Как определить статический напор при подборе моноблочной насосной установки автоматической установки пожаротушения
При проектировании водяного пожаротушения, определив гидравлическим расчетом требуемые расход на пожаротушение Q и требуемый напор H, необходимо подобрать насосы. Это можно сделать с помощью программ производителей насосного оборудования.
В любой программе среди исходных данных потребуется указать статический напор (Нстат).
Многие начинающие проектировщики не обращают внимание на этот важный параметр и оставляют поле пустым — так делать нельзя. В противном случае, кривая характеристика системы смещается ниже и мы получим рабочую точку отличную от фактической — соответственно, будет вероятность неверного подбора насоса.
В этой статье расскажем, как рассчитывается статический напор, чтобы вы знали как указать его в исходных данных.
Как рассчитать статический напор
Требуемый напор в системе автоматического пожаротушения складывается из статического напора (не зависит от расхода системы) и динамического напора – по-другому «суммарных линейных потерь давления» (зависит от расхода). Часть требуемого напора компенсируется гарантированным подпором от источника водоснабжения (городской сети) и компенсируется как раз статический напор.
Статический напор вычисляется по формуле:
Пример расчета статического напора
Например, на онлайн-курсе «Проектирование водяного пожаротушения для начинающих» в учебном проекте, если выбрать ороситель «СВУ-15М» для 2 группы помещений, расчет будет выглядеть следующим образом:
Hстат. = H1+Z – Нгар.подпор = 10,197 + (-5,3- (-9,0))- 10,197 =3,7 м.
При этом помните, что полный статический напор системы – это Н1+Z.
Гидравлические характеристики насосных систем
Как показал опыт практической работы, связанной с применением насосного оборудования, многие люди неверно подбирают оборудование, не вникая в физику процесса. Начиная с этого номера, мы хотим дать курс, описывающий физические процессы в гидравлической системе. Надеемся, что эта информация будет полезна.
Рис. 1. Статический напор
Рис. 2. Обратная зависимость статического напора от расхода
Рис. 3. Обратная зависимость потерь напора на трение к расходу
Рис. 4. Система с высоким статическим напором
Рис. 5. Система с низким статическим напором
Рис. 6. Гидравлическая кривая центробежного насоса
Рис. 7. Гидравлическая кривая поршневого насоса
Рис. 8. Центробежный насос и система гидравлических кривых
Рис. 9. Поршневой насос и система гидравлических кривых
1. Характеристики системы
Главным назначением гидравлических систем в большинстве случаев является либо подача жидкости из источника к требуемой точке, т.е. заполнение резервуара, расположенного на более высокой отметке, либо циркуляция жидкости по всей системе как способ передачи тепла. Давление, необходимое для создания потока жидкости, нужно подбирать так, чтобы оно соответствовало требуемому значению и компенсировало потери в системе.
Существует два типа потерь: статический напор и потери напора на трение и местные сопротивления. Статический напор— это разница высоты между всасывающим и напорным резервуарами (рис. 1).На данном рисунке скорость потока в трубе допускается очень низкая. Другой пример системы (рис. 2) только со статическим напором, где жидкость поступает сразу в напорную емкость через короткий трубный отвод.
Потери напора на трение (иногда они называются потерями динамического напора) возникают во время прохождения перекачиваемой жидкости через трубы, клапаны и другое оборудование системы. Данные потери пропорциональны площади, пройденной потоком. В замкнутом контуре циркуляционной системы, недоступной воздействию атмосферного давления, происходят только гидравлические потери напора системы на трение, находящиеся в обратной зависимости к значению расхода (рис. 3).
2. Графики гидравлических характеристик
Большинство систем имеют одновременно статический напор и потери напора на трение (рис. 4, 5). Значение отношения статического напора к потерям напора на трение по всему рабочему диапазону влияет на эффективность, которая должна достигаться при работе двигателей с частотным регулированием. Статический напор является особенностью индивидуальной системы, уменьшающей данный напор там, где это возможно, что экономит затраты на установку и эксплуатацию насоса. Потери напора на трение должны быть уменьшены с целью экономии средств при эксплуатации насоса. Но следует учесть, что после того как снята ненужная трубопроводная арматура и уменьшена длина участка трубы, для дальнейшего снижения потерь на напоре понадобятся трубы большего диаметра, а это повысит затраты на монтаж.
