 2900 об/мин; п = 18 - 290. По значениям п и формуле (1) при А = А! = 0,853 рассчитывались значения максимальных кпд Пф. Среднее отношение п / Пф для совокупности всех данных позволяет сравнить экономичность одноступенчатых насосов с отечественными одноступенчатыми насосами типа К. Получено п / пф =0,985. Таким образом, итальянские одноступенчатые насосы в среднем практически не уступают по экономичности отечественным насосам, имеющим преимущества всего 1,5%. Отметим, что 20 (22%) итальянских насосов имеют в 1,05 -1,25 раз выше экономичность, чем насосы типа К, при тех же значениях коэффициентов быстроходности.
Многоступенчатые насосы [6]. Всего 35 ступеней многоступенчатых секционных насосов (4 ступени использовались повторно). Параметры этих ступеней насосов следующие:
0 = 1,2 - 48 м3/ч;
Н = 1,9 - 15 м;
максимальный кпд п = 0,41 - 0,78;
п = 1450 и 2900 об/мин;
П = 62 - 287.
Поясним определения величины напора Н, так как характеристики ступеней приведены в [6] в оригинальном виде: зависимости от подачи кпд и мощности N к Вт, потребляемой ступенью. Напор можно найти, используя известное соотношение при испытаниях на воде:
Ч-
N
где 0с - м3 / с; НД = Н 9, 81 - Дж / кг. Откуда найдём:
(2)
где п, N 0с соответствуют максимальному значению кпд.
Во избежание недоразумений, проведена проверка формулы (2) с помощью характеристике первой ступени насоса МХУ (известны одновременно напор и мощность). Сходимость получена полной.
По значениям п и формуле (1) при А = Асекц = 0,940 рассчитывались значения максимальных кпд Пф. Среднее отношение п / пф = 0,752,то есть итальянские секционные насосы уступают отечественным 24,8%. Отметим, что 4 насоса с высокими значениями п = 200 - 287 имеют п = 0,78, проигрывая в среднем 13%.
Сравнение экономичности насосов зарубежных фирм и отечественных насосов показало, что экономическое совершенство насосов определяется используемыми методами гидродинамического проектирования, в основном ступеней многоступенчатых насосов. В связи с тем, что объёмный и дисковый кпд (поб, Пд) достаточно велики и легко рассчитываются, то основная трудность заключается в определении гидравлического кпд. В работе [8] приведена следующая формула для гидравлического кпд:
ода
- 0/172)2
где Б0 - диаметр входа в колесо, мм.
Формула не представляется корректной, так как диаметр входа в колесо не может определять гидродинамику течения в колесе, при этом в связи с малыми диаметрами Б0 насосов величина гидравлического кпд не варьируется.
При известном полном кпд п гидравлический кпд найдётся из соотношения:
V
Для расчёта объёмного и дискового кпд в работе [9] приведены сложные соотношения. Предварительно определив параметры, входящие в эти соотношения, рассчитаем значения объёмного и дискового кпд при числе Рейнольдса Я. = 3105, после которого дальнейшее увеличение числе Рейнольдса не влияет на гидравлические
потери, то есть гидравлический кпд соответствует работе насоса на чистой воде [10]. Интересно отметить, что значения объёмного кпд, полученные по сложному соотношению, отличаются в пределах 1% от значений, рассчитанных по простой формуле:
Лоб = 1/(1 + 0,68/п°<67). Для удобства расчётов получена формула:
ЛобЛд = 0,73 7п°'042. (3)
С помощью формулы (1) для отечественных насосов и отношений кпд насосов зарубежных фирм и отечественных насосов, полученных выше, а также используя соотношение (3) рассчитаны значения полного и гидравлического кпд при п , = 50 и 150, приведенные в таблице 1.
Таблица 1.
