Давление подпора что это
Давление в норме: зачем ЦОДу контроль подпора воздуха?
В человеке все должно быть прекрасно, а в современном дата-центре все должно работать, как швейцарские часы. Ни один компонент сложной архитектуры инженерных систем ЦОДа не должен оставаться без внимания службы эксплуатации. Именно этими соображениями руководствовались мы на площадке Linxdatacenter в Санкт-Петербурге, готовясь к сертификации Uptime Management & Operations в 2018 году и приводя все системы дата-центра в соответствие с лучшими мировыми стандартами.
Сегодня я расскажу, как и зачем мы внедряли систему удаленного контроля давления и «подпора» воздуха в серверных. Напомню, что в процессе подготовки к аудиту Uptime Institute одной из решаемых задач был вопрос чистоты. Наша команда работала по двум направлениям: клининг (ранее мой коллега уже рассказывал о том, как мы боролись с пылью в серверных помещениях) и контроль за давлением в серверных залах. Мне, как главному инженеру компании, как раз было поручено второе.
О чем речь
В любом серверном помещении есть система общеобменной вентиляции. Она устроена очень просто: одна вентиляционная машина работает на приток воздуха внутрь, вторая — на его вытяжку наружу. Оба двигателя управляются частотными регуляторами, — то есть, можно менять частоту их оборотов и тем самым регулировать объемы подаваемого/удаляемого воздуха.
Задач у этой системы две:
Если вдруг все происходит наоборот – вытяжная вентиляция удаляет больше воздуха, чем подает приточная, – то нефильтрованный воздух начинает поступать в серверную из смежных помещений, что часто является причиной наличия пыли на поверхностях и на оборудовании.
No control
Вроде бы все просто. Однако на момент начала работ по повышению качества клининга в ЦОДе у нас не было эффективного инструмента контроля за наличием подпора. Мы устанавливали частоту подачи больше, чем частоту вытяжки, и дальше производили донастройку «на глаз». Двери в серверную открываются с трудом (как будто притягиваются внутрь) – подпор отрицателен. Если наоборот – доводчик не справляется с закрытием – значит, подпор очень сильный. Нащупывая некий баланс между двумя этими состояниями, где-то посередине мы и останавливались.
Однако этот подход ненадежен, и мы посчитали невозможным далее полагаться на него.
Почему? Работая «на глаз», невозможно учитывать влияние состояния воздушных фильтров на мощность подающей вентиляции. Если фильтр чистый – мы увидим определенные показатели сопротивления и объема подаваемого воздуха, если же фильтр загрязнен, то эти показатели будут заметно отличаться. По динамике открытия-закрытия двери эти нюансы не отследишь.
Обычно замена фильтра происходит по штатному механическому дифференциальному манометру, который отключает вентиляцию на определенной стадии загрязнения фильтра (разница давлений до и после фильтра не должна превышать определенный показатель, соответствующий норме чистоты фильтра).
Получается, что есть длительный период жизни фильтра, пока он постепенно загрязняется, а штатный дифференциальный манометр вентиляции считает его пригодным к работе. Но мощность вентиляции и, следовательно, сила подпора меняются в зависимости от состояния фильтра.
Штатный диффманометр вентиляции.
В итоге мы пришли к выводу, что процесс настройки и контроля подпора при таком сценарии слишком сложен и опять же неэффективен для ЦОДа.
Решение
За ответом на вопрос «И как же нам поступить?» мы обратились к лучшим мировым практикам, в чем помогла поездка в Стокгольм с экскурсией по местным ЦОДам.
В одном из дата-центров мы увидели нужное нам решение – механический диффманометр был установлен на входе в серверную и показывал разницу давлений «серверная/коридор».
Что интересно, шведские коллеги используют диффманометры у входа в серверные и для контроля загрязненности вентиляционного фильтра: они меняют фильтры при снижении подпора, не дожидались сигнала от штатного диффманометра системы вентиляции. Показания маноментра визуально контролируют дежурные на обходах.
Вернувшись, мы стали искать подобное оборудование в России. Оказалось, что подобные диффманометры применяются у нас в так называемых «чистых помещениях», то есть в операционных, лабораториях и т.п. Из-за особого статуса помещений цены на это оборудование оказались заоблачными.
Кроме того, нам был нужен не аналоговый прибор, а цифровой, желательно с выходом 4-20мА, чтобы можно было подключить его к системе мониторинга ЦОДа. Это было важно для установки пороговых показателей для отправки оповещений, и для сбора и анализа статистики.
Кто ищет — тот всегда найдет
Нам повезло – вскоре после начала поисков удалось найти необходимый прибор: цифровой дифференциальный манометр с экраном и выходом для подключения к BMS при бюджете порядка 10 000 рублей за единицу.
