Как рассчитать давление в трубопроводе. Расчет производительности насосов

Производительность центробежных насосов зависит от размеров рабочего колеса, скорости его вращения и напора жидкости. С увеличением напора жидкости производительность насоса уменьшается. При свободном выходе жидкости из нагнетательного патрубка насос работает с максимальной производительностью.

Рабочая характеристика насоса (рис. 24), получаемая практическим путем, позволяет определять его производительность при заданном напоре.

Режим работы насоса при оптимальном к.п.д. обычно указывается в паспортной характеристике насоса заводом-изготовителем.

Полный напор жидкости, создаваемый центробежным насосом, можно ориентировочно определить по формуле

где v - окружная скорость рабочего колеса, м/сек;

g - ускорение силы тяжести, м/сек 2 ;

n - число оборотов рабочего колеса в секунду;

R - радиус рабочего колеса, м.

Потребную мощность для работы центробежного насоса можно определить по формуле

где Q - производительность (подача) насоса, м 3 /ч;

Н - напор жидкости, м жидк. ст.;

р - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ;

n - механический к.п.д. насоса. Для лопастных насосов n=0,10÷0,15, для дисковых n=0,25÷0,30.

Расчетное значение N увеличивают для запаса мощности на 10-15%.

Производительность поршневых насосов вычисляют по формуле

где F - площадь сечения цилиндра, м 2 ;

S - ход плунжера, м;

n - число оборотов кривошипа в минуту;

m - число цилиндров;

n об - объемный к.п.д. (n об =0,7÷0,75).

Мощность, потребляемую плунжерным насосом, можно определить по формуле

где V - объемная производительность насоса, м 3 /ч;

р - плотность жидкости, кг/м 3 ;

Н - высота подачи от уровня всасываемой жидкости до максимальной высоты нагнетательного трубопровода, м;

h - напор, необходимый для преодоления гидравлических сопротивлений в трубопроводе, м вод. ст.;

n М, - механический к.п.д. насоса.

Объемную производительность роторных насосов с внешним зацеплением определяют по формуле

где q - объем между двумя смежными зубьями шестерен, м 3 ;

z - число зубьев шестерен;

n - число оборотов шестерни в минуту;

n об - объемный к.п.д. (n об =0,7÷0,8).

Для подбора центробежного насоса используют графическую зависимость напора от подачи, которая индивидуальна для каждой модели и приводится в каталогах производителей.

Методика подбора центробежного насоса зависит от возложенных на него задач. Чтобы подобрать повысительный насос — задаются подачей и с оси абсцисс проводят перпендикуляр на кривую характеристики насоса, полученная рабочая точка определит напор при заданной подаче.

Циркуляционный насос подбирают, накладывая на характеристику насоса, гидравлическую характеристику циркуляционного кольца, отображающую зависимость потерь напора от протекающего расхода. Рабочая точка будет находиться в точке пересечения характеристик насоса и циркуляционного кольца.

Если заданным параметрам соответствует несколько моделей, выбирают менее мощный насос работающий в режиме с большим КПД. Подбирая центробежный насос для сети с изменяющимся расходом воды, лучше отдать предпочтение модели с более пологой напорной характеристикой и широким диапазоном подачи.

Шумовые характеристики, часто становятся преобладающим параметром при подборе насосов для установки в жилых домах. В таких случаях рекомендуется выбрать насос с электродвигателем меньшей мощности и частотой вращения не более 1500 оборотов в минуту.

Расчёт центробежного насоса

Расчёт центробежного насоса заключается в определении двух параметров, необходимых для работы системы — подачи и напора. В зависимости от схемы установки подход к вычислению заданных параметров должен быть различным.

Расчёт повысительного насоса для системы водоснабжения выполняется по нагрузке часа максимального водопотребления, а напор определяют разницей между заданным давлением на входе в систему водоснабжения и давлением на вводе водопровода.

Давление на вводе в систему водоснабжения равно сумме избыточного давления у верхней водоразборной точки, высоты водяного столба от насоса до верхней точки и потерь напора на участке от повысительного насоса до верхней точки. Избыточное давление у верхней водоразборной точки обычно принимают 5-10 м.вод.ст.

Расчёт подпиточного насоса для системы отопления выполняют исходя из максимально допустимого времени заполнения системы и её ёмкости. Время заполнения системы отопления обычно принимают не более 2 часов. Напор подпиточного насоса определяется разницей между давлением выключения насоса (система заполнена) и давлением в месте подключения подпиточной линии.

