ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ
Из чего состоит характеристика насосной системы. Статический напор. Динамический напор. Местные потери. Потери по длине трубопроводов.
ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ
Характеристика насосной системы наряду с характеристикой насоса основное понятие, которое необходимо для определения режима работы насоса, правильного подбора насосов и эффективной и надежной эксплуатации.
Насос и система определяют работу друг друга. Насос не работает сам по себе. Режим работы насоса, его рабочая точка определяется характеристикой самого насоса и характеристикой системы.
От характеристики насосной системы зависит выбор способа регулирования насоса (частотное, параллельная работа, комбинированный способ регулирования) .
Правильное понимание характеристик системы очень важно для определения того, в какой точке характеристики системы работает насос. Насос работает там, где система ему позволяет работать система, характеристика системы является хорошим аналитическим инструментом, помогающим определить, как система реагирует на изменения расхода, уровня жидкости и давления. Лучшее понимание того, как построить характеристику насосной системы, и знание того, как характеристика системы может меняться в течение срока службы насоса, поможет предотвратить многие проблемы при эксплуатации насоса, продлить срок службы насоса и сэкономить энергию.

Основные темы:
  1. Определение «Насосная система».
  2. Характеристики насосной системы.
  3. Статический напор насосной системы.
  4. Динамические потери в насосной системе.
4.1. Скорость жидкости. Уравнение Бернулли.
4.2. Потери на трение в трубопроводах.
4.3. Местные потери. Местные гидравлические сопротивления.
5. Насосная система с преимущественно статическим напором.
6. Насосная система с преимущественно динамической составляющей.

Насос выполняет следующую работу:
1. Поднимает жидкость на высоту Hг
2. Преодолевает разницу давлений в резервуарах 1 и 2 . Если резервуары открыты в атмосферу разница давлений не учитывается.
3. "Проталкивает" жидкость через трубопроводы, трубные колена, арматуру фильтры теплообменнники и т.д.

Что необходимо знать о характеристиках насосной системы трубопроводов для правильного выбора насоса?
​
Четкое понимание характеристики насосной системы - это необходимо условие для правильного выбора насоса и последующей эффективной и надежной работы насоса.


Характеристика системы включает в себя две составляющие - статическую и динамическую.
Hсист=Hстат+Hдин
Hстат - статический напор.
Hдин - динамический напор.
Гидравлическая система оказывает сопротивление движению потоку двумя принципиально разными способами.
Работа по подъему жидкости - mgh где m - масса поднятой жидкости, g - ускорение свободного падения, а h - высота подъема.
В общем случае Насос должен поднять жидкость на определенную высоту и "протолкнуть" жидкость через трубопровод арматуру фильтры и т.п. Потоку жидкости всегда приходится преодолевать силы трения.
Эти два разных типа работы принципиально разные, и описываются они по разному по-разному.

Статическая составляющая характеристики системы (не зависит от того течет ли жидкость в системе или нет):
Требуется энергия, чтобы поднять жидкость с одного уровня на другой и преодолеть разницу давлений в начальной и конечной точках.
  • Давление, необходимое для подъема жидкости, называется статическим напором.
  • Энергия, необходимая для подъема жидкости, не зависит от скорости движения жидкости.​
Динамическая составляющая характеристики системы - это потери, которые возникаю при движении жидкости. Динамические потери делятся на два типа - потери на трение и местные сопротивления.
  • Потери
  • Давление, используемое для преодоления трения, называется динамическим напором или потерями на трение.
  • Требуемое давление или напор пропорционально квадрату скорости жидкости.
  • Мощность, необходимая для преодоления динамических потерь пропорциональна кубу скорости.
Статический напор системы.
Статический напор насосной системы - это напор необходимый для подъёма жидкости на геометрическую высоту между свободными поверхностями жидкости и преодоление разницы давлений действующих на свободные поверхности жидкостей.
Статический напор не зависти от скорости течения жидкости и следовательно не зависти от подачи.
Графическая характеристика статического напора системы.
В координатах "Подача-Напор" (Q-H) график будет представлять собой прямую линию параллельную горизонтальной оси "Q". Если на поверхности жидкости в обоих резервуарах действует атмосферное давление. Hстат=Hгеод
Графическая характеристика статического напора системы.
Если в на свободные поверхности в баках действуют разные давления. К напору определяемому высотой подъёма жидкости добавляется напор, который определяется разностью давлений.
Пример определения скорости жидкости:
Q=120 м3/ч, Q=120 м3/ч = 120/3600=0,0333 м3/с
d=200 мм, d=200 мм=0,2 м.

