4.6. Регулирование насосов и вентиляторов

4.6.1. Методы регулирования

В практике эксплуатации нагнетателей возникает необходимость периодического изменения (увеличения или уменьшения) объема подаваемой жидкости (газа), т.е. изменения производительности системы и соответственно давления. Такой процесс называется регулированием, которое может быть плавным и ступенчатым. Если регулирование производится за счет изменения характеристики сети, то оно называется количественным, если за счет изменения характеристики нагнетателя – качественным. Однако не все применяемые ныне методы можно однозначно отнести к одной из этих групп. В некоторых случаях изменяются обе характеристики.

Рассмотрим основные современные методы регулирования.

1. Регулирование дросселированием

Сущность метода заключается в том, что регулирование производится за счет изменения степени открытия регулирующего органа (задвижки, вентиля, крана, дросселя-клапана, шибера и т.д.). Процесс регулирования изображен на рис. 4.38, из которого видно, что в результате дросселирования уменьшается расход (L₂<L₁), мощность (N₂<N₁), давление может возрасти (Р₂>Р₁) или уменьшиться (Р'₂<Р₁). Гидравлическое сопротивление сети возрастает (К₂>К₁). При дросселировании только часть давления ΔР_С расходуется в основной сети. Значительная часть давления (порой свыше 50%) теряется в дросселе (ΔР_ДР). Следовательно, общие потери давления

. (4.22)

Потери давления в сети можно найти по зависимости

. (4.23)

Рис.4.38. Регулирование дросселированием

Эффективность дросселирования во многом зависит от типа нагнетателя и может быть оценена с помощью дроссельной кривой, графически изображающей снижение мощности при дросселировании.

Из сказанного следует, что регулирование дросселированием энергетически невыгодно. Кроме того, оно может явиться причиной помпажа. Однако, вследствие простоты, возможности плавного автоматического регулирования до недавнего времени в практике отечественных систем обеспечения микроклимата этот метод был доминирующим.

Пример 4.14.

Характеристика вентилятора задана точками

P, Па	600	630	600	550	450
L м^3/ч	6000	6500	8000	9000	11000
N, кВт	1,4	1,52	1,65	1,71	1,75

Характеристика сети: ΔР=5·10^-6L².

С помощью дросселирования производительность системы уменьшена до 78% от первоначальной. Определить мощность, потребляемую до и после дросселирования, уменьшение затрат мощности, новую характеристику сети и потери энергии в дросселе.

Найдем первоначальную рабочую точку. Для этого построим характеристику вентилятора и сети (рис. 4.39). Исходные параметры системы: L₁=10000 м³/ч, Р₁=500 Па, N₁=1,74 кВт.

Рис.4.39.Пример регулирования дросселированием

Производительность после дросселирования:

L₂=0,78L₁=0,78·10000=7800 м³/ч.

Проведем линию L₂=const до пересечения с характеристикой вентилятора и найдем точку 2. P₂=600 Па, N₂=1,63 кВт. Точка А характеризует потери давления в сети ΔP_С=ΔP_А=5∙10^-6·7800²=

304 Па. Потери давления в дросселе ΔP = P₂ – P_A = 600 –304 = 296 Па.

Экономия мощности ΔN = N₂ – N_A = 1,74 – 1,63 = 0,11 кВт или 6%.

Новая характеристика сети .

2. Регулирование с помощью байпаса

В этом случае часть жидкости циркулирует по обводной линии (байпасу) (рис. 4.40). Затраты на перекачку этой части жидкости являются бесполезными. И вследствие неэкономичности данный метод для регулирования лопастных нагнетателей не рекомендуется.

Рис.4.40. Схема регулирования байпасом: а, б - регулирующие

устройства

3. Регулирование изменением частоты вращения колеса нагнетателя

При изменении частоты вращения параметры нагнетателя изменяются по закону L ~ n, P ~ n², N ~ n³.

При уменьшении частоты вращения с n₁ до n₂ (рис. 4.41) получим L₂<L₁, P₂<P₁, N₂<N₁.

Рис. 4.41. Регулирование изменением частоты вращения

Хотя при практической реализации этого способа и возникают некоторые потери энергии, он является самым экономичным способом регулирования.

Пример 4.15.

Для случая, рассмотренного в примере 4.14, уменьшить производительность с помощью изменения частоты вращения:

; ;

кВт.

Экономия мощности 0,91 кВт, или 52,6%. При регулировании дросселированием уменьшение мощности было 6% (см. пример 4.14).

Существует два варианта изменения частоты вращения колеса нагнетателя.

Регулирование с постоянной частотой вращения вала электродвигателя. Изменение частоты вращения нагнетателя производится с помощью специальных муфт (гидравлических или электромагнитных). Еще один способ: применение ременного вариатора скоростей, но эти методы усложняют конструкцию нагнетателей и снижают КПД установки. Поэтому широкого применения в практике они не нашли.