3. Графики гидравлических кривых насоса
Характеристики насоса могут быть графически выражены как отношение напора к расходу для центробежных насосов (рис. 6) и поршневых (рис. 7).Центробежные насосы имеют гидравлическую кривую характеристик, где с увеличением расхода напор постепенно падает, но для поршневых насосов, каким бы ни было значение напора, расход практически постоянен.
4. Рабочие точки насоса Когда насос устанавливается в системе, то их взаимодействие может быть изображено графически наложением кривых насоса и гидравлических кривых системы (рис. 8, 9).Если фактическая гидравлическая кривая системы отличается от расчетной, то насос будет работать в точке с напором и расходом, отличным от ожидаемых.
Для поршневых насосов верно следующее: если гидравлическое сопротивление системы растет, то насос увеличивает давление нагнетания и сохраняет практически постоянный расход, зависящий от вязкости жидкости и типа насоса. Без использования защитной трубопроводной арматуры уровень давления может достичь критического значения.
Для центробежных насосов увеличение гидравлического сопротивления системы сведет расход в конечном итоге до «0», но максимальное значение будет ограничиваться. Учитывая это условие, приемлем только короткий период работы. Ошибка расчета кривой гидравлической системы может привести к выбору центробежного насоса, не отвечающего оптимальным характеристикам.
При подборе насоса большего типоразмера, который будет работать при большем значении расхода или даже в условиях дроссельной системы, дополнительный запас мощности увеличит потребление энергии и сократит срок службы насоса.
Что такое статический напор
где dF – сила, действующая на бесконечно малую поверхность, dS – бесконечно малая площадь поверхности.
В системе СИ абсолютное давление выражается в [Н/м 2 ] или [Па].
где pизб – избыточное давление; p – абсолютное давление; pатм – атмосферное давление.
Величину избыточного давления измеряют при помощи манометров.
Коэффициент местного сопротивления x
Коэффициент местного сопротивления используется для определения потерь напора на местных гидравлических сопротивлениях (задвижки, отводы, фильтры, клапаны и т.д.). Он зависит в общем случае от типа сопротивления, диаметра трубопровода, режима течения. Численные значения коэффициента местного сопротивления приведены в справочной литературе. [3,4]
Коэффициент трения l
Коэффициент трения используется для определения потерь напора на гидравлическом трении. Он зависит в общем случае от режима течения, шероховатости трубопровода и диаметра трубопровода. Для определения коэффициента трения можно использовать следующие формулы:
| Формула | Применимость | Область трения |
 |  | Ламинарное течение |
 |  | Гидравлически гладкие трубы |
 |  | Гидравлически шероховатые трубы |
 |  | Автомодельная (квадратичная) область |
где d – диаметр трубопровода [м]; е – абсолютная шероховатость материала труб [м].
Критерий Рейнольдса Re
Критерий Рейнольдса характеризует режим течения жидкости и определяется по формуле:
,
если поток течет чере трубу круглого сечения с диаметром d, то площадь поперечного сечения равна:
По численному значению критерия Рейнольдса можно судить о режиме (характере) течения жидкости:
 | Жидкость течет в ламинарном режиме. Ламинарному режиму течения свойственно движение частиц жидкости по траекториям, параллельным общему направлению потока. |
 | Жидкость течет в переходном (слабо развитом турбулентном) режиме. Этому режиму свойственно появление вихрей. Вихрь – это движение группы частиц по вращательной траектории. За счет вихрей поток жидкости перемешивается в поперечном направлении. Чем ближе значение критерия Рейнольдса к 10000, тем больше вихрей. |
 | Жидкость течет в турбулентном режиме. Турбулентный режим сопровождается возникновением большого количества вихрей, перемешивающих жидкость. |
где pвак – разрежение; p – абсолютное давление; pатм – атмосферное давление. Величину разрежения измеряют при помощи вакуумметров.
