Залежність напору насоса від тиску: відмінності, формули та розрахунок

При виборі промислового відцентрового насоса два найважливіших параметра - це витрата і напір. Однак покупці та інженери насосів іноді плутають напір насоса з тиском, припускаючи, що заданий тиск нагнітання безпосередньо представляє необхідний напор насоса.

Хоча ці два параметри тісно пов’язані, вони описують різні фізичні величини. Розуміння їх взаємозв’язку має важливе значення для вибору правильного насоса, інтерпретації кривих продуктивності, розрахунку вимог до системи та усунення несправностей у роботі.

У цьому посібнику пояснюється різниця між напором насоса та тиском, як розрахувати загальний динамічний напір (TDH) і як ці поняття впливають на вибір промислового насоса.

 

 

• Що таке головка насоса?

Напір насоса — це механічна енергія, додана насосом до рідини, виражена як енергія на одиницю ваги та представлена ​​еквівалентною висотою стовпа рідини. Зазвичай вимірюється в метрах (м) або футах (футах).

Для відцентрового насоса напор показує, скільки енергії насос передає рідині при певній швидкості потоку та швидкості обертання.

Наприклад, насос, розрахований на напір 100 м, сконструйований для додавання приблизно такої кількості гідравлічної енергії на одиницю ваги рідини в заданій робочій точці. Це не обов'язково означає, що насос може піднімати рідину на 100 м вертикально за будь-яких умов встановлення. Фактична подача залежить від висоти системи, вимог до тиску та гідравлічних втрат.

Головку насоса прийнято ділити на три компоненти:

Статична головка:Перепад висот і, де застосовно, перепад тиску між джерелом і пунктом призначення.

Фрикційна головка:Втрата енергії через труби, коліна, клапани, фільтри та інші обмеження потоку.

Швидкісний напір:Кінетична енергія, пов'язана зі швидкістю рідини.

Для практичного вибору насоса інженери обчислюють загальний напір, необхідний системі, і порівнюють його з кривою продуктивності насоса.

 

• Що таке тиск насоса?

Тиск насоса відноситься до сили, яку чинить рідина на одиницю площі. Його зазвичай вимірюють у:

бар

кілопаскалі (кПа)

мегапаскалі (МПа)

фунти на квадратний дюйм (psi)

Манометри зазвичай встановлюються на всмоктувальних і нагнітальних з’єднаннях насоса для контролю робочих умов.

Підвищення тиску в насосі є різницею між тиском нагнітання та тиском всмоктування.

Підвищення тиску=Тиск нагнітання - Тиск всмоктування

Наприклад, якщо тиск нагнітання становить 8 бар, а тиск всмоктування становить 1 бар:

Підвищення тиску=8 - 1=7 бар

Це збільшення тиску, виміряне на насосі. Його не слід автоматично розглядати як загальний динамічний напір системи, тому що також може знадобитися враховувати перепади швидкості та висоти.

 

• Залежність напору насоса від тиску: основні відмінності

Напор насоса та тиск пов’язані між собою, але вони не є взаємозамінними в кожній ситуації.

Параметр	Головка насоса	Тиск насоса
Значення	Енергія, додана до одиниці ваги рідини, виражена висотою стовпа рідини	Сила, з якою діє рідина на одиницю площі
Загальні одиниці	м, футів	бар, кПа, МПа, psi
Основні фактори	Робоча точка насоса та поведінка рідини	Голова розвинута і щільність рідини
Типове вимірювання	Отримано з даних про продуктивність насоса або розраховано з умов системи	Вимірюється за допомогою манометрів або трансмітерів
Основне застосування	Вибір насоса та оцінка кривої продуктивності	Контроль системи та контроль тиску

Ключова відмінність полягає в тому, що один і той самий напор насоса може відповідати різним підвищенням тиску при перекачуванні рідин різної щільності.

 

• Як перевести напір насоса в тиск

Для приблизного перетворення підвищення тиску, спричинене даним напором, можна розрахувати за допомогою густини рідини.

Формула 1: Розрахунок тиску від голови

Підвищення тиску (бар)=Напір (м) x Питома вага / 10,2

Тут питома вага (SG) - це відношення щільності рідини до щільності води за стандартних умов, які використовуються для розрахунку.

Для води SG становить приблизно 1,0.

Приклад: який тиск створює напір 100 м?

Якщо припустити, що насос розвиває 100 м напору, приблизне зростання тиску змінюється залежно від щільності перекачуваної рідини.

Щільність рідини	Питома вага (SG)	Голова	Приблизне підвищення тиску
1000 кг/м³	1.00	100 m	9.81 bar
1100 кг/м³	1.10	100 m	10.79 bar
700 кг/м³	0.70	100 m	6.87 bar

Ці цифри показують, чому напір насоса та тиск не слід розглядати як ідентичні значення. Щільніша рідина викликає більше підвищення тиску при тому самому напорі, припускаючи порівняльні умови роботи насоса.

Наведені вище значення є приблизними і призначені для попередніх розрахунків. Фактичні результати залежать від властивостей рідини та умов експлуатації.

Формула 2: Перетворення тиску в напір

Коли різниця тиску відома, відповідний напір можна оцінити за такою формулою.

Напір (м)=Різниця тиску (бар) x 10,2 / Питома вага

Для імперських одиниць:

Напір (фути)=Різниця тиску (psi) x 2,31 / Питома вага

Ці формули оцінюють компонент напору. Вони не включають автоматично напір і перепади висот у повний обчислення системи.