Установили, настроили и удивляемся только одному – почему мы раньше до такого сами не догадались, и почему это решение не является стандартным в проектах ЦОД.
Электронный диффманометр в коридоре снаружи серверного зала, трубка одного измерительного канала заведена в серверный зал, второй канал измеряет давление в коридоре.
А вот так устройство отображается в системе мониторинга ЦОДа:
Так выглядит статистика показаний манометра в системе мониторинга:
Согласно ГОСТу Р ИСО 14644-4-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды», взятому нами за ориентир, «для беспрепятственного открывания дверей и исключения непредусмотренного встречного потока воздуха из-за турбулентности, как правило, перепад давления между чистыми помещениями или чистыми зонами с различными классами чистоты должен быть от 5 до 20 Па».
Именно этот диапазон взят нами в качестве нормы в ЦОДе. Как только происходит отклонение, это сразу регистрируется в системе, – как показано на графике ниже.
Резкое падение давления на графике – это открытая дверь в серверную.
Если показания датчика ниже уставки более 5 минут – значит что-то с фильтром, произошла какая-то авария, словом, что-то внештатное. Конкретно на этом графике причиной является длительное открытие двери для завоза оборудования в помещение.
Что мы получили
Во-первых, новый уровень контроля и прозрачности работы инженерных систем дата-центра.
Во-вторых, контроль за чистотой стал еще более эффективным: система позволяет предупреждать снижение подпора и заранее менять воздушные фильтры или устранять другие причины его снижения.
В-третьих, все эти процессы контролируются математически точными инструментами. Мы собираем историю наблюдений в динамике и имеем статистику по реальному сроку эксплуатации воздушных фильтров и всем нештатным ситуациям.
Пройденный аудит Management & Operations и наш недавний визит в европейские ЦОДы показал, что мы являемся пионерами в этом направлении не только в России, но и в ЕС – такие решения встречаются далеко не у каждого лидера рынка дата-центров в Европе.
Конечно, эта система не является ключевой для работы инженерных систем площадки. В то же время, это крайне полезное дополнение для службы эксплуатации и отличная иллюстрация соответствия нашего ЦОДа высоким стандартам. В нашей отрасли мелочей не бывает.
Системы Безопасности
Блог Эдуарда Валитова
Сегодня-это завтра о котром мы позаботились вчера
Для чего нужен подпор воздуха при пожаре
Здравствуйте, уважаемые читатели.
В этой статье мы с вами узнаем, для чего нужен подпор воздуха при пожаре, и как работает дымоудаляющая система.
Разберемся, какие трудности возникают в работе комплекса,
и что получается в случае превышения порога избыточного давления в эвакуационных помещениях.
Для чего нужен подпор воздуха при пожаре
Скажем просто о том, что такое подпор воздуха.
Это и есть подпор воздуха.
Главная цель этого оборудования – образовывать давление в эвакуационных коридорах большее, чем в других местах сооружения.
Это препятствует проникновению дымовой примеси в места эвакуации и позволяет персоналу безопасно покинуть горящее здание.
При этом всегда рассматривается худший сценарий: возгорание идет
при большой скорости ветра, а в самом строении открыты все двери, лифтовые шахты и разрушены все окна.
В процессе монтажа системы подпора воздуха учитываются следующие факторы.
Подпор и вентиляция дымоудаления обязательно должны компенсировать друг друга.
Другими словами, подпор воздуха это забор воздушной массы с улицы и ее доставка в горящее строение.
Такая система обычно отключается дистанционно.
Куда идет свежий воздух
Настолько важна, друзья, эта система!
По статистике при возгорании многие люди погибают по причине отравления угарным газом или от удушья.
В этой безвыходной ситуации нам и приходят на помощь системы дымоудаления и подпора воздуха при пожаре.
Благодаря им люди беспрепятственно эвакуируются из строения, не получив отравление, и не задохнувшись от недостатка кислорода.
Согласно нормативно-правовым документам 123-ФЗ и СП 7.13130.2013, система подпора воздуха и дымоудаления непременно устанавливается во всех эвакуационных путях и зонах без естественного освещения.
Это, например, следующие типы помещений.
Помимо этого, свежим воздухом необходимо снабжать и так называемые безопасные зоны,
куда могут эвакуироваться инвалиды и другие люди для сохранения жизни.
На основании п. 7.1 из СП 7.13130.2013, подпор воздуха и дымоудаление
блокируют либо ограничивают распространение продуктов горения
по эвакуационным проходам и в помещения зон безопасности.
Кроме того, приточка должна использоваться только вкупе с вытяжкой (!). Иначе приточную противодымную вентиляцию использовать запрещено.
Из этого положения СП 7, мы видим, что подпор воздуха в зоны безопасности МГН также обязателен.
Когда срабатывает система ПС, то сразу блокируется система обычной вентиляции.
