Состав и подбор элементов обвязки насоса в системах холодоснабжения

0
753

Насосная станция — это обязательный элемент системы холодоснабжения, который отвечает за циркуляцию холодоносителя в контуре. Обязательным условием работоспособности системы является наличие элементов обвязки насоса, без которых эксплуатация системы будет невозможна или не продолжительна.

В статье рассматриваются основные устройства и изделия обвязки насосов циркуляции жидкости и определяются способы их подбора для его эффективной и безопасной работы в системе холодоснабжения.

Рисунок 1. Общий вид обвязки и дополнительного оборудования насоса

Какие элементы входят в обвязку насоса

В обвязку насоса входят следующие элементы:

  • Циркуляционный насос,
  • Расширительный бак,
  • Обратный клапан,
  • Затвор (краны, задвижки),
  • Фильтр,
  • Виброкомпенсатор,
  • Предохранительный клапан,
  • Шкаф управления.

Циркуляционный насос

Циркуляционный насос обеспечивает перекачку охлаждающей жидкости в контуре циркуляции с требуемым напором и производительностью (рисунок 2). В обычном случае это самовсасывающий насос центробежного типа с рабочей частью из нержавеющей стали. Попадая в центр насоса жидкость, вращается вместе с рабочим колесом и за счет кинетической энергии выталкивается к выходному патрубку с необходимыми характеристиками.

Основные параметры для подбора насоса – требуемый напор и расход. Алгоритм и пример подбора см. по ссылке.

Рисунок 2. Циркуляционный насос

Расширительный бак

Устройство для компенсации объема циркуляционной жидкости при изменениях температуры называют расширительным баком (рисунок 3).

Рисунок 3. Расширительный бак

Для чего нужен расширительный бак

В процессе работы системы холодоснабжения происходит изменение объема рабочей среды связанное с температурным расширением и сжатием жидкости.

Для предотвращения выхода из строя элементов системы устанавливается расширительный бак. Основным элементом данного устройства является мембрана разделяющая полость бака на две части, в результате чего образуются две камеры жидкостная и газовая (воздушная). В одной закачан инертный газ (азот) в другую поступает рабочая среда из системы циркуляции. Внутри воздушного отсека установлен клапан для стравливания газа в момент сильного повышения давления.

При нагреве рабочая среда расширяется, происходит повышение давления в системе циркуляции, в этот момент установленная мембрана растягивается, уменьшая объем газового (воздушного) пространства в баке. При снижении температуры жидкости объем в системе уменьшается, а находящееся в баке среда выталкивается в систему.

Пример расчета и подбора расширительного бака

Один из основных параметров для подбора расширительного бака является его объем, который рассчитывается в зависимости от используемой жидкости циркуляции. В данном примере выполним подбор расширительного бака для воды.

Исходные данные:

  • Внутренний объем контура рабочей среды – 1050 л,
  • Максимальная температура рабочей среды – 40 0С (температура окружающего воздуха в момент заполнения системы),
  • Минимальная температура рабочей среды – 4 0С,
  • Гидростатическое давление в точке подключения бака – 0,5 бар,
  • Высота системы – 30 м.,
  • Расширительный бак планируется установить над системой в верхней точке, принимаем статическую высоту 3 м.
  • Установленное давление срабатывания предохранительного клапана – 3,0 бар.

Пример расчета и подбора:

  1. Определяем коэффициент температурного расширения n для воды по таблице 1 равный 0,78.

 

Температура

минмакс, 0С

n – коэффициент расширения при температуре 0C
Вода Вода +10% гликоля Вода +20% гликоля Вода +30% гликоля Вода +40% гликоля Вода +50% гликоля
4–5 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,04
4–10 0,03 0,08 0,13 0,19 0,23 0,26
4–15 0,09 0,16 0,26 0,36 0,44 0,49
4–20 0,18 0,27 0,41 0,55 0,66 0,74
4–25 0,29 0,39 0,57 0,75 0,89 0,99
4–30 0,43 0,54 0,75 0,97 1,13 1,25
4–35 0,59 0,70 0,95 1,19 1,39 1,53
4–40 0,78 0,88 1,16 1,44 1,65 1,81
4–45 0,98 1,08 1,38 1,69 1,93 2,10
4–50 1,19 1,30 1,62 1,95 2,21 2,40
4–55 1,43 1,53 1,88 2,23 2,51 2,70
4–60 1,68 1,78 2,15 2,52 2,81 3,02
4–65 1,94 2,05 2,43 2,82 3,12 3,34
4–70 2,22 2,33 2,73 3,13 3,44 3,66
4–75 2,51 2,62 3,04 3,45 3,77 3,99
4–80 2,82 2,93 3,36 3,79 4,10 4,33
4–85 3,14 3,26 3,69 4,13 4,45 4,67
4–90 3,47 3,60 4,04 4,48 4,80 5,01
4–95 3,81 3,95 4,40 4,84 5,15 5,36
4–100 4,16 4,31 4,76 5,21 5,52 5,72
4–105 4,53 4,68 5,14 5,59 5,88 6,07

Таблица 1. Коэффициент температурного расширения

  1. Объем расширения рассчитываем по формуле

Vр= Vc ‧n = 1050 ‧ 0,78 = 8,19 л., где

Vc объем контура рабочей среды.