Расчёт циркуляционного насоса для системы отопления выполняют исходя из тепловой нагрузки и расчётного температурного графика. Подача насоса пропорциональна тепловой нагрузке и обратно пропорциональна расчётной разнице температур в подающем и обратном трубопроводе. Напор циркуляционного насоса определяется только гидравлическим сопротивлением системы отопления, который должен указываться в проекте.

Кавитация

Кавитацией называют образование в толще движущейся жидкости пузырьков пара при снижении гидростатического давления и схлопывание этих пузырьков в толще где гидростатическое давление повышается.

В центробежных насосах кавитация образуется на входной кромке рабочего колеса, в месте с максимальной скоростью потока и минимальным гидростатическим давлением. Схлопывание пузырька пара происходит во время его полной конденсации, при этом в месте схлопывания возникает резкое увеличение давления до сотен атмосфер. Если в момент схлопывания пузырёк находился на поверхности рабочего колеса или лопатки, то удар приходится на эту поверхность, что вызывает эрозию метала. Поверхность метала подверженная кавитационной эрозии носит выщербленный характер.

Кавитация в насосе сопровождается резким шумом, треском, вибрацией и что особенно важно, падением напора, мощности, подачи и КПД. Материалов, имеющих абсолютную устойчивость против кавитационного разрушения не существует, поэтому работа насоса в кавитационном режиме не допускается.

Минимальное давление на входе в центробежный насос называют кавитационным запасом NPSH и указывается производителями насосов в техническом описании.

Для организации водоснабжения частного дома перед установкой насосного оборудования, в первую очередь необходимо рассчитать его параметры. При этом необходимо учитывать технические характеристики источника, расстояние до потребителя и объем водозабора. Домовладельцу, самостоятельно монтирующему линию водоснабжения в дом, нет необходимости производить расчет насоса для скважины по сложным формулам - для этого предназначены размещенные в сети онлайн-калькуляторы.

Рис. 1 Онлайн калькулятор для определения объема подачи – внешний вид

Их существенным недостатком является приблизительность полученных результатов - многие важные параметры, влияющие на окончательный результат, не фигурируют во вводных данных. Почти все онлайн-калькуляторы рассчитывают только один из параметров: высоту подъема, производительность или необходимое давление в магистрали, остальные данные приходится определять другими способами. Еще одной проблемой является выбор точного и достоверного калькулятора из множества вариантов, выложенных в сети. Поэтому наиболее правильным решением вопроса, как рассчитать насос для скважины, остается вычисление его параметров по формулам с помощью таблиц потерь и использование калькуляторов в качестве вспомогательного средства для проверки правильности расчетов.


Рис. 2 Онлайн - калькулятор для расчета насоса для водоснабжения

Что необходимо учитывать при расчете водяного электронасоса

Необходимость точного определения параметров насосного оборудования очень важна при обеспечении постоянного водоснабжения частного дома. Если производительность рассчитана неточно, водозаборные устройства будет выкачивать недостаточное количество воды - это потребует его замены и соответственно дополнительных расходов. К еще большим финансовым потерям может привести использование насосного оборудования с большим запасом по параметрам: помимо неоправданных расходов при покупке, в процессе эксплуатации электронасос будет работать с низкой эффективностью, потребляя неоправданно большое количество электроэнергии.


Рис. 3 Схема подключения погружного скважинного насоса

При расчете водяного электронасоса для системы водоснабжения необходимо учитывать следующие параметры водозаборной емкости и водопроводной магистрали.

Глубина водозаборного источника

Знать глубину скважинного или колодезного дна нужно при определении дебита источника, это важно с практической точки зрения - найденное расстояние от поверхности до дна позволит оптимально подобрать помпу с необходимой глубиной погружения и высотой подъема в данном диапазоне.


Рис. 4 Статический и динамический уровни

Статический уровень

Расстояние от водного зеркала источника до поверхности играет роль в установлении высоты подъема и глубины погружения помпы. Статический уровень определяется при отсутствии водозабора и нахождении источника в спокойном состоянии не менее часа или для более высокой точности - суток. Показатель имеет сезонную зависимость и падает в весенний паводок, поэтому следует определять его наиболее высокий уровень в сухую летнюю погоду.

Динамический уровень

Расстояние от водного зеркала до поверхности при работающем электронасосе - динамический уровень, он существенно отличается от статического в неглубоких низкодебитных абиссинских или песочных скважинах с малым напором. В артезианских источниках, где давление воды существенно выше и уравновешивается высоким столбом, динамический уровень при бытовых объемах забора обычно равен статическому.

