57
Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki pompowej

Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

  • Upload
    others

  • View
    15

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

Podstawy techniki pompowejElementarz techniki pompowej

Page 2: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

Podstawy techniki pompowejElementarz techniki pompowej

Page 3: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

S P I S T R E Ś C I

Podstawy techniki pompowej 5

Historia techniki pompowej 7

Zaopatrzenie w wodę 7

Odprowadzenie ścieków 8

Technika grzewcza 9

Systemy pompowe 12

Otwarty układ pompowania wody 12

Zamknięty system grzewczy 13

Woda – nośnik ciepła 15

Ciepło właściwe 15

Zwiększanie i zmniejszanie objętości 16

Wrzenie 17

Rozszerzalność wody grzewczej i zabezpieczenie przed powstaniem nadciśnienia 18

Ciśnienie 19

Charakterystyka pomp wirowych 21

Wysokość ssania i kawitacja 21

Pobór mocy i sprawność 23

Działanie pomp wirowych 25

Wirniki 25

Pompy bezdławnicowe (mokrobieżne) 26

Pompy dławnicowe (suchobieżne) 28

Pompy wirowe wysokociśnieniowe 31

Charakterystyki 33

Charakterystyki pomp 33

Charakterystyki instalacji 34

Punkt pracy 34

Dobór pomp w zależności od zapotrzebowania na ciepło 37

Wpływ pogody 37

Regulacja wydajności pracy pompy 38

Rodzaje regulacji 39

Przybliżone obliczanie pompy do standardowej instalacji grzewczej 43

Wydajność pompy 43

Wysokość podnoszenia pompy 43

Przykłady zastosowania 44

Wpływ przybliżonego doboru pompy na działanie instalacji 45

Oprogramowanie projektowe 45

Przykład doboru pompy obiegowej do instalacji c.o. za pomocą programu Wilo-Select 3 46

Praca kilku pomp 50

Page 4: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 5: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

5Podręcznik techniki pompowej

W technice budowlanej pompy odgrywają bardzo dużą rolę i są stosowane w różnych instalacjach. Najbardziej znana jest obiegowa pompa grzewcza i właśnie ona będzie tematem naszych dalszych rozważań.

W urządzeniach do zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków stosowane są pompy:

• w instalacjach do podnoszenia ciśnienia koniecznych zawsze tam, gdzie ciśnienie wody w sieci miejskiej nie wystarcza do zaopatrzenia budynku w wodę,

• jako cyrkulacyjne pompy w instalacjach c.w.u. zapew-niające to, aby w każdym punkcie poboru była zawsze dostępna ciepła woda,

• do pompowania wody brudnej tam, gdzie ścieki lub fekalia gromadzą się poniżej poziomu cofki,

• w fontannach lub akwariach, • do gaszenia pożarów, • do wody ciepłej i zimnej, • do wykorzystania deszczówki w toaletach, pralkach, do

prac porządkowych i nawadniania, • i do wielu innych celów.

Podstawy techniki pompowej Pompy tłoczą media zimne i ciepłe, czyste i brudne, przy czym proces pompowania powinien być przyjazny dla środowiska i przebiegać z najwyższą sprawnością.

Należy pamiętać o tym, że różne media mają różną lepkość (np. fekalia i roztwór wody z  glikolem). Należy też przestrzegać lokalnych norm oraz wytycznych i stosować pompy specjalne (np. w wykonaniu przeciwwybuchowym, do wody pitnej). Celem niniejszej broszury jest dostarczenie czytelnikom kształcącym się w zakresie techniki pompowej, podstawowych informacji w tej dziedzinie. Jasny i prosty opis, wraz z rysunkami i przykładami, powinien być wystarczającą podstawą do praktycznej działalności oraz prawidłowego doboru pomp (zgodnego z przeznaczeniem).

Page 6: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 7: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

7Podręcznik techniki pompowej

Historia techniki pompowej Zaopatrzenie w wodę

Myśląc o pompie człowiek zdaje sobie sprawę z tego, że już w pradawnych czasach jego przodkowie szukali środków technicznych do podnoszenia cieczy, a w szczególności wody na wyższy poziom. Celem miało być zarówno nawadnianie pól, jak i napełnianie rowów obronnych wokół miast i zamków.

Najprostszym czerpakiem wody jest dłoń, a jeszcze lepszym dwie dłonie. I tak nasi prehistoryczni przodkowie wpadli szybko na pomysł nadawania naczyniom glinianym kształtu niecki. Następnie wiele takich naczyń zawieszono na łańcuchu lub umocowano na kole. Te dawne urządzenia czerpalne były wprawiane w ruch za pomocą mięśni ludzkich lub zwierzęcych. Archeolodzy znaleźli takie konstrukcje datowane na ok. 1000 lat p.n.e. zarówno w Egipcie, jak i w Chinach.

Na poniższym rysunku pokazano rekonstrukcję chińskiego koła czerpalnego. Jest to koło z umocowanymi na nim glinianymi naczyniami, z których w punkcie szczytowym wylewa się woda.

W tym przypadku zachodzi podobieństwo do dzisiejszych pomp wirowych. Opisana dalej charakterystyka pomp wykazuje taką samą zależność pomiędzy jej wysokością podnoszenia i wydajnością. Z różnych historycznych źródeł wynika, że takie pompy śrubowe pracowały przy nachyleniach 37° – 45° i wysokościach podnoszenia od 2 m do 6 m oraz maksymalnej wydajności 10 m3/h.

Patrz rozdział "Wirniki", strona 22

Rekonstrukcja śruby Archimedesa

Rekonstrukcja kołowego urządzenia pompowego Jacoba Leupolda

Archimedes (287 - 212 p.n.e.), największy matematyk i naukowiec starożytności opisał ok. roku 250 p.n.e. tzw. śrubę Archimedesa. W wyniku obrotu śruby/ślimaka w rurze woda jest podnoszona do góry. W rzeczywistości, ponieważ nie znano jeszcze dobrych uszczelnień, zawsze pewna jej ilość spływała z powrotem. W ten sposób wykryto zależność pomiędzy nachyleniem śruby, a tłoczonym strumieniem i można było wybierać pomiędzy większą wydajnością i większą wysokością podnoszenia. Im bardziej śruba jest stroma, tym większa jest wysokość podnoszenia i mniejsza wydajność urządzenia.

Rekonstrukcja chińskiego koła czerpalnego

Kierunek przepływu

Genialnym rozwinięciem w/w idei był dokonany w roku 1724 przez Jacoba Leupolda (1674 - 1727) wynalazek polegający na wygięciu rury w kształt koła. Obrót koła powodował podniesienie wody do poziomu jego osi, przy czym woda płynąca w rzece była jednocześnie napędem tego urządzenia. Szczególnie uderzający w tej konstrukcji jest kształt wygiętej rury, który bardzo przypomina współczesne wirniki pomp wirowych.

ślimak

napęd

tłoczona woda

Page 8: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

8 Podręcznik techniki pompowej

Odprowadzanie ścieków

O ile zaopatrzenie w wodę stało się dla ludzkości problemem życiowym, to problem odprowadzania ścieków dopiero później, i to wiele za późno, stał się tak samo ważny. Wszędzie tam, gdzie powstały osiedla i miasta, ścieki, brudy i odchody zanieczyszczały łąki, ulice i drogi, powodując nieprzyjemne zapachy, choroby i epidemie oraz zanieczyszczały wody gruntowe.

Pierwsze kanały ściekowe zostały wybudowane 3000 - 2000 lat p.n.e. Pod pałacem Minosa w Knossos na Krecie znaleziono murowane kanały i rury z terakoty odbierające deszczówkę i ścieki. Rzymianie także budowali w swoich miastach kanały ściekowe pod ulicami – najbardziej znany to Cloaca Maxima w Rzymie odprowadzający ścieki do Tybru (również w Kolonii nad Renem znajdują się resztki podziemnych kanałów z czasów rzymskich).

Ponieważ w zakresie utylizacji ścieków przez stulecia nie poczyniono żadnego postępu, to aż do ostatniego stulecia nieoczyszczone wody spływały do potoków, rzek, jezior i mórz. Wraz z uprzemysłowieniem i coraz bardziej rozrastającymi się miastami zaistniała potrzeba uporządkowania gospodarki ściekowej.

Pierwszy niemiecki centralny system kanalizacji i oczyszczania ścieków powstał dopiero w roku 1856 w Hamburgu. Natomiast do lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku uruchomiono wiele domowych instalacji ściekowych z osadnikami. Dopiero regulacje ustawowe i lokalne przepisy wymusiły przyłączenie tych instalacji do sieci kanalizacyjnej.

Dzisiaj ścieki domowe są prawie wszędzie odprowadzane do publicznej sieci kanalizacyjnej, a tam, gdzie nie jest to możliwe stosowane są rurociągi tłoczne i kanalizacja ciśnieniowa.

Ścieki przemysłowe i domowe są odprowadzane za pomocą rozgałęzionej sieci kanalizacyjnej. W oczyszczalniach ścieków są one oczyszczane biologicznie i chemicznie, a  następnie są wprowadzane ponownie w naturalny obieg wodny.

W omawianych urządzeniach stosowane są różne pompy i systemy pompowe, jak np.:

• instalacje tłoczne,

• pompy zatapialne,

• stacje pompowe w studzienkach (z i bez urządzeń rozdrabniających)

• pompy odwadniające,

• pompy mieszające itd.

Page 9: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

9Podręcznik techniki pompowej

Technika grzewcza HypokaustumW Niemczech znaleziono resztki urządzeń grzewczych pochodzących z czasów rzymskich, tzw. Hypokaustum. Jest to wczesna forma ogrzewania podłogowego, w którym spaliny z  otwartego paleniska kierowane były pod posadzkę. Ochładzane spaliny napływały przez kanał grzewczy umieszczony w ścianie.

W późniejszych latach w zamkach i pałacach budowano kominki, z podobnie nachylonymi paleniskami, z których gorące spaliny przepływały przez przewody prowadzone wokół pomieszczeń - i to była pierwsza forma centralnego ogrzewania. Wynaleziono również sposób podziału strumienia spalin na poszczególne obiegi wykorzystując do tego celu murowane komory w piwnicy grzewczej. Ogień ogrzewał równocześnie świeże powietrze, które można było następnie doprowadzić do pomieszczeń mieszkalnych.

Ogrzewanie parowe Wraz z upowszechnianiem się maszyny parowej w drugiej połowie XVIII wieku rozwijało się także ogrzewanie parowe. Para wodna częściowo rozprężona w maszynie parowej doprowadzana była do biur i mieszkań. Powstał też pomysł wykorzystania resztkowej energii ogrzewania parowego do napędzania turbiny.

Układ ogrzewania grawitacyjnego z kotłem, naczyniem wzbiorczym i grzejnikiem

Ogrzewanie grawitacyjne Następną fazą rozwoju techniki grzewczej było ogrzewanie grawitacyjne. Z doświadczenia wynikało, że do uzyskania temperatury pokojowej równej 20°C trzeba podgrzać wodę tylko do ok. 90°C, a więc poniżej punktu wrzenia. Gorąca woda unosiła się ku górze w rurociągach o dużej średnicy i po oddaniu części swojego ciepła (ochłodzeniu) pod działaniem siły ciężkości wracała do kotła.

Rekonstrukcja Hypokaustum z czasów rzymskich

ściana zewnętrzna kanał grzewczy w ścianie

ściana wewnętrznaposadzka

filary nośne posadzki

palenisko

piwnica grzewcza

rynna z wodą do usuwania popiołu

Page 10: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

10 Podręcznik techniki pompowej

Przepływ wody w ogrzewaniu jest skutkiem różnicy jej ciężarów właściwych.

Duża bezwładność takich obiegów grawitacyjnych była na początku naszego stulecia przyczyną powstania pomysłu, tzw.  przyspieszaczy obiegu.

W tym okresie nie stosowano silników elektrycznych, gdyż ze względu na otwarte uzwojenia wirników mogły one, w obecności wody stanowić poważne zagrożenie.

Schemat ogrzewania grawitacyjnego

W kolanie rurociągu zabudowano wirnik pompy w postaci śmigła napędzanego silnikiem elektrycznym poprzez uszczelniony wał.

W tamtym okresie taki przyspieszacz obiegu nie był jeszcze nazwany pompą, ponieważ pojęcie to, jak wcześniej wspomniano, wiązano z podnoszeniem wody na wyższy poziom.

Te przyspieszacze obiegu były produkowane do ok. roku 1955 i dzięki nim można było stale obniżać temperaturę wody grzewczej w układzie.

Dzisiaj mamy wiele systemów grzewczych, z których najnowocześniejsze mogą pracować przy bardzo niskiej temperaturze wody. Bez pompy obiegowej, a więc bez serca tego układu, stosowanie tych technik grzewczych nie byłoby możliwe.

Pierwsza pompa obiegowaDopiero, gdy niemiecki inżynier Gottlieb Bauknecht wynalazł zamknięty silnik elektryczny, można było go zastosować do przyspieszacza obiegu. Inżynier Wilhelm Opländer, przyjaciel  Bauknechta, opracował taką konstrukcję i opatentował ją w roku 1929.