  1. Для компенсации потерь объема жидкости в системе, необходим запас рабочей среды в объеме 0,5% от общего, но не менее 6 литров:

\[ V_з=\frac{(V_c\cdot0,5)}{100}=\frac{(1050\cdot0,5)}{100}=5,25 л. \]

, принимаем Vз=6 л.

  1. Исходное давление расширительного бака определяем следующим образом:

Ри= Рст + Рд = (3/10)+0,2=0,5 бар, где

Рст  давление воздействия статической высоты системы, от места установки расширительного бака до самой верхней точки. При размещении бака над системой циркуляции жидкости высота принимается не более 3 м.

Рд допуск для обеспечения требуемого избыточного давления в системе, принимается 0,2 бар.

  1. Максимальное давление Рмакс в системе в месте установки бака

Рмакс= Ркл — 10%(Ркл)=3,0 – 0,3 = 2,7 бар, где

Ркл – установленное давление предохранительного клапана.

  1. Эффективность определяется по формуле (закон Бойля–Мариотта)

    \[ \eta=\frac{(P_{макс}+1)-(P_{и}+1)}{(P_{макс}+1)}=\frac{(2,7+1)-(0,5+1)}{2,7+1}=0,594 \]

  2. Необходимый объем расширительного бака с учетом расширения рабочей среды

    \[ V_б=\frac{V_р+V_з}{\eta}=\frac{8,19+5,25}{0,594}=22,62 л. \]

  3. Выбираем ближайшую модель расширительный бак NG марки Reflex с объемом 25 л. (рисунок 4) и осуществляем проверку выбора.
Рисунок 4. Каталог мембранных баков марки Reflex
  1. Определяем допуск объема бака для заполнения системы при стандартных условиях
    20 0С

    \[ V_д=\frac{V_c\cdot n}{100}=\frac{1050\cdot0,18}{100}=1,89л. \]

  2. Минимально допустимое давление при заполнении системы

    \[ P_{мин}=\frac{V_б\cdot(P_и+1)}{(V_б-V_д-V_р)}=\frac{25\cdot(1,5+1)}{(25-1,89-5,25)}-1=2,49 бар (\geqslant P_и+0,3) \]

  3. Максимальное допустимое давление при заполнении системы

    \[ P_{макс}=\frac{V_б\cdot(P_и+1)}{[V_б\cdot\frac{P_и+1}{P_{макс}+1}+\Delta V_б]}-1= \frac{25\cdot(1,5+1)}{[25\cdot\frac{1,5+1}{2,7+1}+(8,19-1,89)]}-1\approx1,69бар \]

Минимальное условие разницы давлений между Рмин и Рмакс должно составить 0,25 кгс/см2, в нашем случае Рминмакс=2,49-1,69=0,8 кгс/см2, условие выполняется.

В случае невыполнения необходимой разницы давлений, подбирается бак с другими характеристиками и проверочный расчет повторяется.

Обратный клапан

Устройство, предохраняющее систему циркуляции от изменения направления жидкости, называют обратным клапаном (рисунок 5).

Рисунок 5. Обратный клапан поворотного типа

 

Для чего нужен обратный клапан

В системе циркуляции охлаждающая жидкость перемещается при помощи насоса и течет в одном направлении только во время работы насоса. При остановке насоса происходит замедление потока, а жидкость, находящаяся на верхних точках трубопроводной системы начинает движение в обратном направлении. Для предотвращения реверсивного потока предусмотрен обратный клапан, который устанавливается на выходе из насоса.

При перекачке рабочая среда давит на запирающий элемент, открывая его и обеспечивая проход жидкости в систему. В случае отсутствия перекачки запирающий элемент возвращается к уплотнениям под действием силы тяжести или пружины перекрывая поток.

Пример подбора обратного клапана

Для циркуляции жидкости в централизованных системах холодоснабжения набольшее распространения получили обратные клапаны поворотного типа. Такие устройства имеют минимальные гидравлические сопротивления и открываются при небольшом изменении давления, а наличие ревизионного люка дает возможность проведения ревизии без демонтажа клапана в процессе эксплуатации.

