Статическая высота напора. Испытание системы отопления

Понятия, смысл которых не раскрывается в пособии, разъясняются здесь.

Абсолютное давление
Абсолютное давление - это отношение силы, действующей на бесконечно малую поверхность к площади этой поверхности:

Где dF – сила, действующая на бесконечно малую поверхность, dS – бесконечно малая площадь поверхности.
В системе СИ абсолютное давление выражается в [Н/м 2 ] или [Па].

Атмосферное давление
Атмосферное давление - это абсолютное давление, создаваемое атмосферой. Величину атмосферного давление определяют с помощью барометров, поэтому второе название ему – барометрическое.

Вакууметр
Вакууметр - прибор для измерения давления ниже атмосферного. Наибольшее распространение на практике получили механические пружинные вакууметры. В силу специфики своего устройства, механические вакууметры показывают не абсолютное давление, а разрежение (вакуум), т.е. величину, на которую абсолютное давление меньше чем атмосферное.

Высота всасывания
Высота всасывания - расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до всасывающего патрубка насоса.

Геометрический напор
В узком понимании геометрический напор - это высота подъема жидкости, т.е. расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до уровня в приемном резервуаре.
В более широком понимании геометрический напор – это вертикальное положение некоторого сечения, выделенного в жидкости над произвольно выбранной плоскостью отсчета.

Диафрагма
Диафрагма - устанавливаемое в трубопроводе техническое устройство со сквозным отверстием для создания и отбора перепада давления среды путем местного уменьшения сечения трубопровода (сужение потока), применяющееся совместно с дифманометром для измерения расхода жидкости в трубопроводе.

Дифманометр (дифференциальный манометр)
Дифманометр - прибор для измерения разницы (перепада) давления в двух различных точках пространства, применяющийся для определения расхода жидкости или газа в трубопроводах, а также уровня жидкости в резервуарах.

Задвижка
Задвижка - трубопроводная арматура, запирающий элемент которой перемещается возвратно-поступательно перпендикулярно направлению потока жидкости. Задвижки используются для полного перекрытия трубопровода. Реже задвижки используются для регулирования подачи (расхода) жидкости за счет частичного перекрытия трубопровода.

Избыточное давление
Избыточное давление - это разница между абсолютным и атмосферным (барометрическим) давлением при условии, что абсолютное давление больше атмосферного:

,

Где p изб – избыточное давление; p – абсолютное давление; p атм – атмосферное давление.
Величину избыточного давления измеряют при помощи манометров.

Кавитация
Кавитация - образование и схлопывание пузырьков пара в потоке жидкости. Кавитация возникает в том случае, когда абсолютное давление в потоке жидкости снижается до давления ее насыщенного пара. Кавитация – крайне нежелательное явление при эксплуатации насосов, поскольку оно сопровождается вибрацией элементов насоса и трубопровода, разрушением рабочих органов насоса.

Коэффициент местного сопротивления x
Коэффициент местного сопротивления используется для определения потерь напора на местных гидравлических сопротивлениях (задвижки, отводы, фильтры, клапаны и т.д.). Он зависит в общем случае от типа сопротивления, диаметра трубопровода, режима течения. Численные значения коэффициента местного сопротивления приведены в справочной литературе. [3,4 ]

Коэффициент трения l
Коэффициент трения используется для определения потерь напора на гидравлическом трении. Он зависит в общем случае от режима течения, шероховатости трубопровода и диаметра трубопровода. Для определения коэффициента трения можно использовать следующие формулы:

Формула	Применимость	Область трения
		Ламинарное течение
		Гидравлически гладкие трубы
		Гидравлически шероховатые трубы
		Автомодельная (квадратичная) область

где d – диаметр трубопровода [м]; е – абсолютная шероховатость материала труб [м].

Критерий Рейнольдса Re
Критерий Рейнольдса характеризует режим течения жидкости и определяется по формуле:

Где W – скорость течения жидкости [м/с]; d – диаметр трубопровода [м]; r - плотность жидкости [кг/м 3 ]; m - коэффициент динамической вязкости жидкости [Па. с].
Скорость жидкости можно определить через расход и площадь поперечного сечения потока:

Если поток течет чере трубу круглого сечения с диаметром d, то площадь поперечного сечения равна:

.