Pierwsza obiegowa pompa do  układu grzewczego, tzw.  pompa kolanowa, rok  budowy 1929, typu HP,DN 67/0,25 kW

powrót TR=70°Codpowiada G=9,58 N

zasilanie TV=90°Codpowiada G=9,46 N

Page 11: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

11Podręcznik techniki pompowej

H I S T O R I A T E C H N I K I P O M P O W E J

Do ok. 1519 n.e. średniowiecze

Ogrzewanie dwururowe

Do ok. 465 n.e. Cesarstwo Rzymskie

XIX wiek, rewolucja przemysłowa

XX wiek, czasy nowożytne

Ogrzewanie płaszczyznowesufitowe/ścienne

Na początku był ogień

Rzymskie Hypokaustum

Ogrzewanie piecowe Ogrzewanie grawitacyjne

Przyspieszacz obieguWilhelma Opländera, 1929

Ogrzewanie jednorurowe

Ogrzewanie kominkowe

Ogrzewanie gorącympowietrzem w siedzibachwładców

Ogrzewanie parowe

Ogrzewanie podłogowe

Rozwój układów grzewczych

system TichelmannaWodne ogrzewanie pompowe

Page 12: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

12 Podręcznik techniki pompowej

Systemy pompowe

Instalacja pompowa do tłoczenia wody na wyższy poziom

Otwarty układ pompowania wody

Otwarty układ pompowania wodyNa schemacie przedstawiono składowe elementy systemu pompowego, tłoczącego ciecz z  niskopołożonego zbiornika dopływowego do  wyżej położonego zbiornika. Pompa tłoczy wodę na żądaną wysokość.

W tej instalacji nie wystarcza dopasowanie wysokości podnoszenia pompy do geodezyjnej wysokości położenia, gdyż w ostatnim punkcie poboru wody, np. w prysznicu na najwyższym piętrze budynku musi być jeszcze wystarczająco wysokie ciśnienie hydrauliczne (na wypływie). Uwzględnić trzeba także straty ciśnienia przy przepływie wody przez przewód tłoczny.

Wysokość podnoszenia pompy = geodezyjna wysokość położenia + ciśnienie hydrauliczne + straty ciśnienia w rurociągach

Aby można było wykonać niezbędne prace konserwacyjne, konieczne jest odcięcie poszczególnych odcinków rurociągu za pomocą zaworów.

W szczególności odnosi się to do pomp, gdyż w przeciwnym wypadku, przed naprawą lub wymianą pompy, trzeba spuścić duże ilości wody z przewodów.

Poza tym w nisko położonych zbiornikach dopływowych i w zbiornikach górnych należy przewidzieć zawory pływakowe lub inne elementy regulacyjne, zabezpieczające zbiorniki przed przelaniem.

Ponadto na przewodzie tłocznym można, w dogodnym miejscu zamontować wyłącznik ciśnieniowy, który wyłącza pompę w przypadku, gdy nie ma poboru wody.

Zawórpływakowy

Zawórpływakowy

Zbiornik dopływowy

geodezyjna wysokość

podnoszenia Przewód tłoczny

Zbiornik górny

Pompa

Zawór

Page 13: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

13Podręcznik techniki pompowej

Układ obiegowy na przykładzie instalacji grzewczej

Zamknięty system grzewczy

Na schemacie przedstawiono różnice pomiędzy instalacją grzewczą, a układem pompowania wody.

Podczas gdy w przypadku tłoczenia wody występuje układ otwarty ze swobodnym wypływem (np. przez zawór wodny), to instalacja grzewcza jest układem zamkniętym.

Zasadę jego działania można jeszcze łatwiej zrozumieć, gdy wyobrażamy sobie, że woda grzewcza jest po prostu utrzymywana w ruchu, tj. tylko cyrkuluje.

W instalacji grzewczej można wyróżnić następujące elementy składowe: • źródło ciepła, • układ przesyłania i rozdziału ciepła, • zamknięte naczynie wzbiorcze do utrzymywania

ciśnienia i jego regulacji, • odbiorniki ciepła, • urządzenia regulacyjne, • zawór bezpieczeństwa.

Wytwornicę ciepła stanowi kocioł grzewczy opalany m.in. gazem, olejem lub paliwem stałym lub przepływowy podgrzewacz wody. Do przepływowych podgrzewaczy wody zalicza się także elektryczne podgrzewacze pojemnościowe z centralnym podgrzewaniem c.w.u., węzły cieplne i pompy ciepła.

Układ przesyłu i rozdziału ciepła obejmuje wszystkie przewody rurowe, rozdzielacze i  kolektory oraz oczywiście pompę obiegową. Wysokość podnoszenia pompy w instalacji grzewczej zależy tylko od całkowitych oporów przepływu. Nie uwzględnia się wysokości budynku, ponieważ woda tłoczona przez pompę do przewodu tłocznego powraca do kotła.

Zamknięte naczynie wzbiorcze zapewnia kompensację zmieniającej się, w zależności od temperatury roboczej, objętości wody w instalacji grzewczej. Ponadto stabilizuje ono ciśnienie w instalacji.

Odbiorniki ciepła to elementy grzewcze w ogrzewanych pomieszczeniach (grzejniki, konwektory, ogrzewania powierzchniowe itp.). Ciepło przepływa z ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej tym intensywniej, im większa jest różnica temperatury. Zjawisko to może odbywać się trzema sposobami, a mianowicie przez:

• przewodzenie, • konwekcję, tzn. ruch powietrza, • promieniowanie.

Bez dobrego układu regulacji nie można już dzisiaj rozwiązać żadnego problemu technicznego. A więc zrozumiałe jest, że urządzenia regulacyjne znajdują się w każdej instalacji grzewczej. W najprostszej postaci są to zawory termostatyczne utrzymujące stałą temperaturę w pomieszczeniach. Ale skomplikowane regulatory mechaniczne, elektryczne i elektroniczne są obecnie stosowane także i w kotłach, zaworach trójdrogowych i oczywiście w pompach.

Uwaga:Nie uwzględnia się wysokości budynku, ponieważ woda tłoczona przez pompę do przewodu tłocznego powraca do kotła.

Zamknięty układ grzewczy

Odbiornik ciepła

Powrót

Przeponowe naczynie wzbiorcze

Zasilanie

Odpowietrzenie

Pompa

Urządzenie regulacyjne

Page 14: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 15: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

15Podręcznik techniki pompowej

Woda - nośnik ciepła W instalacjach centralnego ogrzewania woda jest używana do transportu ciepła ze  źródła do odbiornika. Najważniejsze właściwości wody to: • ciepło właściwe, • rozszerzalność objętościowa zarówno przy podgrzewaniu,

jak i ochładzaniu, • zmiana gęstości przy zwiększaniu i zmniejszaniu objętości, • wrzenie pod ciśnieniem zewnętrznym, • przepływ pod wpływem siły ciężkości.

Ważną właściwością każdego nośnika ciepła jest jego ciepło właściwe. Jest to wielkość zależna od masy i różnicy temperatury.

Oznacza się ją przez c, a jednostką jest kJ/ (kg • K)

Ciepło właściwe to ilość ciepła potrzebna do podniesienia lub obniżenia temperatury o 1K 1 kg substancji (np. wody).

Średnie ciepło właściwe wody w zakresie temperatury 0°C, a 100°C wynosi:

c = 4.19 kJ/(kg • K) lub c = 1.16 Wh/(kg • K)

Ilość doprowadzanego lub odprowadzanego ciepła Q, w J lub kJ to iloczyn masy m w kg, ciepła właściwego c i różnicy temperatury ∆t w K.

Jest to np. różnica temperatury na zasileniu i  powrocie układu grzewczego. Wzór do obliczania ilości ciepła ma postać:

Q= m • c •∆t

m= V • ρ

V = objętość wody w m3 ρ = gęstość wody w kg/m3

Masa m to iloczyn strumienia objętości V w m3 i  gęstości wody ρ w kg/m3. A zatem wzór ten można także napisać w postaci:

Q = V • ρ • c (tv - tr)

Gęstość wody zmienia się w zależności od jej temperatury. W rozważaniach energetycznych przyjmuje się, że w zakresie temperatury 4°C - 90°C gęstość wody w  uproszczeniu wynosi ρ = 1 kg/dm3. Fizyczne jednostki miary energii, pracy i  ciepła są takie same.

Do przeliczania J na inne dozwolone jednostki służy wzór:

1J = 1 Nm = 1 Ws lub 1 MJ = 0.278 kWh

Uwaga:Ciepło właściwe to ilość ciepłapotrzebna do podniesienia lub obniżenia temperatury 1 kg substancji (np. wody) o 1K

Ciepło właściwe

t = Thetar = Rho

Page 16: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

16 Podręcznik techniki pompowej

Większość substancji na Ziemi rozszerza się w  czasie ogrzewania i kurczy w czasie ochładzania. Jedyną substancją odbiegającą od tej zasady jest woda. Właściwość ta nazywa się anomalną rozszerzalnością cieplną wody.

Woda ma największą gęstość w temperaturze +4°C, a mianowicie: 1 dm3 = 1 l = 1 kg.

1,0016

1,0012

1,0008

1,0004

1,00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 T [C°]

[ml]

Zmiana objętości wody w czasie ogrzewania/ochładzania.Największa gęstość w 4°C: ρmax = 1000 kg/m3

Zmiana objętości wody

Zwiększanie i zmniejszanie objętości

Także, gdy woda zostanie schłodzona do temperatury niższej niż +4°C, to jej objętość wzrasta. Tej anomalii wody zawdzięczamy to, że  w zimie zamarza powierzchnia rzek i jezior. Dlatego tafle lodowe pływają na wodzie i  wiosenne słońce może je roztopić. Nie  nastąpiłoby to, gdyby lód miał większy ciężar właściwy i spoczywał na dnie.

Ta szczególna właściwość wody jest przyczyną także pewnych zagrożeń, a mianowicie silniki samochodowe i przewody wodne pękają na  skutek zamarzania wody i zwiększenia jej objętości. Aby temu zapobiec dodaje się do wody środki przeciw zamarzaniu. W układach grzewczych stosuje się, np. wodne roztwory glikoli, lub glikole. Ich stężenie określa producent.

Jeżeli począwszy od tej temperatury woda będzie ogrzewana lub ochładzana, to jej gęstość będzie coraz mniejsza, a więc mniejszy będzie też jej ciężar właściwy.

Dobrą ilustracją tego zjawiska jest pojemnik z  przelewem, w którym znajduje się dokładnie 1,000 cm3 wody o temperaturze +4°C. Gdy woda jest ogrzewana, jej część wylewa się przez przelew do cylindra miarowego. Gdy woda ma 90°C w cylindrze znajduje się dokładnie 35,95 cm3 wody, co odpowiada masie 34,7 g.

10 cm

4 °C 90 °C

10 c

m

1000 cm3 = 1 l 1000 cm3 = 1 lIlość przelanej wody 35,95 cm3 = 34,7 g

Obj

ętoś

ć 1g

wod

y

W sześcianie o pojemności 1000 cm3 znajduje się 1000 g wody o temperaturze +4°C

1000 cm3 wody o temperaturze 90°C waży 965,3 g

W czasie ogrzewania lub ochładzania wody jej gęstość jest coraz mniejsza, a więc mniejszy jest też jej ciężar właściwy, a objętość wzrasta.

Page 17: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

17Podręcznik techniki pompowej

Wrzenie

Jeżeli woda jest ogrzewana powyżej 90°C, to w otwartym naczyniu wrze ona w temperaturze 100 °C. Temperatura wrzenia pozostaje stała, aż do odparowania całej ilości wody. A więc do całkowitego odparowania wody, czyli do zmiany stanu skupienia, konieczny jest stały dopływ ciepła. Ciepło konieczne do zmiany stanu skupienia nazywane jest ciepłem parowania utajonym. Przy dalszym podgrzewaniu temperatura pary wodnej zaczyna rosnąć.

Warunkiem opisanego wyżej przebiegu jest to, że  na powierzchni lustra wody panuje ciśnienie normalne (NN) równe 1013 hPa. Zmiana tego ciśnienia powoduje przesunięcie punktu wrzenia.

Powtórzenie opisanego doświadczenia na wysokości 3000 m n.p.m., np. na Zugspitze wykazuje, że woda wrze tam w temperaturze 90°C. Przyczyną tego jest spadek ciśnienia powietrza wraz ze wzrostem wysokości położenia n.p.m.

Im niższe ciśnienie panuje na powierzchni lustra wody, tym niższa jest temperatura wrzenia i na odwrót. Zasada ta znalazła zastosowanie np. w szybkowarach.

Zmiany stanu skupienia w zależności od temperatury

stan stały

stan stały i ciekły ciecz

ciecz i para

Ciepło przemiany (utajone)

para

ilość ciepła

Na poniższym rysunku wyraźnie widać, że  temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia.

Układy grzewcze pracują przy zamierzonym nadciśnieniu, a więc w stanach krytycznych nie tworzą się bańki pary. Nadciśnienie zapobiega także przedostawaniu się powietrza zewnętrznego do wody.

Punkt wrzenia wody w zależności od ciśnienia

ciśnienie

Page 18: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

18 Podręcznik techniki pompowej

90 °C

34,7 g

Instalacja grzewcza z zaworem bezpieczeństwa

Zawór bezpieczeństwa musi otwierać się przy nadciśnieniu i odprowadzać przyrost objętości wody, którego nie może przejąć zamknięte naczynie wzbiorcze. Jednak w prawidłowo zaprojektowanej i konserwowanej instalacji takie zjawisko nie powinno w ogóle wystąpić.