Знание динамического уровня особенно важно при подборе глубины погружения электронасоса - в отключенном состоянии он будет испытывать нагрузку от столба жидкости высотой от глубины погружения под зеркало динамического уровня (1 - 2 м.) до поверхности статического уровня.

Объем потребления

Расчет производительности насоса зависит от количества проживающих людей и подключенных точек и рассчитывается по калькуляторам водозабора бытовой техникой и сантехническими приборами. Следует учитывать, что потребление не должно превышать дебит источника.


Рис.5 Таблица расхода воды бытовой сантехникой

Диаметр скважинных труб или колодца

Данный показатель в основном влияет на выбор модели помпы. В узких неглубоких абиссинских скважинах невозможно установить глубинный погружной электронасос, жидкость поднимают центробежными поверхностными агрегатами с опусканием в источник всасывающей водозаборной трубы. Стандартные погружные скважинные центробежные электронасосы имеют диаметр около 4-х дюймов и рассчитаны на погружение в скважинные отверстия диаметром не менее 100 мм., для некоторых высокопроизводительных погружных моделей с диаметром 6 дюймов требуются наличие скважинных труб шириной не менее 150 мм. Колодезные кольца должны иметь достаточную ширину для установки в них колодезного электронасоса с поверхностным поплавковым выключателем, располагающимся на водном зеркале до 300 мм. от центральной оси помпы.

Качество воды

Жидкость, которую электронасос поднимает на поверхность, имеет разное качество в зависимости от вида источника водозабора. У бюджетных абиссинских видов глубиной не более 8 м., вследствие малого веса и конструктивных особенностей, всасывающие отверстия располагаются в толще водоносного слоя. Скважина дает чистую воду, для ее забора можно использовать центробежные или вихревые виды электронасосов. Более глубокие песчаные скважины в силу значительной массы располагаются на песчаном или глиняном дне водоносного пласта. В зависимости от структуры дна, напора, расстояния входного отверстия напорной трубы, поднимаемая жидкость в песчаных скважинах имеет различную степень чистоты. Для забора из источников чистой воды или с незначительным содержанием примесей, используют глубинные центробежные электронасосы, более замутненную жидкость можно поднимать устройствами винтового принципа действия. Вибрационные модели в силу вредного воздействия на стенки обсадных труб, малой производительности, небольшого времени непрерывного всасывания и низкой эффективности не используются для обеспечения постоянного водоснабжения частного дома. При расчете мощности насоса калькулятор должен учитывать гидравлические потери в водяных фильтрах.

Обсадные трубы артезианских скважин устанавливаются на прочное известковое дно, поднимаемая вода в этом случае самая чистая с очень высоким содержанием железа, для забора можно использовать вихревые или центробежные электронасосы.

Расстояние от дома до источника

При расчетах необходимого напора переводят вертикальные метры в горизонтальные, это соотношение зависит от диаметра и материала трубопровода, влияющих на его гидравлическое сопротивление.

Давление в водопроводе

Электронасос должен не только доставить воду потребителю, но обеспечить в системе необходимое давление. Этот показатель влияет на силу водной струи в кране, и обеспечивает работу автоматики, настроенной на определенный диапазон. В первую очередь это относится к реле давления и холостого хода, при малом давлении автоматика не будет отключать электронасос, его избыточное значение помимо бытовых неудобств может привести к быстрому выходу из строя узлов водопроводной системы.

Расчет основных параметров водопроводной системы


Рис. 6 Потери в водопроводной системе в зависимости от диаметра труб

При выборе и расчете электрического скважинного насоса для водопровода необходимо, с учетом приведенных выше данных, правильно подобрать его следующие параметры.

Вид электронасоса по принципу действия. Как указывалось выше, скважинный насос выбирается по принципу работы индивидуально для каждого вида водозаборной емкости.

Глубина погружения . Значение в паспортных данных помпы не должно быть ниже разницы между динамическим и статическим уровнем.

Объем подачи . Расчет производительности проводят с учетом количества проживающих в доме людей, потребляющей воду бытовой техники (стиральной и посудомоечной машин) и точек забора. Учитываются душевые и ванные, унитазы, биде, мойки и раковины.

Часто требуется ухаживать за растениями на участке, поэтому водоснабжение должно учитывать расходы на полив. Рассчитать мощность и объем подачи можно с помощью таблиц или произведя расчеты калькулятором, суммировав все показатели.

Совсем не обязательно подсчитывать все точки забора воды в доме, чтобы определить мощность насоса, можно по таблицам определить потребление по суточным нормам, средний показатель при этом лежит в пределах 200 л. на одного человека.