По численному значению критерия Рейнольдса можно судить о режиме (характере) течения жидкости:

	Жидкость течет в ламинарном режиме. Ламинарному режиму течения свойственно движение частиц жидкости по траекториям, параллельным общему направлению потока.
	Жидкость течет в переходном (слабо развитом турбулентном) режиме. Этому режиму свойственно появление вихрей. Вихрь – это движение группы частиц по вращательной траектории. За счет вихрей поток жидкости перемешивается в поперечном направлении. Чем ближе значение критерия Рейнольдса к 10000, тем больше вихрей.
	Жидкость течет в турбулентном режиме. Турбулентный режим сопровождается возникновением большого количества вихрей, перемешивающих жидкость.

Мановакууметр
Мановакууметр - прибор для измерения давления. Мановакууметр имеет две шкалы. Одна шкала используется для определения избыточного давления, а другая для определения вакуума. Такие приборы используются в том случае, когда давление, которое нужно определить, может быть как выше, так и ниже атмосферного.

Манометр
Манометр - прибор для измерения давления выше атмосферного. Наибольшее распространение на практике получили механические пружинные манометры. В силу специфики своего устройства, механический манометр, показывает не абсолютное давление, а избыточное давление, т.е. величину, на которую абсолютное давление больше чем атмосферное.

Обратный клапан
Обратный клапан - элемент трубопровода, допускающий прохождение жидкости только в одном направлении.

Разрежение (вакуум)
Разрежение - это разница между атмосферным (барометрическим) и абсолютным давлением при условии, что абсолютное давление меньше атмосферного:

,

Где p вак – разрежение; p – абсолютное давление; p атм – атмосферное давление. Величину разрежения измеряют при помощи вакуумметров.

Статический напор
При рассмотрении трубопроводной сети статическим напором называют энергию, отнесенную к 1 Н жидкости, которую необходимо затратить, для того, чтобы жидкость поддерживалась неподвижно в трубопроводной сети. Статический напор простейшей трубопроводной сети определяется по формуле:

,

Где H г – геометрический напор; P 2 – давление в приемном резервуаре; P 1 – давление в расходном резервуаре.
Не трудно заметить, что чем больше давление в приемном резервуаре, т.е. резервуаре, куда должна перекачиваться жидкость, тем больший статический напор нужно обеспечивать, чтобы противодействовать этому давлению.

Полное, статическое и динамическое давление

При движении воздуха по ВВ в любом поперечном сечении различают 3 вида давления:

Статическое,

Динамическое,

Статическое давление определяет потенциальную энергию 1 м 3 воздуха в рассматриваемом сечении. Оно равно давлению на стенки воздуховода. .

Динамическое давление – кинетическаяя энергия потока, отнесенная к 1 м 3 воздуха.

– плотность воздуха,

Скорость воздуха, м/с.

Полное давление равно сумме статического и динамического давления.

Принято пользоваться значением избыточного давления, принимая за условный ноль атмосферное давление на уровне системы. В нагнетательных воздуховодах полное и статическое избыточное давление всегда «+», т.е. давление > . Во всасывающих воздуховодах полное и статическое избыточное давление «-».

Измерение давления в воздуховодах систем вентиляции

Давление в ВВ измеряется при помощи пневмометрической трубки и какого-либо измерительного прибора: микроманометра либо др.прибора.

Для нагнетательного воздуховода:

статическое давление – трубку статического давления к бачку микроманометра;

полное давление – трубку полного давления к бачку микроманометра;

Для всасывающего воздуховода:

статическое давление – трубку статического давления к капилляру манометра;

полное давление – трубку полного давления к капилляру микроманометра;

динамическое давление – трубку полного давления к бачку, а статического – к капилляру микроманометра.

Схемы измерения давления в воздуховодах.

Билет №10

Потери давления в системах вентиляции

При движении по ВВ воздух теряет свою энергию на преодоление различных сопротивлений, т.е. происходят потери давления.

Потери давления на трение

– коэффициент сопротивления трения. Зависит от режима движения жидкости по воздуховоду.

Кинематическая вязкость, зависит от температуры.

При ламинарном режиме:

при турбулентном движении зависит от шероховатости поверхности трубы. Применяются различные формулы и широко известна формула Альтшуля:

– абсолютная эквивалентная шероховатость материала внутренней поверхности воздуховода, мм.

Для листовой стали 0,1мм; силикатобетонные плиты 1,5 мм; кирпич 4 мм, штукатурка по сетке 10 мм

Удельные потери давления

В инженерных расчетах пользуются специальными таблицами, в которых приводят значения для круглого воздуховода. Для воздуховодов из других материалов вводится поправочный коэффициент и равно.

Характеристикой трубопровода называется зависимость суммарной потери напора (или давления) в трубопроводе от расхода:

Σ h = f(q)

Таким образом, характеристика трубопровода представляет собой кривую потребного напора, смещенную в начало координат. Характеристика трубопровода совпадает с кривой потребного напора при Н ст =0.