W dotychczasowych rozważaniach pominięto fakt, że pompa obiegowa powoduje także przyrost ciśnienia.

Należy bardzo starannie dobrać pompę, wielkość naczynia wzbiorczego i nastawy zaworu bezpieczeństwa do maksymalnej temperatury wody grzewczej. Kierowanie się tylko np. ceną przy doborze poszczególnych elementów instalacji jest niedopuszczalne.

Naczynie wzbiorcze jest napełnione azotem, którego ciśnienie musi być dopasowane do ciśnienia w instalacji grzewczej. Woda grzewcza napływa do naczynia wzbiorczego i poprzez przeponę działa na poduszkę gazową. Gazy są  ściśliwe, a ciecze nie.

Kompensacja zmiennej objętości wody w  instalacji grzewczej:

W wodnych obiegach grzewczych temperatura zasilania wynosi 90°C. Zwykle obiegi napełniane są wodą o temperaturze 15°C, a następnie jest ona podgrzewana. W czasie podgrzewania, a więc i zmiany objętości, nie można dopuścić do powstania nadciśnienia lub wypływu wody.

Rozszerzalność wody grzewczej i zabezpieczenie przed powstaniem nadciśnienia

1000 cm3 = 1 l

W lecie, gdy ogrzewanie jest wyłączone, woda powraca do swojej poprzedniej objętości. Należy więc w instalacji uwzględnić odpowiednio duży zbiornik przejmujący przyrost objętości wody, tzw.  naczynie wzbiorcze. W starych instalacjach naczynia takie znajdowały się zawsze nad jej najwyższym punktem. Podczas wzrostu temperatury, a więc zwiększania się objętości, woda wypełniała to naczynie, a podczas spadku temperatury wypływała z niego.

W dzisiejszych instalacjach grzewczych stosuje się zamknięte przeponowe naczynia wzbiorcze (MAG).

W przypadku wzrostu ciśnienia w instalacji musi się mieć pewność, że nie zostanie przekroczone ciśnienie dopuszczalne wynikające z  wytrzyma-łości rur i innych elementów instalacji. Dlatego przepisy wymagają, aby instalacja grzewcza była wyposażona w zawór bezpieczeństwa.

Powrót

Przeponowe naczynie wzbiorcze

Zasilanie

Odpowietrzenie

Pompa

Urządzenie regulacyjne

Odbiornik ciepła

azot

Zamknięte naczynie wzbiorcze po zamontowaniu

Zamknięte naczynienapełnione/zimne

Zamknięte naczynie wzbiorcze przy max temperaturze zasilania

Ciśnienie wstępne 1.0/1.5 bar

Zapas wody pod ciśnieniem wstępnym +0.5 bar

Ilość wody = zapas wody + przyrost objętości wody

azot

1

2

3

Page 19: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

19Podręcznik techniki pompowej

Definicja ciśnienia Ciśnienie - ciśnienie statyczne gazów lub cieczy w zbiornikach ciśnieniowych zmierzone w stosunku do ciśnienia atmosferycznego (Pa, mbar, bar).

Ciśnienie spoczynkowe Ciśnienie statyczne przy braku przepływu medium. Ciśnienie spoczynkowe = wysokość napełnienia ponad punkt pomiaru + ciśnienie wstępne w zamkniętym naczyniu wzbiorczym

Ciśnienie hydrauliczneCiśnienie dynamiczne przy przepływie medium. Ciśnienie hydrauliczne = ciśnienie dynamiczne – strata ciśnienia.

Ciśnienie tłoczeniaCiśnienie w króćcu tłocznym pompy wirowej wytwarzane w czasie jej pracy. Wartość tego ciśnienia może być, w zależności od instalacji, inna niż różnica ciśnienia.

Ciśnienie pompy (różnica ciśnienia) Ciśnienie wytworzone przez pompę wirową konieczne do pokonania wszystkich oporów instalacji mierzone pomiędzy króćcem ssawnym, a tłocznym pompy. Na skutek spadku ciśnienia tłoczenia spowodowanego stratami w rurociągach, armaturze i odbiornikach w każdym punkcie instalacji panuje inne ciśnienie robocze.

Ciśnienie robocze Ciśnienie, które panuje lub powstaje w czasie pracy instalacji lub części instalacji.

Dopuszczalne ciśnienie robocze Najwyższe, dozwolone ze względów bezpieczeństwa, ciśnienie robocze.

Ciśnienie w instalacji

ciśnienie wyższe od roboczego

ciśnienie niższe od roboczego

ciśnienie hydrauliczne(ciśnienie dynamiczne)

ciśnienie przepływu (ciśnienie dynamiczne)

ciśnienie spoczynkowe(ciśnienie statyczne)

ciśnienie atmosferyczne 1013 hPa

(normalne)

w instalacjach grzewczych w atmosferze

erozja, hałasy, pękniecia

dodatnia różnica ciśnienia

kawitacja, hałas, prasowanie

zero absolutne

ujemna różnica ciśnienia

(+) nadciśnienie

(-) podciśnienie (ciśnienie na ssaniu)

Ciśnienie

Page 20: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 21: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

21Podręcznik techniki pompowej

Charakterystyka pomp wirowychW ciepłownictwie, ogrzewnictwie, klimatyzacji i technice sanitarnej powszechnie stosowane są pompy wirowe. Można je podzielić w  zależności od konstrukcji pomp oraz rodzaju przemian energetycznych w nich zachodzących.

Wysokość ssania i kawitacja

Przyczyną zdolności zasysania pomp jest ciśnienie działające na lustro cieczy w zbiorniku na ssaniu pompy. W zbiornikach otwartych jest to ciśnienie atmosferyczne. Jego średnia wartość na wysokości poziomu morza wynosi pb = 101320 N/m2 (= 1,0132 bar) i odpowiada ciśnieniu słupa wody o wysokości 10,33 m w temp. 4° C. Zgodnie z tym, normalne ciśnienie powietrza powinno zapewnić pompie możliwość zassania wody z głębokości ok. 10 m. Rzeczywista osiągalna, geodezyjna wysokość zasysania HS geo jest jednak znacznie mniejsza, ponieważ:• pompa nie wytwarza idealnej próżni, • w rurociągu ssawnym występują starty ciśnienia na

skutek tarcia i zmian prędkości przepływu.

W praktyce, ze względów technicznych, maksymalna wysokość zasysania hs wynosi 7-8 m. Wartość ta składa się z różnicy wysokości pomiędzy najniżej położonym lustrem wody a króćcem ssawnym i wysokości strat ciśnienia na oporach przewodów, pompy i armatury.

Pompy można podzielić na samozasysające i normalnie zasysające. Konstrukcja pomp normalnie zasysających nie pozwala im na odprowadzenie powietrza z przewodu ssawnego, w wyniku czego przed każdym uruchomieniem wymagane jest zalanie wirnika pomp wraz z przewodem ssawnym. Konstrukcja pomp samozasysających, poprzez zastosowanie dyfuzora, pozwala na odpowietrzenie przewodu ssawnego. Tego rodzaju pompy wymagają zalania wyłącznie przy pierwszym uruchomieniu.

W celu zabezpieczenia pompy przed pracą na sucho zaleca się montaż zaworu stopowego na przewodzie ssawnym.

dobrze źle

Zazwyczaj z jednego końca rurociągu podciśnienie wytwarza pompa, a z drugiego – na powierzchnię cieczy działa ciśnienie atmosferyczne. Mówi się wówczas, iż pompa pracuje ze ssaniem, co oznacza że poziom wody w zbiorniku zasilającym znajduje się poniżej króćca ssawnego pompy.

Warunek instalacyjny:Przewód ssawny powinien być ułożony wznosząco w kierunku króćca ssawnego pompy. Ponadto przewód powinien być możliwie krótki (dłuższy przewód = większe straty) oraz pozbawiony lewarów. Zalecane jest również instalowanie zaworów stopowych na przewodzie ssawnym zabezpieczającym przewód przed odpływem wody do zbiornika.

minimalny poziom zasysania

Page 22: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

22 Podręcznik techniki pompowej

NPSHWażną wielkością dla pompy wirnikowej jest wartość NPSH (Net Positive Suction Head). Podaje ona minimalne ciśnienie na dopływie do pompy, jakiego wymaga ten typ pompy, aby móc pracować bez kawitacji, tzn. dodatkowe ciśnienie, jakie jest wymagane, aby zapobiec parowaniu cieczy i utrzymać ją w stanie ciekłym. Wartość NPSH podawane jest przez producenta pomp i przedstawiana jest na jej charakterystyce .

Na wartość NPSH ze strony pompy wpływ ma kształt wirnika i prędkość obrotowa pompy, a ze strony otoczenia temperatura medium, wysokość słupa cieczy nad wlotem pompy oraz ciśnienie atmosferyczne. Rozróżnia się dwie wartości NPSH:

1. NPSH pompy = NPSH wymaganeOkreśla ciśnienie dopływu, jakie jest wymagane, aby uniknąć kawitacji. Jako ciśnienie dopływu rozumiane jest również zatopienie (w przypadku pomp zatapialnych różnica wysokości pomiędzy dopływem do pompy a poziomem wody w studzience/zbiorniku).

2. NPSH instalacji = NPSH obecnePodaje, jakie ciśnienie obecne jest na dopływie pompy.

NPSHinstal >NPSHpompy lub NPSHobec.>NPSHwymag.

W przypadku pomp w ustawieniu mokrym wartość NPSH instalacji obliczana jest poprzez zsumowanie ciśnienia atmosferycznego, wysokości słupa cieczy nad wlotem pompy minus ciśnienie parowania medium. W ustawieniu suchym odejmuje się dodatkowo straty wysokości ciśnienia w rurociągu ssawnym .

H[m]

Q [m3/h]

NPSH

charakterystyka pompy

KawitacjaWłaściwy dobór pompy obejmuje także wyeliminowanie możliwości powstania zjawiska kawitacji. Kawitację należy uwzględnić szczególnie w systemach otwartych (np. wieże chłodnicze) oraz także przy bardzo wysokich temperaturach i niskich ciśnieniach w instalacji. Zjawisko kawitacji, skomplikowane w swojej naturze, polega na tworzeniu się pęcherzyków mieszaniny powietrza i pary w obszarze, w którym ciśnienie bezwzględne spada poniżej ciśnienia parowania cieczy (np. wskutek oporów). Pęcherzyki pary porywane są przez przepływającą ciecz a zderzenie z powierzchnią ścianki lub wirnika pompy prowadzi do implodowania pęcherzyków.

Procesowi kawitacji towarzyszy wiele zjawisk pochodnych, jak efekty energetyczne, akustyczne, wibracyjne, mechaniczne i termodynamiczne. Powoduje to spadek mocy (wysokości podnoszenia), nierównomierność pracy, spadek sprawności, emisję dźwięków i zniszczenie materiału (we wnętrzu pompy). W przypadku ponownego wzrostu ciśnienia, powyżej ciśnienia parowania cieczy, pęcherzyki zanikają.

Jeżeli ciśnienie w instalacji na dopływie pompy (ciśnienie statyczne) spada poniżej potrzebnej dla pompy wartości naddatku antykawitacyjnego NPSH, to należy przynajmniej zapewnić równość tych wartości. W celu zapobiegania kawitacji należy:

• podwyższyć ciśnienie statyczne (zmienić usytuowanie pompy)

• obniżyć temperaturę przetłaczanej cieczy (redukcja ciśnienia pary nasyconej) - dobrać pompę o mniejszej wartości NPSH.

Podciśnienie NadciśnienieNadciśnienie

PodciśnieniePodciśnienie Nadciśnienie

Page 23: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

23Podręcznik techniki pompowej

Charakterystyka pompy i jej sprawność

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

Pobór mocy i sprawność pompy

Moc pompySilnik elektryczny napędza wał pompy, na którym jest osadzony wirnik. Elektryczna energia napędu jest przetwarzana w pompie na wzrost ciśnienia i przepływ, tj. na energię hydrauliczną. Pobór energii realizowany przez napęd silnika nazywany jest mocą pobieraną i oznaczany symbolem P1. Jest to niezbędny parametr wykorzystywany przy obliczeniach kosztów eksploatacyjnych. Pobór mocy elektrycznej P1 podawany jest gdy pompa i silnik napędowy tworzą jeden zamknięty zespół, jak ma to miejsce w pompach bezdławnicowych. W tym przypadku podawane są zazwyczaj obie te wartości P1 i P2 na tabliczce znamionowej. W agregatach pompowych, gdy wał pompy i silnik połączone są sprzęgłem, a wiec w pompach dławnicowych, podawana jest wartość zapotrzebowania na moc na wale pompy P2. Podawanie dwóch wartość P1 oraz P2 jest niezbędne, ponieważ do pomp można zamontować różne wersje silników – zaczynając od silników standardowych IEC po silniki specjalne – o różnych wartościach poboru mocy i różnych współczynnikach sprawności.

Sprawność pompy Sprawność każdej maszyny definiuje się jako stosunek sprawności mocy oddawanej do mocy pobieranej i oznacza grecką literą η (eta). Ponieważ nie istnieje napęd bez strat, wartość η jest zawsze <1 (100%). W przypadku pomp obiegowych całkowita sprawność ηPcałk stanowi iloczyn sprawności silnika ηM oraz sprawności hydraulicznej ηP i obliczana jest wzorem:

ηPcałk = ηM · ηP

Ponieważ współczynnik sprawności i pobór mocy są ze sobą ściśle związane, to ze względu na koszty eksploatacji powinniśmy dobrać znamionowy punkt pracy pompy przy najwyższej sprawności.