Полный и гидравлический кпд отечественных насосов и насосов зарубежных фирм
п., 50 150 Наименование насосов
П 0,614 0,783 Тип К
Пг 0,707 0,860
П 0,698 0,890 Тип Д
Пг 0,803 0,978
п 0,563 0,717 Многоступенчатые спиральные
Пг 0,648 0,788
п 0,676 0,860 Многоступенчатые секционные
Пг 0,778 0,945
п 0,597 0,761 Одноступенчатые фирмы WILO
Пг 0,687 0,836
П 0,582 0,742 Одноступенчатые фирмы GRUNDFOS
Пг 0,670 0,815
п 0,605 0,771 Одноступенчатые фирмы Са1реиа
Пг 0,696 0,847
п 0,623 0,793 Многоступенчатые спиральные фирмы GRUNDFOS
Пг 0,717 0,871
п 0,503 0,634 Многоступенчатые секционные фирмы GRUNDFOS
Пг 0,579 0,697
п 0,508 0,647 Многоступенчатые секционные фирмы Са1реиа
Пг 0,585 0,711
Видно, что насосам типа К соответствует гидравлический кпд т|г =0,707 и 0,860, а одноступенчатым насосам фирмы GRUNDFOS соответствуют более низкие значения т|г =0,670 и 0,815. Многоступенчатые спиральные отечественные насосы имеют т|г =0,648 и 0,788, а многоступенчатые спиральные насосы фирмы GRUNDFOS имеют более высокие значения гидравлического кпд т|г =0,717 и 0,871. Многоступенчатые секционные отечественные насосы имеют пг =0,778 и 0,945, а многоступенчатые секционные насосы фирмы GRUNDFOS имеют более низкие значения гидравлического кпд т|г =0,579 и 0,697.
Значения гидравлического кпд насосов зарубежных фирм и отечественных насосов определяются полученными выше значениями полного кпд и свидетельствуют о совершенстве применяемых гидродинамических методик проектирования насосов.
Процитируем информацию [11], которая соответствует результатам наших исследований:
«Приведенные данные полностью опровергают ошибочное мнение, что установка современных эффективных насосов (подразумевается - импортных) взамен старых (российских) может дать 20 - 30% экономии электроэнергии. К тому же эффективность отечественных насосов не уступает, а часто даже превосходит величину кпд зарубежных аналогов».
Процитируем информацию о надёжности импортного насосного оборудования [12]: «Продавцы импортной насосной техники известных европейских брендов заверяют, что «срок службы импортного насоса превосходит отечественный как минимум в два раза и достигает пяти лет до первого ремонта». Возможно, что бывает и так. Но из опыта работы можем сообщить, что были заказчики, которые утверждали, что европейские насосы не выдержали у них и двух лет работы. Далее последовало заключение - ремонту насосы не подлежат. И как результат - возвращение к российским аналогам. Другой пример. Муниципальное предприятие из Ростовской области, закупив для котельной насосы известного европейского производителя, столкнулись с проблемой холода в отопительный сезон (и это на юге России!). Сказать, на какие насосы они перешли? И в том, и в другом случае, покупке предшествовал предварительный расчет и консультации с дилерами. И такие примеры не единичны. Преимущества российских насосов состоит в следующем: простота установки, обслуживания и приспособленность к российским условиям».
ВЫВОДЫ
1. Проведено сравнение с отечественными насосами данные по максимальному кпд насосов трёх мировых производителей насосного оборудования зарубежных фирм '¡ЬО, (Германия), ОКШТОГО8 (Дания) и Calpeda (Италия).
2. Показано, что одноступенчатые насосы фирм WILO, уступают по экономичности насосам типа К в среднем 2,8%. Однако, 43 немецких насоса (28%) имеют повышенную экономичность в 1,05 - 1,18 раз, ns = 43 - 190, при тех же значениях коэффициентов быстроходности.
3. Получено, что одноступенчатые насосы фирмы GRUNDFOS уступают насосам типа К по экономичности в 5,2%, многоступенчатые секционные насосы меньше по экономичности 25,6%. Отметим, что с увеличением коэффициента быстроходности до 130 разность уменьшается до 8,6%. Вместе с тем, многоступенчатые спиральные насосы имеют преимущества перед отечественными по экономичности на 10,6%.
