Расчёт мощности электроприводов насосов, вентиляторов и компрессоров

Насосы предназначены для подъёма и перекачки жидкости (воды, нефти, нефтепродуктов, кислот, щелочей и т.п.). Существуют специальные насосы для перекачки жидкостей, содержащих твердые частицы.

В зависимости от температуры перекачиваемых сред различают насосы ”холодные” (до + 200⁰С) и ”горячие”(от + 200 до + 400⁰ С).

Привод насосов в основном нерегулируемый. При необходимости регулирование расхода жидкости чаще всего дросселируют задвижкой сечение трубопровода на стороне нагнетания. Однако при этом возникают дополнительные потери энергии, как на задвижке, так и на самом насосе, который в этом случае работает с пониженным КПД; упрощённо считают, что КПД изменяется пропорционально изменению напора в сети.

Более экономичным является регулирование частоты вращения двигателя. Так как требуемый диапазон регулирования не превышает 1 : 1,5, на приводе центробежных насосов целесообразно применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД с к.з.р.), регулируемых изменением напряжения сети с помощью дросселей насыщения или тиристорных регуляторов напряжения (при неизменной частоте питания).

Для насосов большой мощности (сотни и тысячи киловатт) наиболее экономично регулирование частоты вращения приводных двигателей по схеме асинхронно-вентильного каскада (двигатель с фазным ротором, питаемый от сети трёхфазного тока через согласующий трансформатор, и ведомый сетью инвертор – тиристорный преобразователь частоты, изменяющий частоту ЭДС в роторе).

Мощность двигателя (кВт) для привода центробежного насоса определяется по формуле

P = (k₃ ∙ Q ∙ H ∙ γ) / 1000 · ( η_Н · η_П ) ,(8.25)

где Q – подача насоса, м³/с;

H – полный напор, м;

γ - удельный вес перекачиваемой жидкости, Н/м³ (удельный вес воды γ = 9810 Н/м³);

k₃ – коэффициент запаса, k₃ = от 1,1 до 1,5 (большие значения соот-
ветствуют меньшей мощности двигателя, до 5 кВт);

η_Н – КПД насоса (от 0,4 до 0,85 в зависимости от режима
использования насоса и его типа);

η_П – КПД передачи (приложение Е).

Полный напор жидкости H складывается из высоты всасывания h_В, высоты нагнетания h_Н, высоты h_П, соответствующей потерям напора в системе: H = h_В + h_Н + h_П .

Смысл составляющих h_В и h_Н ясен из рисунка 8.1.

Потери напора в системе

h_П = (v²/2g) · (λ₁ · (l/d) +λ ₂ + λ ₃ ), (8.26)

где v – скорость жидкости в нагнетающем трубопроводе, м/с;

d - диаметр трубы, м;

l – длина трубопровода, м;

v²/2g – скоростной напор на выходе трубопровода, м;

λ₁ – коэффициент сопротивления, зависящий от скорости движения

жидкости, м/с.

Для воды:

v 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0 3,0 6,0

λ ₁ 0,057 0,044 0,036 0,032 0,028 0,024 0,021 0,02 0,018

λ ₂ – коэффициент сопротивления в коленах, зависящий от диаметра трубы d и радиуса закругления колена r.

Для воды:

d / r 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0

λ ₂ 0,13 0,14 0,16 0,21 0,29 0,44 0,98 1,98

λ₃ - коэффициент сопротивления: для клапанов λ₃ = 0,49; для задвижек λ ₃ = 0,63.

Скорость жидкости при известном диаметре d трубопровода

v = 4·Q / (π · d ²),(8.27)

При решении вопроса о регулировании подачи насоса путём изменения частоты вращения обычно пользуются совмещёнными H – Q характеристиками насоса и магистрали, на которую работает насос. Характеристики позволяют определить конкретные значения расхода (подачи) Q при заданном значении напора Ни различной частоте вращения n (рисунок 8.2).

h_Н

насос

h_В

h_В – высота всасывания;

h_Н – высота нагнетания.

Рисунок 8.1 – Составляющие величины полного напора

				А
			Б
	В

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Q/Q_ном

Рисунок 8.2 - Совмещённые H - Q характеристики насоса и

трубопровода

На графике приведены зависимости H – Q насоса в виде кривых 1 – 4для различной частоты вращения и характеристика трубопровода 5. Пересечение характеристик определяет точки рабочего режима (А, Б, В).

Вентиляторы на химических и деревообрабатывающих предприятиях имеют главным образом санитарно-техническое назначение. Вентиляторы, используемые для воздухообмена в помещениях, как правило, низкого (до 1000 Н/м²) и среднего (до 3000 Н/м²) давления. Вентиляторы высокого давления (до 10000 – 15000 Н/м²) применяются значительно реже. Мощные вентиляторы применяются в градирнях систем оборотного водоснабжения.