Ogólnie zakres najlepszego współczynnika sprawności pompy znajduje się w środkowej tercji charakterystyki pompy. Punkty pracy pomp leżące w pierwszej lub ostatniej tercji oznaczają zawsze pracę w gorszym zakresie współczynnika sprawności pompy, należy więc unikać takiego doboru pomp.

Przepływ Q [m3/h]

Przepływ Q [m3/h]

Prędkość przepływu v

Zapo

trze

bow

anie

na

moc

P [w

]W

ysok

ość

podn

osze

nia

H [m

]

Pompa

B

B

Wydajność pompy w zależności od wysokości podnoszenia

W pompach, w których silnik napędowy zaprojektowany jest dla całego zakresu przebiegu charakterystyki, często ma miejsce taka sytuacja, że silniki elektryczne uzyskują najlepsze współczynniki sprawności tylko przy pełnym obciążeniu, a więc przy maksymalnie dopuszczalnym przepływie. Oznacza to przy uwzględnieniu tych czynników przesunięcie optymalnego punktu pracy w prawo od środka charakterystyki

Charakterystyka pompy H i przebieg współczynnika sprawności na wykresie Q-H

Page 24: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

24 Podręcznik techniki pompowej

Sprawność pompy oblicza się za pomocą wzoru:

gdzie: ηP - współczynnik sprawności pompy

Q – przepływ

H – wysokość podnoszenia

ρ – gęstość tłoczonej cieczy

P – moc silnika (na wale)

g – lokalna wartość przyspieszenia ziemskiego

367 – stała przeliczeniowa (3600s podzielone przez 9,8665 lokalną wartość przyspieszenia ziemskiego)

ηP =Q·H·ρ

367 · P2

W pompach bezdławnicowych, w których pompa i silnik tworzą jeden zamknięty zespół, podaje się, zamiast podawanego zwykle w pompach dławnicowych współczynnika sprawności pompy ηP, całkowity współczynnik sprawności ηPcałk. Współczynniki te uwzględniają współczynnik sprawności silnika ηM. Powodem tej zróżnicowanej formy przedstawiania współczynników jest różna forma konstrukcyjna obu rodzajów pomp.W pompach dławnicowych z powodu możliwości zastosowania różnych silników konieczne jest indywidualne wyznaczanie współczynnika sprawności. Współczynników sprawności silników pomp bezdławnicowych nie można bezpośrednio porównywać ze współczynnikami sprawności silników pomp dławnicowych. Zupełnie różne rodzaje ich konstrukcji i obszary zastosowań uniemożliwiają to porównanie. Odpowiedni przepływ wody w komorze wirnika i metalowa tuleja – (pompy bezdławnicowe) oddzielająca wirnik od stojana powodują, że współczynnik sprawności, jest 2- lub 4-krotnie niższy niż ma to miejsce w silnikach standardowych.

pompy o mocy silnika P2

ηm ηpompy ηcałk

do 100 W ok. 15 - ok. 45 - % ok. 40 - ok. 65 - % ok. 5 - ok. 25 - %

100 do 500 W ok. 45 - ok. 65 - % ok. 40 - ok. 70 - % ok. 20 - ok. 40 - %

500 do 2500 W ok. 60 - ok. 70 - % ok. 30 - ok. 75 - % ok. 30 - ok. 50 - %

Współczynniki sprawności pomp bezdławnicowych Standardowe pompy bezdławnicowe

Współczynniki sprawności pomp dławnicowych

pompy o mocy silnika P2

ηm ηpompy ηcałk

do 1,5 kW ok. 75 - % ok. 40 - ok. 85 - % ok. 30 - ok. 65 - %

1,5 do 7,5 kW ok. 85 - % ok. 40 - ok. 80 - % ok. 35 - ok. 75 - %

7,5 do 45,0 kW ok. 90 - % ok. 40 - ok. 85 - % ok. 40 - ok. 80 - %

Page 25: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

25Podręcznik techniki pompowej

Działanie pomp wirowych

Zadaniem pomp jest transport cieczy i pokonanie oporów jej przepływu w instalacji. W przypadku instalacji pompowych o różnych poziomach cieczy pompa powinna dodatkowo pokonać geodezyjną różnicę poziomów.

Pod względem konstrukcyjnym i przemian energetycznych pompy wirowe zalicza się do  hydraulicznych maszyn przepływowych. Wspólną cechą wielu wariantów pomp wirowych jest osiowy dopływ cieczy do wirnika.

Silnik elektryczny obraca wał pompy z  nasadzonym na nim wirnikiem. Napływająca osiowo przez króciec ssawny do wirnika ciecz jest przez łopatki wirnika odchylana w kierunku promieniowym, a wywierana przez nie na ciecz siła odśrodkowa powoduje zwiększenie prędkości przepływu i ciśnienia.

Z wirnika ciecz przepływa do spiralnej obudowy, w której dzięki jej konstrukcji prędkość przepływu spada, a w wyniku przemian energetycznych wzrasta ciśnienie.

Pompa składa się z następujących, głównych elementów:

• obudowy (korpusu), • silnika, • wirnika.

Kształty wirników

Przekrój pompy mokrobieżnej

Medium wpływa do wirnika osiowo i jest w nim odchylane promieniowo

Wirniki

Rozróżnia się wirniki otwarte i zamknięte. Innym kryterium podziału wirników jest ich kształt.

Obecnie, w większości pomp, wirniki stanowią konstrukcję przestrzenną, która łączy zalety wirnika osiowego i promieniowego.

korpus pompy

wirnik przestrzenny

wirnik promieniowy wirnik promieniowy 3D wirnik półosiowy wirnik osiowy

Page 26: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

26 Podręcznik techniki pompowej

Pompy bezdławnicowe (mokrobieżne)

Zamontowanie pompy mokrobieżnej (na zasileniu lub powrocie) powoduje szybki przepływ wody i dzięki temu można zastosować przewody rurowe o mniejszych przekrojach, co  zmniejsza koszt instalacji grzewczej. Poza tym w instalacji grzewczej znajduje się mniej wody i układ może szybciej reagować na  wahania temperatury i jest łatwiejszy do regulacji.

Cechy W tej konstrukcji wszystkie obracające się części umieszczone wewnątrz silnika o biegunach dzielonych są omywane medium. Dla tego rodzaju pomp nie jest konieczne uszczelnianie wału za pomocą dławnicy lub uszczelnienia mechanicznego. Przetaczana ciecz smaruje łożyska wału i chłodzi elementy silnika. Elektryczna część silnika pompy (stojan z uzwojeniem) oddzielona jest od tzw. mokrej przestrzeni za pomocą hermetycznej kartuszy silnika lub za pomocą tulei rozdzielającej uszczelnionej pierścieniami samouszczel-niającymi. Izolację oddzielającą wirnik od stojana

przewodzącego prąd stanowi rura rozdzielcza wykonana ze stali niemagnesującej się lub z włókien węglowych o grubości ścianki od 0,1 do 0,3 mm. W warunkach specjalnych, np. do tłoczenia wody, stosuje się silniki o stałej liczbie obrotów. Jeżeli pompę mokrobieżną zastosuje się np. w obiegu grzewczym, a więc do zasilania grzejnikow, to musi się ona dopasować do zmieniającego się zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku. W zależności od temperatury zewnętrznej i obcych źrodeł ciepła potrzebna jest rożna ilość wody grzewczej. Zamontowane przed grzejnikami zawory termostatyczne regulują jej przepływ. Od roku 1988 istnieją konstrukcje ze zintegrowaną elektroniką regulującą bezstopniowo liczbę obrotów wirnika pompy. Elektronicznie regulowane pompy Wilo mogą samoczynnie regulować wydajność. Tym samym unika się konieczności dławienia przepływu i umożliwia dostosowanie urządzenia do jego punktu pracy. Poza niższym poborem mocy można zrezygnować też z elementów dławiących.

korpus pompy

rura rozdzielczawirnik przestrzennywirnikuzwojenie

Pozycja montażowa:Pompy mokrobieżne o średnicy przyłącza do R 1 ¼ są dostarczane jako pompy nakręcane na rurociąg. Większe pompy są wyposażone w połączenia kołnierzowe. Montaż tych pomp może odbywać się bezpośrednio na rurociągu (bez fundamentow) w pozycji pionowej lub poziomej. Jak już wspomniano łożyska pompy są smarowane przez medium, ktore również chłodzi silnik. Dlatego musi być zapewniony ciągły przepływ medium

przez rurę rozdzielczą.Poza tym wał pompy musi zawsze być ustawiony poziomo. Montaż pompy z wałem w pozycji pionowej lub wałem wiszącym powoduje niestabilną pracę i szybkie jej uszkodzenie. Dokładne wskazówki montażowe są podane w instrukcji obsługi i montażu pompy. Opisane pompy mokrobieżne mają, dzięki swojej konstrukcji, dobre właściwości eksploatacyjne i są stosunkowo tanie.

Pozycje montażowe pomp bezdławnicowych:

Pompy pojedyncze Pompy podwójne

Page 27: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

27Podręcznik techniki pompowej

Silniki elektryczneW ramach umowy z Kyoto, rządy państw europejskich postawiły sobie za cel zredukowanie emisji CO2 do atmosfery. Głównym narzędziem tych działań jest przyporządkowywanie urządzeniom gospodarstwa domowego, takim jak pralki czy lodówki, klas sprawności energetycznej, co daje Klientom możliwość wyboru urządzenia energooszczędnego. Ponieważ pompy obiegowe w systemach grzewczych zaliczają się, z powodu długich okresów pracy, do urządzeń zużywających najwięcej energii elektrycznej w gospodarstwie domowym, czołowi europejscy

producenci obiegowych pomp grzewczych zdeklarowali się do opatrywania ich etykietą wskazującą zużycie energii. Dzięki temu inwestorzy i użytkownicy końcowi mogą, na podstawie znanego już systemu klasyfikacji, rozpoznać czy zastosowana obiegowa pompa systemu ogrzewania jest wystarczająco energooszczędna.Klasyfikacja efektywności energetycznej pomp grzewczych ustalana jest na podstawie pomiarów, zawartych w indeksie sprawności energetycznej EEI. Im mniejszy indeks EEI, tym mniej energii elektrycznej zużywa pompa i tym lepsza jest jej klasa sprawności.

Zgodnie z wymaganiami dyrektywy ERP (2009/125/WE) określającą wymagania dla produktów „związanych z energią”, wartość współczynnika EEI warunkuje które modele pomp będę mogły być stosowane w przyszłości

Przewidziane się trzy etapy projektu:

1. Od stycznia 2013 r. obowiązująca wartość graniczna współczynnika sprawności energetycznej (EEI), określona dla bezdławnicowych pomp obiegowych zainstalowanych poza źródłem ciepła (pompy zewnętrzne), wynosi 0,27. Wcześniej obowiązujące klasy sprawności energetycznej tracą ważność. Pompy mają teraz z reguły lepszą sprawność od urządzeń spełniających minimalne wymagania wcześniej obowiązującej klasy A. Dlatego klasy sprawności energetycznej pompy zostały zastąpione przez współczynnik sprawności energetycznej EEI.

2. Od sierpnia 2015 r. wartość graniczna współczynnika EEI zostanie ponownie obniżona, tym razem do 0,23. bowiązuje ona również w przypadku bezdławnicowych pomp obiegowych wbudowanych np. w nowo instalowane źródła ciepła lub w stacje solarne (pompy zintegrowane).

3. W ostatnim etapie realizacji projektu od roku 2020 wytyczne te będą obowiązywać także w przypadku wymiany pomp zintegrowanych z istniejącymi źródłami ciepła. Wytyczne dotyczą wszystkich bezdławnicowych pomp obiegowych w instalacjach grzewczych, klimatyzacyjnych i solarnych. Powyższe wytyczne nie dotyczą pomp cyrkulacyjnych do wody użytkowej.

Klasa sprawności energetycznej Indeks sprawności EEi

A EEI< 0,4

B 0,4 ≤ EEI < 0,6

C 0,6 ≤ EEI < 0,8

D 0,8 ≤ EEI < 1,0

E 1,0 ≤ EEI < 1,2

F 1,2 ≤ EEI < 1,4

G 1,4 ≤ EEI

1 2

3

ODPOWIADA ZAŁOŻENIOMDYREKTYWYErP (ENERGYRELATEDPRODUCTS)

Page 28: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

28 Podręcznik techniki pompowej

Pompy dławnicowe (suchobieżne)

CechyPompy suchobieżne stosowane są do większych wydajności. Lepiej nadają się one również do  tłoczenia wody chłodzącej i mediów agresywnych. W przeciwieństwie do pomp mokrobieżnych w tym przypadku medium nie  styka się z silnikiem.

Następna różnica polega na tym, że  uszczelnienie obudowy z wodą / wału względem atmosfery stanowi dławnica lub pierścień ślizgowy.

Silniki standardowych pomp suchobieżnych to zwykłe silniki prądu zmiennego ze stałą liczbą obrotów. Obecnie dostępne są pompy suchobieżne ze zintegrowaną elektroniczną regulacją liczby obrotów o coraz większych mocach.