Рис. 7 Суточные нормы потребления

Высота подъема . Основной параметр помпы, который подлежит точному расчету. Указанный в паспортных данных напор должен выполнять следующие функции:

  • Подъем жидкости из водозаборной емкости на высоту до поверхности с расстояния 1 - 2 м. ниже динамического уровня.
  • Горизонтальную подачу потребителю. При расчетах принимают 1 м. вертикального столба равным 10 м. горизонтальных пластиковых труб диаметром 1 дюйм. При снижении диаметра труб подача существенно падает, трубы меньшего диаметра редко используются в водопроводной системе. Невыгодно использовать и стальные трубы, гидравлическое сопротивление которых больше пластиковых и подача уменьшена в 0,7 раза.
  • Рабочее давление. Насосу необходимо обеспечивать давление для работы системы, стандартные значения которого 1,4 - 2,8 бар. (1 бар. приблизительно равен 1 атм. или 10 м. вертикального водного столба).


Рис. 8 Таблица гидравлических потерь


H тр – искомое значение для глубинного насоса.

H гео – высота подъема и длина горизонтального участка в вертикальных метрах водного столба.

H потерь – сумма потерь в водопроводной системе, устанавливается по таблицам или расчетами. Данные потери связаны с трением жидкости о поверхность труб, а также падением скорости в коленах и тройниках.

H своб – напор на создание рабочего давления в системе. Данное значение необходимо брать в диапазоне 15 – 30 м.

Расчет производительности и высоты подъема является основной задачей при выборе насосного оборудования. Первый параметр можно установить по нормам потребления на одного человека, при расчете напора суммируют длину вертикального участка, протяженность горизонтальной линии и давление в системе, переведенные в метры водного столба. Расчет мощности в этом случае не понадобится, она будет зависеть от производительности погружного электронасоса и высоты подъема жидкости.

Расчёт насоса для скважины - одно из основных условий при соблюдении, которого можно гарантировать длительное и бесперебойное использование скважины на участке. Произведя расчёт скважинного насоса, вы сможете соотнести ваши потребности в воде с условиями, в которых будет эксплуатироваться насосное оборудование. Только опираясь на результаты расчёта можно приобрести оптимальную модель насоса для скважины, которая не только удовлетворит все потребности, но и прослужит не один год.

Прежде чем непосредственно приступить к расчётам, необходимо детально разобрать все основополагающие факторы выбора скважинного насоса. И первое с чего мы начнем это сам источник воды.

Как известно, пробурить скважину можно либо самостоятельно, либо воспользовавшись услугами специалистов. В этой статье в качестве примера смоделируем ситуацию со вторым вариантом, а именно с готовой скважиной от специализированной организации. В этом случае у вас на руках уже имеется паспорт скважины с детальными характеристиками объекта. И первый параметр, который нас должен заинтересовать - это внешний диаметр обсадной колонны . Сегодня часто встречаются скважины, диаметр которых варьируется в пределах от 100 до 150 миллиметров. Вам необходимо знать точное значение диаметра скважинной трубы, ведь этот показатель позволит определить поперечный размер будущего насоса.

Важно Осуществляя подбор скважинного насоса по параметрам, помните, что между корпусом насоса и стенками скважины должен быть обеспечен зазор от 1 до 3 сантиметров в зависимости от модели. Пренебрежение данной рекомендацией приведёт к выходу из строя насосного оборудования ещё задолго до окончания гарантийного периода. Но не спешите радоваться - такой насос никто просто так менять не будет, ведь пользователь не обеспечил рекомендуемые условия эксплуатации, что полностью аннулирует все гарантийные обязательства со стороны производителя.

Следующей важной характеристикой скважины является её производительность или дебит . Дебит - это максимальное количество воды, которое может дать скважина в единицу времени. Соответственно, чем больше дебит источника, тем производительнее насос можно установить.

Сам же дебит имеет два важных значения - статический и динамический уровень жидкости. Статический показатель отображает уровень воды в скважине, когда не производится откачка жидкости. Динамический уровень определяет количество воды в источнике при эксплуатации насоса.

Если в ходе перекачивания воды динамический уровень остаётся неизменным, то смело можно утверждать, что производительность скважины равна производительности выбранного насоса. Если разница между статическим и динамическим уровнем составляет менее одного метра, то разрабатываемый источник воды обладает высокой производительностью, которая превышает характеристики установленного насосного оборудования. Но если при расчете мощности скважинного насоса будет допущена ошибка, и производительность выбранного насоса будет превышать дебит скважины, то динамический уровень жидкости будет постепенно уменьшаться, пока вода вовсе не иссякнет. В результате такого просчёта насос будет работать на «сухую», что пагубно скажется на его эксплуатационном периоде. Более того, все погружные скважинные насосы имеют особую моноблочную конструкцию, где охлаждение электрического двигателя осуществляется за счёт перекачиваемой жидкости, а в случае недостатка воды в скважине электромотор достаточно быстро нагреется и перегорит.