4. Установлено, что одноступенчатые насосы фирмы Calpeda в среднем практически не уступают по экономичности отечественным насосам, имеющим преимущества всего 1,5%. Отметим, что 20 (22%) итальянских насосов имеют в 1,05 -1,25 раз выше экономичность, чем насосы типа К, при тех же значениях коэффициентов быстроходности. Итальянские секционные насосы уступают отечественным 24,8%. Вместе с тем, 4 насоса с высокими значениями ns = 200 - 287 имеют п = 0,78, проигрывая в среднем 13%.
5. Значение гидравлического кпд наиболее полно характеризует совершенство гидродинамического метода проектирования насоса. При известном значении полного кпд насоса трудность расчёта гидравлического кпд состоит в определении объёмного и дискового кпд (трб, тд). Получены соотношения, позволяющие рассчитать произведение объёмного и дискового кпд и, в конечном счёте, определить гидравлический кпд насоса по значению полного кпд.
6. Рассчитаны значения гидравлического кпд отечественных насосов и насосов зарубежных фирм, показавшие, что отечественные насосы имеют большую экономичность, чем насосы зарубежных фирм, кроме многоступенчатых спиральных насосов фирмы GRUNDFOS, которые имеют преимущества перед отечественными по экономичности на 10,6%.
7. Сравнение полных и гидравлических кпд насосов зарубежных фирм и отечественных насосов показало, что экономическое совершенство насосов определяется используемыми методами гидродинамического проектирования, в основном, ступеней многоступенчатых насосов.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Перспективой дальнейших исследований является использование центробежных насосов других зарубежных фирм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боровский, Б.И. Оценка экономичности одноступенчатых и многоступенчатых центробежных насосов [Текст] / Боровский Б.И., Дихтярь Т.В. // Строительство и техногенная безопасность. - 2017. - № 8(60) - С. 81-86.
2. Повышение эффективности работы центробежных насосов, находящихся в эксплуатации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2803.
3. Каталог. Насосное оборудование. Насосы с сухим ротором. WILO [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://enns.ru/catalog/180/225/381.
4. Каталог. Насосы с сухим ротором ТР( D), ТР(Е). GRUNDFOS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://proftechservice.ru/download/Serie-TP(D)_catalog.pdf.
5. Каталог. Циркуляционные насосы с «мокрым ротором». GRUNDFOS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.teplo-comfort.ru/tsirkulyatsionnyie_nasosyi_ups_100_grundfos/.
6. Каталог. Многоступенчатые центробежные насосы. GRUNDFOS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://proftechservice.ru/download/Serie-CR_catalog.pdf.
7. Каталог. Указатель насосов. Calpeda [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://calpeda.ru/production/.
8. Ломакин, А. А. Центробежные и осевые насосы [Текст] / А. А. Ломакин. - Л.: «Машиностроение», 1966. - 364 с.
9. Боровский, Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов [Текст] / Б.И. Боровский. - М.: « Машиностроение», 1989. - 184 с.
10. Суханов, Д.Я. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях [Текст] / Д.Я. Суханов. - М.: Машгиз, 1952. - 46 с.
11. Миф об экономичности импортных насосов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.agrovodcom.ru/info_energo_snab.php.
12. Какой насос выбрать - импортный или российский [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.nasos-rf.ru/насосы/насос-импоргаый-или-российский/.
ABOUT THE APPROACH TO COMPARISON OF CENTRIFUGAL PUMPS EFFICIENCY
Borovsky B.I., Dikhtyar T.V.
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea
Annotation. For reasons of energy conservation, pumps of high profitability are always chosen, focusing on foreign pumps, as there is an opinion that foreign technology are more advanced. In the article on the basis of analysis of the experimental parameters of the single-stage and multistage pumps of the three foreign pumping companies WILO, (Germany), GRUNDFOS (Denmark) and Calpeda (Italy), a comparison was made of the economics of foreign and domestic pumps. At the same time, was used unified approach to evaluate the efficiency of pumps.
Keywords: centrifugal pump, single-stage and multi-stage pumps, efficiency, wheel inlet diameter, the pump speed coefficient.