Рассмотрим простой трубопровод постоянного сечения, который расположен произвольно в пространстве (рис. 6.1), имеет общую длину l и диаметр d , а также содержит ряд местных сопротивлений (вентиль, фильтр и обратный клапан). В начальном сечении трубопровода 1-1 геометрическая высота равна z 1 и избыточное давление Р 1 , а в конечном сечении 2-2 - соответственно z 2 и Р 2 . Скорость потока в этих сечениях вследствие постоянства диаметра трубы одинакова и равна ν.

Рис. 6.1. Схема простого трубопровода

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 . Поскольку скорость в обоих сечениях одинакова и α 1 = α 2 , то скоростной напор можно не учитывать. При этом получим

Пьезометрическую высоту, стоящую в левой части уравнения, назовем потребным напором Н потр. Если же эта пьезометрическая высота задана, то ее называют располагаемым напором Н расп. Такой напор складывается из геометрической высоты H потр, на которую поднимается жидкость, пьезометрической высоты в конце трубопровода и суммы всех потерь напора в трубопроводе.

Назовем сумму первых двух слагаемых статическим напором, который представим как некоторую эквивалентную геометрическую высоту

а последнее слагаемое Σh - как степенную функцию расхода

Σ h = KQm

H потр = H ст + KQ m

где K - величина, называемая сопротивлением трубопровода;
Q - расход жидкости;
m - показатель степени, который имеет разные значения в зависимости от режима течения.

Часть 1: Тип гидравлической системы.

Насосная система - достаточно условное, обобщающие понятие, принятое для обозначения совокупности систем и групп оборудования используемых в искусственных напорных гидравлических системах.

Насосная система включает в себя трубопроводную систему, группу насосов, систему управления, диспетчеризации, запорной и регулирующей трубопроводной арматуры.

Соответственно, говоря о типах насосных систем, мы говорим и различных сочетаниях различных типов подсистем, выполняемых насосной системой задач.

Рассмотрим влияние отдельных подсистем и их видов на эффективность и надежность насосной системы в целом…

Первое, что нужно учитывать при анализе существующей насосной системы или проектировании новой, это тип гидравлической системы , который коррелирует с характером выполняемой задачи.

Обычно выделяют два вида гидравлических систем:

1. Закрытые (с закрытым контуром)

2. Открытые (с открытом контуром)

Закрытая гидравлическая система — это система циркуляции по закрытому для связи с атмосферой контуру.

Примером закрытой гидравлической системы является циркуляция в контре системы отопления/кондиционирования (рис. 1):

Основная особенность закрытой гидравлической системы — это отсутствие статической составляющей напора.

Открытая гидравлическая система — это система имеющая связь с атмосферой, выполняющая задачу перекачивания жидкости между двумя, имеющими геодезический перепад точками

Основная особенность открытой гидравлической системы — это наличие геодезического перепада высот между исходной и целевой точками перекачивания, т. е. наличие статической составляющей общего напора.

Примером открытой гидравлической системы являются системы водоснабжения, напорной канализации, дренажа.

Каким же образом, влияет тип гидравлической системы на эффективность и надежность насосной системы в целом?

Для того, чтобы это понять, необходимо вспомнить такое понятие как КПД насоса.

На рис. 2. представлена рабочая характеристика насоса с указанием номинальной рабочей точки.

Номинальная рабочая точка, характеризует производительность насоса в точке максимального КПД насоса (графически — проекция из очки максимального КПД на кривую характеристики насоса).

Максимальная эффективность насоса достигается при работе именно в точке максимального КПД (что в целом должно быть очевидно)

Об этом необходимо помнить при анализе эффективности системы и при подборе насосного оборудования для вновь проектируемой системы.

(На представленной диаграмме мы видим номинальную точку: расход: 323 м 2 /ч, напор — 46,35 м, КПД насоса — 82,6%)

При проектировании новой системы определяется расчетная рабочая точка . Она не всегда ложиться непосредственно на кривую характеристики насоса, но она должна быть обеспечена при работе насоса (быть ниже кривой характеристики).

Фактическая же рабочая точка , будет на пересечении кривой характеристики насоса и кривой гидравлического сопротивления системы, проходящей через расчетную рабочую точку. А вот вид кривой характеристики системы, как раз и зависит от типа применяемой гидравлической системы (закрытой или открытой).

