DETERMINATION OF THE EFFECTIVE OPERATING MODE OF THE VORTEX PUMP

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.138.24
Issue: № 12 (138), 2023
Suggested:
26.10.2023
Accepted:
13.11.2023
Published:
18.12.2023
400
4
XML
PDF

Abstract

The intensified development of rural areas has exacerbated the problem of water supply and wastewater disposal. Vortex pumps are often used for these technologies. Although these pumps have the advantage of high heads, they have the disadvantage of low efficiency at low flow rates. This leads to the need to have a more thorough analysis of the performance for variations in pipeline heads. A method of analysing the performance of vortex pumps using relative units is proposed. Using this method, the optimum operating point of the pump is determined, which corresponds to a relative capacity equal to 0.7 at a relative head equal to 0.3. Comparison of the obtained characteristics with the real ones confirmed the values obtained. The optimum interval of operation of the vortex pump is a change of productivity from 0,5 to 0,9 from nominal value is received. The proposed method of obtaining operating characteristics in relative units will allow analysing the pump operation at significant head fluctuations without resorting to actual data.

1. Введение

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

,
. Как правило, в муниципальных образованиях отсутствует достаточные средства на проведение реконструкции систем водоотведения. Это приводит к возникновению частых аварий в системе коммунальных хозяйств, что наносит технологический и часто экологический ущербы. В отдельных сельских поселениях возникает дефицит воды, и подача данного ресурса происходит по определенным временным интервалам. Необходимо также учитывать, что в сельских районах часто полив растений в приусадебных участках производится с общего водопровода. В засушливые периоды года необходима дополнительная подача воды в систему с повышенным давлением.  В то же время все больше приходится строить дренажных сооружений для отведения ливневых и грунтовых вод. Особенно в осенне-летний период количество осадков резко возрастает, что приводит к подтоплениям отдельных территорий. Насосные станции фекального и дренажного типа могут работать при значительном изменении статического уровня в процессе работы. Появление повышенных расходов воды при введении в эксплуатацию нового жилья приводит к недоотпуску этого ресурса потребителям. Такая ситуация иногда создает невозможность создать достаточные напоры для подачи воды на определенный статический уровень. В связи с этим появляются системы подкачки воды для создания необходимого напора. Все это приводит к тому, что чаще стали устанавливаться насосные станции с вихревыми насосами (рис. 1, 2).

Внешний вид вихревых насосов (1)

Рисунок 1 - Внешний вид вихревых насосов (1)

Внешний вид вихревых насосов (2)

Рисунок 2 - Внешний вид вихревых насосов (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%
,
. 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.

2. Методы и принципы исследования

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

дают возможность получить следующее выражение для определения КПД насоса в зависимости от относительных значений производительности и напора:

img
(1)

где img – относительная производительность; img – 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:

img
(2)

В источнике

приводится формула для определения напора насоса:

img
(3)

Разделив обе части уравнения на img получим

img
(4)

На основе экспериментальных исследований  

установлено отношение максимальных напоров и производительностей к значениям в нулевых точках:

img
(5)

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

img
(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.
Зависимость КПД вихревого насоса от его относительной производительности

Рисунок 3 - Зависимость КПД вихревого насоса от его относительной производительности

Для определения точки с максимальным значением КПД продифференцируем уравнение (6) по img и приравняем  к 0:
img
(7)

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

img
(8)

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

3. Основные результаты

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).
Зависимости КПД насоса и напора от относительной производительности

Рисунок 4 - Зависимости КПД насоса и напора от относительной производительности

Сопоставления данного графика с фактическими энергетическими характеристиками отдельных насосов
  показало их хорошее совпадение (рис. 5).
Характеристики вихревых насосов типа ВК и ВКС

Рисунок 5 - Характеристики вихревых насосов типа ВК и ВКС

Примечание: а) ВК2/26, б) ВКС5/24

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

,
,
,
,
. Так как возможна работа насосной системы в широком интервале изменения статического напора, то возникает необходимость регулирования частоты вращения приводного электродвигателя. Такое регулирование позволит поддерживать работу насоса с высоким КПД и, соответственно, экономить электроэнергию. В связи с этим нужно проводить дальнейшие исследования работы насосной системы с частотным преобразователем и по уточнению закона регулирования.

4. Заключение

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.

Article metrics

Views:400
Downloads:4
Views
Total:
Views:400