Для выбора обратного клапана приведем пример необходимых исходных данных:

  • Тип крепления – фланцевый,
  • Максимальное давление в системе 12 кгс/см2,
  • Проходное сечение присоединяемых трубопроводов 50 мм.,
  • Материал – сталь нержавеющая,
  • Рабочая среда – вода.

Подбор выполним на примере оборудования от «Благовещенского арматурного завода» (таблица 2 и 3).

 

Таблица 2 – Характеристики обратных клапанов производства «БАЗ»
Таблица 3 – Присоединительные размеры обратных клапанов производства «БАЗ»

Выбираем модель «19нж76нж» с необходимыми характеристиками:

  • Давление 16 кгс/см2 – превышает давление в системе и создает запас прочности,
  • Проходное сечение 50 мм. – соответствует сечению присоединяемых трубопроводов,
  • Материал – 12Х18Н9ТЛ является нержавеющей сталью,
  • Рабочая среда – вода, соответствует рабочей жидкости в системе.

Следует обратить внимание, что такой тип клапана устанавливается только горизонтально.

Затворы (краны, задвижки)

Затвор дисковый – трубопроводная арматура у которой запирающий элемент выполнен в форме диска, вращающийся вокруг оси (рисунок 6).

Рисунок 6. Затвор дисковый

Для чего нужен затвор дисковый

В системах холодоснабжения для перекрытия потоков жидкости широкое распространение получили дисковые затворы, благодаря их преимуществу перед задвижками – меньшие габаритные размеры, они легче и дешевле. В дисковых затворах  перекрытие потока происходит за счет перемещения затвора в форме диска.

Затворы такого типа относят к запорно-регулирующей арматуре. Вращением рукоятки таких устройств можно менять объем проходящей жидкости или полностью останавливать поток.  Устанавливают такие устройства на входе и выходе из каждого насоса или гидромодуля, с учетом что положение затвора может быть вертикальными и горизонтальным с любым направлением потока рабочей среды.

Подбор дискового затвора

Исходные данные:

  • Тип крепления – межфланцевый,
  • Максимальное давление в системе 3 бар,
  • Проходное сечение присоединяемых трубопроводов 50 мм.,
  • Температура перекачивания жидкости от 4 до 40 0С,
  • Материал – сталь нержавеющая,
  • Класс герметичности – А по ГОСТ 9544-2015,
  • Рабочая среда – вода.

Алгоритм подбора дискового затвора:

Перед выбором укажем, что диаметр затвора принимается равным проходному сечению трубопровода.

Учитывая исходные данные, рассмотрим каталог марки Danfoss (рисунок 7). Ближайшая модель по давлению и подходящая по условному проходу VFY 065В7410.

Рисунок 7. Каталог дисковых затворов Danfoss

Дополнительное преимущество дисковых затворов и данной модели заключается в возможности регулирования расхода жидкости, который можно настроить в зависимости от поворота рукоятки затвора (рисунок 8).

Рисунок 8. Диаграмма пропускной способности дисковых затворов Danfoss

Фильтр

Фильтр сетчатый  – элемент трубопроводной обвязки, задерживающий загрязнения в рабочей среде (рисунок 9).

Рисунок 9. Фильтр сетчатый

Для чего нужен фильтр

Для предотвращения попадания загрязнений в элементы системы, применяется сетчатый фильтр для грубой очистки охлаждающей жидкости.

Очистка происходит за счет прохождения рабочей среды через установленную в корпусе фильтра сетки. В зависимости от типа и диаметра ячеек, фильтр может задерживать частицы от 50 до 500 мкм.

Для определения засорения сетки устанавливаются манометры до и после фильтра

Монтаж фильтра выполняют перед насосом с учетом движения рабочей среды, которое должно совпадать с направлением стрелки, указанной на корпусе. Дренажное отверстие направляется вниз для полного опорожнения фильтра при обслуживании или ремонте.

Особенно важным является точный выбор фильтрующего элемента, от которого зависит корректность работы насоса с соответствующей производительностью.

Пример подбора фильтра

Сетчатые фильтры подбирают по проходному сечению, давлению трубопровода и требуемой пропускной способности.

Исходные данные:

  • Тип крепления – фланцевый,
  • Максимальное давление в системе 3 бар,
  • Проходное сечение присоединяемых трубопроводов 50 мм.,
  • Температура перекачивания жидкости от 4 до 40 0С,
  • Материал – сталь нержавеющая,
  • Производительность насоса – 25м3/час,
  • Рабочая среда – вода.