Całkowita sprawność pomp suchobieżnych jest znacznie wyższa niż pomp mokrobieżnych.

Pompy mokrobieżne są dostarczane zasadniczo w trzech wykonaniach:

Patrz rozdział „Uszczelnienie wału“, str. 33

Pompy in-line Króćce ssawny i tłoczny leżą w jednej osi i mają takie same średnice nominalne. Pompy in-line wyposażone są w znormalizowany silnik kołnierzowy chłodzony powietrzem.

W instalacjach budowlanych ten rodzaj pomp stosuje się do większych wydajności. Mogą one być bezpośrednio montowane na rurociągu, z wałem pionowym lub poziomym, bądź na własnej konsoli czy też podstawie fundamentowej.

Pompy blokowe Są to jednostopniowe, niskociśnieniowe pompy wirowe zblokowane ze znormalizowanym silnikiem chłodzonym powietrzem. Spiralna obudowa ma osiowy króciec ssawny i  promieniowo ustawiony króciec tłoczny. Pompy są standardowo mocowane na kątownikach lub łapach silnika.

Pompy normowe W przypadku tych pomp wirowych z osiowym dopływem, pompa, sprzęgło i silnik są montowane na wspólnej płycie fundamentowej.

W zależności od medium i warunków pracy są one uszczelniane albo pierścieniem ślizgowym, albo dławnicą. Średnia pionowego króćca tłocznego określa nominalną wielkość pompy. Poziomy króciec ssawny jest zwykle większy o  rząd wielkości.

Budowa pompy suchobieżnej

pierścień ślizgowy

nakrętka kołpakowa

korpus pompy

osłona

wirnik

silnik standardowy

pokrywa wentylatora

1

2

3

Page 29: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

29Podręcznik techniki pompowej

Pierścienie ślizgowe

W zasadzie są to dwa pierścienie o bardzo dokładnie wypolerowanych powierzchniach uszczelniających. Są one dociskane do siebie za  pomocą sprężyny i w czasie pracy obracają się w kierunkach przeciwnych względem siebie. Jest to uszczelnienie dynamiczne, które stosowane jest do uszczelniania obracających się wałów w zakresie od średniego do wysokiego ciśnienia.

Powierzchnia uszczelnienia składa się z dwóch oszlifowanych, płaskich, mało zużywających się powierzchni (np. pierścieni z węglika krzemu lub węgla) dociskanych do siebie siłami osiowymi. Pierścień ślizgowy (dynamiczny) obraca się wraz z wałem, a przeciwpierścień (statyczny) jest stacjonarnie umieszczony w obudowie.

Pomiędzy obiema ślizgającymi się powierzchniami powstaje cienki film wodny, który zapewnia smarowanie i chłodzenie.

W czasie pracy na powierzchnie ślizgowe mogą działać różne rodzaje tarcia: tarcie półpłynne, półsuche i suche, przy czym to ostatnie (brak filmu smarującego) prowadzi do natychmiastowego zniszczenia uszczelnienia. Żywotność uszczelnienia zależy od warunków pracy, np. składu medium, temperatury itp.

Uszczelnienie wałuJak wspomniano wał może być uszczelniony względem atmosfery za pomocą pierścienia ślizgowego lub dławnicy (do wyboru zwłaszcza w  pompach standardowych). Poniżej omówiono dokładniej oba rodzaje uszczelnień.

Pierścień ślizgowy w pompie suchobieżnej

Uwaga: Pierścienie ślizgowe to części zużywające się i w ich przypadku nie jest dopuszczalna praca na sucho, gdyż prowadzi to do zniszczenia powierzchni uszczelniających.

przeciwpierścień (uszczelnienie

główne)

pierścień ślizgowy (uszczelnienie

główne

mieszek gumowy(uszczelnienie

dodatkowe)

sprężyna

Dławnice

Materiałem uszczelniającym są, np. wysokiej jakości włókna jak Kevlar® lub Twaron®, PTFE, spieniony grafit, syntetyczne włókna mineralne oraz włókna naturalne, jak np. konopie lub ramia. Materiały te są dostarczane luzem (trzeba wyciąć pierścień), albo w postaci prasowanych pierścieni jako suche lub impregnowane (zależnie od zastosowania). Pierścień dławnicy zakładany jest na wał i dociskany dławikiem.

Page 30: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

30 Podręcznik techniki pompowej

Dopuszczalne pozycje montażowe• Pompy In-line są przeznaczone do bezpośredniego

pionowego i poziomego rurociągu. • Należy przy tym przewidzieć wystarczająco dużo

miejsca do demontażu silnika, osłony i  wirnika. • Montaż pompy i ustawienie rurociągu należy wykonać w

taki sposób, aby uniknąć przenoszenia naprężeń. Jeżeli jest taka konieczność, należy zamontować pompę na konsoli lub fundamencie.

Pozycje montażowe niedopuszczalne• Montaż z silnikiem i skrzynkami zaciskowymi skierowa-

nymi ku dołowi. • Od pewnej mocy silnika montaż pomp z wałem pozio-

mym powinien być wykonany przez producenta.

W przypadku pomp blokowych• Ustawić je na odpowiednim fundamencie lub konsoli. • Nie jest dozwolony montaż z silnikiem i skrzynkami

zaciskowymi skierowanymi ku dołowi. Każda inna pozycja jest dozwolona.

Dokładne wskazówki montażowe podane są w  instruk-cjach obsługi i montażu.

Silniki elektryczneRozporządzenie Unii Europejskiej (WE) 640/2009 dotyczące silników elektrycznych wejdzie w życie jeszcze wcześniej niż w przypadku pomp bezdławnicowych. Dotyczy ono także urządzeń zamontowanych w pompach dławnicowych do ogrzewania i wentylacji, zaopatrzenia w wodę, podwyższania ciśnienia i odprowadzania ścieków. W związku z tym określone zostały nowe klasy sprawności energetycznej.

Zmiana EFF na IEOd 16 czerwca 2011 r. pompy dławnicowe wyposażone w silniki można wprowadzać do obrotu tylko pod warunkiem, że silnik odpowiada przynajmniej klasie sprawności IE2. Skrót „IE” oznacza „International Efficiency” i określa obowiązujące na całym świecie klasy sprawności niskonapięciowych, trójfazowych silników asynchronicznych o zakresie mocy od 0,75 do 375 kW. Podstawę stanowi nowa norma IEC 60034-30:2008. Zastąpiła ona obowiązujący w Europie od roku 1998 podział na trzy klasy sprawności EFF1 do EFF3. Norma ta definiuje następujące klasy sprawności silników:

• IE1 = sprawność standardowa, w przybliżeniu porównywalna z EFF2

• IE2 = wysoka sprawność, w przybliżeniu porównywalna z EFF1

• IE3 = sprawność premium• IE4 = sprawność super premium (IEC TS 60034-31 wyd.1)

Z myślą o okresie przejściowym przewidziano trzy etapy:

Obecnie klasa sprawności IE2 obowiązuje w przypadku wszystkich nowych silników elektrycznych będących w obrocie handlowym od 12 czerwca 2011 r. – z wyjątkiem nielicznych typów konstrukcji i obszarów zastosowania. Od tego momentu na obszarze całej Unii Europejskiej nie można sprzedawać silników pomp poprzedniej klasy sprawności EFF2 – obecnie IE1.

Od 1 stycznia 2015 r. będą obowiązywać jeszcze bardziej surowe wymogi klasy efektywności IE3. W tym czasie wymagania te będą musiały spełniać najpierw silniki o znamionowej mocy wyjściowej od 7,5 do 375 kW. Alternatywnie powinny spełniać wymagania klasy sprawności IE2 oraz być wyposażone w regulację prędkości obrotowej.

Począwszy od 1 stycznia 2017 r. wymagania te obejmą także mniejsze silniki o znamionowej mocy wyjściowej od 0,75 do 375 kW.

1

2

3

Page 31: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

31Podręcznik techniki pompowej

Główne cechy konstrukcyjne tych pomp to konstrukcja członowa z komorami stopniowymi.

Wydajność takiej pompy zależy m.in. od wielkości wirników. Żądaną wysokość podnoszenia uzyskuje się dzięki kilku umiejscowionym jeden za drugim wirnikom.

Energia kinetyczna jest przekształcana w ciśnienie częściowo w wirniku i częściowo w kierownicy.

Duża liczba stopni umożliwia uzyskanie wysokości podnoszenia, które są nieosiągalne w pompach jednostopniowych. Bardzo duże pompy mają nawet do 20 stopni i osiągają wysokość podnoszenia do 250 m. Omawiane pompy należą prawie w całości do rodziny pomp suchobieżnych, choć dawniej stosowano też silniki mokrobieżne.

Przekrój wysokociśnieniowej pompy wirowej

Charakterystyka wysokociśnieniowej pompy wirowej

wirniki

Przykład charakterystyki wysokociśnieniowej pompy wirowej z silnikiem mokrobieżnym

Pompy wirowe wysokociśnieniowe

Page 32: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 33: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

33Podręcznik techniki pompowej

Przyrost ciśnienia wytwarzanego przez pompę nazywa się wysokością podnoszenia.

Definicja wysokości podnoszeniaWysokość podnoszenia pompy H to użyteczna praca mechaniczna wykonana przez pompę i przekazana tłoczonemu medium odniesiona do jego ciężaru przy miejscowym przyspieszeniu.

E = użyteczna praca mechaniczna [N • m] G = siła ciążenia [N]

Pomiędzy przyrostem ciśnienia w pompie a ilością tło-czonego przez nią medium zachodzi określona zależ-ność. Zależność ta jest przedstawiana na wykresie zwanym charakterystyką pompy (tzw. charakterystyka dławieniowa).

Na osi pionowej (rzędnych) podawana jest wysokość podnoszenia pompy H w [m]. Możliwe są także inne jednostki, przy czym zachodzą następujące zależ-ności:

10 m = 1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa

Na osi poziomej (odciętych) podawany jest strumień Q cieczy tłoczonej przez pompę w  [m3/h]. I tu także dopuszcza się stosowanie innych jednostek (np. l/s).

Charakterystyki pokazują następujące zależności: elektryczna energia napędowa (przy uwzględnieniu całkowitego współczynnika sprawności) zostaje w pompie zamieniona na energię hydrauliczną, tzn. następuje przyrost ciśnienia i przepływ medium. W czasie pracy pompy, przy zamkniętym zaworze na przewodzie tłocznym, powstaje maksymalne ciśnienie pompy. Mówimy wtedy o maksymalnej wysokości pod-noszenia H0 pompy. Jeżeli zawór powoli się otwiera, to zaczyna płynąć stru-mień medium, a część energii napędu jest zamieniana w energię kinetyczną i nie można już utrzymać poprzed-niego najwyższego ciśnienia. Charakterystyka pompy zaczyna opadać. Teoretycznie punkt przecięcia się charakterystyki pompy z osią odciętych (wydajności) osiąga się wtedy, gdy pompa nie wytwarza żadnego ciśnienia, a cała energia jest przekształcona w  energię kinetyczną. Ponieważ jednak układ rurociągów zawsze ma pewne opory wewnętrzne, to rzeczywiste charakterystyki pompy kończą się przed osiągnięciem osi odciętych.

Charakterystyki Charakterystyki pomp

Kształt charakterystyki pompyNa poniższym rysunku pokazano charakterystyki pompy o różnym nachyleniu, zmiana nachylenia może powstać na skutek, np. zmiany liczby obrotów wirnika.

Można też zaobserwować różne zmiany wydajności pompy i ciśnienia w zależności od nachylenia charakte-rystyki i położenia punktu pracy: • charakterystyka płaska – duża zmiana wydajności pompy i mała ciśnienia • charakterystyka stroma – mała zmiana wydajności pompy i duża ciśnienia

Charakterystyka pompy

strumień objętości (wydajność) Q [m3/h]

zerowa wysokość podnoszenia H0

charakterystyka pompy

przebieg teoretycznyw

ysok

ość

podn

osze

nia

H [m

]

strumień objętości (wydajność) Q [m3/h]

stroma (np. 2900 1/min)

płaska (np. 1450 1/min)

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

strumień objętości (wydajność) Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

Różne zmiany wydajnościi ciśnienia

Różne nachylenia charakterystykzależne jest, np.od liczby obrotów przyjednakowych obudowachi wirnikach pomp

Page 34: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

34 Podręcznik techniki pompowej

Opory tarcia w przewodach rurowych powodują stratę ciśnienia tłoczonego medium proporcjonalnie do długości rurociągu. Poza tym strata ciśnienia zależy od temperatury medium, jego lepkości, prędkości przepływu, zamontowanej armatury i urządzeń oraz współczynnika oporu rurociągu, który zależny jest od jego średnicy, szorstkości i długości. Opory rurociągu są przedstawione na wykresie w postaci charakterystyki instalacji, analogicznie do charakterystyki pompy.

Charakterystyki instalacji

Przebieg charakterystyki instalacji pokazuje następujące zależności: • przyczyną strat ciśnienia w rurociągu jest tarcie wody

o ścianki rur, tarcie cząsteczek wody o  siebie i odchy-lenia kierunku przepływu w  kształtkach,

• w czasie zmiany wydajności, np. poprzez otwieranie i zamykanie zaworów termostatycznych, zmienia się także prędkość przepływu wody, a  więc i opory tarcia i to proporcjonalnie do  kwadratu.

