Напор насоса — это полная энергия, которую насос должен обеспечить для перекачки жидкости из точки А в точку Б; измеряется в футах или метрах. Для правильного расчета потребуются три величины: статический напор (вертикальный подъем), потери на трение (сопротивление трубопровода) и требуемое давление на выходе. Если упустить хотя бы один из этих параметров, вы либо выберете насос недостаточной мощности, либо зря потратите деньги на избыточную мощность. В этом руководстве подробно описан процесс расчёта, рассмотрены типичные ошибки, допускаемые на практике, а также объясняется, как соотнести полученный результат с кривой насоса.
Основные выводы
- Общий напор = статический напор + потери на трение + требуемое давление на выходе, причём все величины приведены к одним и тем же единицам измерения
- Статический напор зависит от простой геометрии; для расчета потерь на трение необходимо знать размер трубы, её длину, количество фитингов и расход
- Кривая насоса показывает напор при различных расходах — рассчитанная точка работы должна находиться в пределах диапазона эффективной работы, обозначенного на кривой
- Высота всасывания снижает доступный NPSH и влияет на выбор насоса, даже если общий напор остается неизменным
- Зафиксируйте исходные допущения, на которых основаны ваши расчёты, чтобы при последующем поиске и устранении неисправностей можно было определить, произошли ли изменения в системе или произошла поломка насоса
Три составляющие общего напора
Любой расчет напора насоса начинается с разбиения системы на измеримые участки. Статический напор — это вертикальное расстояние между источником воды и точкой слива. Если вы забираете воду из скважины глубиной 60 футов и подаете её в резервуар, расположенный на высоте 20 футов над землёй, ваш статический напор составляет 80 футов. Это значение не зависит от расхода.
Потери на трение — это энергия, расходуемая стенками труб, фитингами, клапанами и из-за изменений диаметра трубы. Они увеличиваются с ростом расхода и уменьшаются при увеличении диаметра трубы. В 2-дюймовой трубе класса Schedule 40 с расходом 50 GPM потери напора составляют около 4 футов на каждые 100 футов трубы. Добавьте шесть 90-градусных колен, и вы получите ещё 12 футов эквивалентной длины трубы. Таблицы потерь на трение можно получить у производителей труб, либо воспользоваться уравнением Хейзена-Уильямса для быстрой оценки в полевых условиях.
Требование к давлению на выходе — это давление, необходимое в конечной точке, выраженное в виде напора. Для системы капельного орошения может потребоваться давление 30 PSI (напор 69 футов). Для системы дождевания может потребоваться 50 PSI (115 футов). Для теплообменника может потребоваться 20 PSI. Это давление должно поддерживаться при расчетном расходе, а не при перекрытии.
Пример расчёта в полевых условиях
Ферме необходимо перекачивать 100 галлонов в минуту из пруда в оросительный коллектор, расположенный на расстоянии 300 футов и на высоте 15 футов выше поверхности пруда. В коллекторе должно поддерживаться давление 40 PSI (92 фута напора) для подачи воды в капельные линии. Всасывающий трубопровод представляет собой 3-дюймовую трубу длиной 20 футов с одним ножным клапаном и одним коленчатым соединением под углом 90 градусов. Нагнетательный трубопровод представляет собой 2-дюймовую трубу длиной 300 футов с четырьмя коленчатыми соединениями под углом 90 градусов.
| Компонент | Расчет | Результат |
|---|---|---|
| Статический напор | Вертикальный подъем | 15 футов |
| Трение при всасывании | Труба длиной 20 футов + обратный клапан (эквивалент 10 футов) + колено (эквивалент 2 футов) при расходе 100 галлонов в минуту в трубе диаметром 3 дюйма = потери давления ~1 фут | 1 фут |
| Трение при выходе | Труба длиной 300 футов + 4 колена (эквивалент 8 футов) при расходе 100 галлонов в минуту в трубе диаметром 2 дюйма = потери давления ~24 фута | 24 фута |
| Давление на выходе | 40 PSI × 2,31 фута/PSI | 92 фута |
| Всего голов | 15 + 1 + 24 + 92 | 132 фута |
Насос должен обеспечивать расход 100 галлонов в минуту при общем напоре 132 фута. Теперь проверьте кривые производительности насосов, предоставленные производителями. Центробежный насос мощностью 3 л.с. с 7-дюймовым рабочим колесом может обеспечить расход 100 галлонов в минуту при напоре 130 футов — это достаточно близко к требуемым параметрам для данной задачи. Насос мощностью 2 HP достигает максимального напора 110 футов, поэтому он не подойдет. Насос мощностью 5 HP может обеспечить расход 100 GPM при напоре 160 футов, но в этом случае вы будете тратить энергию и деньги впустую.
