變速泵節(jié)能分析管理論文

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摘要

變速泵在開式和閉式管路中的節(jié)能效果不同，引起這種差別的原因是開式系統(tǒng)受水的靜壓作用改變了泵的效率。分析了開式管路系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能效果并給出了計(jì)算實(shí)例。

關(guān)鍵詞：變速泵/節(jié)能/開式系統(tǒng)

Abstract

Theeffectsofenergysavingofvariablespeedpumpsintheclosedcircuitisdifferentfromthoseintheopenpipelinesystem.Thereasonisthatthereisastaticheadintheopensystemcausingthepumpefficiencyvarying.Analysestheenergysavingeffectsofvariablespeedpumpsinopensystemsandprovidescalculationexamples.

Keywords：variablespeedpump/energysaving/opensystem

0引言

變速泵在空調(diào)供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用發(fā)揮了很大作用。在閉式循環(huán)系統(tǒng)中，其節(jié)能效果非常明顯，因此得到廣泛的應(yīng)用。目前在不少開工系統(tǒng)中，也使用了變速泵，例如在供暖補(bǔ)水泵定壓系統(tǒng)中，補(bǔ)水泵也采用了變速調(diào)節(jié)。由于水的重力作用，在閉式系統(tǒng)與開式系統(tǒng)中，采用變速泵的節(jié)能效果顯然不同。隨著開式系統(tǒng)水提升高度的增加，變速泵的節(jié)能效果進(jìn)下降低，在流量變化大的閉式系統(tǒng)中應(yīng)用變速泵肯定有明顯的節(jié)能效果，但在開式系統(tǒng)中采用變速泵是否節(jié)能，要根據(jù)管路的實(shí)際情況從投資和運(yùn)行費(fèi)用角度綜合分析。

1基本方程

1．1泵的相似工況

由泵的相似定律（1）

即

有（2）

式中p1，p2,分別為轉(zhuǎn)速n1，n2下泵的揚(yáng)程，G1，G2分別為轉(zhuǎn)速n1，n2下泵的流量，N1，N2分別為轉(zhuǎn)速n1，n2下泵的功率，C為常數(shù)。

式（2）表明，只要泵在轉(zhuǎn)速n1下的工作點(diǎn)A和轉(zhuǎn)速n2下的工作點(diǎn)B（簡稱工況A，B）相似，則泵揚(yáng)程與流量平方的比值是一個(gè)常數(shù)；同時(shí)可以得知，如果兩個(gè)工相似，則這兩個(gè)工況下泵的效率必然相同。實(shí)際上，式（2）也表示了泵的等效率曲線式

（3）

在一定轉(zhuǎn)速下，泵的工作點(diǎn)管路阻力的變化而變化。對于某一確定的管路，常數(shù)C可用式（2）求得。式（2）還表明，即使泵的工作點(diǎn)隨著運(yùn)行情況變化，但只工作點(diǎn)在該曲線上，則泵的效率就不會發(fā)生變化。

1．2變速泵節(jié)能分析

泵的轉(zhuǎn)速泵從n1從調(diào)整到n2后泵的軸功率從N1，變到N1，由軸功率知，若把水看成不可壓縮流體，則在工況A，B下功率之比為

（4）

如果工況A，B在等效率曲線上，則ηa=ηb，且。也就是說，式（1）成立的條件必須是泵的工作點(diǎn)A，B均在等效率曲線上。

1．3管路水力特征

管路系統(tǒng)A，B兩點(diǎn)間流動的壓力總損失pab與流量G存在著上述特征關(guān)系

pab=po+SG2（5）

式中po為A與B兩點(diǎn)間水的靜壓。閉式管路系統(tǒng)的終點(diǎn)和起點(diǎn)生命，因此po=0；開式管路系統(tǒng)的終點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，且一般情況下A，B兩點(diǎn)之間的壓差不0。S為管路阻力系數(shù)，在水管路系統(tǒng)中可以認(rèn)為S值的大小與流量無關(guān)而僅與管路結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此對于一個(gè)具體的管路系統(tǒng)而言，S是一個(gè)不隨流量變化的常數(shù)值。記SG2=Δp，它表示了流體磨擦阻力的大小與流量的平方成正比；當(dāng)知道了管路結(jié)構(gòu)后就可以求得po和S值，從而由式（5）得到管路的特征曲線。

2閉式系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能分析

在閉式系統(tǒng)中，泵作功所輸出的能量完全消耗在克服水在管路中流動時(shí)的磨擦阻力，也就是說泵的揚(yáng)程p等于整個(gè)管路的壓降。這樣，當(dāng)流量發(fā)生變化后，泵的能耗自然也成比例地變化。

2．1泵與管路聯(lián)合工作點(diǎn)

泵的工作點(diǎn)為泵的特征曲線與管路特征曲線的交點(diǎn)，如圖1所示的閉式管路系統(tǒng)中的A點(diǎn)，其對應(yīng)的流量、壓力及效率分別為Ga,pa及ηa。圖中效率曲線η是針對轉(zhuǎn)速n1而言的。