Скорость жидкости в трубопроводе.
Q – объемный расход жидкости, м3/c, м3/ч, литр/час.
d – внутренний диаметр трубопровода, м
S – площадь сечения трубы, м2.
V – скорость жидкости, м/с.


Площадь сечения трубопровода
Уравнение неразрывности жидкости.
Расходы жидкости, протекающей через сечения 1-1 и 2-2 равны - Q1 = Q2
V1 S1= S2 V2
V1,2 - скорости жидкости в сечениях 1 и 2.
S1,2 - площади сечений 1 и 2.
Таким образом, S1<S2 поэтому V1 >V 2
С учетом формулы для вычисления площади сделаем следующий вывод
Если d2= 2 x d1, тогда V2 будет V2/4
Уравнение Бернулли аналогия с физическим маятником.
Аналогия с физическим маятником. Груз на веревке совершает колебательные движения. В крайних положениях груз поднимается на максимальную высоту относительно плоскости сравнения при этом скорость равна нулю соответственно кинетическая энергия равна нулю потенциальная энергия тела поднятого над плоскостью сравнения равна максимальному значению. При движении вниз скорость увеличивается высота уменьшается. Поэтому кинетическая энергия увеличивается потенциальная энергия уменьшается. Закон сохранения энергии при идеальных условиях т.е. при отсутствии потерь в системе заключается в том что сумма потенциальной и кинетической энергии остается постоянной. Один вид энергии переходит в другой.

Уравнение Бернулли.
Уравнение Бернулли - это закон сохранения для струйки жидкости при ее движении.
Поток жидкости движется по произвольной траектории относительно плоскости сравнения от сечения 1-1 до сечения 2-2 сравнения. В сечении 1-1- поток имеет следующие характеристики - площадь S1, давление р1, скорость V1, высота сечения относительно плоскости сравнения Z1. Аналогично для сечения 2-2.
Полная энергия (полный напор) жидкости в любой точке если ее отнести к горизонтальной плоскости отсчета, равна сумме геометрического, пьезометрического и скоростного напоров.
При движении потока идеальной жидкости удельная кинетическая энергия потока жидкости (V2/2g) преобразуется в удельную потенциальную энергию (Z+ p/ρg) и наоборот .
Потенциальная энергию состоит из двух составляющих Z - энергия тела, поднятого над плоскостью сравнения и энергии давления p/ρg.
Уравнение Бернулли является основой для всех практических формул для потока жидкости.
В случае идеальной жидкости (идеальная жидкости - это жидкость которая не имеет вязкости) потери при движении жидкости отсутствуют. Поэтому при движении жидкости общая энергия потока жидкости остается постоянной, только один вид энергии переходит в другой.
В случае если поток жидкости движется горизонтально Z1=Z2 Уравнение упрощается и принимает следующий вид. Иллюстрация этого показана на рисунке ниже.
Главный практический вывод, который нужно сделать из уравнения Бернулли.
Давление и скорость потока жидкости связаны между собой.
При увеличении скорости жидкости давление жидкости уменьшается
Если V1>V2 то p1<p2 и наоборот, если V1 <V2 то p1>p2.
Главный практический вывод, который нужно сделать из уравнения Бернулли.
Давление и скорость потока жидкости связаны между собой.
При увеличении скорости жидкости давление жидкости уменьшается
Если V1>V2 то p1<p2 и наоборот, если V1 <V2 то p1>p2.
На рисунке жидкость течет через трубопровод имеет разные диаметры. В начале давление равно р1 в трубопроводе меньшего сечения скорость жидкости растет и давление падает до величины р2 далее диаметр трубопровода увеличивается до диаметра в сечении 1 давление возрастает до давления р3 которео равно давлению р1.
Уравнение Бернулли для реальной жидкости.
На практике движение реальной жидкости сопровождается потерями. поэтому уравнение Бернулли для реальной жидкости примет вид. В этом уравнении присутствуют потери напора.
Виды гидравлических потерь.
При движении жидкости возникает две вида потерь:
  • Потери на трение по длине трубопровода. Зависят от шероховатости стенок трубы и вязкости жидкости и скорости движения, длины трубопровода.
  • Местные потери. Потери связанные с изменение формы потока – местные потери. Зависят от формы местного сопротивления (поворот, задвижка, внезапное сужение расширение).
Как возникают гидравлические потери.
  • Как возникают потери на трение по длине трубопровода.
  • Как возникают потери на местных гидравлических сопротивлениях.
Вязкость жидкости.
Две параллельные пластины между которыми находится жидкость.. Верхняя пластина начинает двигаться со скоростью V. Нижняя пластина неподвижна. Жидкость "прилипает" к пластинам. Те слои жидкости которые контактируют с верхней пластиной движутся со скоростью V. Слои жидкости которые контактируют с нижней пластиной неподвижны. Скорость промежуточных слоев изменяется от V=0 до V. При движении между слоями жидкости возникает силы, препятствующие движению, которые действуют по касательной в сторону противоположную движению. Напряжение, которое возникает между слоями τ = μ dV/dy .
Коэффициент пропорциональности μ называется вязкостью жидкости.
dV/dy - градиент скорости, который показывает как меняется скорость в зависимости от изменения координаты «y».
При движении жидкости в трубе максимальная скорость жидкости будет по оси трубопровода. Скорость слоев жидкостей прилегающих к стенкам трубы равна нулю.
Режимы течения жидкости в трубопроводе.
Ламинарный режим течения жидкости. Слои жидкости движутся параллельно не перемешиваясь.
Турбулентный режим течения. Слои жидкости движутся перемешиваясь.
Число Рейнольдса.
Режим течения жидкости в трубопроводе зависит от нескольких критериев.
  • скорость жидкости.
  • диаметр трубопровода.
  • вязкость жидкости..
Критерий подобия который определяет режим течения жидкости трубопроводе - число Рейнольдса.
где
V – скорость жидкости, м/с
Dу – внутренний диаметр трубопровода, м
μ- динамическая вязкость Па с.
ν- кинематическая вязкость жидкости, м/с2
ρ – плотность жидкости кг/м3