Zależność strat ciśnienia H od strumienia objętości Q opisana jest wzorem (jest to równanie paraboli):

DyskusjaJeżeli przepływ w rurociągu spadnie o połowę, to  wyso-kość ciśnienia zmniejsza się do jednej czwartej. Jeżeli przepływ podwoi się, to wysokość ciśnienia wzrasta czterokrotnie.

Jako przykład może posłużyć wypływ wody z  zaworu czerpalnego. Przy ciśnieniu 2 bar, co  odpowiada wyso-kości podnoszenia pompy ok. 20 m, z zaworu DN ½ wypływa 2 m3/h. Aby wypływ się podwoił ciśnienie musi wzrosnąć z 2 do 8 bar.

Charakterystyka instalacji

Wypływ wody z zaworu czerpalnego przy różnych ciśnie-niach

ciśnienie przed zaworem 2 barwypływ 2 m3/h

ciśnienie przed zaworem 8 barwypływ 4 m3/h

Page 35: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

35Podręcznik techniki pompowej

Punkt pracy

Punkt przecięcia charakterystyki pompy z charaktery-styką instalacji wyznacza punkt pracy układu grzew-czego lub instalacji wodnej.

Oznacza to, że w tym punkcie panuje równowaga pomię-dzy wydajnością pompy a zapotrzebowaniem na wodę, tj. wysokość podnoszenia pompy jest równa oporom przepływu w instalacji. Stąd wynika wielkość przepływu medium tłoczonego przez pompę.

Należy jednak pamiętać o tym, że istnieje pewien prze-pływ minimalny, poniżej którego nie można zejść, ponie-waż może to spowodować przegrzanie pompy i jej znisz-czenie. Należy więc przestrzegać wskazówek producenta. Praca pompy poza jej charakterystyką może być przyczyną uszkodzenia jej silnika.

Zmiana wydajności pompy w czasie pracy powoduje zmianę jej punktu pracy. Projektant musi wyznaczyć obliczeniowy punkt pracy kierując się maksymalnymi

Zmiana punktu pracy

oba zawory termostatycznesą otwarte

tylko jeden zawór termostatycznyjest otwarty

charakterystyka pompy

charakterystyka instalacji

punkt przecięcia= punkt pracy

charakterystyka pompy

nowacharakterystyka instalacji

punkt przecięcia= nowy punkt pracy

wydajność Q [m3/h]

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

wymaganiami. W przypadku pomp obiegowych w ukła-dzie grzewczym jest to zapotrzebowanie na ciepło budynku, a w przypadku instalacji zwiększających ciśnienie maksymalny wypływ ze wszystkich punktów poboru. Wszystkie inne punkty pracy leżą na charakterystyce pompy po lewej stronie obliczeniowego punktu pracy.

Na podstawie obu poniższych wykresów widać, że położenie punktu pracy zależy od oporów przepływu instalacji.

Gdy punkt pracy leży z lewej strony obliczeniowego punktu pracy, to wysokość podnoszenia pompy zwięk-sza się, a w zaworze następują zakłócenia przepływu.

Dopasowanie wysokości podnoszenia i wydajności pompy do zapotrzebowania odbywa się za pomocą układu regulacji. Dzięki temu obniżają się jednocześnie koszty eksploatacji.

Page 36: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 37: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

37Podręcznik techniki pompowej

Wpływ pogody Obszar zakreskowany na poniższym wykresie pokazuje wyraźnie, że wahania temperatury zewnętrznej wpływają znacznie na zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania.

Dawniej ciepło pozyskiwane z drewna, węgla, a nawet oleju było bardzo tanie (w dawnej NRD ciepło było nawet subwencjonowane przez państwo) i nikt nie zwracał uwagi na przegrzewanie mieszkań. W najgorszym wypadku otwierano okna, co równało się regulacji dwu-położeniowej: okno otwarte/ okno zamknięte.

Ale kryzys energetyczny (w roku 1973) wymusił koniecz-ność oszczędzania energii. Dobra izolacja cieplna budynku stała się oczywistością, a oficjalne przepisy wymuszały stały postęp w tej dziedzinie. Oczywiście równolegle następował rozwój techniki grzewczej. Najpierw szeroko upowszechniły się zawory termosta-tyczne dopasowujące temperaturę pomieszczeń do wymagań ich użytkownika. Dławienie przepływu przez te zawory powodowało podwyższenie ciśnienia pompy o stałej liczbie obrotów, co skutkowało szumami w zawo-rach. Dlatego do obniżania ciśnienia zaczęto stosować zawory przelewowe .

Zakreskowany obszar to okres grzewczy

Dobór pomp w zależności od zapotrzebowania na ciepło W naszej strefie klimatycznej mamy cztery pory roku i temperatura zewnętrzna ulega znacznym wahaniom, a mianowicie od ok. 20°C do 30°C, w lecie do ok. -15°C do -20°C w zimie, a nawet niżej. Zmiany te nie mogą jednak mieć wpływu na temperaturę wewnątrz pomieszczeń. Dawniej pomieszczenia ogrzewał bezpośrednio ogień, a dzisiaj stosujemy układy grzewcze.

Temperatura zewnętrzna w różnych porach roku

miesiąc

tem

pera

tura

zew

nętr

zna

[°C]

VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII

W okresie ostatnich 20 lat udało się tak zmniejszyć przetworniki częstotliwości, że można je teraz umiesz-czać bezpośrednio w skrzynkach przyłączeniowych pomp, jak np. w pompie Wilo-Stratos.

Zadaniem bezstopniowej, zależnej od różnicy ciśnienia, regulacji liczby obrotów jest utrzymywanie raz nasta-wionej wysokości podnoszenia przez cały czas na takim samym poziomie, niezależnie od zmian natężenia prze-pływu wywołanego zmianami temperatury.

W 2001 r. pojawiła się na rynku nowa generacja elektronicznych pomp bezdławnicowych, zwanych pompami o najwyższej sprawności, umożliwiająca dzięki najnowszej technologii ECM (elektronicznie komutowane silniki zwane też silnikami ze stałym magnesem) ogromne oszczędności energii elektrycznej przy jednocześnie znakomitej sprawności.

W przypadku małych pomp bezstopniowa regulacja prędkości obrotowej była już możliwa od 1988 roku, ale przy użyciu innej techniki, tj. sterowania kątem zapłonu, analogicznie jak w  ściemniaczach oświetlenia.

Charakterystyka pompy Wilo-Stratos

Bezstopniowa regulacja liczby obrotów pompy o najwyższej sprawności Wilo-Stratos

Page 38: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

38 Podręcznik techniki pompowej

Sposoby regulacji wydajności pompy:

Regulacja dławieniowaW celu dostosowania wydajności do chwilowego zapotrzebowania, systemy regulacyjne stale ingerują w pracę instalacji, najczęściej poprzez redukcję przepływu przy jednoczesnym zwiększeniu wysokości podnoszenia. Jedną z powszechnie stosowanych metod ograniczania wydajności jest dławienie przepływu zaworem na rurociągu. Jest to jednocześnie regulacja najmniej ekonomiczna.

Regulacja upustowaJedne z najprostszych sposobów reakcji na zmienne zapotrzebowania na wodę lub na zmianę wydajności instalacji. Nadmiar cieczy ponad chwilowe zapotrzebowanie kierowany jest do zbiornika lub rurociągu ssawnego. W tym czasie pompa dobrana na parametr z największą wydajnością pracuje w warunkach niezmiennych. Swoistym typem regulacji upustowej jest stosowanie obejścia z zaworem nadmiarowo-upustowym (bypass) w instalacjach grzewczych z wykorzystaniem pomp stałoobrotowych.

Regulacja przez zmianę geometrii wirnika pompyW pompach z wirnikiem o przepływie promieniowym cieczy, zmianę parametrów wydajności osiąga się przez stoczenie zewnętrznej średnicy wirnika. Sposób ten w odróżnieniu od pozostałych metod regulacji wydajności pompy powoduje stałe zmniejszenie parametrów bez możliwości powrotu do poprzednich. Regulacji tego typu nie można zastosować w pompach wielostopniowych i pionowych.

Regulacja wydajności pracy pompy

1

2

3

4 Regulacja przez zmianę prędkości obrotowejWłaściwości przepływowe pomp wirowych powo-dują, że zmiana prędkości obrotowej pozwala na znaczne rozszerzenie pola Q-H. Gdy przepływ jest dławiony, zmniejszają się także opory przepływu i pompa może pracować przy obniżonej wysokości podnoszenia, Jednocześnie, zmniejsza się zapotrze-bowanie na moc. Dzięki temu technika regulacji obrotami znajduje największe zastosowanie. Zmiana prędkości obrotowej powoduje zmianę wydajności pompy, w takim stosunku, w jakim zmieniają się obroty:

gdzie Q1 to wydajność pompy odpowiadająca liczbie obrotów n1 .

Zmiana prędkości obrotowej powoduje również zmianę wysokości podnoszenia:

– dwukrotne zmniejszenie obrotów powoduje czterokrotne zmniejszenie wysokości podnoszenia.

Na podstawie powyższych zależności oraz zakłada-jąc niezmienność sprawności pompy, przy zmianie prędkości obrotowej zapotrzebowanie mocy na wale zmienia się następująco:

– czyli dwukrotne zmniejszenie obrotów spowoduje ośmiokrotne zmniejszenie zapotrzebowania na moc.

=Q1

Q2 n2

n1

=H1

H2 n2

n1( (2

=H1

H2 n2

n1( (2

Page 39: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

39Podręcznik techniki pompowej

Rodzaje regulacji

W pierwszej połowie lat osiemdziesiątych XX wieku pojawiła się potrzeba bezstopniowej regulacji prędkości obrotowej pomp suchobieżnych o dużych mocach silników. Do tego celu wykorzystano elektroniczne przetworniki częstotliwości.

Aby zrozumieć działanie takich przetworników trzeba pamiętać, że prąd elektryczny dostępny w sieci ma częstotliwość 50 Hz, tzn. że zmienia się on pomiędzy biegunem dodatnim a ujemnym 50 razy na sekundę. Wirnik pompy obraca się z prędkością zależną od częstotliwości prądu.

Regulacja elektroniczna oznacza bezstopniową zmianę częstotliwości prądu w granicach 0-100 Hz. Jednak ze względów ruchowych częstotliwość prądu w instalacjach grzewczych nie spada nigdy poniżej 20 Hz, tj.40 % maksymalnej liczby obrotów. Ponieważ maksymalna wydajność potrzebna jest tylko w najzimniejszych dniach, tak samo rzadko potrzebna jest maksymalna częstotliwość prądu.

Oferowane dzisiaj układy elektroniczne umożliwiają różne rodzaje regulacji. Rozróżnia się więc regulację własną pompy i regulację uzależnioną od punktu jej pracy.

Zmienna różnicaciśnienia: ∆ p-v

Stała zmiennaróżnica ciśnienia: ∆ p-cv

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

reg.

-min

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

wydajność Q [m3/h]

Możliwe rodzaje regulacji:

Stała różnica ciśnienia: Δp-cUkład elektroniczny utrzymuje wytworzoną przez pompę różnicę ciśnienia (będącą wartością zadaną HS) na stałym poziomie w całym dozwolonym obszarze, aż do maksymalnej charakterystyki.

Zmienna różnica ciśnienia: Δp-cUkład elektroniczny zmienia wytworzoną przez pompę różnicę ciśnienia (będącą wartością zadaną HS), liniowo pomiędzy HS a ½HS.Wartość zadana H zwiększa się lub zmniejsza wraz ze zmianami przepływu Q.

Stałozmienna różnica ciśnień: Δp-cvUkład elektroniczny utrzymuje wytworzoną przez pompę różnicę ciśnienia (będącą wartością zadaną HS), do pewnej określonej wydajności na stałym poziomie (HS = 100 %). Gdy wydajność pompy nadal spada, to elektronika zmienia liniowo zadaną wartość różnicy ciśnienia, np. od HS 100 % do HS 75 %.

Charakterystyki pomp przy różnych sposobach regulacji

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

reg.

-min

Stała różnicaciśnienia: ∆ p-c

Page 40: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

40 Podręcznik techniki pompowej

Regulacja różnicy ciśnienia w zależności od  temperatury: Δp-T w funkcji wynikających z  tego zmian przepływu.Układ elektroniczny zmienia wytworzoną przezpompę różnicę ciśnienia (będącą wartościązadaną HS) w zależności od temperatury medium.

W tym sposobie regulacji możliwe są dwie nastawy:• Regulacja z dodatnim kierunkiem działania (nachylenie).

Przy wzroście temperatury medium zwiększa się liniowo zadana wartość różnicy ciśnienia od Hmin do Hmax. Aplikacja: np. standardowe kotły ze zmienną tempera-turą na zasilaniu.

• Regulacja z ujemnym kierunkiem działania (nachylenie). Przy wzroście temperatury medium obniża się liniowo zadana wartość różnicy ciśnienia od Hmax do Hmin. Aplikacja: np.  kotły kondensacyjne, w  których tempe-ratura na powrocie musi mieć wartość minimalną taką, by maksymalnie wykorzystać ciepło spalania paliwa. W takim przypadku niezbędny jest montaż pompy na  powrocie.