閉式管路中流動阻力損失等于泵的揚(yáng)程，即Δp=p，且po=0，則由式（5）有

（6）

對比式（2）與式（6）不難發(fā)現(xiàn)C=S，這表明在閉式管路系統(tǒng)中泵的等效率曲線與管路特征收與管路特曲線完全重合。把該管路的阻力系統(tǒng)記作，則C=Sa，因此泵的等效率曲線方程和管路特征曲線均為p=SaG2。當(dāng)泵轉(zhuǎn)速從n1變到n2時(shí)，泵的工作點(diǎn)從A點(diǎn)變到B點(diǎn)，B點(diǎn)仍在管路特征曲線上。由于泵的等效率曲線與管路特征曲線重合，則泵在A，B兩點(diǎn)的效率ηa=ηb，這是閉式管路系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)。

2．2變速泵的節(jié)能

當(dāng)泵轉(zhuǎn)速從n1調(diào)整到n2后，泵的特征曲線變化如圖1所示。在ηa=ηb的條件下，由式（4）知A，B工況功率之比為

（7）

也就是說，泵的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此在閉式水系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能效果是非常明顯的。

3開式管路系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能分析

一供熱系統(tǒng)如圖2所示，使用高位膨脹水箱定壓。該供熱系統(tǒng)中，補(bǔ)水泵在開式管路系統(tǒng)中運(yùn)行，而循環(huán)泵則在閉式管路系統(tǒng)中運(yùn)行。當(dāng)用戶熱負(fù)荷發(fā)生變化后，如使用中央量調(diào)、循環(huán)泵為變速泵，如上分析則循環(huán)泵所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比。但補(bǔ)水泵在開式管路系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)補(bǔ)水量發(fā)生變化且補(bǔ)水泵亦為變速泵時(shí)，泵轉(zhuǎn)速變化后泵所消耗的功率并非與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因?yàn)槭艿搅碎_式管路系統(tǒng)進(jìn)出口高差H的影響。

3．1開式管路系統(tǒng)水力特性

開式管路中泵的提供的揚(yáng)程一方面消耗在克服流動阻力上，另一方面還消耗在提升水的高度上。如圖2，式（5）所示壓力總損失p=po+SG2中的po即時(shí)H=20m帶來的靜壓。知道管路結(jié)構(gòu)后即可求得管路的阻力系數(shù)S值。因此，知道po和S后就可以畫出管路特征曲線，如圖3所示。由泵的特征曲線和管路特征曲線的交點(diǎn)得到泵在轉(zhuǎn)速n1下的工作點(diǎn)A，從而得到A點(diǎn)的流量Ga及泵的揚(yáng)程pa，此處pa即為式（5）中的pab。為表示明確，管路的阻力系數(shù)也可寫為：

（8）

3．2開式管路中變速泵的等效率曲線

為分析比較方便，設(shè)開式管系統(tǒng)中變速泵在轉(zhuǎn)速n1的工作點(diǎn)A與閉式管路系統(tǒng)相同，如圖3。當(dāng)補(bǔ)水量發(fā)生變化后泵的轉(zhuǎn)速從n1變到n2，此時(shí)泵的工作點(diǎn)沿著管路特征曲線從A變到B′點(diǎn)，B′點(diǎn)所對應(yīng)的流量和壓力為Gb′，pb′。泵在B′點(diǎn)效率η′b并不一定等于A點(diǎn)的效率ηa，因?yàn)锳，B′兩個(gè)工況并不相似。

如上分析在閉式管路中過A點(diǎn)的等效率曲線方程中C=Sa，作p=SaG2曲線與泵在n1下的性能曲線之交點(diǎn)得到對應(yīng)的效率ηa。在開式管路系統(tǒng)中等效率曲線式（3）中的p此時(shí)對應(yīng)pab，同樣把式（3）中的常數(shù)C記作Ca，則。但開式管路系統(tǒng)的阻力系統(tǒng)數(shù)，因?yàn)閜0≠0，所以Ca≠S0。也就是說在p0≠0的開式管路系統(tǒng)中泵的等效率曲線與管路特征曲線不重合。把A，B′點(diǎn)的等效率曲線常數(shù)：

（9）

（10）

已知Gb′后可以由等效率曲線方程p=Gb′G2得到過程B′點(diǎn)的等效率曲線，該等效率曲線與轉(zhuǎn)速n1下的泵性能曲線交點(diǎn)為B′′，由B′′得到此時(shí)泵在轉(zhuǎn)速n1下的效率η′b，如圖3。

