Насос или трубопровод? Часть 1

Это первая из трех статьей по данной теме.

Итак, вам нужно построить трубопроводную систему для перемещения 500 галлонов воды в минуту из пункта A и пункт B? Нет проблем, я позвоню своим приятелям, которые работают в магазине "Трубы для вас", и посмотрю, что у них сейчас в продаже. Что может пойти не так? Сейчас узнаете.

 

Прочитав эту статью, вы не станете экспертом по трубопроводам, и, если уж на то пошло, я и сам не эксперт. Однако я могу распознать плохую конструкцию трубопровода, если увижу.

 

В этой статье я надеюсь пролить свет на самые распространенные проблемы с трубопроводами, которые непосредственно влияют на работу насоса. Вы можете изучить, оценить и сравнить свою систему с этими примерами. Мои комментарии относятся к горизонтальным центробежным насосам (не шламовым), которые используются для перекачивания идеальных ньютоновских жидкостей.

 

Начнем с начала

 

Почему трубопровод так важен? Именно характеристики трубопровода определяют, как и в какой точке кривой характеристик работает насос. От того, в какой точке кривой работает насос, будут зависеть его срок службы, надежность и общие эксплуатационные затраты. Насос неизбежно и ошибочно обвиняют во всех возникающих проблемах, однако 98% случаев не имеют к нему отношения. С технической точки зрения, сначала необходимо спроектировать трубопровод, а затем подобрать для него подходящий насос. Насос и вся система, как в хорошем браке, должны быть созданы друг для друга. В противном случае, это будет сплошная драма, за которой последуют ненужные траты, а в итоге и развод.

 

Диаметр трубы

 

Если вам нужно перекачать воду на расстояние 1000 футов при расходе 500 галлонов/мин из пункта A в пункт B без перепада высоты, какого диаметра должна быть труба? У ваших друзей в магазине "Трубы по выгодной цене" в наличии есть труба диаметром 2,5 дюйма, и вы решаетесь на покупку. Проблема в том, что потери на трение в трубе диаметром 2,5 дюйма при расходе 500 галлонов/мин составляют примерно 163 фута (потери на трение) на каждые 100 линейных эквивалентных футов трубопровода (не забывайте, что вам нужно перекачать воду на расстояние 1000 футов). И ваша экономия при покупке дешевой трубы выйдет вам боком: вы потратитесь на покупку насоса (вероятно, вам потребуется двухступенчатый насос) и, что более важно, - последующие эксплуатационные расходы. Для работы насоса требуется мощность (л.с.), которая переводится в киловатт-часы (кВт-ч), что в итоге выливается в серьезные затраты, когда приходит счет за электричество. Если вы выберете трубу диаметром 6 дюймов (вместо 2,5), то изначально заплатите за трубу больше, но рабочая мощность значительно снизится с 280 до менее чем 10 л.с. расчетной эффективной мощности.

 

В этом примере, я привожу исключительную и, казалось бы, нелепую ситуацию, но я своими глазами наблюдал подобные случаи. Урок, который следует усвоить, заключается в том, что для каждой системы существует оптимальный диаметр трубы, где общая стоимость системы сбалансирована между эксплуатационными расходами за период работы и изначальными затратами на приобретение трубы конкретного диаметра. Возможно, 6-дюймовая труба, которую я упомянул ранее, окажется слишком дорогой и лучше выбрать 4-дюймовую.  5-дюймовая труба может подойти лучше с точки зрения потери напора, но это нестандартный размер, который не всегда есть в наличии и может стоить даже дороже 6-дюймовой трубы. Вы и/или специалист по трубопроводам должны выполнить определенные расчеты, чтобы сделать правильный выбор.

 

Как правило, для бесшламовых процессов на стороне нагнетания насоса лучше поддерживать скорость жидкости ниже 10 футов/с (3 м/с), а все значения выше 15 футов/с (4,5 м/с) следует оценивать критически.

 

Рисунок 1. Насосная система (изображение предоставлено автором)

Рисунок 2. Общий и упрощенный экономический анализ оптимизации диаметра трубы

 

Примечание: зачастую скорость, измеряемая непосредственно на выпускном сопле насоса, оказывается гораздо выше 10-15 футов/с, и предполагается, что труба большего диаметра будет установлена за соплом, чтобы обеспечить снижение скорости и потерь на трение.

 

Расчеты, необходимые для определения оптимального диаметра труб согласно кривой характеристик системы, могут варьироваться от простых до очень сложных, и, если вы не знакомы с уравнениями Дарси-Вейсбаха, Хазена-Вильямса и Бернулли и вычислением числа Рейнольдса, вам следует обратиться за помощью к профессионалам.

 

Основная идея состоит в том, что потери напора (трение трубы) примерно пропорциональны квадрату расхода.

 

Вот несколько эмпирических правил для оценки:

 

  • увеличение диаметра трубы вдвое повысит производительность в четыре раза;
  • потери на трение изменяются пропорционально производительности в квадрате;
  • повышение расхода в трубе определенного диаметра вдвое увеличит потери напора в четыре раза;
  • потери на трение изменяются обратно пропорционально отношению диаметра трубы, возведенного в пятую степень;
  • пропускная способность трубы изменяется пропорционально диаметру в степени 2,5.

 

Точнее говоря, вам нужно будет использовать формулу Дарси-Вейсбаха (уравнение 1).

 

Общие потери напора = hf = (f) x (L/D) x (V2/2g)

 

Уравнение 1

 

Где f - переменный коэффициент трения, зависящий от шероховатости внутренней поверхности трубы. Значение f вычисляется с помощью уравнений Коулбрука и диаграммы Муди. L - длина трубы. D - диаметр трубы. V - средняя скорость жидкости в трубе. g - ускорение свободного падения. Коэффициент Дарси f - безразмерная величина. Все единицы измерения - это футы или метры, однако обратите внимание, что ускорение свободного падения составляет 9,81 м/с2 в системе СИ и 32,2 фута/с2 в американской системе измерения. Вам также необходимо рассчитать и учесть поправку на срок службы трубопроводной системы. Коэффициент трения со временем изменится, следует обратить особое внимание на обрастание морскими организмами и загрязнения в системах забора сырой воды.

 

Обратите внимание, что можно также использовать формулу Хазена-Вильямса для труб диаметром менее 36 дюймов и только для воды комнатной температуры.

 

Наконец, обратите внимание, что выбирать диаметр трубы только на основе размеров фланцев насоса, как правило, не самая удачная мысль. Опять же, хочу отметить, что сначала следует проектировать систему, а потом подбирать к ней насос. В большинстве случаев оптимальная конструкция трубопровода и опыт подсказывают, что нужно выбрать другой, больший диаметр трубы. Исключением является линия всасывания самовсасывающего насоса.

 

Джим Элси - инженер-механик, вот уже 50 лет работает в области проектирования и применения вращающегося оборудования и в основном занимается вопросами надежности почти во всех сегментах промышленного рынка по всему миру. Джим Элси - член Американского общества инженеров-механиков, Американского общества металловедения, Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов и Военно-морской подводной лиги.

 

С Джимом Элси, главой компании MaDDog Pump Consultants LLC, можно связаться по эл. почте jim.elsey@spiohio.com.