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

dodatnikierunek działania

ujemnykierunek działania

Regulacja różnicy ciśnienia w zależności od temperatury:∆ p-T w funkcji zmian przepływu

Page 41: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

41Podręcznik techniki pompowej

Tryb pracy:nastawy ręczne

Tryb pracy:DDC (sterowanie analogowe)

Tryb pracy: automatyka redukcyjna (autopilot)

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

wydajność Q [m3/h]

wył.

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

HS-min

Charakterystyki trybów pracy

Możliwe tryby pracy:

Tryb pracy: automatyka redukcyjna (autopilot) Nowe, elektronicznie regulowane pompy mokrobieżne, są wyposażone w tzw. automatykę redukcyjną (autopi-lota). W przypadku obniżenia temperatury zasilania redukowana jest prędkość obrotowa pompy (tryb pracy przy małym obciążeniu -regulacja fuzzy). Zapewnia to ograniczenie zużycia energii przez pompę i w większości przypadków optymalne nastawy. Taki tryb pracy możliwy jest tylko wtedy, gdy  instalacja jest zrównoważona hydraulicznie. Nie przestrzeganie tego warunku może spowodować, że niektóre elementy instalacji mogą być zniszczone przez mróz.

Tryb pracy: nastawy ręczne Ten tryb pracy dostępny jest w przypadku elektronicznie regulowanych pomp dopiero od  pewnej określonej mocy silnika. Liczba obrotów pompy jest nastawiana w module elektroniki na stałą wartość pomiędzy nmin a nmax. Zastosowanie tego trybu wyłącza regulację na podstawie różnicy ciśnienia.

Tryb pracy: DDC (bezpośrednia regulacja cyfrowa) i GA (podłączenie do układu sterowania budynku). W tym trybie pracy sygnał wartości zadanej dla  pompy dopływa z układu sterowania budynku na podstawie porównania wartości zadanej i rzeczywistej dla budynku. Wartość ta jest przekazywana jako sygnał analogowy 0-10 V/0-20 mA lub 2-10 V/4-20 mA albo jako sygnał cyfrowy poprzez interfejs PLR bądź LON na pompie.

Page 42: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ
Page 43: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

43Podręcznik techniki pompowej

Przybliżone obliczanie pompy do standardowej instalacji grzewczej Wydajność pompy grzewczej zależy od zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku. Natomiast wysokość podnoszenia pompy zależy od oporów instalacji. W nowych instalacjach wielkości te można łatwo obliczyć za pomocą programów komputerowych, ale jest to trudniejsze w przypadku remontów starych instalacji. Wówczas do określenia parametrów pompy można stosować różne przybliżone obliczenia.

Gdy w układzie grzewczym trzeba zamontowaćnową pompę, to do obliczenia jej wydajnościstosuje się następujący wzór:

QPU = wydajność pompy w punkcie obliczeniowym w[m3/h]

QN = zapotrzebowanie na moc cieplną do ogrzewania w [kW]

1,163 = ciepło właściwe wody w [Wh/kgK] ∆t = obliczeniowa różnica temperatury pomiędzy

zasilaniem, a powrotem w [K], przy czym standardowo jest to 10 - 20 K.

Wydajność pompy Aby woda dopłynęła do każdego punktu instalacji, pompa musi pokonać wszystkie opory przepływu. Ponieważ bardzo trudno ustalić długość rurociągów i ich średnice znamionowe, to orientacyjną wysokość pompy można wyznaczyć za pomocą wzoru podnoszenia:

R = jednostkowa strata ciśnienia w prostych odcin-kach rur spowodowana tarciem [Pa/m]; w standardowych instalacjach można przyjąć 50 Pa/m do  150 Pa/m zależnie od roku budowy. Starsze instalacje, ze względu na większe średnice rur mają mniejszą stratę ciśnienia rzędu 50 Pa/m.

L = długość przewodów pionowych zasilających i powrotnych [m] lub: 2 x (długość domu x szerokość domu x wysokość domu)

ZF = udział oporów miejscowych w całkowitych oporach instalacji; przyjmuje on wartości: kształtki/armatura ≈ 1.3 zawór termostatyczny ≈ 1.7 Jeżeli m.in. te elementy występują łącznie, to można przyjąć że ZF ≈ 2,2. kształtki/armatura ≈ 1.3 zawór termostatyczny ≈ 1.7 zawór trójdrogowy /zawór zwrotny ≈ 1.2 Jeżeli m.in. te elementy występują łącznie, to można przyjąć że ZF ≈ 2,6

10 000 =współczynnik przeliczeniowy

Wysokość podnoszenia pompy

Dowiedz sie więcej na www.doborpompy,pl

Page 44: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

44 Podręcznik techniki pompowej

Źródło ciepła w budynku wielorodzinnym starej konstrukcji ma wg dokumentacji moc 50 kW.

Przy różnicy temperatury ∆t równej 20 K (tzasilania = 90°C, tpowrotu = 70°C) otrzymujemy:

Jeżeli ten budynek ma być ogrzewany przy mniejszej różnicy temperatury wody grzewczej, np. 10 K, to aby do odbiorników dostarczyć taką samą ilość ciepła pompa obiegowa musi przetłoczyć podwójną ilość wody, a więc 4.3 m3/h.

Niech jednostkowa strata ciśnienia w przewodach wynosi 50 Pa/m, długość przewodów zasilających i powrotnych 150 m, udział oporów miejscowych 2F=2,2 (brak zaworu trójdrogowego/zaworu zwrotnego), a więc wzór na wysokość podnoszenia pompy wyniesie:

Położenie punktu pracy w polu charakterystyk pompy przy zmiennym strumieniu objętości

Obszar I (lewa tercja) Gdy punkt pracy leży w tym obszarze dobrać małą pompę.

Obszar II (środkowa tercja). W ciągu 98 % czasu pracy pompa pracuje w obszarze optymalnym.

Obszar III (prawa tercja). Pompa z regulacją będzie pracować tylko w punkcie obliczeniowym (najcieplejszy/ najzimniejszy dzień w roku) w niekorzystnym obszarze, tzn. 2 % czasu pracy.

Jak zostało wcześniej zaznaczone, sprawność pompy zależy od jej charakterystyki. Należy pamiętać, że sprawność ta jest największa w średniej tercji pola charakterystyk. Punkt obliczeniowy w przypadku insta-lacji ze zmiennym strumieniem objętości powinien znajdować się w prawej tercji, gdyż punkt pracy pompy obiegowej w instalacji grzewczej przemieszcza się do tercji środkowej i tam znajduje się przez 98 % czasu pracy pompy. Charakterystyka instalacji, ze względu na zwiększone opory, jest bardziej stroma, np. w wyniku zamknięcia zaworów.

Na podstawie powyższych stwierdzeń dlaobliczonych wydajności i wysokości podnoszeniadobrano wg katalogu następującą pompę:

Przykłady zastosowania

1,65

2,15

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

punkt pracy zmieniapołożenie w obszarze II

(środkowa tercja)

Page 45: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

45Podręcznik techniki pompowej

wydajność Q [m3/h]

moc

cie

plna

[%]

Charakterystyka mocy cieplnej grzejnikaGdy zapotrzebowanie na ciepło budynku z nieznanym układem grzewczym zostało w przybliżeniu obliczone, to powstaje pytanie o skutki takiego obliczenia. Poniżej pokazano typową charakterystykę mocy cieplnej grzejnika.

Na wykresie tym widać następujące zależności:Jeżeli wydajność Q zmniejszy się o 10 %, to moc cieplna grzejnika zmniejszy się tylko o 2 %.Podobna zależność zachodzi przy zwiększeniu wydajno-ści Q o 10 %. Przy podwojeniu wydajności pompy moc cieplna grzejnika zwiększy się tylko o 12 %!

Przyczyną tego jest bezpośrednia zależność prędkości przepływu wody przez grzejnik od  strumienia objętości wody (wydajności pompy). Większe prędkości oznaczają więc krótszy czas przebywania wody w grzejniku, przy mniejszej prędkości medium ma więcej czasu na oddanie ciepła.

Absolutnie fałszywe jest więc dobieranie pompy o większej wydajności ze względu na obawy o niedogrzewanie pomieszczeń. Nawet wyraźnie mniejsza pompa nie ma zbyt wielkiego wpływu na moc cieplną grzejnika. Przy 50 % przepływie moc cieplna grzejników osiąga 83% wartości znamionowej.

Przykład charakterystyki mocy cieplnej grzejnika 90/70°C, temperatura w pomieszczeniu 20°C

Oprogramowanie projektowe, np. Wilo-Select, stanowi kompletne i efektywne narzędzie służące do projekto-wania instalacji.

Wilo-Select jest programem umożliwiającym dobór pompy, zaprojektowanie układu i jego elementów skła-dowych.

Menu zawiera następujące punkty: • Obliczenia • Projektowanie • Katalog i artykuły • Wymiana pompy • Dokumentacja • Obliczenia kosztów zużycia energii i amortyzacji • Koszty eksploatacyjne • Eksport danych do Acrobat PDF, DXF, GAEB, Datanorm,

VDMA, VDI, CEF • Automatyczna aktualizacja przez internet

Oprogramowanie projektowe

Wpływ przybliżonego doboru pompy na działanie instalacji

Page 46: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

46 Podręcznik techniki pompowej

Przykład doboru pompy obiegowej do instalacji c.o. za pomocą programu Wilo-Select 3Założenia:Założenie obliczeniowe:Obliczeniowy przepływ: 12,5 m3/h Rodzaj cieczy: woda grzewcza Czas pracy instalacji: 5400h (225 dni)

Obliczeniowe łączne straty: 3,5 mTemperatura cieczy: 50°C

Page 47: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

47Podręcznik techniki pompowej

Przykład doboru pompy obiegowej do instalacji c.o. za pomocą programu Wilo-Select 3Założenia:Założenie obliczeniowe:Obliczeniowy przepływ: 12,5 m3/h Rodzaj cieczy: woda grzewcza Czas pracy instalacji: 5400h (225 dni)

Obliczeniowe łączne straty: 3,5 mTemperatura cieczy: 50°C

Page 48: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

48 Podręcznik techniki pompowej

Przykład doboru pompy obiegowej do instalacji c.o. za pomocą programu Wilo-Select 3Założenia:Założenie obliczeniowe:Obliczeniowy przepływ: 12,5 m3/h Rodzaj cieczy: woda grzewcza Czas pracy instalacji: 5400h (225 dni)

Obliczeniowe łączne straty: 3,5 mTemperatura cieczy: 50°C

Page 49: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

49Podręcznik techniki pompowej

Wysokośćpodnoszenia

Pobór mocy P1

6m

4m

2m

min

max

6m

4m

2mmin

max

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

8,59

[m]

0,020,040,060,080,1

0,120,140,160,180,2

0,220,240,260,280,3

0,32[kW]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [m3/h]

1

Dane wyjściowe doboruPrzep ływWysokość podnoszeniaPrzep ływTemperatura p łynuGęstośćLepkść k inematyczna

Dane pompyProducentTypRodzaj urządzenia

Stopień ciśn.znam ionowegoMinimalna tem perat.p łynuMaksym alna.tem p.p łynu

WILOStratos 40/1-8 CAN PN 6/10

Dane hydrauliczne (Punkt pracy)Przep ływ

Pobór mocy P1 0,224 kW

Materiały/uszczelki

Wymiary

Strona ssącaStrona tłocznaMasa

Dane silnika

Moc znam ionowa P2

Prędkość obr. znam ion.Napięcie znam ionoweMaksym alny pobór prąduStopień ochrony

DN 40 / PNDN 40 / PN9,5 kg

4800 1/m in

IP X4D

200 W

Woda, czysta

0,9982 kg/dm31,001 mm 2/s

3,5 m12,5 m3/h

20 °C

Pojedyncza pom pa

10PN

12,5 m3/h3,5 m

1,37 A

10 kPa

Korpus pompyWirnikWa łŁożysko

EN-GJL 250PPS wzm ocn. włóknem szk l.X 46 Cr 13Grafit, impregnowany m eta lem

a1 203 b5 120 d 84 k2 110a2 53 l0 220 D 150a3 63 l1 110 dL1 14b3 82 l2 55 dL2 19b4 106 n 4 k1 100

Ciśnienie pary

-10 °C110 °C

mm

Minimalne ciśn. na dopływieTemperaturaMinimalne ciśn. na dop ływie

503

9510

11016

°Cm

Dopuszcza lna to lerancja napięcia +/- 10%

Rodzaj pracy dp-c

, Hz1~ 230 V

Wysokość podnoszenia

Pobór mocy P1 310 W

Nr Art. Wersja standardowa: 2090454

Insta lacja: ?pompa prem ium o najwyższej sprawności

Wskaźnik efektywności energetycznej (EEI)<=0,23

50

Stratos 40/1-8 CAN PN 6/10

1010

Możliwość zmian technicznych zastrzeżona. 3.1.13 - 31.08.2013 (Build 29)Wersja software'u 01.04.2013Status danych

WILO Polska Sp. z o.o.Ul. Jedności 5,PL 05506 Lesznowola, Polska

Grupa użytkownika PL

TelefonTelefaks

Klient

Klient nr

Partner rozmów

Projekt

Opracowujący

Data

Projekt nr

16.10.2013 Strona 2 / 2

Poz. Nr

Miejsce montażu

Page 50: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

50 Podręcznik techniki pompowej

Praca kilku pomp

wydajność Q [m3/h]

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

Graficzny sposób postępowania przy obliczeniu

Sposoby regulacji wydajności pompy:Praca równoległaCelem równoległej eksploatacji pomp jest zwiększenie strumienia przepływu, co oznacza eksploatację dwóch lub więcej pomp, podczas której wszystkie pompy równocześnie tłoczą medium do wspólnego przewodu ciśnieniowego (za pomocą odpowiednich własnych armatur i własnych przewodów doprowadzających). Jeśli wszystkie pompy tłoczą medium jednocześnie, wówczas strumienie przepływu przy jednakowej wysokości podnoszenia mogą być zsumowane, aby obliczyć całkowity strumień przepływu.Należy jednak pamiętać, że przewód doprowadzający do zbiorczego przewodu ciśnieniowego (strona tłoczna) ma własne armatury z odpowiednimi stratami. Należy odjąć je przy obliczaniu punktu pracy. Stąd maksymalna podwojona wydajność pracy pomp jest wartością wyłącznie teoretyczną.

