Как температура рабочей среды влияет на работу насосов

Температура рабочей среды – один из ключевых параметров, определяющих надежность и энергоэффективность насосных агрегатов. При изменении температуры меняются физические свойства жидкости, что оказывает прямое влияние на напорно-расходные характеристики и ресурс консольных центробежных поверхностных и погружных канализационных насосов. Изменение температуры перекачиваемой среды изменяет гидравлические параметры требуя корректировки рабочей точки. В данной статье мы рассмотрим немного подробнее, какое физическое влияние имеет температура на вязкость, плотность и такое явление, как кавитация.

При повышении температуры воды возрастает давление насыщенных паров, что критически снижает допустимый кавитационный запас системы. Если кавитационный запас системы опускается ниже требуемого показателя кавитационного запаса насоса, то на входе в рабочее колесо начинается интенсивное парообразование. Когда такая жидкость выносится в область повышенного давления, происходит конденсация пузырьков пара. В момент смыкания его объема происходит резкий точечный удар, достигая нескольких мегапаскалей. Данное явление приводит к падению напора насоса и эрозии рабочих колес.

Представьте: вы установили новый циркуляционный линейный насос FANCY FTD 250-50/4, запустили его и слышите треск, вибрацию, будто внутри корпуса насосной части насыпали мелкого гравия. Это явный признак кавитации. Простыми словами, кавитация это холодное закипание жидкости. Мы знаем, что вода кипит при +100 ⁰С, но физика на нашей планете такова,  что если резко понизить давление, то вода закипит и при +20 ⁰С. Чем выше температура, тем выше давление насыщенных паров: вода при +90 ⁰С закипает на входе в гидравлику гораздо легче чем холодная. Внутри насосной части FTD вращается со скоростью 1450 об/мин рабочее колесо.  Прямо перед ним, на всасывании, давление потока локально падает. Если изначальное давление в трубопроводе было слишком низким, оно падает ниже критической отметки. Жидкость начинает закипать при текущей температуре и образуется крошечный пузырек, заполненный паром. Попадая на лопасти в зону высокого давления, паровые пузырьки мгновенно конденсируются. Если рассмотреть это процесс поэтапно, то процесс выглядит следующим образом:

• Высокое давление со всех сторон начинает сжимать этот пузырек. Пар внутри него не может противостоять огромному натиску жидкости.
• Окружающая вода начинает со всех сторон ускоряться к центру пузырька и он теряет свою шарообразную форму.
• По мере уменьшения объема пузырька, скорость движения воды возрастает, так как вся масса жидкости устремляется в одну точку.
• Под действием такого сжатия верхняя стенка пузырька втягивается внутрь очень быстро, порождая микрострую, которая пробивает пузырек насквозь и ударяет о поверхность рабочего колеса. Пар внутри пузырька за микросекунды исчезает, возвращаясь в жидкое состояние.

Хотя пузырек пара микроскопический, процесс его исчезновения происходит так быстро, что создает эффект гидравлического удара. Когда таких пузырьков очень много и они сконцентрировались на поверхности рабочего колеса, то они буквально выгрызают куски металла, разрушая оборудование.

Чтобы понять как влияет плотность среды на работу насосного агрегата, нужно понимать, что происходит с давлением и гидравлической мощностью насоса. Снижение плотности уменьшает развиваемое массовое давление и полезную гидравлическую мощность. Полезная гидравлическая мощность – это энергия, которую насос передает потоку жидкости за единицу времени. Она вычисляется по формуле:

Где:

ρ – плотность жидкости (кг/м³);

g -ускорение свободного падения (м/с²);

Q – объемная подача (м³/с);

H – напор (м).

Если скорость вращения рабочего колеса и его геометрия остаются неизменными, то насос развивает один и тот же гидравлический напор в метрах водяного столба, независимо от того, перекачивает он гликоль, воду или бензин. Однако нужно заметить, что масса перекачиваемой в секунду жидкости напрямую зависит от ее плотности : m = ρ x Q.

Как вязкость влияет на работу насоса

Вязкость определяет внутреннее сопротивление жидкости ее перемещению. При повышении температуры вода становится менее вязкой, благодаря чему снижается гидравлическое сопротивление трубопроводов. Напротив, при охлаждении незамерзающих теплоносителей на основе гликоля вязкость значительно увеличивается. Это приводит к росту потерь на трение, увеличению нагрузки на электродвигатель и повышению энергопотребления насосного агрегата.

Поэтому при подборе оборудования для систем отопления и охлаждения необходимо учитывать не только производительность и напор, но и изменение вязкости рабочей среды во всем диапазоне рабочих температур

Влияние физических свойств жидкости на работу насосного оборудования

Температура изменяет сразу несколько физических характеристик рабочей среды. Каждая из них по-разному влияет на работу насосного агрегата: одни увеличивают нагрузку на электродвигатель, другие изменяют гидравлическую мощность, а третьи повышают вероятность возникновения кавитации. Для наглядности основные зависимости представлены в таблице.

Из представленных данных видно, что изменение температуры оказывает комплексное воздействие на работу насосного оборудования. Именно поэтому при проектировании систем водоснабжения, отопления, охлаждения и кондиционирования необходимо учитывать не один параметр жидкости, а совокупность ее физических свойств, влияющих на надежность и эффективность эксплуатации насосного агрегата.

Рекомендации по выбору насосного оборудования

Правильный выбор пары трения для торцевых уплотнений в зависимости от рабочей среды и температурных условий эксплуатации критически важен для герметичности насосного агрегата. В обычных условиях вода замерзает уже при 0 ⁰С, поэтому перекачивать ее при таких температурах физически невозможно. Перекачивать жидкость при температуре -10 ⁰С и ниже возможно именно тогда, когда в системе используются незамерзающие растворы: этиленгликоль, пропиленгликоль. При работе с гликолевыми смесями при такой температуре вступают в силу два важных фактора: влияние на механизмы насосной части и на вязкость рабочей среды. При низких температурах детали сжимаются из-за термической деформации, что может привести к заклиниванию насоса. Чтобы избежать этой проблемы, конструкторы изначально проектируют насос с увеличенными монтажными зазорами, подбирают специальные материалы и применяют морозостойкие эластомеры. Растворы гликоля при сильном охлаждении становятся менее текучими. Повышенная вязкость создает дополнительное сопротивление вращению рабочих колес. Поэтому рекомендуется выбирать насосы для таких систем не только со специальными уплотнениями, но и с более мощным двигателем, чтобы у него хватило вращающего момента прокрутить вязкую холодную жидкость. Для перекачивания подобных жидкостей в системах отопления и кондиционирования завод FANCY выпускает насосные агрегаты серии FTD. Эти циркуляционные насосы работают с жидкостями, температура которых варьируется от -10 °C до +120 °C. Для обеспечения герметизации вала применяются сбалансированные кольцевые уплотнения, оборудованные пружинным механизмом поджатием колец. В качестве материалов пары трения используются композиционные материалы на основе графита/карбида кремния или карбида кремния/карбида кремния, а также эластомеров Viton или EPDM, обладающих высокой термостойкостью и химической устойчивостью.

Температурный режим рабочей среды оказывает комплексное влияние на функционирование оборудования. Понимание физико-химических процессов, происходящих внутри гидравлической части и торцевого уплотнения, позволяет правильно подобрать комплектацию и минимизировать риск преждевременных отказов насоса.