Расчёт производительности насоса для скважины

Осуществляя расчет производительности насоса для скважины, также стоит учитывать и естественные колебания жидкости, которые по тем или иным причинам могут влиять на уровень воды в скважине. Как показывает практика, в течение года, под действием таких метеорологических факторов как засуха, обильные ливни и паводки, уровень жидкости может увеличиваться или напротив уменьшаться от 1 до 5-6 метров в зависимости от интенсивности вышеперечисленных явлений. Насосы в таких скважинах необходимо устанавливать на несколько метров глубже, чем минимально возможный показатель динамического уровня жидкости. Таким образом, можно дополнительно подстраховать скважинное оборудование на случай возможного обмеления источника.

Разобрав основные характеристики скважины, можно приступать к выбору нужной модели насоса. Здесь нас будут интересовать эксплуатационные параметры оборудования, а именно:

  • Производительность - это способность скважинного насоса перекачивать определенный объём воды за установленный промежуток времени.

    На заметку Чтобы определить требуемый объём жидкости, можно воспользоваться усредненным значением, где в сутки один человек расходует примерно 1000 литров воды или один кубометр. Но не стоит забывать, что, как правило, в загородном доме несколько точек водоразбора. Это могут быть краны, смесители, стиральные и посудомоечные машины, ванные, душевые комнаты. И всегда есть вероятность их единовременного использования. Конечно же, не всех сразу (хотя такая вероятность также имеется), но нескольких - это уж точно. В общем, нам необходимо, чтобы насос, помимо среднего расхода, справлялся и с возможной пиковой нагрузкой.

  • Напор , если не вдаваться в подробности, то напор скважинного насоса - это показатель создаваемого давления, которое может обеспечить конкретно взятый насос при перекачивании определенного количества жидкости. Если у вас интересуются, какой напор требуется, то под этим подразумевают, какое давление необходимо обеспечить насосу, чтобы перекачать определенный объём жидкости от начальной точки всасывания до конечной точки водораспределения, при этом преодолев все гидравлические сопротивления водопроводной системы.

Расчёт напора скважинного насоса

Расчёт напора осуществляется по следующей формуле:

Напор = (расстояние от точки установки насоса в скважине до поверхности земли + горизонтальное расстояние от скважины до ближайшей точки водоразбора * + высота самой высокой точки водоразбора в доме) × коэффициент водопроводного сопротивления **

Если скважинный насос будет эксплуатироваться вместе с накопительным резервуаром, то к приведенной выше формуле расчёта напора необходимо добавить значение давления в накопительной ёмкости:

Напор = (расстояние от точки установки насоса в скважине до поверхности земли + горизонтальное расстояние от скважины до ближайшей точки водоразбора + высота самой высокой точки водоразбора в доме + давление в накопительной ёмкости ***) × коэффициент водопроводного сопротивления

Примечание * - при расчёте учтите, что 1 вертикальный метр равняется 10 горизонтальным;
** - коэффициент водопроводного сопротивления всегда равен 1.15;
*** - каждая атмосфера приравнивается к 10 вертикальным метрам.

Бытовая математика Для наглядности смоделируем ситуацию, в которой семье из четырёх человек необходимо подобрать насос для скважины глубиной 80 метров. Динамический уровень источника не опускается ниже 62 метров, то есть насос будет установлен на 60-ти метровой глубине. Расстояние от скважины до дома - 80 метров. Высота самой высокой точки водоразбора - 7 метров. В системе водоснабжения есть накопительный бак ёмкостью 300 литров, то есть для функционирования всей системы внутри гидроаккумулятора необходимо создать давление в 3,5 атмосфер. Считаем:

Напор=(60+80/10+3,5×10)×1,15=126,5 метров.

Какой насос нужен для скважины в данном случае? – отличным вариантом будет приобрести Grundfos SQ 3-105 , максимальное значение напора которого составляет 147 метров, при производительности 4,4 м³/ч.

В этом материале мы детально разобрали, как рассчитать насос для скважины. Надеемся, что после прочтения данной статьи вы сможете без посторонней помощи рассчитать и выбрать скважинный насос, который благодаря грамотному подходу прослужит не один год.