Приклад: перетворення підвищення тиску на 7 бар у напір

Припустимо, що насос перекачує рідину з питомою вагою 1,05 і створює вимірюване підвищення тиску на 7 бар.

Напір=7 x 10,2 / 1,05

Напір=приблизно 68,0 м

Таким чином, підвищення тиску відповідає приблизно 68 м напору.

Це спрощений розрахунок. Якщо висоти всмоктування та нагнітання або швидкості рідини значно відрізняються, загальний динамічний напір може відрізнятися.

 

• Що таке загальний динамічний напір (TDH)?

Загальний динамічний напір (TDH) представляє загальну енергію на одиницю ваги, яку насос повинен постачати для переміщення рідини через систему за заданих робочих умов.

Він містить різницю тиску, швидкості та висоти між визначеними ділянками вимірювання всмоктування та нагнітання.

Загальне рівняння:

TDH=різниця напору + різниця напору швидкості + різниця висот

У формі рівняння:

TDH=(Pd - Ps) / (rho xg) + (Vd² - Vs²) / (2 xg) + (Zd - Zs)

Де:

Pd= тиск нагнітання

Пс= тиск всмоктування

ро= густина рідини

g= гравітаційне прискорення

Vd= середня швидкість рідини на ділянці випуску

проти= середня швидкість рідини на всмоктувальній ділянці

ZdВисота=секції вимірювання витрати

Зс= висота секції вимірювання всмоктування

Для цього рівняння тиск слід виражати в узгоджених одиницях, густину в кг/м³, швидкість у м/с і висоту в метрах. Отриманий напір виражається в метрах.

Коли швидкості всмоктування та нагнітання однакові, а різниця у висоті незначна, різниця тиску може забезпечити корисне наближення компонента напору. В інших системах не варто ігнорувати додаткові умови.

Вибираючи насос, інженери повинні оцінювати всі вимоги до системи, а не покладатися лише на тиск нагнітання.

 

• Чому на кривих відцентрових насосів використовується напір замість тиску

Криві продуктивності відцентрового насоса зазвичай відображають напір проти витрати. Це полегшує оцінку гідравлічної продуктивності насоса в різних робочих точках.

Основні причини включають:

1. Більш корисний для порівняння гідравлічної продуктивності

Голова виражає енергію, додану на одиницю ваги рідини. Це дозволяє кривим насоса описувати гідравлічну продуктивність насоса без безпосереднього прив’язування напору до щільності однієї конкретної рідини.

2. Краща підтримка системного аналізу

Опір системи зазвичай виражається напором. Інженери можуть порівняти криву насоса з кривою системи, щоб визначити робочу точку, де характеристики насоса та системи перетинаються.

3. Більш надійний попередній відбір

Використання напору допомагає інженерам оцінити потребу в енергії для системи перед тим, як перетворити її на тиск для конкретної рідини.

Однак для вибору насоса однієї голови недостатньо. Необхідно також враховувати швидкість потоку, властивості рідини, ефективність, потужність двигуна, вимоги до NPSH, матеріали та очікуваний робочий діапазон.

 

• Поширені помилки при виборі насоса

Кілька помилок можуть призвести до неправильного вибору насоса або несподіваної продуктивності в полі.

Вибір насоса грунтується тільки на тиску нагнітання

Тиск нагнітання залежить від тиску всмоктування, щільності рідини, висоти та умов системи. Перед вибором моделі інженери повинні визначити необхідну швидкість потоку та загальний динамічний напір.

Ігнорування щільності рідини

Насос, який транспортує рідину з більшою питомою вагою, може створити більший підйом тиску при тому самому напорі. Це також може збільшити необхідну потужність на валу.

Плутання статичного напору з повним динамічним напором

Статичний перепад висот є лише одним із компонентів системних вимог. Тертя труб, фітинги, клапани, перепади тиску та зміни швидкості також можуть впливати на загальний напір.

Ігнорування фактичної робочої точки

Номінальний або максимальний напір насоса не обов’язково відповідає напору, який він вироблятиме за необхідної витрати. Вибраний насос слід перевірити за кривою продуктивності та кривою системи.

Використання приблизних перетворень як кінцевих проектних значень

Перерахунок напору в тиск корисний для попередньої оцінки, але для остаточного вибору насоса слід використовувати послідовні розрахунки системи та дані про продуктивність виробника.

 

• Як вибрати правильний промисловий відцентровий насос

Надійний процес вибору насоса починається з точних робочих вимог.

Перш ніж зв’язуватися з виробником, підготуйте таку інформацію:

Необхідна витрата

Необхідний загальний динамічний напір

Тип рідини, температура, щільність і в'язкість

Умови всмоктування та доступна інформація про NPSH

Розмір труби, довжина трубопроводу, перепади висот і вимоги до системного тиску

Години роботи, метод контролю та очікуваний робочий діапазон

Необхідні матеріали, ущільнення та відповідні промислові стандарти

Для застосування з високим напором може підійти горизонтальний багатоступінчастий відцентровий насос, оскільки кілька робочих коліс поступово створюють необхідний напір. Самобалансувальні багатоступінчасті конструкції можуть розглядатися там, де важливою метою проекту є зменшення осьової тяги.

Для великих витрат і відносно низьких або помірних напорів подвійний насос із роздільним корпусом може бути відповідним варіантом, залежно від системних вимог.

 

• Висновок

Напір і тиск насоса описують пов’язані, але різні аспекти продуктивності насоса. Напор представляє енергію, додану на одиницю ваги рідини, тоді як тиск представляє силу на одиницю площі. Щільність рідини визначає, як певний напір перетворюється на тиск.