Регулирование с переменной частотой вала электродвигателя. Электродвигатели с переменной частотой вращения (постоянного тока, многоскоростные с переменным числом работающих пар полюсов) дороги и сложны в эксплуатации. Поэтому насосы и вентиляторы комплектуются обычно наиболее простым типом двигателей: асинхронными с короткозамкнутым ротором. Изменение частоты их вращения может быть произведено путем изменения частоты электрического тока (так называемая инверторная технология). Часть насосов и вентиляторов выпускается со встроенным трех-, четырех-, пятипозиционными регуляторами, а некоторые и с плавными регуляторами. Принцип инверторной технологии может быть применен и для нагнетателей, неимеющих встроенных заводских регуляторов частоты тока путем подключения к двигателю специальных преобразователей.

Недостатком этой технологии является высокая стоимость регуляторов и некоторое снижение КПД двигателя.

4. Регулирование производительности вентиляторов с помощью направляющих аппаратов

Регулирование вентиляторов может производиться с помощью направляющих аппаратов, которые устанавливаются непосредственно перед вентилятором (рис. 4.42).

Направляющий аппарат представляет из себя систему поворотных лопаток. При изменении угла поворота лопаток изменяется угол входа воздуха в колесо, увеличивается коэффициент закручивания φ₁, что ведет к уменьшению теоретического давления (см. формулу Эйлера(2.6)). Кроме того, возникают дополнительные потери энергии в колесе. В итоге характеристика вентилятора изменяется (рис.4.43). Этот метод менее экономичен, чем регулирование частотой вращения, но экономичнее дросселирования.

Экономичность регулирования направляющим аппаратом зависит от конструкции вентилятора. В частности, для радиальных вентиляторов метод наиболее эффективен для конструкций с лопатками, загнутыми вперед. Достоинства данного метода: простота, возможность плавного автоматического регулирования. Но применяться он может в том случае, если вентилятор выпускается комплектно с направляющим аппаратом.

Рис. 4.42.Примеры конструкций направляющих аппаратов:а-аппарат осевой:б-упрощенный радиальный аппарат А.Г. Бычкова

Рис. 4.43. Регулирование направляющим аппаратом

5. Регулирование углом поворота лопаток колеса

Некоторые типы крупных осевых вентиляторов имеют автоматически поворачивающиеся лопатки, что позволяет изменять характеристику (рис. 4.44). Достоинство – возможность плавного регулирования. Недостаток – уменьшение коэффициента полезного действия. Поэтому этот метод по экономичности уступает плавному регулированию по инверторной технологии.

Рис.4.44. Влияние угла поворота лопаток на аэродинамические

характеристики вентилятора ВО-21 ВК(м):А1, А2-харак-

теристики вентиляционной сети

6. Другие способы регулирования

Периодическая остановка нагнетателя. Метод очень прост, но применим, если это допускает технология процесса.

Параллельная работа нескольких нагнетателей. Здесь регулирование производится за счет изменения числа работающих машин. Регулирование будет ступенчатым, и целесообразность такого способа требует тщательной проверки. Экономичность метода существенно увеличивается при применении нагнетателей со встроенными регуляторами скоростей. Тогда регулирование может быть приближено к плавному. Некоторые фирмы выпускают сдвоенные насосы в одном корпусе (рис. 4.45). При этом возможна работа как двух насосов одновременно (параллельно), так и одного. Наличие регулятора скоростей создает многоступенчатое регулирование. Пример характеристики такой конструкции производства фирмы Wilo приведен на рис. 4.46.

Рис.4.45. Схема сдвоенного насоса

Рис. 4.46. Характеристика сдвоенного насоса

Жирными линиями обозначены индивидуальные характеристики (при трех вариантах частот вращения), пунктиром – совместные характеристики (максимальная – 1, средняя – 2, минимальная – 3). Такие конструкции находят применение в системах отопления, позволяя приблизить регулирование теплоотдачи нагревательных приборов к оптимальному в условиях, когда температура подаваемой воды также регулируется.

Комбинированный метод (одновременное применение дросселирования и изменения частоты вращения) (рис. 4.47). Он позволяет обеспечить плавное регулирование нагнетателей со ступенчатыми регуляторами (см. также раздел 4.6.2).

Рис. 4.47. Схема комбинированного регулирования:1,2 – характеристики сети; А₁ – первоначальная рабочая точка;А₂ – рабочая точка после

регулирования; ΔР₂ – уменьшение давления нагнетателя

Из сказанного следует, что выбор метода регулирования зависит от конструкции оборудования и системы обеспечения микроклимата. Но, в свою очередь, выбор системы и оборудования должен производиться с учетом возможности регулирования в процессе эксплуатации.

В конечном счете, оптимальный метод регулирования нагнетателей может быть найден на основе технико- экономического сравнения выбора всей системы поддержания микроклимата в помещении.