Гидравлическая характеристика системы — это кривая гидравлического сопротивления трубопроводов (динамическая составляющая напора ), скорректированная с учетом напора, необходимого для преодоления геодезического перепада высот в систем (статическая составляющая напора ).

Гидравлическое сопротивление растет с ростом расхода по квадратичной зависимости.

Какие же будут различия закрытой и открытой гидравлических систем?

Как мы уже говорили, основное отличие закрытой и открытой системы заключается в статической составляющей напора. В закрытой системе её нет… Т.е. высота между различными точками трубопроводов в закрытой системе значения не имеет.

Проиллюстрируем на конкретном примере:

Допустим расчетная рабочая точка насоса — расход: 280 м 2 /ч, напор — 35 м.

Вот как будет выглядеть кривая характеристики насоса, кривая характеристики системы и результирующая фактическая рабочая точка в закрытой системе(рис. 3):

На рис. 3., мы видим:

Нашу расчетную точку (расход: 280 м 2 /ч, напор — 35 м).

-характеристику насоса (синяя линия)

-характеристика системы (Красная линия) — это кривая гидравлического сопротивления трубопроводов

-кривая КПД насоса (черная линия)

Как мы помним, максимальная эффективность насоса достигается в номинальной рабочей точке, соответствующей точке максимального КПД (нашем примере: расход: 323 м 2 /ч, напор — 46,35 м, КПД насоса — 82,6%)

Фактическая же точка в закрытой гидравлической системе в данном примере имеет параметры: расход: 322 м 2 /ч, напор — 46,45 м, КПД насоса — 82,6%.

Т.е. мы фактически попали в точку максимального КПД (расход и напор отличаются от номинальных незначительно, КПД полностью соответствует). С точки зрения надежности насоса это достаточно хороший подбор. Этот насос в этой конкретной системе будет работать долго и безотказно.

Однако, для достижения максимальной эффективности, при подборе нужно стремится, чтобы фактическая рабочая точка было максимально близко к расчетной

Такой подбор насоса, как в нашем примере оправдан только в том случае, если кривая характеристики ближайшего меньшего типоразмера насоса оказывается ниже расчетной точки. Для целей данной статьи, мы принимаем, что мы имеем именно такой случай.

В открытой системе картина будет отличаться на столько, на сколько велика статическая составляющая напора.

Статическая составляющая напора — это давление, необходимое для преодоления геодезического перепада в системе. Этот перепад, в отличие от гидравлического сопротивления системы, есть независимо от расхода в системе и нам всегда надо преодолевать этот перепад.

Статическая составляющая не зависит от расхода, как динамическая.

Соответственно, для нахождения фактической рабочей точки насоса, нам необходимо скорректировать кривую характеристики системы с учетом статической составляющей.

В этом случае, кривая характеристики системы строиться уже не из ноля координат, а из точки на оси напора, соответствующей его (напора) статической составляющей.

На рис. 4. представлена кривая характеристики открытой системы со статическим напором 5 м (геодезический перепад высот) с той же расчетной рабочей точкой (расход: 280 м 2 /ч, напор — 35 м).

При той же расчетной точке, фактическая рабочая точка уже сдвигается… расход: 327 м 2 /ч, напор — 45,98 м. КПД уже падает на 0,1% (82,5%)…

Если геодезический перепад будет значительным — параметры фактической рабочей точки могут измениться критически!

На следующей диаграмме (рис. 5) представлена система с все той же расчетной точкой 280 м 2 /ч, 35 м, но со статической составляющей напора в 27 м.

Как видно, фактическая точка отличается значительно (расход: 372 м 2 /ч, напор — 41,2 м. КПД упал уже на 2%) и опасно приблизилась к краю рабочей характеристики насоса.

Если статическую составляющую принять — 29 м, то фактически этот насос в такой системе работать уже не будет…

Как видно из рис. 6, программа подбора характеристику системы уже не строит…. Фактической рабочей точки на кривой характеристики насоса просто нет…

Неработоспособность насоса в системе, это хоть и самая серьезная, но только одна из опасностей невнимательного отношения к типу гидравлической системы и игнорирования статической составляющей напора.

В данном примере насос работать просто не будет, и неправильный подбор будет налицо… Есть с кого спросить...

Есть и другие случаи, которые не столько очевидны, но имеют не менее серьезные последствия… И неочевидность их лишь усугубляет решение проблем, которые, порой, длятся годами...

