Поряд із продуктивністю тиск насоса є його найважливішою характеристикою. Розбираємось що вона означає. Заодно відповімо на такі запитання:
- Чим тиск насоса відрізняється від тиску?
- У чому вимірюють тиск? Як співвідносяться бари, атмосфери та метри водяного стовпа?
- Як опір лінії впливає тиск насоса?
- Як тиск залежить від густини рідини?
- Чому тиск у напірній лінії не завжди дорівнює корисному тиску насоса?
- Чому насос не завжди працює на своєму максимальному тиску?
- Який максимальний тиск буває у різних типів насосів?
- Як відрегулювати тиск насосу?
Що таке “тиск” в насосі?
Тиск насоса (напір) – поряд із продуктивністю (подачею, витратою) друга ключова характеристика насоса. Показує здатність насоса подолати опір трубної системи і перемістити рідину з всмоктувальної лінії напірну.
Якщо продуктивність насоса відповідає на питання який обсяг рідини насос може перемістити за одиницю часу, то тиск відповідає питання який саме опір трубної системи (в барах) може подолати насос.
Невеликі відцентрові насоси (наприклад, акваріумні) здатні розвивати максимальний тиск 0,05 бар (тобто створювати тиск води до 0,5 метра). Деякі промислові насоси об’ємного типу (наприклад плунжерні) здатні розвивати тиск до 200 бар і навіть більше.
У чому вимірюють тиск в насосі? Які бувають одиниці виміру?
Основна одиниця вимірювання тиску для насосів – технічна атмосфера (кгс/см²). Вона дорівнює 10 метрам водяного стовпчика (позначається скорочено як м. ст). 10 м.в.ст. = 1 кгс/см2.
Інша популярна одиниця виміру тиску – бар (1 бар = 100 000 Паскаль = 0,1 МПа).
Як співвідносяться між собою бари/паскалі з одного боку та метри водяного стовпа/тех. атмосфера з іншого?
0,1 МПа = 1 бар = 1,0197 кгс/см2 = 10,197 м.в.ст.
Тобто виходить, що один бар трохи більше ніж одна технічна атмосфера (кгс/см²). А 10 метрів водяного стовпа трохи менше ніж 1 бар. Різниця не перевищує 2%. Так ось на практиці цією різницею нехтують та прирівнюють бар із технічною атмосферою. Кажуть, стовп чистої води заввишки 10 метрів тисне з такою самою силою, що й 1 бар чи 1 атмосфера. І великої помилки у цьому не буде, окрім тих ситуацій, де потрібна висока точність розрахунків.
Яка різниця між тиском та напором?
Тиск та напір насосу – це тісно пов’язані поняття. Термін «тиск» коректніший і універсальніший, його частіше використовують для об’ємних насосів. Термін «напір» зазвичай використовують для відцентрових насосів через його зручність.
Коли говорять про напір, то мають на увазі яку висоту здатний підняти рідину насос у відкритій системі. У відкритій системі потік рідини не ізольований від атмосфери. У такій системі насосу доводиться долати не так опір трубної системи, як «боротися» з вагою водяного стовпа в напірній лінії.
Типовий приклад підбору насоса з потрібним напором – це підбір багатоступеневого відцентрового насоса. Якщо потрібно підняти воду на висоту 20 поверхів (при висоті поверху 3 метри), то кажуть, що насос має розвинути тиск не менше 60 метрів (водяного стовпа). Насправді напір насоса має бути ще трохи вищим, адже він має ще подолати втрати на тертя у трубопроводі. У будь-якому випадку тиск у напірному трубопроводі під час роботи насоса складе не менше 6 атмосфер.
Як між собою пов’язані тиск, продуктивність та споживана потужність насоса?
У відцентрових насосів залежність між продуктивністю та тиском виражена кривою продуктивності. Чим більший тиск, тим менша продуктивність. При цьому споживання енергії насоса зростає зі збільшенням продуктивності.
Зображення 1. Залежність продуктивності, тиску, споживаної потужності та ККД відцентрового насоса.
На зображенні 1 показані криві характеристик одного відцентрового насоса. Синя крива показує залежність продуктивності тиску. Чорна лінія показує потужність на валу насоса зі зростанням продуктивності. Крива зеленого кольору показує зміну ККД по мірі зміни тиску.
Якщо опір трубної системи дорівнюватиме 0, тобто насос виливатиме воду з напірного патрубка без підключення до лінії, то його продуктивність буде максимальною, а створюваний напір буде нульовим. Робота в такому режимі для відцентрового насоса не дуже корисна, оскільки потужність, що споживається, буде максимальною і двигун насоса може згоріти.
Якщо опір системи відповідатиме натиску 32 метри водяного стовпа, то насос працюватиме в точці, показаній червоним кольором. При цьому його продуктивність становитиме 54 м3/год, тиск 32 м.вод.ст. (3,2 кгс/см²), споживана потужність (на валу) 6,6 кВт, а ККД дорівнюватиме 71,3%.