Алгоритм подбора фильтра:

Для выбора сетчатого фильтра обратимся к каталогу марки Danfoss (рисунок 10), данный производитель предлагает два типа моделей FVF на давление 16 бар и 25 бар,  в нашем случае система рассчитана на давление 3 бар, поэтому выбираем ближайшую с запасом прочности по давлению (16 бар) модель FVF 065B7745.  Данный выбор удовлетворяет условиям исходных данных.

Рисунок 10. Каталог дисковых затворов Danfoss

При высоком перепаде давления на фильтре циркуляционный насос будет работать со  сниженной производительностью и напором, а в некоторых случаях будет останавливаться по защите датчика сухого хода.

При расчете и подборе фильтра для насоса требуется учитывать сопротивления чистого фильтра определяемого по формуле:

\[ \Delta P=(\frac{G}{K_{\nu s}})^2=(\frac{25}{54})^2\approx0,2 \]

бар, где

G – расчетный расход жидкости в м3/ч,

Кvs  – условная пропускная способность фильтра в м3/ч.

Виброкомпенсатор

Виброкомпенсатор (гибкая вставка) трубопроводный  – устройство компенсации любых перемещений в трубопроводной обвязке (рисунок 11).

Рисунок 11. Виброкомпенсатор

Для чего нужен виброкомпенсатор

При работе насоса возникают вибрации и шум, для снижения которых устанавливается виброкомпенсатор. Это устройство состоит из фланцев и гибкого (резинового) сильфона, который за счет своей эластичности принимает необходимые изменения в системе.

Виброкомпенсаторы монтируют на входном и выходном трубопроводах обвязки насоса, на расстоянии не менее 1–1,5 номинальных диаметров компенсатора.

Немаловажным преимуществом такого элемента является возможность уменьшения осевых смещений и сдвигов присоединяемых трубопроводов, а также поглощение гидравлических ударов.

Пример подбора виброкомпенастора

Исходные данные:

  • Давление в системе 3 бар,
  • Проходное сечение присоединяемых трубопроводов 50 мм.,
  • Температура рабочей среды – от 4 до 12 0С,
  • Ответные фланцы по ГОСТ 33259-2015 тип 11,
  • Скорость рабочей среды 5 м/с,
  • Рабочая среда – вода, соответствует рабочей жидкости в системе.

Алгоритм подбора виброкомпенастора:

Для выбора виброкомпенсатора обратимся к каталогам марки Tecofi (рисунок 12), в нашем случае скорость рабочей среды менее 10 м/с, при таком значении рекомендуется устанавливать конструкцию гибких вставок без стяжных шпилек.

Рисунок 12. Технический паспорт компенсатора

Выбираем  виброкомпенсатор DI7240N-0050 с расчетным давлением 10 бар, превышающим максимальное рабочее давление в устанавливаемой системе и проходным сечением 50 мм.

Стоит отметить, что для успешного монтажа компенсатора требуется точное совпадение размеров ответных фланцев трубопроводов, в случае отсутствия таких данных можно приобрести виброкомпенсатор с ответными фланцами под приварку и смонтировать их на объекте.

Предохранительный клапан

Предохранительный клапан (защитный клапан) – устройство для защиты от повреждения и разрушения элементов гидравлической системы от превышения избыточного давления (рисунок 13).

Рисунок 13. Защитный клапан

Для чего нужен предохранительный клапан

В случае превышения давления в системе выше установленного открывается защитный клапан и сбрасывает избыток давления во внешнюю среду, предотвращая разрушение элементов циркуляционного контура.

Основной причиной повышения давления являются гидравлические удары. Они могут возникнуть при остановке насосов или быстром перекрытии задвижек, что в последствии прекращает перемещение жидкости от насоса, которая начинает двигаться в обратном направлении и происходит удар перед обратным клапаном или задвижкой.

В корпусе клапана установлено запирающее устройство – затвор, которое прижимается пружиной к проходу жидкости. При нормальном давлении в системе клапан закрыт, в случае превышения давления пружина отжимается поднимая затвор и открывая доступ жидкости к выходу из клапана.

Такое устройство рекомендуется устанавливать на линии в расширительный бак (рисунок 1).

Пример подбора предохранительного клапана

Исходные данные:

  • Тип крепления – фланцевый,
  • Максимальное давление в системе 3,0 бар,
  • Проходное сечение присоединяемых трубопроводов 50 мм.,
  • Материал – сталь нержавеющая,
  • Рабочая среда – вода.

