Насосы в системах водоснабжения

Насосы являются одним из основных технических средств, используемых в системах водоснабжения при необходимости подъема воды с низких горизонтов и транспортирования ее под напором до потребителей. В практике водоснабжения используется множество насосов, различающихся принципом действия, конструкцией, рабочими характеристиками, конкретным предназначением. Работа каждого насоса характеризуется следующими техническими параметрами: подачей, напором (давлением), частотой вращения рабочего колеса, потребляемой мощностью, КПД и высотой всасывания.

Подача насоса q_п — объем жидкой среды, подаваемой насосом в единицу времени, например л/с, м³/ч и т.д.

Напор (давление) Н — приращение удельной энергии потока среды при прохождении ее через рабочие органы насоса, МПа, м вод. ст. и т.д.

Мощность насоса N, Вт, расходуемая для создания определенных q_п и Н, подсчитывается по формуле:

N = pgq_пН/η [кг*м/с = Вт]

где р — плотность среды, кг*с²/м⁴; g — ускорение свободного падения, м/с²; Н — напор, м; q_п — расход, м³/с; η — КПД.

Коэффициент полезного действия насоса η представляет собой отношение полезной мощности N₀ = рgq_п Н к мощности насоса N: η = N₀ / N

Полезная мощность всегда меньше мощности насоса из-за потерь, возникающих в нем при работе.

В централизованных системах водоснабжения наиболее широко применяются центробежные насосы (ЦБН), схема которых представлена на рисунке ниже.

Передача энергии перекачиваемой жидкости в этих насосах происходит в результате взаимодействия лопаток рабочего колеса с потоком. Под действием центробежной силы жидкость отбрасывается от центра рабочего колеса (всасывающая полость) к его периферии (напорная полость). Рабочее колесо, расположенное в корпусе насоса, приводится во вращение электродвигателем.

С торцевой стороны к центру корпуса присоединен всасывающий патрубок, через который с помощью всасывающей трубы подводится перекачиваемая жидкость. От насоса жидкость отводится через напорный патрубок, к которому присоединен напорный трубопровод. Перед запуском насоса его корпус и всасывающий трубопровод заполняют водой.

Схема центробежного насоса

1 — приемный клапан; 2 — всасывающий патрубок; 3 — рабочее колесо; 4 — спиральная камера (корпус насоса); 5 — лопатки рабочего колеса; б — нагнетательный патрубок

ЦБН классифицируют по напору, числу рабочих колес, расположению вала, виду перекачиваемой жидкости и другим признакам. Для нормальной работы центробежных насосов необходимо, чтобы вакуум во всасывающем патрубке не превышал определенной величины, называемой допустимой вакуумметрической высотой всасывания Н_вак^доп , которая зависит от ряда параметров и не превышает 6-7 м.

Высотное расположение насоса по отношению к уровню воды в источнике характеризуется геометрической Н_г.в, м, и вакуумметрической Н_вак м, высотами. Геометрическая высота всасывания равна разности отметок уровня воды в источнике и центра рабочего колеса. Вакуумметрическая высота всасывания определяется по формуле:

Н_вак = (p_a - p_вак) / pg

где р_а и p_вак — соответственно атмосферное и вакуумметрическое давления, кг/м².

Геометрическая и вакуумметрическая высоты связаны соотношением: Н_вак = Н_г.в + h_п.в + v² /2g

где h_п.в — потери во всасывающем трубопроводе, м; v²/2g — скоростной напор, м.

Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы Н_вак = Н_вак^доп

Полный напор, развиваемый ЦБН, определяется по формуле: Н = Н_г.в + Н_г.н +h_п.в +h_п.н

где Н_г.н геометрическая высота нагнетания, м; h_п.н — потери напора в напорном водоводе, м; h_п.в — потери напора во всасывающем патрубке, м.