В зависимости от значения числа Рейнольдса определяется режим течения жидкости
Re <2320 - ламинарный режим течения.
2320< Re < 105 - переходный режим.
Re > 105  развитый турбулентный режим

Переходный режим течения.
2320< Re < 105 - переходный режим.
Если скорость жидкости увеличивается, то слоистая структура потока жидкости начинает постепенно разрушаться начинает происходить перемешивание слоем вихреобразование.
Начинается этот процесс в месте максимальной скорости потока. Т.е по центру. По мере увеличения скорости разрушение потока происходит по всему сечению потока.
Для чего это необходимо знать? Потому что потери по длине трубопровода зависят от режима течения жидкости.
Турбулентный режим течения.
Re > 105  развитый турбулентный режим
Структура потока при турбулентном режиме течения жидкости
ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ.
ПОТЕРИ НАПОРА ПО ДЛИНЕ ТРУБОПРОВОДА

Потери на трение в трубопроводах описываются формулой Дарси-Вейсбаха.
Элементы, входящие в уравнение:
Hтр - потери напора на трение трения (м)
лямбда- Коэффициент трения Дарси. Зависит от режима течения жидкости (ламинарный, турбулентный), шероховатостей стенки трубопровода.
Lтр - длина трубопровода, (м)
dтр - диаметр трубы (м)
V - скорость жидкости в трубе (м)
Это уравнение очень полезно для понимания того какие факторы и в какой степени оказывают влияние на потери на трение по длине трубопровода.
Если выразить скорость жидкости в трубе выразить через расход жидкости и диаметр трубопровода то формула примет следующий вид:
Дальнейшее преобразование приводит формулу к простому виду.
ПОТЕРИ НАПОРА НА ТРЕНИЕ ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫ ДИАМЕТРУ ТРУБОПРОВОДА В ПЯТОЙ СТЕПЕНИ!!! Об этом необходимо помнить всегда при выборе диаметра трубопровода.
Графическое представление потерь по длине трубопровода
График потерь по длине трубопровода строятся в координатах подачи и напора так же как и напорная характеристика насоса.
Функция Hтр = kтрQ2 представляет собой параболу которая начинается в нуле.


kтр - коэффициент трения, который зависит от шероховатости трубы, диаметра , длины трубопровода.
Что показывает график - какие потери напора будут по длине трубы если при прокачке определённого объема жидкости. Например, если нужно прокачать 250 м3/ч то сопротивление т.е. потери подлине составят 95 м. Если прокачать 127 м3/ч то потери составят 22 м.
Это определяет параметры насоса, который нужно подобрать для прокачки определённого объема жидкости через трубопровод.
Чем меньше объем жидкости нужно прокачать тем меньше потери по длине трубопровода.
  • Как влияет выбор диаметра трубопровода на капитальный и эксплуатационные затраты?
  • Как меняется сопротивление трубопровода по мере эксплуатации?
  • Как учитывать изменение характеристик трубопровода при выборе насоса?
Местные гидравлические сопротивления.
Местные гидравлические сопротивления относятся к динамическим типам гидравлических сопротивлений, т.е. возникают при движении жидкости и зависят от скорости течения жидкости.
Местные гидравлические сопротивления - это элементы гидравлической системы, в которых поток жидкости меняет форму - колена, конфузоры, диффузоры, задвижки, клапаны, фильтры, тройники и т.п.