Мощность на валу вентилятора (кВт) определяется по формуле

P = (Q ∙ H ∙ k₃) / 1000 · (η_В ∙ η_П ) , (8.28)

где Q – подача вентилятора, м³/с;

H – полный напор (депрессия), Н / м²;

η_П – КПД механической передачи (численные значения η_П приведены в
приложении Е);

k_З – коэффициент запаса: k_З = от 1,1 до 1,2 (для двигателей 1 – 2 кВт –
принимается большее значение, для двигателей свыше 5 кВт –
меньшее значение)

КПД вентилятора (η_В) выбирается по его характеристикам в зависимости от подачи (рисунок 8.3) в пределах от 20 до 50 % для малых и от 40 до 75 % для крупных вентиляторов. Если напор выражен в миллиметрах ртутного столба, произведение QHk₃ делят на 0,102. При отсутствии более точных данных КПД вентилятора можно принять для центробежных вентиляторов от 0,4 до 0,7; для осевых – от 0,5 до 0,85.

Характеристика вентилятора рассматривается совместно с характеристикой сети. На рисунке 8.3 характеристика вентиляционной сети - А, характеристика вентилятора -В.Точка их пересечения определяет рабочий режим установки, который должен соответствовать получению заданных значений Qи Hпри высоком η_В.

Регулирование подачи вентиляторов чаще всего осуществляется с помощью шиберов, хотя более экономичным, как и для насосов, является регулирование путём изменения частоты вращения: при этом практически сохраняется неизменным КПД вентилятора. Регулирование частоты вращения вентиляторов осуществляется в диапазоне 1 : 2 теми же техническими средствами, что и приводы насосов. При отсутствии такого регулирования целесообразен привод крупных вентиляторов от синхронных двигателей с регулированием реактивной мощности путём изменения режима возбуждения.

На деревообрабатывающих и химических предприятиях применяют вентиляторы низкого и среднего давления малой и средней производительности, у которых установлены асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

Турбокомпрессоры – относительно мощные быстроходные механизмы для производства сжатого воздуха или транспортировки газов. По своим характеристикам они близки насосам. Турбокомпрессоры работают на сеть с противодавлением, пусковой момент М_П = 0,4 М_С.НОМ.

При регулировании подачи компрессоров с помощью задвижки на стороне нагнетания возникают дополнительные потери энергии, снижается КПД агрегата пропорционально степени регулирования.

Регулирование частоты вращения осуществляется в диапазоне 1 : 3 путём изменения напряжения или частоты питания двигателя с короткозамкнутым ротором; наиболее экономичный вариант регулирования мощных турбокомпрессоров (до 20000 кВт) – по схеме асинхронно-вентильного каскада.

0,12
0,1								В
0,08
0,06								ηв
0,04				А
0,02

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Q(м³/с)

Рисунок 8.3 - Характеристика вентиляционной сети А

и вентилятора В

Мощность на валу компрессора (кВт) определяется по формуле

P = (Q ∙ A ∙ k₃) / 1000 ∙ (η_К ∙ η_П ),(8.29)

где Q – подача (производительность) компрессора, м³/с;

А – работа изотермического сжатия 1 м³ воздуха от исходного давления
р₁до заданного давления р₂ , Дж/м³;

k₃ – коэффициент запаса: k₃ = от 1,1 до 1,2;

η_К – КПД компрессора: η_К = от 0,6 до 0,8;

η_П – КПД механической передачи (численные значения η_П приведены в
приложении Е).

Значения А в зависимости от разности давлений:

А, Дж/м³117000 152500 179000 203000 224000 242000 263000

Δ р, МПа 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Вентиляторы, насосы и компрессоры центробежного типа обладают вентиляторным моментом. Момент этих механизмов изменяется пропорционально кубу частоты вращения, т.е. мощность на валу двигателя будет Р₂ = Р_НОМ (ω₀ / ω_НОМ)³, а максимум потерь ΔР_MAX ≈ (4 / 27) P_HOM (ω₀ / ω_НОМ)³. Потери при таком регулировании составляют (15 – 17%) P_HOM при частоте вращения 67% от синхронной.

Производительность в таких установках регулируют электромагнитными муфтами, гидромуфтами, направляющими аппаратами и задвижками. Наиболее экономично регулировать производительность установок с вентиляторным моментом регулировочным реостатом в цепи фазного ротора. Самым неэкономичным способом регулирования производительности является регулирование задвижками (дросселированием потока).