Лекция № 1. Регулирование изменением частоты вращения вала насоса

«Автоматизация систем вентиляции, кондиционирования воздуха и холодоснабжения. Принципы автоматического регулирования установок кондиционирования воздуха и вентиляции»

В системах ТГС и СКМ для перемещения различных жидкостей и газов широко применяются насосы, вентиляторы (дымососы), компрессоры и другие нагнетатели.

Насосы предназначены для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. В насосе механическая энергия, подводимая от двигателя (чаще всего электрического), превращается в потенциальную кинетическую и тепловую энергию потока жидкости.

Вентиляторы (дымососы) перемещают газовые

среды при степени повышения давления (отношении давления газа на выходе к давлению его на входе) до 1,15.

Компрессоры - установки с искусственным (обычно водяным) охлаждением - обеспечивают степень повы­шения давления газа более 1,15. Установки, создающие степень повышения давления газа более 1,15, но без искусственного охлаждения, называются нагнетателями.

При автоматизации систем ТГС применяются также гидравлические двигатели, в которых гидравлическая энергия потока жидкости превращается в механическую.

Характеристики насосов. Всистемах теплоснабжения в качестве сетевых циркуляционных, подкачивающих, смесительных и подпиточных насосов применяются центробежные насосы различных типов. Насосы рассчитаны на работу с определенной частотой вращения вала рабочего колеса. Допускается работа насосов с пониженной частотой вращения, а увеличение ее обязательно должно быть согласовано с заводом-изготовителем.

Требуемую мощность N, кВт, на валу электродвигателя насоса определяют по формуле:

(7.79)

где GH - расход и напор насоса; у - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; n_п~0,98 — КПД передачи; n - КПД насоса, определяемый по его характеристике (рис. 7.15).

Установочная мощность электродвигателя равна

где к — коэффициент запаса мощности. При мощности насосов до 50 кВт к ~ 1,2-1,3; выше 50 кВт к= 1,1-1,2.

Основная задача регулирования насоса — подача в сеть расхода в соответствии с определенным графиком. При этом, как показывают характеристики насоса (см. рис. 7.15), все основные параметры (Н, N, n) имеют тенденцию изменяться. Некоторые параметры насосов находятся в зависимости от характеристик сети трубопроводов и требований потребителей. Насосы, обеспечивая заданный график подачи расходов воды, должны создавать переменное давление в соответствии с требованиями потребителей и в зависимости от гидравлических параметров системы трубопроводов. Возможны различные варианты регулирования подачи.

Дроссельное регулирование при n —Const, достигаемое введением дополнительного гидравлического сопротивления в сеть трубопроводов путем установки регулирующего дросселя. Поскольку наибольшая подача обеспечивается при полностью открытом дросселе, такое регулирование применяют только с целью уменьшения по-

дачи. При дросселировании уменьшается мощность на валу насоса и вместе с тем повышается доля энергии, расходуемой при регулировании. Энергетическая эффективность такого регулирования насоса низкая, однако ввиду простоты этот способ получил широкое распространение.

Регулирование изменением частоты вращения вала насоса применяется в тех случаях, когда можно изменять

частоту вращения вала двигателя. Этим способом возможно регулирование подачи в любом направлении. Так как нет потерь энергии, обусловленных гидравлическим сопротивлением дросселя, этот способ регулирования эффективнее дроссельного. Для изменения частоты вращения вала насоса применяют специальные электроприводы, вариаторы и гидравлические муфты. При использовании вариаторов и муфт переменная частота вращения вала достигается изменением передаточного отношения вариатора или гидромуфты при постоянной частоте вращения вала двигателя.

Регулирование направляющим аппаратом на входе в рабочее колесо насоса осуществляется путем изменения условий входа жидкости на рабочие лопасти на­соса. Закручивание потока, поступающего на рабочее колесо, влияет на напор и при заданной характеристике трубопровода изменяет подачу насоса. Направляющие аппараты необходимо располагать в непосредственной близости от входа в колесо, что обеспечивает эффективное регулирование.

Изменение подачи насоса в большинстве случаев сопровождается изменением его КПД. Отклонение КПД от максимального значения (регламентируемого ГОСТ) тем значительнее, чем глубже регулирование. Работа насоса с низким КПД невыгодна. Допускается снижение КПД на 7% максимального. Насосы целесообразно подбирать не по обычным характеристикам, а по характеристикам, построенным с учетом допустимого снижения КПД. На этих характеристиках выделяются участки с допустимым КПД, называемые полем характеристик. Поля характеристик при различных способах регулирования насосов различны.

В насосных системах могут возникать изменения режимов, обусловленные срывом потока с лопастей (при дроссельном регулировании до малых расходов), резким изменением частоты вращения вала насоса (при изменении частоты тока в электрической сети), быстрым из­менением расходов со стороны потребителей и т. д. При таких возмущениях система выходит из равновесия и отмечается неустойчивая ее работа - самопроизвольные колебания подачи, давления и мощности. При определенных условиях эти случайные возмущения вызывают колебания с возрастающей амплитудой, устойчивость не восстанавливается и в системе возникают автоколебания - помпаж, который сходен с явлением резонанса при колебаниях механических систем. Неустойчивость и помпаж опасны ввиду резкого, толчкообразного повышения давления в потоке и соответственно увеличения напряжений в рабочих частях системы.

Характеристики вентиляторов — зависимости напоров, мощности на валу и КПД от объемной подачи воздуха — устанавливают непосредственным испытанием их при постоянной частоте вращения рабочего колеса и плотности воздуха р=1,2 кг/м³.

Типичная статическая размерная характеристика вентилятора приведена на рис. 7.16. Широко используются также безразмерные характеристики, общие для целой серии геометрически подобных вентиляторов. Регулирование подачи вентиляторов осуществляется теми же способами, что и регулирование насосов.

Характеристики компрессоров.

Работу компрессора характеризуют объемная подача Q, начальное p1и конечное р2 давление или степень повышения давления p2/p1 частота вращения и мощность N на валу компрессора. Характеристиками компрессора являются зависимости между подачей и основными параметрами (р2/p1,N,КПД) при определенных свойствах газа и заданной частоте вращения. Характеристики получают в результате испытаний на стенде, которые затем пересчитывают на реальные условия работы компрессора. Регулирование компрессоров осуществляется на постоянную подачу (при переменном давлении) или постоянное давление (при переменной подаче).

По своим динамическим свойствам насосы, вентиляторы и компрессоры относятся к апериодическим звеньям, постоянная времени которых определяется соотношением вращающейся массы к электрической мощности двигателя. Инерционность насосов, вентиляторов и компрессоров достаточно мала в сравнении с инерционностью уже рассмотренных элементов систем ТГС и СКМ, поэтому ею можно пренебречь и считать насосы, вентиляторы и компрессоры практически безынерционными установками.