Как условия всасывания влияют на расчет
Высота всасывания — это вертикальное расстояние, на которое насос должен поднять воду, прежде чем она поступит в рабочее колесо. Если насос установлен на высоте 8 футов над поверхностью пруда, высота всасывания составляет 8 футов. Это не увеличивает общий напор — он уже учтён в значении статического напора — но влияет на выбор насоса, поскольку снижает доступный NPSH (чистый положительный напор всасывания).
Доступное значение NPSH должно превышать требуемое значение NPSH, иначе в насосе возникнет кавитация. На уровне моря при температуре воды 60°F начальное атмосферное давление составляет примерно 34 фута. От этого значения необходимо вычесть высоту всасывания, потери на трение в всасывающей линии и давление паров (которое для холодной воды можно не учитывать), и в результате получится доступное значение NPSH. Если вашему насосу требуется NPSH 12 футов, а доступно только 10 футов, в насосе возникнет кавитация, даже если общий напор соответствует кривой.
При затопленном всасывании — когда насос находится ниже уровня воды — увеличивается доступный NPSH, что упрощает выбор насоса. Погружные насосы полностью устраняют всасывающий подъем, поскольку устанавливаются ниже уровня воды.
Сопоставление вашего результата с кривой насоса
На кривой насоса по вертикальной оси отображается напор, а по горизонтальной — расход. Кривая имеет нисходящий наклон: чем больше расход, тем меньше напор. Рабочая точка (в приведенном выше примере — 100 галлонов в минуту при напоре 132 фута) должна лежать на кривой, в идеале — в средней трети, где КПД максимален.
Если точка рабочей нагрузки находится правее кривой, насос не сможет обеспечить достаточный напор. Если она находится левее, насос будет работать с низким расходом и может перейти в режим холостого хода или перегреться. Если она находится на кривой, но близко к точке отключения, КПД снижается, а ток двигателя увеличивается.
Некоторые насосы предлагаются с рабочими колесами разных размеров. В центробежном насосе с рамочным креплением могут использоваться рабочие колеса диаметром 6 дюймов, 7 дюймов или 8 дюймов. Каждое рабочее колесо имеет свою собственную кривую. Выберите рабочее колесо, при котором точка нагрузки будет находиться в диапазоне максимальной эффективности, обычно на расстоянии 70–85% от точки максимальной эффективности (BEP).
Распространённые ошибки, которые приводят к неверным результатам расчётов
Использование номинального размера трубы вместо фактического внутреннего диаметра приводит к завышению потерь на трение. Труба Schedule 40 диаметром 2 дюйма имеет внутренний диаметр 2,067 дюйма, а не 2,0 дюйма. Эта разница имеет значение при высоких расходах.
Не учитываются фитинги и арматура. Полностью открытый задвижка добавляет примерно 1 фут эквивалентной длины трубы. Поворотный обратный клапан добавляет 5 футов. Донный клапан с фильтром-сеткой добавляет 10–15 футов. Четыре 90-градусных колена в 2-дюймовой трубе добавляют 8 футов. Если их не учитывать, потери на трение будут на 20–30% занижены.
Единицы измерения. Статический напор в футах, давление в PSI и расход в галлонах в минуту — все эти величины необходимо пересчитать. Один PSI равен 2,31 фута напора. Один бар равен 33,5 фута. Один метр равен 3,28 фута. Используйте единые единицы измерения во всем тексте, иначе вы выберете неподходящий насос.
Несоблюдение ограничений по скорости. Если диаметр трубы слишком мал, потери на трение резко возрастают, а скорость может превысить 8–10 футов в секунду, что приводит к гидравлическим ударам и преждевременному износу. Если диаметр трубы слишком велик, вы зря тратите деньги на материалы, и система может не самозаполняться.
Информация, необходимая для составления коммерческого предложения
При запросе коммерческого предложения на насос укажите рассчитанную рабочую точку, а также исходные данные. Укажите расход, полный напор, статический напор, условия всасывания (с подъемом или с затоплением), размеры труб, тип рабочей среды (чистая вода, песок, химикаты), температуру, режим работы (непрерывный или периодический), источник питания (однофазное 230 В, трехфазное 480 В) и ограничения по установке (в помещении, на открытом воздухе, вертикальный зазор, доступ для обслуживания).