У об’ємних насосів тиск і продуктивність теж мають кореляцію, але зазвичай слабшу, ніж у відцентрових насосів. Виняток – мембранні пневматичні насоси, які мають криві характеристики, схожі на відцентрові насоси. Зазвичай об’ємний насос має продуктивність, яка визначається обсягом переміщення рідини за один робочий такт і швидкістю здійснення цих тактів. Робочий тиск об’ємного насоса визначається опором системи. При максимальному робочому тиску продуктивність об’ємного насоса зазвичай трохи менше, ніж при нульовому тиску.
Опір системи
Система може бути простою, складатися з труби, опущеної в колодязь (всмоктувальна лінія насоса), і шлангу, що веде від насоса в бочку (напірна лінія). В інших випадках система може бути складною та складатися з десятків різних трубопровідних контурів та резервуарів.
Система буває: відкрита та закрита (ізольована від атмосфери).
У відкритій системі насосу доводиться долати статичний та динамічний опір, а в закритій є тільки динамічний опір.
Два види опору в системі:
- Статичний (тиск стовпа рідини, який потрібно подолати). Статичний опір системи залежить лише від висоти підйому рідини насосом та її щільності.
- Динамічне (втрати тиску на тертя під час переміщення рідини). Динамічний опір залежить від багатьох факторів:
– Діаметр труб – має відповідати діаметру труби насоса. Особливо важливо, щоб напірний патрубок насоса не підключався до труби маленького діаметру – це створить високий опір системи та приведе до зростання тиску в ній при зниженні продуктивності (дроселювання). Засмічення трубопроводу також призводить до зменшення корисного прохідного перерізу труби.
– Наявність вигинів та колін трубопроводу. Усі вигини створюють додатковий опір. Завжди рекомендують проектувати трубопровід із мінімальною кількістю вигинів.
– Наявність звужень та розширень трубопроводу (наприклад, засувок та регулюючих вентилів). Такі елементи деформують потік рідини та призводять до додаткових втрат через утворення додаткової турбулентності перебігу потоку.
– Матеріал трубопроводу. Чим шорсткіший матеріал труби, тим сильнішим буде опір. Наприклад, у сталевому трубопроводі втрати будуть дещо вищими, ніж у поліпропіленовому.
– Довжина трубопроводу. Чим довше трубопровід, тим сильнішими будуть втрати на тертя. Залежність втрат тиску від довжини трубопроводу визначається за складною формулою, яка включає не тільки довжину, але також діаметр і матеріал труб, швидкість течії і в’язкість рідини.
– В’язкість рідини. Чим в’язкість рідина більша, тим вище втрати на опір при її переміщенні.
– Швидкість течії рідини. Чим швидше тече рідина, тим вищі втрати на опір.
Зображення 2. Реальна продуктивність та тиск насоса залежатимуть як від параметрів самого насоса, так і від характеристики опору трубопровідної системи
На зображенні 2 показано, що реальна продуктивність насоса (відцентрового або об’ємного) залежить не тільки від власних характеристик, але і від характеристик трубопровідної системи.
Зверніть увагу, що навіть за нульової продуктивності крива опору системи не дорівнює 0. Це обумовлено наявністю в ній статичного опору. Загальний опір системи завжди дорівнює сумі статичного та динамічного опору.
Якщо система коротка і діаметр труб у ній достатній, то розрахунок динамічного опору можна знехтувати. Якщо ж система довга, то нехтувати цим розрахунком не варто.
Розберемо приклад
Візьмемо відцентровий насос із максимальним напором 15 м.в.ст., максимальною допустимою продуктивністю 3,6 м³/годину та робочою точкою 2,7 м³/годину при натиску 10 метрів. Насос має приєднання G 1″ (один дюйм). Для розрахунку опору лінії нам потрібен точний внутрішній діаметр труби мм. Відповідно до ОСТ 266 різьблення BSP 1″ (різьблення G1″) має внутрішній діаметр 30,29 мм.
Нам потрібно за допомогою цього насоса підняти воду на висоту 10 метрів по вертикалі, причому загальна довжина труби складе 100 метрів. Якою буде продуктивність насоса?
Якщо зробити розрахунки, то з’ясується, що при витраті 45 л/хв (2,7 м3/год) опір лінії складе 4,28 м.в.ст., а значить насос не зможе працювати в цій точці. Візьмемо кілька точок за продуктивністю та побудуємо криву опору нашої лінії.
Зображення 4. У нашому прикладі насос працюватиме з продуктивністю 1,9 м3/годину при тиску в лінії 12,4 м.в.ст. (1,24 кгс/см²).
Якщо зробити розрахунок опору нашої лінії при кількох значеннях продуктивності та з’єднати ці значення кривою лінією, то відразу стає очевидною реальна робоча точка, в якій насос працюватиме в нашому прикладі. Це точка перетину двох кривих. Вона становитиме 1,9 м3/годину при тиску лінії 12,4 м.в.ст.
Як уникнути таких втрат продуктивності? Найпростіше – укоротити напірну лінію чи збільшити діаметр труби. Наприклад, якщо взяти як напірну трубу не G1″, а наступну за розміром G1¼” (внутрішній діаметр 38,95 мм), то втрата тиску зменшиться в 3 рази, а продуктивність насоса складе приблизно 2,4 м3/год.