Алгоритм подбора предохранительного клапана:

В системах циркуляции холодоносителя используется упрощенная схема выбора предохранительного клапана основанная на требуемом давлении открытия, которое рассчитывается исходя из следующих условий:

  • При давлении в системе до Рс≤2,5 бар – открытие клапана Рс+15%,
  • При давлении в системе до Рс≥2,5 бар – открытие клапана Рс+10%.

Используя исходные данные, находим требуемое давление настройки клапана

Рн=3,0+0,3= 3,3 бар.

Поиск подходящей модели в каталоге марки Valtec привел к выбору клапана VT.0490 с давлением полного открытия 3,3 бар (Рисунок 12).

Рисунок 14. Каталог предохранительных клапанов Valtec

Манометры

Манометр – это прибор для измерения избыточного давления в системе или устройствах (рисунок 15).

Рисунок 15. Манометр

Для чего нужен манометр

Давление в системе – один из основных параметров, необходимых для работы системы циркуляции, для измерения, которого устанавливаются манометры.

Механический манометр показывает давление благодаря чувствительному элементу, соединенному со стрелкой. Измеряемое давление поступает через штуцер, под действием которого пружина чувствительного элемента разжимается и перемещаясь двигает стрелку указания давления.

Для каждого насоса следует предусматривать по три манометра:

  1. до фильтра
  2. после фильтра до насоса
  3. после насоса

По первому и второму манометру (до и после фильтра) определяют его степень загрязненности. По второму и третьему манометру определяют развиваемый насосом напор. Всё вместе дает объективную гидравлическую картину системы холодоснабжения.

Дополнительно в системе могут устанавливаться преобразователи давления передающие показания в шкаф управления насосом (контроллер) или системы холодоснабжения.

 

Пример подбора манометра

Исходные данные:

  • максимальное давление в системе 3 кгс/см2,
  • рабочая среда – вода,
  • место установки – на выходе из насоса.

При выборе манометра следует озвучить основные критерии подбора:

  • диапазон измерения выбираем, чтобы рабочее давление находилось в 2/3 шкалы измерения,
  • класс точности для систем циркуляции выбираем не выше 1,5 (чем ниже, тем точнее),
  • диаметр манометра должен позволять размещаться в выбранном месте и хорошо просматриваться.
Рисунок 16. Каталог производителя манометров

Для выбора манометра используем каталог производителя ОАО «Манотомь» (рисунок 16), и выбираем подходящий манометр МПЗ-У с рабочим диапазоном от 0 до 4 кгс/см2, классом точности 1,5 и диаметром корпуса 100мм.

Шкаф управления

Шкаф управления насосами – это блок управления, защиты и оповещения о состоянии работы насосами (рисунок 17).

Для чего нужен шкаф управления

Для циркуляции жидкости с требуемыми параметрами используется шкаф управления насосом, который во многих случаях комплектуется частотным преобразователем, устройством плавного пуска и силовыми соединениями. Такое устройство позволяет запускать, останавливать насосы в ручном и автоматическом режиме. Входящие в состав защитные устройства предохраняют насос от работы без перекачиваемой среды или аварийных параметров электрической сети.

Рисунок 17. Шкаф управления насосом

Критерии выбора шкафа управления

В большинстве случаев можно выделить основные задачи шкафа управления:

  • Регулирование и контроль работы электродвигателя насоса,
  • Отслеживание параметров – давления в системе, температуры подшипников и среды.

Близость расположения циркуляционных насосов позволяет использовать один шкаф для управления всеми насосами гидравлического модуля.

Сложность подбора комплектующих изделий заключается в необходимости первичного проектирования системы управления, в этом случае оптимальным вариантом является сборка и комплектация шкафа на производстве.

При составлении технического задания для изготовителя требуется сообщить критерии системы:

  • Количество подключаемых насосов,
  • Какие защиты требуются (перегрузки, короткое замыкание, отсутствие перекачиваемой, среды, давления в системе, температура узлов),
  • Способ запуска (автоматический, ручной, плавный, прямой),
  • Наличие частотного регулирования электродвигателя,
  • Мощность электродвигателей,
  • Напряжение сети,
  • Требования к интеграции в автоматизированную систему холодоснабжения,
  • Требования к месту установки и взрывозащите.

Заключение

В статье рассмотрены вопросы правильного выбора элементов обвязки насосов для систем холодоснабжения. Использование изложенной методики позволит не только повысить надежность и долговечность системы, но и удобство ее эксплуатации.

 

 

Ведущий инженер по насосному оборудованию
Голдобин Александр Сергеевич

Предыдущая статьяНазваны победители конкурса IT Академии Samsung. «Умный увлажнитель» получил приз от зрителей
Следующая статьяСхемы кондиционирования серверной

Решение года