Podłączenie szeregoweCelem podłączenia szeregowego jest zwiększenie ciśnienia (wysokości podnoszenia) i oznacza ono eksploatację jednej lub kilku pomp przy której wszystkie pompy równocześnie tłoczą medium do wspólnego przewodu ciśnieniowego (za pomocą odpowiednich, własnych armatur i własnych przewodów doprowadzających).

UWAGA! Podłączenie szeregowe oceniane jest jednak raczej jako wątpliwe, ponieważ występować mogą tu różne trudności. Począwszy od kawitacji aż po zjawiska turbinowe, w których pierwsza pompa napędza drugą, czego skutkiem może być uszkodzenie obu pomp. Bezwzględnie konieczne jest tu precyzyjne zaprojektowanie oraz ciągły nadzór.

Połączenie równoległedwóch pomp o jednakowejwydajności.

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

wydajność Q [m3/h]

Page 51: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

51Podręcznik techniki pompowej

Równoległe połączeniedwóch pomp o takiej samejwydajności - rzeczywistyprzyrost wydajności

Charakterystyka pompy Wilo-Stratos D

Istnieją różne przyczyny zastosowania kilku pomp: • praca równoległa z pompą obciążenia podstawowego

i odpowiednim dołączaniem pompy obciążenia szczytowego, przy czym pompy obciążenia szczytowego włączane są dopiero przy zwiększonych wymaganiach, których nie jest w stanie zrealizować pompa obciążenia podstawowego (np. większy dopływ ścieków niż maksymalny strumień przepływu pompy obciążenia podstawowego),

• praca równoległa w celu podzielenia strumieni przepływu, aby zredukować koszty użytkowania albo w przypadku bardzo zmiennych warunków,

• eksploatacja pompy z załączaniem pompy rezerwowej w razie awarii agregatu roboczego.

Należy zwrócić uwagę na czasowe przełączanie pomp, aby zagwarantować możliwie jednakowy rozkład roboczogodzin na wszystkie pompy i w ten sposób zapewnić dłuższą żywotność instalacji. Oferowane przez Wilo urządzenia sterujące do instalacji z wieloma pompami posiadają taką funkcję. Jako przykład możemy posłużyć się pompą obiegową typu Stratos-D.

Pompy podwójne nadają się do dwóch zasadniczo różnych rodzajów pracy:– Praca z rezerwą – obliczeniowa wydajność jest zapewniona przez jedną z pomp (pompę główną) pracującą pojedynczo, druga pompa stanowi rezerwę do przełączania czasowego lub awaryjnego.– Praca równoległa z dołączeniem – obliczeniowa wydajność zapewniona jest przez obydwie pompy pracujące równolegle. Przy obciążeniu częściowym jedna z pomp może być wyłączona.

pracuje pompa Ilub pompa II

pracują obie pompy

Praca równoległa

Q

max.

max.

min.

min.

v0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 [m/s]

0

2

1

3

4

6

5

7

8

H [m

]

[m³/h][l/s]

[lgpm]

1280 4 10621 1,5 2 2,5 3,530,50

10 20 30 400

Wilo-Stratos-D 32/1-81 ~ 230 V - DN 32

+

P1 Wilo-Stratos 32/1-8

6 m 5 m 4 m

3 m

2 m

1 m

7 m

max.

p-c

P 1 [W

]

0

150

100

50

200

250

300

1280 4 1062 [m³/h]

Page 52: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

52 Podręcznik techniki pompowej

Przykład zastosowania: Pompa główna i rezerwowa.

Celem układu grzewczego jest ogrzanie budynków w zimnej porze roku. Dlatego zaleca się, ze  względu na pewność ruchu, zainstalowanie w obiegu grzew-czym pompy rezerwowej. Odnosi się to zarówno do budynków wielorodzinnych, szpitali, budynków użyteczności publicznej jak i  budynków jednorodzinnych.

Równocześnie instalacje takie ze względu na konieczność zamontowania dodatkowej armatury i układów regulacyjnych są kosztowne. Dlatego dobrym kompromisem są pompy podwójne, tj. dwa układy wirujące na wspólnym korpusie.

W trybie rezerwowym obie pompy pracują na  prze-mian (np. po 24 h). Przepływ zwrotny pompowanego medium przez niepracującą pompę uniemożliwia standardowo montowana klapa przełączająca.

Gdy jedna z pomp ulegnie awarii, następuje automa-tyczne włączenie drugiej pompy.

Praca szczytowa z kilkoma pompami W przypadku instalacji o dużych wydajnościach stosuje się kilka pomp, np. w szpitalu z 20 budynkami i jedną centralną kotłownią.

W poniższym przykładzie pokazano równolegle połączone duże pompy suchobieżne ze zinte-growaną elektroniką. Zależnie od wymagań takie instalacje mogą składać się z dwóch lub więcej dużych pomp.

Układ regulacji utrzymuje stałą różnicę ciśnień wytwarzaną przez pompy, niezależnie od nastawy zaworów termostatycznych oraz ilości przetłaczanego medium. Wymogiem dla poprawnej pracy całej instalacji jest odpowiednie zrównoważenie poprzez zasto-sowanie kryz bądź zaworów podpłaszczowych. Dopiero wtedy możemy dostosować pracę pompy do faktycznego zapotrzebowania na ciepło.

Jeżeli instalacja jest zrównoważona hydraulicz-nie, to można dopasować wydajność pomp do zapotrzebowania na ciepło.

Pracuje pompa I albo pompa II

Page 53: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

53Podręcznik techniki pompowej

Aby uzyskać możliwie jednakowy czas pracy wszystkich pomp obiegowych, obciążenia pompy głównej są codzienne przenoszone na inne pompy.

Z ostatniego wykresu widać, jak duże oszczędności w poborze mocy można uzyskać, oczywiście zależnie od rodzaju pompy.

W dużych instalacjach niskie koszty eksploatacji w dłu-gim okresie są korzystniejsze niż małe koszty inwesty-cyjne. Cztery małe pompy ze  zintegrowaną elektroniką mogą kosztować więcej niż jedna duża pompa bez układu regulacji. Jeżeli jednak koszty rozpatruje się w  okresie np. dziesięcioletnim, to oszczędności eksplo-atacyjne mogą wielokrotnie przewyższać koszty inwe-stycji. Dodatkową zaletą jest lepsze zasilanie instalacji, mniejszy hałas i większa sprawność. Wszystko to może prowadzić do dużych oszczędności w zużyciu energii pierwotnej.

czujnik różnicy ciśnienia

regulator

wys

okoś

ć po

dnos

zeni

a H

[m]

Zapo

trze

bow

anie

na

moc

P [%

]

wydajność V [%].

DDG

PH PS1 PS2 PS3

Instalacja wielopompowa regulowana bezstopniowoPrzykładowa instalacja jest regulowana w następujący sposób: Pompa główna PH jest za pomocą zintegro-wanego układu elektronicznego, regulowana bezstopniowo pomiędzy maksymalną n = 100 % a minimalną liczbą obrotów n = 40 % za pomocą nadajnika sygnału różnicy ciśnie-nia DDG. W wyniku tego częściowe obciąże-nie przesuwa się do obszaru wydajności QT1 < 25 %. Gdy potrzebna jest wydajność QT > 25 % to elektronika włącza pierwszą pompę szczytową PS1 przy maksymalnych obrotach. Pompa główna PH jest nadal bezstopniowo regulowana w obszarze 25-50 % całkowitej wydajności.

Cały proces powtarza się w miarę włączania pomp szczytowych PS2 i PS3, także z maksy-malną liczbą obrotów. Maksymalne zapo-trzebowanie na ciepło ogrzania szpitala jest pokryte, gdy pompy pracują z  największą wydajnością, zapewniając maksymalny przepływ Vv. W podobny sposób następuje wyłączenie pomp szczytowych PS3 do PS1.

Legenda:PH = pompa głównaPS = pompa szczytowa 1-3VV = obciążenie pełneVT = obciążenie częściowePV = pełen pobór mocyPT = częściowy pobór mocy

Page 54: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

54 Podręcznik techniki pompowej

Rozważania końcoweW elementarzu techniki pompowej „Podstawy techniki pompowej“ omówiono rozwój i zastosowanie pomp od czasów prehistorycznych aż do dzisiejszych.

Przedstawiono charakterystyki pomp i korzyści jakie uzyskuje się dzięki zastosowaniu elektronicznych układów regulacji.

Wprawdzie pompa jest jednym z najmniejszych elementów instalacji, ale to od niej zależy prawidłowe działanie pozostałych elementów układu. Odnosząc to do organizmu człowieka można powiedzieć, że pompa jest sercem układu grzewczego!

Page 55: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

55Podręcznik techniki pompowej

Rzetelny partner Nasze wsparcie przy projektowaniuW celu ułatwienia Państwa pracy udostępniliśmy pomocne oprogramowanie, aplikacje, niezbędne dokumenty i infor-macje o naszych produktach w wersji on-line. Centrum serwisowe Wilo jest do Państwa dyspozycji przez całą dobę, 365 dni w roku, oferując niezawodną pomoc, ponie-waż Serwis Wilo oznacza rzetelność i tworzenie Państwa pracy prostszą.

1

2

3

4

Katalog CAD on-line:Rysunki kreślarskie 2D i 3D

cadprofi.com

Wilo Select:Program doboru pomp i urządzeń

wilo-select.com

LCC-Check on-line:Kalkulacja kosztów inwestycji

lcc-check.wilo.com

Katalog on-line:Kompletny katalog urządzeń

productfinder.wilo.com

Page 56: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

Wyślij nam wiadomość na:

[email protected] my zajmiemy się resztą!

PUNKTY SERWISOWE WILO

Warszawa

Lublin

Białystok

Tarnów

Siedlce

KrakówGliwice

Piekary ŚląskieOpole

Bielsko-Biała

Wrocław

Łódź

Poznań

Piła

Szczecin

Gdańsk

Gdynia

Unisławk/Bydgoszczy

Bartągk/Olsztyna

Mielec

Rzeszów

RadomBolesławiec

Kalisz

Kielce

BIAŁYSTOK: TECHNOTERM MIELEC: P.W. INWEST L. KACZMARCZYK

BIAŁYSTOK: JUWA OLSZTYN: BAMAX-SERWIS

BIELSKO-BIAŁA: ELTERM OPOLE: AKOSPOL

BIELSKO-BIAŁA: P.P.H.U. UNITERM PIEKARY ŚLĄSKIE: GPW INŻYNIERIA Sp. z o.o.

BOLESŁAWIEC: DELTA Technika Grzewcza PIŁA: SGP Poszwa i Wspólnicy

BYDGOSZCZ: EKO-TECH POZNAŃ: ELEKTROMECHANIKA

GDAŃSK: MGB P.H.U. RADOM: P.H.U. TERCET-B Marian Bieniek

GDYNIA: IPAP ELECTRONEX RZESZÓW: MUEHSAM Rozwiazania dla Przemysłu

GDYNIA: JBK SIEDLCE: PEC Serwis

GLIWICE: SERWO Serwis Pomp Wodnych SZCZECIN: SIWIL

KALISZ: PHU TOMEX TARNÓW: MPEC Tarnów, Zakład Serwisu i Wykonawstwa

KIELCE: MUEHSAM Rozwiązania dla Przemysłu TARNÓW: ELECTRO-ECO

KRAKÓW: ELSTER S.C. WARSZAWA: NAPRAWA POMP

LUBLIN: LPEC Sp. z o.o. WARSZAWA: ZAKŁAD INSTALACYJNO-NAPRAWCZY

ŁÓDŹ: HYDROSERWIS WROCŁAW: MAGA-INST

Page 57: Podstawy techniki pompowej Elementarz techniki …cdn21.pb.smcloud.net › t › files › 55 › 09 › 10 › b2600502a0 › ...elementy składowe: • źródło ciepła, • układ

Wilo Polska Sp. z o.o.ul. Jedności 5

05-506 Lesznowola

tel: 22 702 61 61

fax: 22 702 61 00

[email protected]

www.wilo.pl

INFOLINIA:

801 DO WILO

(801 369 456)

SERWIS NA TERENIE CAŁEJ POLSKI24-godzinny dyżur serwisowy: 602 523 039tel: 22 702 61 32, fax: 22 702 61 [email protected]