CC BY
9
УДК 621.6
РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОСЕВОГО НАСОСА ДЛЯ УСТАНОВОК ЗАМКНУТОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
А.А. Лагуточкин
CALCULATION OF ENERGY EFFICIENCY INDICATORS OF AXIAL PUMP OPERATION FOR CLOSED WATER SUPPLY INSTALLATIONS
A.A. Lagutochkin
Аннотация. В статье проведен расчет и сравнительный анализ показателей энергоэффективности осевых насосов. Смещение рабочей точки от точки максимального КПД в сторону увеличения подачи насоса приводит к снижению удельных энергозатрат на перекачивание единицы жидкости в рабочей области. Показатель удельных энергозатрат является более объективным критерием для выбора оптимального эксплуатационного режима при проектировании установки замкнутого водоснабжения (УЗВ) с использованием приведенного в статье осевого насоса.
Ключевые слова: осевой насос; установки замкнутого водоснабжения; энергоэффективность; насосы низкого давления; расчет.
Abstract: The article provides a calculation and comparative analysis of the energy efficiency indicators of axial pumps. The displacement of the working point from the point of maximum efficiency in the direction of increasing the pump supply leads to a decrease in the specific energy consumption for pumping a unit of liquid in the working area. The indicator of specific energy consumption is a more objective criterion for choosing the optimal operating mode when designing a closed water supply installation using the axial pump given in the article.
Key words: axial pump; closed water supply installations; energy efficiency; low-pressure pumps; calculation.
Введение
В аквакультуре для циркуляции производственной воды в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ) используются различные типы насосов. Перекачивание воды требует электричества, и для сведения эксплуатационных расходов к минимуму важно, чтобы высота подачи воды была малой, а насосы - эффективными и правильно установленными [1]. Для подачи значительных объемов воды на небольшую высоту наиболее популярным и эффективным решением является использование насосов низкого давления - осевых насосов (ОН). Данный тип насосов по принципу действия относится к динамическим и характеризуется высокими коэффициентом полезного действия (КПД), большой подачей, малым напором.
Несмотря на отсутствие утвержденных нормативных документов проектирования УЗВ для аквакультуры, традиционной методикой при создании промышленных трубопроводных систем с насосной подачей, в том числе и в установках замкнутого водоснабжения, является оптимизация совокупной работы всех компонентов системы с целью обеспечения энергоэффективной и надежной работы.
Согласно учебно-методическим пособиям, подбор осевых насосов, осуществляется исходя из максимальных значений КПД для заданного проектного расхода в насосной установке гидравлической сети. В [2, с. 12] представлен метод расчета характеристик, в котором указывается: «Оптимальный - режим работы насоса при наибольшем значении КПД; Рабочая часть характеристики - зона характеристики насоса, в пределах которой рекомендуется длительная его эксплуатация. Рабочая часть характеристики определяется
допустимым снижением КПД на 2-3 % максимального его значения». Многие авторы, пытаясь улучшить показатели эксплуатационных характеристик осевых насосов, в своих исследованиях [3, 4, 5] опирались на данный критерий, что на практике, может показывать низкую эффективность применения насоса, даже при достаточном значении КПД.
Цель данной статьи - проверить, насколько результаты расчета КПД, как основного критерия подбора осевых насосов, согласуются с данными по показателю удельных энергозатрат осевого насоса в различных точках рабочей области.
Исходные данные
В качестве исходных данных были использованы экспериментальные и технические данные [6] погружного осевого насоса Wilo EMU KPR 340. Насосы серии EMU KPR заявлены производителем, как аксиальные погружные насосы без системы охлаждения для длительного режима работы в шахтах трубопроводов для стационарной установки в погруженном состоянии, предназначены для перекачивания: предварительно очищенных сточных вод, технологической воды, загрязненной воды, технической воды. Имеют регулировку углов лопастей [7].
Экспериментальные данные [6] размещены производителем Wilo в открытом доступе и представляют собой мощностные показатели насоса для сточной воды. Испытания проведены при: температуре воды - 20°C, плотности - 0,99819 кг/м3, кинематической вязкости - 1,0004-10-6 м2/с. Угол лопастей постоянен и составляет 4°.
Графики экспериментальных характеристик насоса отображены на рис. 1, 2, 4. Номинальные данные, а также значения пределов подачи в рабочей области и параметры рабочей точки приведены в таблице 1. Обозначения в табл. 1: N - мощность электродвигателя; N - мощность на валу; п - КПД насоса; n - частота вращения; H - напор.
Таблица 1 - Технические характеристики ОН Wilo KPR 340 [6]
Параметр Номинальные данные Данные рабочей точки
Область применения, м3/с 0,148-0,255 0,1897
Ыэ, кВт 17,5 13,8
N, кВт — 11,7
п, % — 65,1
n, 1/мин 1450 1467
H, м — 4,1
Аппроксимация экспериментальных характеристик
В [8] приведен метод Е. А. Прегера [9] для подбора лопастных насосов с помощью аналитической зависимости. Данный метод также может быть применим к осевым насосам.