Статический напор
При рассмотрении трубопроводной сети статическим напором называют энергию, отнесенную к 1 Н жидкости, которую необходимо затратить, для того, чтобы жидкость поддерживалась неподвижно в трубопроводной сети. Статический напор простейшей трубопроводной сети определяется по формуле:
где Hг – геометрический напор; P2 – давление в приемном резервуаре; P1 – давление в расходном резервуаре.
Не трудно заметить, что чем больше давление в приемном резервуаре, т.е. резервуаре, куда должна перекачиваться жидкость, тем больший статический напор нужно обеспечивать, чтобы противодействовать этому давлению.
Лекция 13
13. РАБОТА НАСОСОВ НА СЕТЬ.
14.1.Баланс напоров потока в трубопроводе с включенным в него насосом.
14.2. Статический напор установки.
14.3. Потребный напор насосной установки.
14.4.Характеристика работы насоса.
14.4.1.Вакуум во всасывающей линии.
14.5. Регулирование подачи насоса.
14.6. Задачи о работе насосов на сеть.
Рекомендуемые файлы
14.7. Регулирование подачи насосной установки.
14.1.Баланс напоров потока в трубопроводе с включенным в него насосом.
При работе на сеть насосы рассматриваются, как источники, сообщающие жидкости энергию, при этом рабочий процесс насосов не рассматривается.
Для решения задач о работе насосов на сеть используется баланс напоров потока в трубопроводе с включенным в него насосом.
При установившемся движении жидкости в трубопроводе включение в него насоса, как источника энергии, изменяет уравнение баланса напоров.
Напор насоса складывается из разности напоров в конечной и исходной точках плюс потери от начальной точки до конечной точки (рис. 14.1). Напор насоса это энергия, сообщаемая насосом единице веса перекачиваемой жидкости.
Напор насоса затрачивается на увеличение напора потока и преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводе.
Напоры Н1 и Н2 – это напоры в т.1 и т.2. В уравнении напоров (14.1) не учитывается потери между всасывающим и напорным отверстием и (14.1) – это упрощенное уравнение баланса напоров.
14. 2. Статический напор установки.
Сеть, на которую работает насос, может быть простым или сложным трубопроводом, а также включать в ряде случаев гидродвигатели, преобразующие гидравлическую энергию, сообщенную потоку насосом, в полезную механическую работу.
Схема насосной установки при работе насоса на простой трубопровод показана на рис. 14.1. Насос перекачивает жидкость из приемного резервуара А в напорный резервуар В по трубопроводу, состоящему из всасывающей и нагнетательной труб.
Статическим напором установки называют разность гидростатических напоров жидкости в напорном и приемном резервуарах:
(14.3)
Если давление на свободных поверхностях жидкости в резервуарах равно атмосферному, как для установки, изображенной на рис. 14.1, статический напор представляет собой разность уровней жидкости в резервуарах: 
, т.е. высоту подъема жидкости в установке.
,
14.3. Потребный напор насосной установки.
Потребным напором установки Нпотр, называют энергию, которую необходимо сообщить единице веса жидкости для ее перемещения из приемного резервуара в напорный по трубопроводу установки при заданном расходе.
14.3.1. При работе насоса на длинный трубопровод, пренебрегают малыми скоростными напорами в резервуарах и скоростным напором на выходе, получим,
(14.4)
hп.н. – в напорной линии, включая потерю при выходе из нее в напорный резервуар.
14.3.2. При работе насоса на трубопровод, снабженный концевым сходящимся насадком (рис. 14.3), скоростной напор на выходе из насадка сравним с потерями по длине в трубах и должен учитываться в уравнении потребного напора.
Потребный напор при учете скоростного напора равен
(14.5)
14.3.3. При установившемся режиме работы установки, когда расход в системе трубопроводов не изменяется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору установки:
14.4. Характеристика насоса.