А система ДУ забирает продукты горения из сооружения.
Расчет подпора воздуха в лестничную клетку, эвакуационный коридор, шахту лифта либо другое место ведется согласно с п. 7 СП 7.
Также система ДУ не дает угарному газу или задымленности формировать среди противопожарных участков, забирает излишнее тепло.
Так, систему подпора в эвакуационный коридор мы тоже проектируем согласно нормам СП 7.13130.2013.
Тамбур-шлюз
А это специальная противопожарная зона.
Она проектируется с целью предотвращения попадания токсичных веществ из одной зоны сооружения в соседнюю.
Тамбур-шлюз с подпором воздуха обязательно оснащен приточкой для нагнетания давления до регламентного значения 20 Па.
У такого помещения двери самозакрывающиеся, без какого-либо запорного механизма.
Согласно п. 4.9 СНБ 2.02.01-98, эти противопожарные зоны подразделяются на 3 вида.
Они ограждают объекты классов А, Б по пожароопасности от прилегающих лифтовых шахт, эвакуационных проходов, лестничных площадок.
Принцип работы
Теперь о том, как работает дымоудаление и подпор воздуха, когда горит сооружение.
Алгоритм действий очень простой.
Проблема притока воздуха
При проектировании установки подпора воздуха у специалистов трудностей обычно не возникает.
Здесь мы опираемся на 123-ФЗ, СП 7.13130.2013 и другие нормативы.
Но, как обычно, все случается на практике.
Основная проблема заключается в превышении компенсационного давления от вентиляторов притока, когда при пожаре, например, люди распахивают окна и раскрывают двери кабинетов.
Давайте представим ситуацию, когда приведена в действие система ДУ из эвакуационного прохода.
Начался забор задымленного воздуха из пространства и его выброс в шахту дымоудаления.
Вследствие этого, открывающиеся наружу двери из коридора прижимаются к своим створкам давлением в соседнем помещении.
Поэтому открыть их очень тяжело, либо совсем невозможно.
А по п. 7.16 СП 7, максимальное избыточное давление на такую дверь – 150 Па.
Чтобы уравновесить давление рекомендуется монтаж системы подпора воздуха, то есть притока с улицы.
Расстояние между подпором и дымоудалением задается п. 7.11 СП 7, применительно к разным местам выброса продуктов горения.
Поэтому п. 7.15 СП 7 устанавливает нормированный порог давления на дверь для эвакуации от 20 Па.
А п. 8.8 для компенсации рекомендует монтировать систему подпора с естественным притоком.
Поэтому, следуя этим нормативам, мы можем обойтись без полноценной приточки с подпорным вентилятором.
Естественный приток предполагает шахты с клапанами или проемы наружу.
а при пожарной ситуации люди пораспахивали все окна, двери и бегут по коридорам на выход?
Правильно, образуется излишнее давление в проходе для эвакуации по сравнению, например, с лестничной площадкой или тамбуром.
Благодаря воздушному притоку из окон и работы приточной вентиляции, дым, конечно, хлынет из прохода дальше в другие помещения.
Можно, к примеру, поставить в местах эвакуации датчики давления с анализаторами и другое оборудование КИПиА.
Но беда в том, что на все проектируемые устройства у нас должен быть сертификат ПБ.
Об этом, конечно, хорошо осведомлен пожарный инспектор.
Что же тогда делать?
Выход из сложившейся ситуации на самом деле простой –
достаточно установить сертифицированный клапан сброса избыточного давления,
управляемый дистанционно или автоматически.
При описанной ситуации с распахнутыми окнами такой клапан
перейдет в закрытое положение и отключит приточную компенсацию в коридор для эвакуации.
Минусовое давление от работы дымоудаляющего оборудования будет тогда уравновешиваться давлением из распахнутых окошек.
А в штатной ситуации клапан будет открываться, например,
при превышении избыточным давлением отметки 90 Па и закрываться при снижении его до 40 Па.
Эти пороговые значения удобно настраиваются регулировочным винтом, сжимающим и разжимающим пружину.
Что запомнить
Подведем, уважаемый читатель, итог нашего исследования и выделим главные тезисы этой статьи.
Желаю Вам, дорогой читатель, успеха в профессиональном деле.