3．3節(jié)能分析

在泵轉(zhuǎn)速從n1調(diào)整到n2后，把A，B′工況對應(yīng)的Ga，pa，ηa及Gb′，pb′，η′b值代入式（4），即得到節(jié)能比。需要注意，即使假設(shè)此時(shí)ηa=ηb，轉(zhuǎn)速變化后的節(jié)能比也只能由求得，而不等于。因?yàn)樵陂_式管路系統(tǒng)中po≠0，A，B′點(diǎn)不在等效率曲線上，因此不能直接使用式（1）。

1|2

4算例

可以用解析法或作圖法來求解。假設(shè)泵在n1下的性能曲線方程為p=α0+α1G+α2G2,則在n2下的方程為p=α0′+α1′G+α2′G2,其中α0，α1，α2為已知系數(shù)α0′=α0k2，α1′=α1k，α2′=α2，轉(zhuǎn)速比。根據(jù)上兩式及式（5）、（6）、（7）、（9）及（4）聯(lián)立即可求得相應(yīng)的數(shù)值，本文利用作圖法求解，以便于理解。

4.1閉式系統(tǒng)

如圖2所示閉式管路系統(tǒng)中循環(huán)泵，設(shè)轉(zhuǎn)速n1=1100r/min調(diào)整到n2=860r/min，工作點(diǎn)分別為A，B。由圖1得A點(diǎn)Ga=12.85m3/h，pa=330.2kpa，ηa=0.75，B點(diǎn)Gb=10.05m3/h，pb=201.7kpa，則由式（3）得功率比。

4．2開式系統(tǒng)中保持轉(zhuǎn)速n2與閉式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速相同

如圖2，補(bǔ)水泵在開式管路系統(tǒng)中，同樣，泵轉(zhuǎn)速從1100r/min調(diào)整到n2=860r/min，即n2相同，工作點(diǎn)由A變到B′，由圖3知B′點(diǎn)的Gb′=5.95m3/h，p′b=227.8kPa.由式（10）得到過B′點(diǎn)的等效率曲線系數(shù)Gb′=0.643，等效率曲線p=0.643G2與轉(zhuǎn)速n1下的泵性能曲線的交點(diǎn)為B′′，B′′對應(yīng)的效率ηb′=60%。因此在A，B′兩工況下的功率。泵在A，B′兩點(diǎn)效率不同對節(jié)能的影響不可忽視，如果不計(jì)泵效率的變化，則。與實(shí)際值的相對偏差為20%，而這一點(diǎn)往往容易被忽略。

4．3開式系統(tǒng)中，保持流量Gb′與閉式系統(tǒng)的流量相同

當(dāng)n2相同時(shí)，開式系統(tǒng)B′點(diǎn)的流量Gb′肯定小于閉式系統(tǒng)B點(diǎn)的流量Gb。假若仍希望Gb′=Gb=10.05m3/h，則閉式、開式系統(tǒng)的n2肯定不相同。如圖4，當(dāng)開式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)整到n2′=998r/min時(shí)，則Gb′=10.05m3/h，此時(shí)閉式系統(tǒng)n2=860r/min下的流量相同，閉式系統(tǒng)的等效率曲線為過A，B的曲線，而開式系統(tǒng)的等效率曲線為過B′，B′′的曲線。從圖4可以求得，閉式系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速n2=860r/min下所對應(yīng)的效率為0.75，開式系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速n2′=998r/min時(shí)所對應(yīng)的效率為0.68。據(jù)式（4）知，。因此，對于開式、閉式系統(tǒng)當(dāng)流量均從12.85m3/h變到10.05m3/h時(shí)，開式系統(tǒng)節(jié)能效果只有閉式系統(tǒng)的73%。

5結(jié)論

5．1在開式管路系統(tǒng)中，泵變速前后工作點(diǎn)A，B′并不在同一等效率曲線上，因此A，B′點(diǎn)所對應(yīng)的效率不相等。在分析變速泵的節(jié)能效果時(shí)，應(yīng)考慮效率不同所帶來的影響。

5．2在閉式和開式管路系統(tǒng)中，泵轉(zhuǎn)速雖然都是從n1變到n2，但兩者的節(jié)能效果并不相同。在本文的算例中，閉式系統(tǒng)中泵的節(jié)能效率47.8%，而開式系統(tǒng)中節(jié)能效率為39.9%。這主要是由于開式系統(tǒng)受靜水壓p0的影響。如果p0=0，則節(jié)能效率相同；p0值越大，兩者的節(jié)能效果差別也就越大。

5．3在閉式和開式管路系統(tǒng)中，如果保持變速前后的流量都相同，則開式系統(tǒng)的節(jié)能效果要小于閉式系統(tǒng)，p0越大，開式系統(tǒng)節(jié)能效果越差。

參考文獻(xiàn)

1錢以明，高層建筑空調(diào)與節(jié)能，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990

2江億，用變速泵和變速風(fēng)機(jī)代替調(diào)節(jié)用風(fēng)閥水閥，暖通空調(diào)，1997，27（2）：66～71

3李向東，李百萍，牟靈泉，變頻調(diào)速裝置在空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用，暖通空調(diào)，1997，27（4）：62～65