Схема насосной установки

1 — приемный клапан; 2 — всасывающий трубопровод; 3 — вакуумметр; 4 — насос; 5 — манометр; б — обратный клапан; 7 — задвижка; 8 — напорный трубопровод; 9 — бак

Сумма геометрических высот всасывания и нагнетания называется геометрической высотой подъема воды: Н_г = Н_г.в + Н_г.н

В свою очередь, суммарные потери напора определяются как ∑h = h_п.в + h_п.н

Тогда формула для определения полного напора ЦБН будет иметь вид: Н = Н_г + ∑h

С изменением расхода, подаваемого насосом, изменяются развиваемый им напор, потребляемая мощность на валу и КПД. Взаимосвязь между указанными величинами определяется кривыми Q-H, Q-N и Q-η, которые называются характеристиками насоса. Точка А характеристики Q- η, соответствующая максимальному значению КПД, называется оптимальной точкой.

При проектировании возникает необходимость определять рабочие режимы эксплуатации насосов. Наиболее целесообразно это сделать графическим способом, для чего строят характеристику трубопровода при работе принятого насоса. На рисунке ниже приведена каталожная характеристика Q-Н насоса. Характеристику трубопровода (кривая СЕ) можно построить, отложив на расстоянии от линии CD,соответствующей высоте геометрического подъема воды Н_г и проведенной параллельно оси расходов Q, величины потерь напора h , соответствующие различным значениям расхода.

Рабочие характеристики насосов

Точкам пересечения характеристик насоса и трубопровода, называемая рабочей точкой, определяет подачу Q_A, напор Н_А, КПД η_А насоса, работающего на заданный трубопровод. В данном случае при работе насоса соблюдаются требования в отношении обеспечения наибольших значений КПД, т.е. рабочая точка совпадает с оптимальной.

Характеристика совместной работы насоса и трубопровода

Совместная работа ЦБН может быть как параллельной, так и последовательной. При параллельной работе увеличивается производительность системы, т.е. подачи воды, а при последовательной — напор (давление). Параллельно могут соединяться от двух до пяти одинаковых насосов, а при последовательной — лишь два насоса.

Чтобы построить суммарную характеристику Q-H двух (I и II) одинаковых параллельно работающих насосов, необходимо удвоить абсциссы характеристики одного насоса при одинаковых напорах (длина а-b равна длине Ь-с). Тогда при суммарном расходе Q_(I+II) двух насосов напор в рабочей точке 1 (пересечение характеристик) составит H_(I+II), а каждым насосом будет подаваться расход Q₁ (рабочая точка 2) с напором насосов Н₂

Для определения КПД и мощности каждого из параллельно работающих насосов необходимо из точки 2 провести линию, параллельную оси ординат до пересечения с кривыми Q-N и Q—η(точки 6 и 3 соответственно). Если на трубопровод работает один насос, то его рабочие параметры определяются положениями рабочих точек 5, 7 и 4 соответственно на кривых Q-H, Q-N и Q-η

Последовательная работа насосов применяется в тех случаях, когда вода транспортируется на большие расстояния или большую высоту. При такой работе насосы первой ступени подают воду во всасывающий трубопровод насоса второй ступени, а последний подает ее в трубопровод.

Чтобы построить суммарную характеристику Q-Н двух (I и II) последовательно работающих насосов, необходимо ординаты Q-H_(I,II) удвоить при одинаковых подачах. Полученная характеристика Q-Н_(I+II) представляет собой суммарную характеристику последовательной работы двух насосов (I и II), а величина 2h₁ — удвоенные величины потерь напора в напорном трубопроводе. Соответственно точки А, А', А", пересечения характеристик Q- Н_(I+II) и Q- H_(I,II) с характеристиками трубопровода СЕ или С₁Е₁ определяют конкретный режим работы насосов. Например, при последовательной работе двух насосов (кривая Q- Н_(I+II) ) с трубопроводом (кривая С₁Е₁) они будут подавать расход Q_A при суммарном напоре насосов 2Н_г +2h_1.

Характеристика двух параллельно работающих насосов одинаковой марки

Характеристика двух последовательно работающих насосов одинаковой марки