подпор давления
Смотреть что такое «подпор давления» в других словарях:
подпор воздуха — Повышение давления воздуха сверх атмосферного перед преградой вследствие скоростного напора или же внутри помещения вследствие действия приточной вентиляции либо дополнительной подачи сжатого воздуха [Терминологический словарь по строительству на … Справочник технического переводчика
ПОДПОР ВОЗДУХА — повышение давления воздуха сверх атмосферного перед преградой вследствие скоростного напора или же внутри помещения вследствие действия приточной вентиляции либо дополнительной подачи сжатого воздуха (Болгарский язык; Български) свърхналягане на… … Строительный словарь
Подпор — дополнительная система подачи воздуха в полнолицевые маски для создания избыточного давления … Смешной cловарь дайвера
СО 34.21.308-2005: Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения — Терминология СО 34.21.308 2005: Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения: 3.10.28 аванпорт: Ограниченная волнозащитными дамбами акватория в верхнем бьефе гидроузла, снабженная причальными устройствами и предназначенная для размещения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ — один из самых важных видов энергии. Электроэнергия в своей конечной форме может передаваться на большие расстояния потребителю. См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА Производство и распределение электроэнергии. На районной (т.е.… … Энциклопедия Кольера
ГОСТ 16332-70: Аппаратура колонная. Термины и определения — Терминология ГОСТ 16332 70: Аппаратура колонная. Термины и определения оригинал документа: 38. S образный элемент Часть тарелки из S образных элементов, выполненная из профилированного материала S образного сечения Определения термина из разных… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ВВЭР-1000 — Монтаж корпуса реактора ВВЭР 1000 на Балаковской АЭС Тип реактора водо водяной … Википедия
СМАЗКА — смазочный материал, а также нанесение и действие смазочного материала, уменьшающего силу трения между движущимися частями механизмов и их изнашивание. Смазочные материалы попутно могут выполнять также функции охлаждения, защиты от коррозии,… … Энциклопедия Кольера
ВОДОСНАБЖЕНИЕ — ВОДОСНАБЖЕНИЕ. I. Водоснабжение населенных мест. Цель и назначение водоснабжения. В. организованное и регулярное доставление массовому потребителю воды установл. качества и в определенном количестве, обеспечивающем с той или иной полнотой… … Большая медицинская энциклопедия
Забудский, Николай Александрович — заслуженный ординарный профессор Михайловской артиллерийской академии и постоянный член артиллерийского комитета, генерал майор, род. в 1853 г., происходит из потомственных дворян Черниговской губернии. Среднее образование З. получил в… … Большая биографическая энциклопедия
Давление насосов
Статья отредактирована и дополнена в мае 2019 года.
Если производительность насоса отвечает на вопрос какой объем жидкости насос может переместить за единицу времени, то давление отвечает на вопрос какое именно сопротивление трубной системы (в барах) может преодолеть насос.
Небольшие центробежные насосы (например, аквариумные) способны развивать максимальное давление 0,05 бар (то есть создавать напор воды до 0,5 метра). Некоторые промышленные насосы объемного типа (например, плунжерные) способны развивать давление до 200 бар и даже больше.
В чем измеряют давление насосов? Какие бывают единицы измерения?
Другая популярная единица измерения давления – бар (1 бар = 100 000 Паскаль = 0,1 МПа).
Как соотносятся между собой бары/паскали с одной стороны и метры водяного столба/тех. атмосферы с другой?
0,1 МПа = 1 бар = 1,0197 кгс/см² = 10,197 м.в.ст.
То есть выходит, что один бар чуть больше, чем одна техническая атмосфера (кгс/см²). А 10 метров водяного столба чуть меньше, чем 1 бар. Разница составляет менее 2%. Так вот на практике этой разницей пренебрегают и приравнивают бар с технической атмосферой. Говорят, столб чистой воды высотой 10 метров давит с такой же силой, что и 1 бар или 1 атмосфера. И большой ошибки в этом не будет, кроме тех ситуаций, где нужна высокая точность расчетов.
Иногда давление называют напором. Нет ли здесь ошибки?
На самом деле ошибки нет. Давление и напор насосов можно считать тесно связанными понятиями. Термин «давление» более корректный и универсальный, его чаще используют для объемных насосов. Термин «напор» обычно используют для центробежных насосов из-за его удобства.
Когда говорят про напор, то имеют в виду на какую высоту способен поднять жидкость насос в открытой системе. В открытой системе поток жидкости не изолирован от атмосферы. В такой системе насосу приходится преодолевать не столько сопротивление трубной системы, сколько «бороться» с тяжестью водяного столба в напорной линии.
Типичный пример подбора насоса с нужным напором – это подбор многоступенчатого центробежного насоса. Если нужно поднять воду на высоту 20 этажей (при высоте этажа 3 метра), то говорят, что насос должен развить напор не менее 60 метров (водяного столба). На самом деле напор насоса должен быть еще немного выше, ведь он должен еще преодолеть потери на трение в трубопроводе. В любом случае давление в напорном трубопроводе при работе насоса составит не менее 6 атмосфер.
Как между собой связаны давление, производительность и потребляемая мощность насоса?
У центробежных насосов зависимость между производительностью и давлением выражена кривой производительности. Чем больше давление, тем меньше производительность. При этом потребление энергии насоса растет по мере увеличения производительности.