Формула определения потерь напора на местных гидравлических сопротивлениях
Относятся к динамическим типам гидравлических сопротивлений, т.е. зависят от скорости течения жидкости.

hм - потери напора на местном гидравлическом сопротивлении, метры.
V - скорость движения жидкости в трубопроводе, в котором установлено местное сопротивление, м/с.
g - ускорение свободного падения, м/с2.
ξм - коэффициент местного сопротивления, зависит от типа местного сопротивления, колено трубопровода, задвижка и т.д.
Если выразить скорость жидкости через расход, то выражение может быть преобразовано в следующий вид hм=kQ2 .

Графическое изображение характеристики местного сопротивления.
По аналогии с потерями по длине трубопровода характеристика строится к координатах - Подача-Напор (Q-H). График представляет собой параболу, которая начинается в нуле.
Коэффициент сопротивления может меняться. Например, у задвижки коэффициент сопротивления меняется в зависимости от положения запирающего элемента.
Задвижка - это местные сопротивление.
На графике показано как меняется характеристика задвижки при разной степени открытия. Чем больше закрытие, тем больше коэффициент сопротивления и потери напора. Это означает, что для того чтобы прокачать один и тот же объем жидкости при разных положениях задвижки требуется разный напор в зависимости от положения задвижки. При открытой задвижке Н3 при открытой наполовину Н1 .
Изменяя характеристику системы можно регулировать подачу насоса.
Подробнее о регулировании насоса задвижкой по ссылке ниже.
Характеристика насосной системы.
Характеристика насосной системы описывается выражением и включает статическую и динамическую составляющие
Hсист=Hстат+Hдин (трен)
Суммирование характеристик нескольких динамических сопротивлений?
По аналогии с электрической цепью суммарное сопротивление последовательно установленных местных гидравлических сопротивлений получается суммированием перепадов напоров на каждом из них при одном и том же значении расхода жидкости. Что необходимо помнить - через все сопротивления проходит один и тот же объем жидкости.
Системы с преимущественно статической и динамической составляющими.
При оценке характеристики системы очень важно знать долю каждой составляющей в общем напоре. разделяют системы с преимущественно статической и преимущественно динамической составляющей. Это необходимо знать при выборе способа регулирования насоса. Например, частотное регулирование насоса в системах с большой статической составляющей неэффективно. Более подробно о способах регулирования насосов читайте по ссылке.
Другие темы курса "Принцип действия насоса. Характеристики насоса".
Напорная характеристика Q-H насоса.
Напорная характеристика насоса
Мощностная характеристика насоса
Мощность насоса
Характеристика КПД.
КПД насоса.
Характеристика насосной системы.
Характеристика насосной системы.
Рабочая точка насоса.
Режим работы насоса.
Коэффициент быстроходности Ns
Коэффициент подобия насосов.
Влияние вязкости и плотности на характеристики
Изменение характеристик при изменении свойств жидкости
Переразмеривание насосов.
Выбор насоса с большими параметрами.
ДРУГИЕ КУРСЫ О НАСОСАХ.
Курсы по насосному оборудованию
  • Частотное регулирование. Параллельная работа насосов, Дроссельное регулирование (регулирование задвижкой). Подрезка рабочего колеса. Комбинированные способы регулирования насосов. Воздух в насосе.
    Перейти
  • Кавитационный запас насоса. Виды кавитационных запасов (критический, допускаемый). Располагаемый кавитационный запас системы. Условие работы насоса без кавитации. Способы устранения кавитации.
    Перейти
  • Монтаж насоса. Фундаменты. Всасывающие и нагнетательные трубопроводы. Монтаж трубопроводов. Усилия от трубопроводов на патрубки насосов. Пуск и останов насосов. Фильтры на входе в насос.
    Перейти
  • Основные типы насосов по конструкции. Типы насосов по API 610. Требования стандарта API 610.
    Перейти
  • Сальникове уплотнения. Торцовые уплотнения. Одинарные уплотнения. Двойные уплотнения. Выбор уплотнения.
    Перейти
  • Причины поломок насосов. Причины выхода из строя подшипников, уплотнений. Обслуживание и ремонт. Обеспечение надежной работы насосов. Как сократить количество ремонтов насосов.
    Перейти
  • Подшипники качения. Подшипники скольжения. Способы смазки. Причины выхода из строя.
    Перейти
  • Обследование насосных систем. Измерение параметров насосов на объекте (подача, напор, мощность). Способы увеличения эффективности насосной системы.
    Перейти
Made on
Tilda