Характеристику насоса при данной частоте вращения составляют следующие показатели:
· подача (объемом жидкости, перемещаемым насосом в единицу времени) Q (м 3 /с),
· потребляемая насосом мощность двигателя Nд, (Вт),
· полезная мощность насоса равна энергии, сообщаемой в единицу времени потоку жидкости, определяемая, как произведение Nпн = Qн*ρgHн,
· КПД насоса равный отношению полезной мощности насоса Nпн к мощности, потребляемой насосом, т.е. мощности двигателя Nдв:
(14.7)
Примерный вид характеристики насоса приведен на рис.14.6. Обычно характеристика задается в виде графика или в виде таблицы.
14.5.Вакуум во всасывающей линии.
Напор насоса при известной его подаче может быть измерен с помощью манометров V и М, установленных в его входном и выходном сечениях (рис.14.5). 
каждый из которых выражается формулой 
.
Входящие в k величины постоянны, или задаются таковыми в первом приближении, если какая-либо из них неизвестна, чаще других, это относится к λ. Величиной λ задаются и строят график характеристики трубопровода в виде параболы.
Характеристику установки строят, смещая ее по оси напоров на величину Нст, при Нст = 0 характеристика установки проходит через начало координат и в этом случае имеет вид
В этом случае в рабочей точке насоса напор целиком затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления системы. К такому типу относятся циркуляционные установки, где приемный и напорный уровни совпадают (рис. 14.7).
Если движение в трубопроводе является ламинарным, характеристику трубопровода выражают формулой ∑hп = k*Q, в которой коэффициент k трубопровода равен
.
14.7. Регулирование подачи насоса.
Рабочая характеристика центробежного насоса имеет номинальные параметры, соответствующие долговременному и экономичному режиму работы. Однако возникает необходимость изменения характеристики насоса в соответствие с требованиями создаваемой установки. Существует несколько методов регулирования параметров насосной установки.
14.7.1. Регулирование подачи методом изменения частоты вращения насоса
Пересчет характеристик лопастного насоса при изменении частоты вращения двигателя (рис. 14.8) производится с помощью законов пропорциональности, выражающих свойства подобных режимов работы данного насоса при разных частотах вращения. При этом методе изменяется характеристика насоса, и рабочая точка перемещается по заданной неизменной характеристике установки (рис. 14.8).
Точки каждого семейства подобных режимов лежат в координатах Qн-Н на квадратичной параболе, вершина которой находится в начале координат, это парабола подобных режимов. (рис. 14.8).
При использовании законов пропорциональности касающихся расхода, напора, мощности, делаются следующие допущения.
1. Считается, что сравниваемые подобные режимы находятся в зоне турбулентной автомодельности и изменение числа Рейнольдса не влияет на распределение скоростей в каналах насоса и на их коэффициенты сопротивления.
2. Допускается, что для подобных режимов значения КПД насоса можно приближенно принимать одинаковыми (η1 = η2).
3.Допускается, что насос работает на одной и той же жидкости (ρ1= ρ2).
14.7.2.Методика определения новой частоты вращения центробежного насоса при необходимости изменения его подачи (рис.14.9).
Требуется определить новую частоту вращения насоса nx, при которой подача QI увеличится (или уменьшится) на m %.
Методика определения частоты.
1. Строятся характеристики насоса и трубопровода (рис.14.9а и 14.9б).
2. По заданному изменению подачи (на ± m%) находим величину QI и откладываем это значение на оси абсцисс.
3. Проводим вертикальную прямую QI до пересечения с характеристикой трубопровода, получаем новую рабочую точку В (QI и HI) установки. Через эту точку должна пройти характеристика насоса при искомой частоте вращения nx.
4. Определяем коэффициент параболы подобных режимов по значениям QI и HI.
6. По значениям QII и HII в точке С определяем число оборотов насоса по формулам подобия.
14.7.1. Регулирование подачи насосной установки методом дросселирования.
Подачу центробежного (лопастного) насоса можно регулировать методом дросселирования, устанавливая в трубопроводе дроссель с изменяемым сопротивлением (задвижку, вентиль, кран и др.). При изменении открытия дросселя изменяется характеристика установки (крутизна характеристики трубопровода) и рабочая точка перемещается по заданной характеристике насоса (рис. 14.10). Этот способ регулирования подачи связан с дополнительными потерями энергии в дросселе и поэтому неэкономичен.