Изображение 1. Зависимость производительности, давления, потребляемой мощности и КПД центробежного насоса.
На изображении 1 показаны кривые характеристик одного центробежного насоса. Синяя кривая показывает зависимость производительности от давления. Черная линия показывает мощность на валу насоса по мере роста производительности. И, наконец, кривая зеленого цвета показывает изменение КПД по мере изменения давления.
Если сопротивление трубной системы будет равно 0, то есть насос будет выливать воду из напорного патрубка без подключения к линии, то его производительность будет максимальной, а создаваемый напор будет нулевым. Работа в таком режиме для центробежного насоса не очень полезна, поскольку потребляемая мощность будет максимальной и двигатель насоса может сгореть.
Если сопротивление системы будет соответствовать напору 32 метра водяного столба, то насос будет работать в точке, показанной красным цветом. При этом его производительность будет составлять 54 м³/час, давление 32 м.вод.ст. (3,2 кгс/см²), потребляемая мощность (на валу) 6,6 кВт, а КПД будет равен 71,3%.
У объемных насосов давление и производительность тоже имеют корреляцию, но обычно более слабую, чем у центробежных насосов. Исключение – мембранные пневматические насосы, которые имеют кривые характеристик, похожие на центробежные насосы. Обычно объемный насос имеет производительность, определяемую объемом перемещения жидкости за один рабочий такт и скоростью совершения этих тактов. Рабочее же давление объемного насоса определяется сопротивлением системы. При максимальном рабочем давлении производительность объемного насоса обычно немногим меньше, чем при нулевом давлении.
Сопротивление системы
В реальных условиях насос всегда выполняет некоторую полезную работу по перемещению жидкости в трубопроводной системе. Система может быть простейшей и состоять из трубы, опущенной в колодец (всасывающая линия насоса), и шланга, ведущего от насоса в бочку (напорная линия). В других случаях система может быть сложной и состоять из десятков различных трубопроводных контуров и резервуаров.
Система может быть двух типов: открытая (сообщается с атмосферой) и закрытая (изолирована от атмосферы).
В открытой системе насосу приходится преодолевать статическое и динамическое сопротивление, а в закрытой есть только динамическое сопротивление.
Существует два вида сопротивления в системе:
— Диаметр труб. Он должен соответствовать диаметру труб насоса. Особенно важно, чтобы напорный патрубок насоса не подключался к трубе маленького диаметра – это создаст высокое сопротивление системы и приведет к росту давления в ней при снижении производительности (см. ниже Дросселирование). Засорение трубопровода так же приводит к уменьшению полезного проходного сечения трубы.
— Наличие изгибов и колен трубопровода. Все изгибы создают дополнительное сопротивление. Всегда рекомендуют проектировать трубопровод с минимальным числом изгибов.
— Наличие сужений и расширений трубопровода (например, задвижек и регулирующих вентилей). Такие элементы деформируют поток жидкости и приводят к дополнительным потерям из-за образования дополнительной турбулентности течения потока.
— Материал трубопровода. Чем более шероховатый материал трубы, тем сильнее будет сопротивление. Например, в стальном трубопроводе потери будут несколько выше, чем в полипропиленовом.
— Длина трубопровода. Чем длиннее трубопровод, тем сильнее будут потери на трение. Зависимость потерь давления от длины трубопровода определяется по сложной формуле, которая включает в себя не только длину, но также диаметр и материал труб, скорость течения и вязкость жидкости.
— Вязкость жидкости. Чем более вязкая жидкость, тем выше потери на сопротивление при ее перемещении.
— Скорость течения жидкости. Чем быстрее течет жидкость, тем выше потери на сопротивление.
Изображение 2. Реальная производительность и давление насоса будут зависеть как от параметров самого насоса, так и от характеристики сопротивления трубопроводной системы
На изображении 2 показано, что реальная производительность насоса (центробежного или объемного) зависит не только от его собственных характеристик, но и от характеристик трубопроводной системы.
Обратите внимание, что даже про нулевой производительности кривая сопротивления системы не равна 0. Это обусловлено наличием в ней статического сопротивления. Общее сопротивление системы всегда равно сумме статического и динамического сопротивления.
Если система короткая и диаметр труб в ней достаточный, то расчетом динамического сопротивления можно пренебречь. Если же система длинная, то пренебрегать этим расчетом не стоит.
Возьмем центробежный насос с максимальным напором 15 м.в.ст., максимальной допустимой производительностью 3,6 м³/час и рабочей точкой 2,7 м³/час при напоре 10 метров. Насос имеет присоединение G 1″ (один дюйм). Для расчета сопротивления линии нам нужен точный внутренний диаметр трубы в мм. Согласно ОСТ 266 резьба BSP 1″ (резьба G1″) имеет внутренний диаметр 30,29 мм.