Аппроксимацию характеристик произведем с помощью автоматизированного расчета в среде Mathcad, используя метод наименьших квадратов посредством формирования аппроксимационных многочленов (сглаживающих функций). Используем формулы:
Н = Н0 + а^ + аЛ2, (1)
где #0 - напор насоса при нулевой подаче; Q - подача насоса; а1, а2 - эмпирические коэффициенты.
М = М0+Ь^+ Ъ202, (2)
где N0 - мощность на валу при нулевой подаче; Ы, Ь2 - эмпирические коэффициенты.
В табл. 2 приведены коэффициенты аппроксимации напорной и мощностной характеристик.
Таблица 2 - Коэффициенты многочленов апп
зоксимации характеристик насоса КРЯ 340
а1 а2 N0 Ь1 Ь2
м с/м2 с/м2 кВт кВт/(м3/с) кВт/(м3/с)
8,28 -8,58 -71,42 14,65 15,94 -168,66
На рис. 1, 2 приведены графики экспериментальных данных и полученных по формулам (1), (2) аналитических функций.
Рисунок 1 - Напорная характеристика ОН КРЯ 340: точки - экспериментальная [6],
линия - расчетная
Рисунок 2 - Мощностная характеристика ОН КРЯ 340: точки - экспериментальная
[6], линия - расчетная
Найденные аналитические функции очень хорошо согласуются с экспериментальными данными и позволяют производить дальнейшие расчеты.
Расчет показателей энергоэффективности
Рассчитаем КПД по отношению полезной мощности к мощности электродвигателя
насоса:
ц =
№п
N
(3)
Для расчета КПД определим следующие параметры:
Полезная мощность: представляет собой полное приращение энергии потока в единицу времени, определим по:
К
pgHQ,
(4)
где р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.
Графическое представление расчетов показано на рис. 3 и 4.
II. м
пилела
кВт
12
1
v
II(Q) ч
12
5.4
1.8
0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.1S 0.19 0.2 021 0.22 0.23 0.24 0.25 Q, М3/с Рисунок 3 - Зависимость полезной мощности и напора ОН KPR 340 от подачи
Рисунок 4 - Зависимость КПД от подачи ОН КРЯ 340: точки - экспериментальные данные [6], линия - расчетный КПД
Расчетные и экспериментальные значения КПД на рис. 4 имеют достаточную согласованность.
Произведем расчет показателя удельных энергозатрат. В [10] указывается рост популярности показателя удельных энергозатрат, как ключевого энергетического показателя в отношении промышленной энергоэффективности, также приводится формула:
Е =
Использованная энергия Кол-во производимых единиц
(5)
В [11] для оценки энергоэффективности центробежных насосов формула (5) приведена в следующем виде:
Q
(6)
Формула (6) может быть применена к осевым насосам.
Е, кДж/м5 1 Юг
90
70
50
30
п,% о
55
0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 022 023 0.24 0.25 С>
40,
Рисунок 5 - Показатели энергоэффективности ОН КРЯ 340 в полном диапазоне
испытаний
Рисунок 6 - Показатели энергоэффективности ОН КРЯ 340 в рабочей области
применения
Рис. 5 и 6 показывают, что смещение рабочей точки от точки максимального КПД в сторону увеличения подачи насоса приводит к снижению удельных энергозатрат на перекачивание единицы жидкости в рабочей области. Из этого следует, что целесообразным будет являться проектирование с расчетом эксплуатационного режима, приближенного к правой границе рабочей области.
Заключение
Таким образом, с помощью произведенного расчета показателей энергоэффективности, представленных КПД и показателем удельных энергозатрат, установлено, что методика подбора осевых насосов по максимальным значениям КПД является менее объективной в отношении энергоэффективности по сравнению с использованием показателя удельных энергозатрат при проектировании установки замкнутого водоснабжения с применением приведенного в статье осевого насоса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брайнбалле Я. Руководство по аквакультуре в установках замкнутого водоснабжения: практическое руководство. Копенгаген: Еврофиш, 2010. 71 с.
2. Локалов Г.А., Марковский В.М. Осевые и центробежные насосы тепловых электрических станций: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. 140 с.
3. Безносов А.В., Львов А.В., Боков П.А., Бокова Т.А., Разин В.А. Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов, перекачивающих свинцовый теплоноситель, от параметров решеток профилей рабочих колес // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2017. № 1. С. 138-146.
4. Свобода Д.Г., Иванов Е.А., Жарковский А.А., Щуцкий С.Ю. Оптимизация проточной части осевого насоса с использованием поверхности отклика // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022. № 8. С. 74-83.
5. Свобода Д.Г., Жарковский А.А., Иванов Е.А., Щуцкий С.Ю., Дягилев П.Ю. Создание осевых насосов с высоким КПД и незападающей формой характеристики // Вестник машиностроения, 2019. № 4. С. 37-41.