14.9. Регулирование подачи с использованием обводной линии.
На рис. 14.11 дано решение задачи о работе центробежного насоса в установке, снабженной обводной трубой, по которой для регулирования подачи насоса жидкость перепускается из напорной линии во всасывающую.
1. Задается характеристика насоса и величина потребного расхода Qпотр.
2.От Нст строится характеристика установки Нуст= Нст+hAD.
3.Строится характеристика трубопровода h= hCFB.
3. Строится совместная характеристика трубопровода hAD+hCFB.
4.Находится рабочая точка А: пересечение характеристики hAD+hCFB с характеристикой насоса, находятся значения Qн и Нн.
5. Проводится линия Нн параллельная оси абсцисс, при пересечении ее с характеристикой hCFB =f(Q) находится т.В, в которой определяется расход перетечки q через обводную линию и расход в линии СD – Q. Qн = q + Q
14.8. Задачи о работе насоса на сложный (разветвленный)
Рассматриваются две задачи со схемами: работа насоса на трубопровод с параллельными ветвями и на трубопровод с концевой раздачей.
В первом случае задача решается так же, как и при работе на простой трубопровод, с помощью суммарной характеристики сложного трубопровода, включающей сопротивление его разветвленного участка.
В зависимости от соотношений между элементами установки насос может перекачивать жидкость из приемного резервуара А в оба резервуара С и В или может питать вместе с верхним резервуаром В нижний резервуар С.
Решение основано на определении пьезометрического уровня в узле В, при котором выполняется условие баланса расходов в трубах, примыкающих к узлу.
1. Характеристика насоса задана графиком.
2. Величина потерь во всасывающем hAN = hвс трубопроводе и напорном трубопроводе hNВ = hн может быть определена по формулам: ∑hп =kQ 2 , ∑hп = k*Q.
3. Используя эти формулы можно построить график зависимости напора (пьезометрического уровня) в узле В от подачи насоса, вычитая из ординат напорной характеристики насоса потери напора в трубе АNВ (кривая НВ)
4. Найдя точку I пересечения линии напора Нв с с характеристикой трубы ВС, построенной от пьезометрического уровня в резервуаре С, определим направление движения в трубе ВD, ведущей в верхний резервуар.
Если эта точка I расположена выше уровня в резервуаре В, то насос питает оба резервуара.
5. В этом случае строим зависимость суммарного расхода в трубах ВС и ВD от пьезометрического уровня в узле В, точка ее пересечения с кривой Нв определяет пьезометрический уровень в узле В, расходы в трубах и режим работы насоса (рабочую точку системы).
6. Если точка пересечения линии Нв и ВС’ расположена ниже уровня в резервуаре D, последний питает совместно с насосом резервуар С. В этом случае (штриховые линии на рис. 14.12) строят зависимость суммарного расхода в трубах АВ и ВВ от пьезометрического уровня в узле В (путем суммирования кривых Нв и ВВ по расходам); точка пересечения этой кривой с характеристикой трубы ВС’ является рабочей точкой системы.
8. При параллельной или последовательной работе нескольких насосов для определения режима работы системы следует предварительно построить суммарную характеристику насосов, а затем найти рабочую точку системы обычным способом, т.е. пересечением характеристики насосов с характеристикой установки.
Для построения суммарной характеристики насосов при параллельном их соединении необходимо сложить характеристики насосов по абсциссам (подачам), а при последовательном соединении — по ординатам (панорам).
14.9. Работа параллельных насосов и последовательно
соединенных насосов на простой трубопровод.
На рис. 14.14 показана схема параллельной работы центробежных насосов на простой трубопровод и дано графическое решение этой задачи.
14.10. Особенности работы на сеть насосов объемного типа.
Для объемных насосов (поршневых, роторных и др.) подачу Qн можно в первом приближении принимать не зависящей от развиваемого насосом напора Нн и пропорциональной частоте вращения насоса. Подача поршневого насоса, например, определяется по формуле
, (4.15)
где F и S — площадь и ход поршня; n — число двойных ходов поршня в минуту (частота вращения коленчатого вала); z — число рабочих камер (цилиндров) насоса; ηо — коэффициент подачи насоса. В общем виде подача объемных насосов различного типа выражается формулой
где W— рабочий объем насоса (подача его за один оборот вала), зависящий от типа и размеров насоса.