Нам нужно при помощи этого насоса поднять воду на высоту 10 метров по вертикали, при этом общая длина трубы составит 100 метров. Какова будет производительность насоса?
Изображение 3. Насос подает воду на высоту 10 метров при общей длине трубы 100 метров
Если сделать расчеты, то выяснится, что при расходе 45 л/мин (2,7 м³/час) сопротивление линии составит 4,28 м.в.ст., а значит насос не сможет работать в этой точке. Возьмем несколько точек по производительности и построим кривую сопротивления нашей линии.
Изображение 4. В нашем примере насос будет работать с производительностью 1,9 м3/час при давлении в линии 12,4 м.в.ст. (1,24 кгс/см²).
Если сделать расчет сопротивления нашей линии при нескольких значениях производительности и соединить эти значения кривой линией, то сразу становится очевидной реальная рабочая точка, в которой насос будет работать в нашем примере. Это точка пересечения двух кривых. Она составит 1,9 м3/час при давлении в линии 12,4 м.в.ст.
Как избежать таких потерь производительности? Самое простое – укоротить напорную линию или увеличить диаметр трубы. Например, если взять в качестве напорной трубы не G1″, а следующую по размеру G1¼» (внутренний диаметр 38,95 мм), то потери давления уменьшатся в 3 раза, а производительность насоса составит примерно 2,4 м3/час.
Ловушки при определении давления (напора) насоса
Изображение 5. Зависимость давления в напорной линии от плотности жидкости.
На изображении 5 показана зависимость давления в напорной линии от плотности жидкости. На левом рисунке насос перекачивает чистую воду с плотностью 1 кг/дм³. Перепад высоты между манометром и точкой подъема жидкости насосом составляет 50 метров. При этом манометр показывает давление 5 кгс/см².
На среднем рисунке насос перекачивает растворитель с плотностью 0,7 кг/дм³ (ниже плотности воды). При том же самом перепаде высоты 50 метров манометр будет показывать лишь 3,5 кгс/см².
Наконец, на правом рисунке насос перекачивает насыщенный раствор сахара с плотностью 1,3 кг/дм³ (выше плотности воды). При перепаде высоты 50 метров манометр покажет давление 6,5 кгс/см².
Возьмем раствор сахара плотностью 1,3 кг/дм³ (то есть в 1,3 раза больше чем у воды). Какой насос нужен, если раствор сахара требуется поднять на высоту 50 метров?
Есть мнение, что для перекачивания раствора сахара нам нужен насос, изначально рассчитанный на напор 65 метров (при работе с водой), который будет выдавать лишь 50 метров напора при работе с раствором сахара. Но это ошибка!
Кривая работы центробежного насоса не зависит от плотности жидкости! Если насос может поднять столб воды на высоту 50 метров, то на такую же высоту он сможет поднять и раствор сахара с той же самой производительностью. Но какой ценой!? Ведь давление в напорной линии вырастет пропорционально увеличению плотности. А значит вырастет и потребляемая насосом мощность. Все что требуется – поставить более мощный двигатель на тот же самый насос.
Однако следует помнить, что если изначально насос конструктивно был рассчитан на перекачивание воды, то при работе с более плотной жидкостью вырастет нагрузка на все его внутренние узлы. И он может быстро выйти из строя. Поэтому при выборе центробежного насоса следует обращать на указанную производителем максимально допустимую плотность жидкости. Также обращайте внимание на максимально допустимое давление в корпусе насоса.
Изображение 6. Плотность жидкости не влияет на производительность и напор насоса, но влияет на давление и потребляемую мощность.
На изображении 6 показана ситуация, когда один и тот же насос перекачивает воду (слева) или раствор сахара (справа). Высота подъема жидкости и производительность насосов будут одинаковыми в обоих случаях. Однако давление в напорной линии будет отличаться, а вместе с ним будет отличаться и потребляемая насосом мощность. Вероятнее всего, на насос слева следует поставить двигатель номинальной мощностью 5,5 кВт (двигатель всегда берется с некоторым запасом от реальной потребляемой мощности), а на насос справа следует поставить двигатель мощностью 7,5 кВт.
Дело в том, что жидкость может попадать в насос уже с некоторым давлением (положительным или отрицательным).
На изображении 7 показана схема, при которой насос перекачивает воду в замкнутом (но не изолированном от атмосферы) контуре. Высота подъема жидкости после насоса равна 4 метра, но и на вход в насос вода попадает с тем же самым подпором 4 метра. Поскольку статическое давление на входе и выходе из насоса равны, то полезный напор, создаваемый насосом, будет равен 0 (или чуть больше 0 с учетом потерь на сопротивление). Иначе говоря, насос будет работать при нулевом перепаде давлений. Все, что требуется насосу в этой ситуации – это преодолеть сопротивление трубопровода. При этом давление в корпусе насоса будет равно 0,4 кгс/см2 (то есть будет равно статическому давлению столба воды высотой 4 метра).