Если вы заменяете существующий насос, приложите данные с заводской таблички, фотографии установки и описание характера неисправности. Насос, проработавший два года и заклинивший, может свидетельствовать о проблеме с рабочей жидкостью или подшипниками. Насос, который никогда не обеспечивал необходимого давления, может указывать на ошибку в расчетах или изменения в системе.
Устранение неисправностей: когда расчетный напор не соответствует фактическим показателям на объекте
Если давление, создаваемое насосом, ниже ожидаемого, проверьте наличие утечек воздуха на стороне всасывания, засоренных фильтров, изношенных рабочих колес или неправильного диаметра рабочего колеса. Измеряйте давление на нагнетании с помощью манометра, а не по приблизительным оценкам. Измерьте ток двигателя и сравните его с номинальным значением тока при полной нагрузке, указанным на заводской табличке. Высокий ток при низком расходе указывает на то, что рабочее колесо слишком большое или напор в системе выше расчётного.
Если давление, создаваемое вашим насосом, превышает необходимое, возможно, вы завысили расчетные значения или изменились требования к системе. Уменьшите пропускную способность нагнетательного клапана, чтобы сместить рабочую точку влево по кривой, либо замените рабочее колесо на меньший размер. Эксплуатация насоса в точке, расположенной значительно правее точки максимальной эффективности (BEP), приводит к потере энергии и сокращению срока службы подшипников.
Вопросы и ответы
Надо ли рассчитывать напор на входе в насос или на источнике воды?
Рассчитайте расстояние от источника воды (поверхность пруда, уровень воды в колодце, дно резервуара) до точки слива. Место установки насоса представляет собой просто точку на трубопроводе. Высота всасывания входит в состав статического напора, а потери на трение при всасывании — в состав общих потерь на трение.
Можно ли применить тот же расчет для подкачивающего насоса в системе под давлением?
Да, но вместо статического напора следует использовать необходимый перепад давления. Если давление на входе составляет 30 PSI, а на выходе должно быть 60 PSI, то эквивалентный статический напор равен 30 PSI × 2,31 = 69 футов. Необходимо также учесть потери на трение в нагнетательном трубопроводе бустера.
Что делать, если в моей системе есть два места слива, расположенных на разной высоте?
Рассчитайте напор для самой высокой или наиболее ограничивающей точки. Если одна ветвь идет к резервуару, расположенному на высоте 30 футов, а другая — к спринклеру, расположенному на высоте 15 футов, используйте значение 30 футов плюс потери на трение и требуемое давление для этой ветви. Используйте клапаны для выравнивания расхода между ветвями.
Как учесть возможное образование накипи в трубах или засорение фильтров в будущем?
Добавьте запас прочности к потерям на трение, как правило, 10–20%. Если потери на трение в чистой трубе составляют 20 футов, рассчитывайте на 24 фута. Это позволит избежать выхода насоса за пределы технических характеристик по мере износа системы. Для фильтров следует использовать значение перепада давления в конце срока службы фильтра, а не в состоянии нового.
При выборе между двумя моделями насосов следует округлять в большую или в меньшую сторону?
Округляйте в большую сторону, если при использовании насоса меньшей мощности рабочая точка выходит за пределы 85% от его максимального расхода, либо если предполагается расширение системы. Округляйте в меньшую сторону, если использование насоса большей мощности вынуждает вас выбрать двигатель большего размера, особенно при однофазном питании, где 5 HP часто является пределом для бытового применения.
Заключение
Правильный расчет напора насоса предполагает измерение статического подъема, оценку потерь на трение с учетом размеров труб и фитингов, добавление необходимого давления на выходе и сопоставление полученного итогового значения с кривой насоса. Сам расчет занимает десять минут. Результат получается благодаря фиксации ваших исходных данных — размеров труб, количества фитингов, расхода, давления на выходе — что в будущем при поиске неисправностей позволит отделить проектные ошибки от отказов компонентов. Насос, который вышел из строя из-за того, что вы забыли учесть четыре коленчатых фитинга, — это не бракованный насос. Система, которая переходит из режима прерывистой работы в режим непрерывной, — это не результат неправильного расчёта. Задокументируйте как результат, так и исходные данные, и следующему специалисту не придётся реконструировать ваши решения на основе данных с заводской таблички и показаний манометра.