При указанном приближении линии напора Нн = f(Qн) на характеристиках объемных насосов можно показать в виде вертикальных прямых Qн =const, каждая из которых соответствует определенной частоте вращения насоса (рис. 14.16). В действительности подача любого объемного насоса при данной частоте вращения несколько уменьшается с ростом напора насоса.
Поскольку подача объемных насосов почти не зависит от напора, способ регулирования подачи дросселированием к объемным насосам неприменим (полное закрытие дросселя на выходе из объемного насоса может повлечь за собой аварию, если не предусмотреть специальных предохранительных устройств).
Регулирование подачи в гидросистемах и установках с объемными насосами может осуществляться изменением частоты вращения насоса (см.рис. 14.16) или применением специальных насосов с переменной подачей, в которых на ходу изменяется рабочий объем W. Однако в большинстве случаев регулирование подачи в гидросистемах с объемными насосами производится менее экономичным, но наиболее простым способом перепуска жидкости из напорной линии во всасывающую. Для этой цели применяются различные регулируемые дроссели и переливные клапаны, а также автоматы разгрузки и другие специальные устройства.
На рис. 14.17 показана схема насосной установки с объемным насосом и перепускной трубой, снабженной регулируемым дросселем.
Для определения режима работы насоса при заданном давлении Ро в напорном баке и некотором открытии дросселя можно воспользоваться графическим построением, приведенным на рис. 14.13. При решении аналогичной задачи с лопастным насосом перепускная труба рассматривалась как ответвление трубопровода, на который работает насос с заданной характеристикой.
В ряде случаев более удобным является другой способ решения этой задачи, при котором перепускная труба рассматривается как дополнительный элемент самого насоса, изменяющий его рабочую характеристику. Нанеся на общий график в координатах Q —Н характеристику насоса и характеристику перепускной трубы, следует из первой вычесть вторую по расходам для этого нужно при различных значениях напора насоса вычитать из его подачи расходы в перепускной трубе (поскольку располагаемый напор перепускной трубы равен напору насоса).
Полученная в результате кривая АВ представляет характеристику насоса вместе с перепускной трубой. Пересечение этой кривой с характеристикой гидросистемы (кривая LD определяет рабочую точку системы (точка В), т.е. расходы Q в напорный бак и в перепускной трубе q, а также подачу Qп и напор насоса Нн (рабочая точка насоса С).
При любом другом открытии дросселя изменяется его характеристика, а следовательно, и характеристика насоса вместе с перепускной трубой; при этом рабочая точка системы смещается.
На рис. 14.18 схематически показана установка с объемным насосом и переливным, пружина которого отрегулирована па заданное давление Нрасч, определяющее момент его открытия. На графике показано определение режимов работы насоса, т.е. нахождение рабочих точек, при трех различных давлениях в напорном баке.
Для определения режимов работы насоса следует, как и в предыдущей схеме, из характеристики насоса вычесть характеристику переливного клапана, т.е. получить суммарную характеристику насоса вместе с клапаном (линия АВС). Точки пересечения этой кривой с характеристиками гидросистемы в трех указанных случаях определяют рабочие точки 1, II, III насоса.
Как видно на рис. 14.18, при напорах насоса Нн Нрасч (случаи 1 и 2) часть подачи насоса возвращается на сторону всасывания.
Применяя разобранные способы решения задач о работе объемных насосов на сеть, следует иметь в виду, что опытные характеристики объемных насосов обычно даются в виде зависимостей подачи насоса Qн‚ и его КПД от давления насоса Рн(рис. 14.19).
Давление насоса представляет энергию, сообщаемую насосом
единице объема перекачиваемой жидкости, и связано с напором насоса соотношением
(14.7)
Практически величина Рн равна повышнию давления жидкости от всасывающего до напорного патрубков насоса. Полезная мощность насоса выражается формулой