Изображение 8. Полезный напор насоса на этом рисунке составляет 20 метров в.ст. (30 на выходе минус 10 на входе).
На изображении 8 вода поступает в насос с положительным подпором в 10 м.в.ст (манометр на входе в насос показывает 1 кгс/см²). Насос же поднимает водяной столб на высоту 30 м.в.ст. (манометр на выходе из насоса показывает 3 кгс/см²). Полезный напор насоса составляет 20 м.в.ст. (30 на выходе – 10 на входе). Иными словами перепад давлений в насосе составит 2 кгс/см².
С точки зрения самого насоса ситуация с 10 метрами подпора на входе и 30 метрами напора на выходе идентична той, когда, например, на входе нулевое давление, а напор на выходе равен 20 метрам. То есть 30 – 10 = 20 – 0.
Только следует помнить, что корпус насоса должен быть рассчитан именно на давление в напорной линии, а не на размер перепада между входом и выходом. В нашем примере насос создает перепад давлений 2 кгс/см2, однако давление в корпусе насоса при этом составит 3 кгс/см². Именно на 3 кгс/см² он и должен быть рассчитан (и желательно с запасом).
Изображение 9. Полезный напор насоса на этом рисунке составляет 34 метра в.ст. (30 на выходе + 4 высота самовсоса).
Часто считают, что слишком мощный насос не стоит ставить в маленькую систему. Будто он создаст такое давление, которое разорвет трубы. Однако это утверждение может быть справедливым, только если пропускная способность трубопроводной системы низкая (например, если диаметр трубы меньше диаметра патрубков насоса). Если же пропускная способность системы достаточна, то насос не создаст в ней избыточного давления.
Требуется перекачать воду с производительностью 5 м³/час с подъемом на высоту 32 метра. Однако в наличии есть центробежный насос, который обеспечивает производительность 5 м³/час при напоре 57 метров (например, Pedrollo 2CPm 25/16A). То есть наш насос намного мощнее, чем надо. Означает ли это, что насос создаст огромное давление в системе, намного больше, чем требуется? Ответ простой – нет. Давайте взглянем на кривую характеристик центробежного насоса.
Изображение 10. Рабочая точка центробежного насоса зависит от сопротивления в линии
На изображении 10 видно, что насос может работать как при напоре 32 метра (рабочая точка №2 на рисунке), так и при напоре 58 метров (рабочая точка №1 на рисунке). Однако в какой именно точке насос будет работать выбирает не он сам, а сопротивление системы. Если требуется поднять воду всего лишь на высоту 32 метра, то насос вынужден будет работать в рабочей точке №2. В этом случае его производительность правда будет значительно выше, чем требуется – 9,6 м³/час вместо требуемых 5 м³/час.
Еще проще ситуация с объемным насосом, например, с шестеренным. Если он рассчитан на максимальное давление 10 бар и производительность 5 м³/час, то при сопротивлении 10 бар он покажет производительность 5 м3/час. Если же сопротивление в линии будет небольшим (5 бар), то насос обеспечит ту же самую производительность 5 м³/час при давлении 5 бар. Изменится только потребляемая мощность (снизится в 2 раза).
Таким образом если сопротивление в линии ниже, чем максимальное давление насоса, реальное давление в линии окажется равно этому сопротивлению (а не максимальному давлению насоса).
Если сопротивление в линии выше, чем то, что может преодолеть насос, для насоса это будет равносильно работе на закрытую задвижку. При этом динамические насосы будут работать «вхолостую» и с ними может ничего не произойти, кроме риска перегрева (ведь они перестанут охлаждаться потоком жидкости). Мембранные пневматические насосы в этой ситуации остановятся и с ними не будет ничего плохого. Большинству же объемных насосов работа на закрытую задвижку строго противопоказана. Ведь они не ограничены верхним пределом создаваемого давления и будут пытаться повысить его, пока их двигатель не перегреется или корпус насоса не повредится от избыточного давления.
Давление различных видов насосов
Давление зависит от вида насоса. Насосы бывают динамические (центробежные, вихревые) или объемные, (шестеренные, винтовые, плунжерные, перистальтические, мембранные).
Центробежные одноступенчатые насосы не способны обеспечивать давление более 10-11 кгс/см² (то есть не могут развить напор воды более 100-110 метров) даже при очень большой мощности электродвигателя.
Высокое давление могут обеспечить объемные насосы различных типов. К ним относятся шестеренные, винтовые, плунжерные, перистальтические, мембранные).
Большинство мембранных пневматических насосов обеспечивают максимальное давление до 7-8 кгс/см².
