ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ВИХРЕВОГО НАСОСА

Активная застройка малоэтажными домами и коттеджами сельских территорий выявила проблему низкой надежности и эффективности водоснабжения и водоотведения. Увеличивается нагрузка на водоснабжающие и канализационные системы, которые имеют высокую степень износа

Рисунок 1 - Внешний вид вихревых насосов (1)

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.24.1

Рисунок 2 - Внешний вид вихревых насосов (2)

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.24.2

Такие насосы отличаются от других типов конструкцией рабочих органов и характеристиками. Вихревые насосы используют, где требуются небольшие подачи, но сравнительно высокие напоры.  Данные насосы более просты по конструкции, обладают свойствами самовсасывания, имеют круто падающую напорную характеристику и круто возрастающую зависимость мощности от производительности (при ее снижении). Основным недостатком вихревого насоса является низкий коэффициент полезного действия (КПД) – от 25  до 50%

[3]

,

[4]

. При изменении напора рабочая точка насоса может далеко уходить от эффективного режима, что приводит к понижению и так малого КПД. В связи с этим целью исследований является анализ характеристик вихревого насоса при работе с колебаниями статического напора  и определение интервалов энергоэффективных режимов работы.

Для всех типов насосов основным показателем  энергетической эффективности является его КПД. Этот показатель зависит от нескольких параметров самого насоса и параметров потребителя водного ресурса. Исследования, представленные в литературе

(1)

где  – относительная производительность;  – относительный  напор; α – корректирующий коэффициент, можно принять равный 2; λ – коэффициент трения, можно взять равным 0,09; ϐ – окружной угол находится в интервале от 4,7 до 5,8.

В результате подстановки коэффициентов в формулу (1) получим следующее выражение:

(2)

В источнике

(3)

Разделив обе части уравнения на  получим

(4)

На основе экспериментальных исследований  

(5)

С учетом полученных формул выражение для КПД насоса будет иметь вид:

(6)

Данную зависимость можно представить в графическом виде (рис. 3). Как видно из данного рисунка график имеет максимум, который соответствует наиболее эффективному режиму работы насоса.

Рисунок 3 - Зависимость КПД вихревого насоса от его относительной производительности

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.24.3

Для определения точки с максимальным значением КПД продифференцируем уравнение (6) по  и приравняем  к 0:

(7)

Исключив промежуточные преобразования и решения, не имеющие смысла для физического процесса, получим:

(8)

Таким образом, максимальное значение КПД насоса будет наблюдаться при относительной его производительности равной 0,7.

Для любых насосов обычно строятся совместные графики основных их характеристик, что позволяет находить наиболее эффективные точки работы насосных систем. Если простроить совместные графики КПД насоса и относительного напора, то можно определить рабочую точку насоса с максимальным КПД (рис. 4).

Рисунок 4 - Зависимости КПД насоса и напора от относительной производительности

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.24.4

Сопоставления данного графика с фактическими энергетическими характеристиками отдельных насосов

[3]

  показало их хорошее совпадение (рис. 5).

Рисунок 5 - Характеристики вихревых насосов типа ВК и ВКС

Примечание: а) ВК2/26, б) ВКС5/24

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.24.5

Как видно из приведенных характеристик рисунка 4, совпадает не только их вид, но и значения самого КПД (максимальное КПД на уровне 0,35), а также положение оптимальной рабочей точки. Можно рекомендовать энергоэффективный режим работы насоса в интервале изменения производительности от 0,5 до 0,9 от номинального значения.

В дальнейшем необходимо проводить анализ работы насоса совместно с магистралью и электрической машиной. Это связано с тем, что у каждого отдельного элемента системы водоснабжения имеется своя оптимальная энергоэффективная точка работы и нужно найти общий режим работы с максимальным КПД

Особые характеристики вихревых насосов – высокие напоры при малых производительностях определяют сферу их применения. Такие насосы используют в системах водоснабжения для повышения давления, транспортирования фекальных жидкостей, орошения и   откачки дренажных вод и т.д. Часто насосам приходится работать при значительных колебаниях статического уровня жидкости. Негативной составляющих этих насосов является низкий КПД – порядка 0,3–0,4. В вязи с этим очень важно   поддерживать рабочую точку  насоса на максимальном уровне.

Проведенный анализ зависимости КПД и напора от производительности  в относительных единицах позволил установить оптимальное ее значение, которое равно 0,7. Сопоставление с реальными характеристиками насосов типа ВКС показало хорошее совпадение. Следовательно, полученные выражения для характеристик насосов в относительных единицах можно использовать для анализа работы вихревых насосов в различных режимах без использования конкретных характеристик в именованных единицах.

Работа вихревого насоса в системе регулируемого электропривода с использованием частотных преобразователей приведет к снижению потребления электрической энергии.