Еще два момента необходимо учитывать:

1. Если фактическая рабочая точка насоса далеко от номинальной, а, соответственно, от точке максимального КПД насос, то имеет место очевидное снижение эффективности насосной системы. В нашем примере снижение КПД не велико, однако не все электродвигатели имеют такую пологую кривую КПД, и отклонения от точки максимального КПД насоса может повлечь значительное снижение КПД насоса (на 10 и даже 20%).

2. Отклонение от номинальной рабочей точки влечет также снижение надежности насоса. Выход рабочей точки за пределы рабочего диапазона насоса резко снижает надежность его работы. Подробнее об этом читайте в статье «КПД насоса и его надежность».

Грамотный подбор насосов и анализ системы требует квалификации, времени, но уделять внимание этому вопросу необходимо, так как любая из описанных ситуаций в конечном итоге ведет к потере денег, ресурсов, а, зачастую, и репутации.

Поэтому всегда лучше обратиться за помощью к узким специалистам для решения подобных специфических задач.

Как показал опыт практической работы, связанной с применением насосного оборудования, много людей ошибочно подбирают оборудование, не вникая в физику процесса. Мы хотим дать курс, описывающий физические процессы в гидравлической системе. Эта информация будет полезна всем читателям. Все должно быть достаточно просто, так как при написании серии данных статей, мы руководствовались простотой изложения. Надеемся, информация окажется полезной для Вас.

1. Характеристика системы
Главным назначением гидравлических систем в большинстве случаев является либо подача жидкости из источника к требуемой точке, то есть заполнение резервуара, расположенного на более высокой отметке, либо циркуляция жидкости по всей системе, как способ передачи тепла.
Давление, необходимое для создания потока жидкости, должно быть, подобрано в требуемом значении и должно компенсировать потери в системе. Существует два типа потерь: статический напор и потери напора на трении.

Статический напор - это разница высот между всасывающим и напорными резервуарами, как показано на рис. 1. Он не зависит от значения расхода, как показано графически на рис. 2.
Потери напора на трении (иногда называемые потери динамического напора) возникают во время прохождения перекачиваемой жидкостью труб, клапанов и другого оборудования системы. Данные потери пропорциональны площади пройденной потоком.
Замкнутый контур циркуляционной системы, недоступный воздействию атмосферного давления, имеет только гидравлические потери напора системы на трение, находящиеся в обратной зависимости к значению расхода, как показано на рис. 3.

2. График кривой гидравлической характеристики
Большинство систем имеют одновременно статический напор и потери напора на трении, а большинство случаев, отражено на двух кривых рис. 4 и 5. Значение отношения статического напора к потерям напора на трении, по всему рабочему диапазону, влияет на эффективность, которая должна достигаться при работе двигателей с частотным регулированием.
Статический напор - это особенность индивидуальной системы, уменьшающая данный напор, там где это возможно, обычно это экономит затраты на установку и эксплуатацию насоса. Потери напора на трении должны быть снижены с целью снижения средств на эксплуатацию насоса, но после исключения ненужной трубопроводной арматуры и участка трубы, дальнейшее снижение потерь на напоре будет требовать больший диаметр труб, которые повысят затраты на монтаж.

3. Гидравлическая кривая насоса
Характеристики насоса могут быть также выражены графически, как отношение напора к расходу. Смотрите рис. 6 для центробежных насосов и рис. 7 для поршневых.
Центробежные насосы имеют гидравлическую кривую характеристик, где с увеличением расхода, напор по-степеннно падает, но для поршневых насосов, какое бы ни было значение напора, расход практически постоянный.

4. Рабочая точка насоса
Когда насос устанавливается в системе, то их взаимодействие может быть изображено графически наложением насоса и гидравлической кривой системы, (рис. 8 и рис. 9).
Если фактическая гидравлическая кривая системы отличается от расчетной, то насос будет работать в точке с напором и расходом, отличном от ожидаемого.
У поршневых насосов, если гидравлическое сопротивление системы растет, то насос увеличит давление нагнетания и будет сохранять практически постоянный расход, зависящий от вязкости жидкости и типа насоса. Без использования защитной трубопроводной арматуры значение давления может достичь критической отметки.
Для центробежных насосов увеличение гидравлического сопротивления системы сведет расход в конечном итоге до значения «О», но максимальное значение напора, как показано на рис. 8 ограничивается. Кроме того, при таких условиях возможен непродолжительный период работы насоса. Ошибка расчета кривой гидравлической системы вероятнее всего может также привести к выбору центробежного насоса не отвечающего оптимальным характеристикам.
При подборе насоса большего типоразмера, который будет работать в большем значении расхода или даже в условиях дроссельной системы, дополнительный запас мощности увеличит потребление энергии и сократит срок службы насоса.