Плунжерные дозировочные насосы из нашего каталога развивают давление до 20-25 кгс/см².
Способы регулировать давление насосов
Изменить давление (и производительность) насоса можно несколькими методами. Часть из них касается изменения параметров самого насоса, а часть касается изменения параметров трубопроводной линии.
Для центробежного насоса снижение частоты вращения вала приводит к пропорциональному уменьшению максимальной производительности и уменьшению максимального давления во второй степени. Например, уменьшение частоты вращения в 1,5 раза приводит к уменьшению производительности в 1,5 раза и уменьшению давления в 2,25 раза (1,5²).
Изображение 11. Уменьшение скорости вращения вала центробежного насоса приведет к одновременному уменьшению давления и производительности в системе.
На изображении 11 центробежный насос изначально работает на обычной скорости 2900 об/мин. С учетом сопротивления системы он работает в рабочей точке №1. Его производительность составляет 3,1 м³/час при напоре 4,5 м.в.ст.
Затем частота вращения вала была уменьшена в 1,5 раза до 1933 об/мин. Это привело к изменению кривой характеристик насоса. Максимальная производительность снизилась в 1,5 раза (с 3,6 до 2,4 м³/час), а максимальный напор снизился в 2,25 раза (с 20 до 8 м.в.ст.). Поскольку производительность насоса снизилась, то снизилось и сопротивление трубопроводной системы. Давление в системе упадет вместе с производительностью. Теперь новая кривая характеристик насоса (1933 об/мин) будет пересекаться с кривой трубопроводной системы в новой точке №2. Теперь производительность составит 1,9 м³/час при напоре 3 м.в.ст.
Для объемных насосов уменьшение частоты вращения вала насоса приводит к пропорциональному снижению производительности и потребляемой мощности. За счет освободившегося запаса по мощности такой насос сможет работать в системе с увеличенным давлением (по сравнению с работой при номинальной скорости вала).
Если же объемный насос остается в той же системе, где и работал до понижения скорости, то при снижении производительности произойдет и некоторое уменьшение давления из-за снижения сопротивления системы.
Как изменить скорость вращения вала насоса?
Менять скорость вращения вала насоса, например, можно при помощи понижающей/повышающей редукторной (или ременной) передачи между двигателем и насосом.
Частоту вращения вала двигателя (и соответственно насоса) также можно регулировать при помощи частотного преобразователя. Этот способ регулирования давления является наиболее гибким и экономичным. Он позволяет насосу подстраиваться под изменение параметров системы и работать без существенного понижения КПД, несмотря на уменьшение производительности. Как правило, сильное падение КПД происходит лишь при очень резком (менее 30% от номинала) уменьшении частоты вращения.
Уменьшение сечения напорной линии уменьшает ее пропускную способность (а с ней и производительность), зато позволяет повысить давление на участке между насосом и задвижкой. Такой способ регулирования параметров насосов уменьшает КПД насоса из-за дополнительного сопротивления в системе, которое насос пытается преодолеть.
Уменьшение сечения всасывающей линии так же уменьшает производительность насоса, с одновременным понижением давления (давление на выходе из насоса понижается за счет создания дополнительного разрежения во всасывающей линии между задвижкой и насосом). КПД насоса так же снижается, но несколько меньше, чем при дросселировании напорной линии. Зато растет риск возникновения кавитации, а с ним и риск быстро погубить насос.
Если увеличить диаметр напорного трубопровода, то сопротивление линии уменьшится. Давление в линии снизится. Производительность (в случае с центробежным насосом), напротив, возрастет. Имеет смысл только при большой протяженности напорного трубопровода, чтобы эффект был заметен.
Любой метод регулирования давления насоса влияет и на другой его параметр – производительность. А что если нам нужно изменить давление в системе, но при этом сохранить производительность на том же уровне?
Здесь поможет только комбинация методов. Можно, например, уменьшив частоту вращения вала насоса, одновременно увеличить диаметр труб в напорном трубопроводе. Однако возможность применения тех или иных методов зависит от конкретной трубопроводной системы и универсального решения дано быть не может.
Чаще же всего для решения таких задач используют автоматические насосные станции, состоящие из нескольких насосов, частотных преобразователей и управляющей автоматики. Такие станции могут самостоятельно поддерживать нужные параметры в системе при необходимости включая или отключая некоторые насосы, а также изменяя им частоту вращения двигателя
Полезные статьи:
Как рассчитать потери напора в трубопроводе в зависимости от его длины и диаметра? Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором расчета потерь напора в трубе.
Как подобрать насос с нужным давлением? Мы подготовили небольшую статью, в которой описали как подобрать необходимый насос по давлению (напору) и расходу (производительности). Перейдите сюда для подбора насоса онлайн.