6. Wilo Mediamid [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wilo.cdn.mediamid.com/cdndoc/wilo153100/902811/wilo153100.pdf (дата обращения 03.10.2022).
7. Wilo. Wilo-EMU KPR [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://wilo.com/ru/ru/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0% B8%D1%8F/ru/produkty-i-professionalnyy-opyt/wilo-emu-kpr (дата обращения 03.10.2022)
8. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Методика выбора центробежных скважинных насосов типа ЭЦВ // Технико-технологические проблемы сервиса, 2017. № 1 (39). С. 18-21.
9. Прегер Е.А. Подбор лопастных насосов по уравнениям их характеристик: Информационно-технический листок. № 23(46). Л.: Дом научно-технической пропаганды, 1954. С. 15.
10. Lawrence A., Thollander P., Andrei M., Karlsson M. Specific energy consumption/use (SEC) in energy management for improving energy efficiency in industry: meaning, usage and differences // Energies, 2019. № 12(2), 247. pp. 1-22. doi: 10.3390/en12020247.
11. Фисенко В.Н. Энергетическая эффективность насосов в системах водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника, 2018. № 6. С. 52-63.
REFERENCES
1. Brajnballe Ya. Rukovodstvo po akvakul'ture v ustanovkah zamknutogo vodosnabzheniya [Guidelines for aquaculture in closed water supply]: practical guide. Copenhagen: Eurofish, 2010. 71 p.
2. Lokalov G.A., Markovskij V.M. Osevye i centrobezhnye nasosy teplovyh elektricheskih stancij [Axial and centrifugal pumps of thermal power plants]: uchebnoe posobie. Ekaterinburg: Ural, 2016. 140 p.
3. Beznosov A.V., L'vov A.V., Bokov P.A., Bokova T.A., Razin V.A. Eksperimental'nye issledovaniya zavisimostej harakteristik osevyh nasosov, perekachivayushchih svincovyj teplonositel', ot parametrov reshetok profilej rabochih koles [Experimental studies of the dependences of the characteristics of axial pumps pumping lead coolant on the parameters of the grilles of the profiles of the impellers] Izvestiya vuzov. Yadernaya energetika, 2017. Nol. pp. 138146.
4. Svoboda D.G., Ivanov E.A., Zharkovskij A.A., Shchuckij S.Yu. Optimizaciya protochnoj chasti osevogo nasosa s ispol'zovaniem poverhnosti otklika [Optimization of the flow part of the axial pump using the response surface] zvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie, 2022. No8. pp. 74-83.
5. Svoboda D.G., Zharkovskij A.A., Ivanov E.A., Shchuckij S.Yu., Dyagilev P.Yu. Sozdanie osevyh nasosov s vysokim KPD i nezapadayushchej formoj harakteristiki [Creation of axial pumps with high efficiency and non-falling shape characteristics] Vestnik mashinostroeniya, 2019. No4. pp. 37-41.
6. Wilo Mediamid [Wilo. Mediamid]. Available at: http://wilo.cdn.mediamid.com/cdndoc/wilo153100/902811/wilo153100.pdf (date accessed: 03.10.2022).
7. Wilo. Wilo-EMU KPR [Wilo]. Available at: https://wilo.com/ru/ru/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0% B8%D1%8F/ru/produkty-i-professionalnyy-opyt/wilo-emu-kpr (date accessed: 03.10.2022)
8. Velikanov N.L., Naumov V.A., Koryagin S.I. Metodika vybora centrobezhnyh skvazhinnyh nasosov tipa ECV [Method of selection of centrifugal borehole pumps of the ECV type] Tekhniko-tekhnologicheskieproblemy servisa, 2017. No1 (39). pp. 18-21.
9. Preger E.A. Podbor lopastnyh nasosov po uravneniyam ih harakteristik [Selection of vane pumps according to the equations of their characteristics]: Informacionno-tekhnicheskij listok. No23(46). L.: Dom nauchno-tekhnicheskoj propagandy, 1954. pp. 15.
10. Lawrence A., Thollander P., Andrei M., Karlsson M. Specific energy consumption/use (SEC) in energy management for improving energy efficiency in industry: meaning, usage and differences. Energies. 2019. No12(2), 247. pp. 1-22. doi: 10.3390/en12020247.
11. Fisenko V.N. Energeticheskaya effektivnost' nasosov v sistemah vodosnabzheniya i vodootvedeniya [Energy efficiency of pumps in water supply and sanitation systems] Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika, 2018. No6. pp. 52-63.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Лагуточкин Андрей Андреевич
Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, студент 3-го курса направления подготовки «Природообустройство и водопользование»,
E-mail: a.lagutochkin@internet.ru.
Lagutochkin Andrei Andreevich
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, 3-year student in the direction of studying «Environmental Engineering and Water Use»,
E-mail: a.lagutochkin@internet.ru.
