Рисунок 1 – Схема герметичного насоса хладагента (Тип САМ).
Авторы: Roland Krämer, Ivan Perez
Автор перевода: Артём Милютин
Источник: https://www.hermetic-pumpen.com/system/...
Большие холодильные установки сегодня предпочтительно выполнены в виде насосной системы с принудительной циркуляцией хладагента на стороне низкого давления. Это имеет некоторые преимущества перед другими системами:
Герметичные насосы хладагента с ZART
технологией (Zero Axial и Radial Thrust) предлагают пользователю явные преимущества, такие как,
например, широкий частотный диапазон регулирования насоса. Большая площадь поверхности гидродинамических подшипников обеспечивает
длительную работу на низких частотах. Технология ZART
вызывает контактостойкость и износостойкость роторного блока.
На рисунке 1 показан герметичный насос для подачи жидкого хладагента. Тонкостенная банка из нержавеющей стали служит герметичным уплотнением насоса, установленного снаружи, и защищает обмотку от действия хладагента. Двигатель с жидкостным охлаждением: охлаждающий поток отводится со стороны давления насоса в пространство ротора и после поглощения потерь тепла двигателя — через полый вал между вторым и третьим рабочим колесами — возвращается в область более высокого давления. Это предотвращает испарение тока охлаждения двигателя.
Рисунок 1 – Схема герметичного насоса хладагента (Тип САМ).
Все больше СО2 используется в холодильных системах. Они обеспечивают, например, морозильные камеры в супермаркетах. Из–за возникающего высокого давления обычно речь идет только о герметичных насосах для хладагента (номинальное давление PN40 или выше). В следующем примере описано использование холодильного насоса в супермаркете с 60 морозильными камерами и общей длиной около 180 м. Используемый хладагент — СО2/R744 с температурой –4℃.
Насос рассчитан на 12 м3/ч при напоре 26. Задача состояла в том, чтобы эффективно регулировать насос с помощью преобразователя частоты. Насос должен автоматически адаптироваться к разному потреблению охлаждения.
Для конструкции насоса был использован алгоритм расчета, который позволяет преобразовать характеристику 50 Гц в меньшие частоты с помощью законов подобия: Q≈n, H≈n2, P2≈n3 и NPSH≈n4/3
Конверсия вряд ли вызывала какие–либо проблемы. Вопросы было сложнее уточнить:
Добавляя скорость в качестве новой степени свободы, математически сложнее вычислять — проблема становится многомерной. Напор H является двумерной функцией от Q и f, а мощность волны P2 является двумерной функцией от Q и f. Посредством алгоритма расчета напор H и мощность P2 вала могут быть представлены в виде двумерных кубических сплайн–функций переменной Q и f.
Благодаря этим сплайн–функциям возможна произвольная интерполяция в характеристическом поле. Для заданного Q, Н может быть вычислен как f или при отсутствии f, H можно вычислить как Q.
Из расчета несущей способности с учетом вязкости CO2 следовала минимальная скорость около 1 800 об/мин, соответствующая минимальной частоте 30 Гц. Входными значениями для программы расчета были характеристика насоса на 50 Гц, эквивалентная схема двигателя и значения материала CO2 в зависимости от температуры. Кроме того, существуют спецификации для геометрии, выхода охлаждающего потока двигателя, минимальной защиты S–min от испарения частичного потока и минимальной безопасности SS–min = NPSHa–NPSHp (установка–насос) от кавитации.
Результатом наблюдений является характерное поле, показанное на рисунке 2, которое также учитывает проскальзывание двигателя. Расчет теплового баланса первоначально приводит к синей граничной кривой. Это отражает рабочие точки, в которых минимальная безопасность S все еще составляет 3 метра.
Рисунок 2 – Характеристические кривые 30–60 Гц.
Верх: характеристические кривые H–Q с ограничивающими кривыми, чтобы избежать испарения охлаждающего тока двигателя (синий)
или для предотвращения кавитации (красный).
Низ: характеристические кривые P–Q. Одинаково рассчитанные и измеренные рабочие точки
для Qmin и Qmax, а также рабочие точки при работе в дневное и ночное время.
Для всех точек на синей кривой S>3 м. Физически это означает, что для всех точек в пределах синей предельной кривой не следует ожидать испарения парциального тока двигателя. Получается, что частоту двигателя нельзя опускать сколь угодно далеко. Синяя кривая ограничивает диапазон частот до 30 Гц. 30 Гц — это также нижний предел несущей способности подшипников скольжения с СО2.
Второй критерий касается NPSHa и NPSHr. При малых скоростях потока NPSHr снова увеличивается из–за выделяемого тепла в первом рабочем колесе. Если между NPSHa и NPSHr требуется минимальное безопасное расстояние SS–min = 0,3 м, на диаграмме отображается красная ограничивающая кривая. В пределах красной кривой насос не имеет кавитации, но кавитации следует ожидать снаружи. Можно увидеть, что красная кривая определяет минимальную скорость потока в этом случае, тогда как максимальная скорость потока на карте определяется синей кривой.
Для достижения этой цели в качестве регулируемой переменной для преобразователя частоты соответствующим образом используется перепад давления между фланцем всасывания и фланцем давления (см. диаграмму перепада давления на рис. 3). Преобразователь регулирует частоту в соответствии с требуемой скоростью потока или требуемой охлаждающей способностью, чтобы перепад давления оставался постоянным во всем диапазоне регулирования. Таким образом, Q становится уникальной функцией частоты. Для экономии энергии дифференциальное давление должно быть установлено на заданное значение в нижней части характеристической диаграммы (рисунок 2). Там мощности насоса P2 в соотношении ≲n3. Однако для обеспечения максимально возможного диапазона регулирования частота не должна быть слишком низкой или слишком близкой к минимуму синей кривой. В нашем примере заданное значение было установлено на 26,6 м, что соответствует перепаду давления 2,5 бар. Тогда минимальный поток получаем, как пересечение кривой H = 26,6 м с красной кривой до Qmin = 1,07 м3/ч при 32,7 Гц, а максимальный поток — как пересечение кривой H = 26, 6 м с правой синей кривой до 12,0 м3/ч при 47,3 Гц.
Рисунок 3 – Диаграмма перепада давления:
перепад давления DPT, температура на стороне всасывания TS1, температура на стороне давления TS2,
давление PT на стороне всасывания, частота ST (на преобразователе), входная мощность JT (на преобразователе).
Рисунок 4 – Зависимость расхода Q (м3/ч) от частоты преобразователя f (Гц).
Рабочие точки, фактически измеренные в системе в дневное и ночное время, находились на прямой линии Δp = 2,5 бар и также показаны на рисунке 2. Рабочие точки днем составляли 38,7 Гц/6,8 м3/час, ночью — 35,0 Гц/3,9 м3/час. Q изменяется почти в 2 раза.
Обе рабочие точки все еще достаточно удалены от Qmin и Qmax. Энергоэффективность очевидна. Мощность волны в ночное время составляет всего 0,66 кВт по сравнению с 1,91 кВт при 47,2 Гц. Это означает, что энергосбережение составляет 65 процентов. По сравнению с питанием от сети 50 Гц экономия была бы еще выше, а именно 70 процентов. Общая потребляемая мощность в системе снижается до 0,75 кВт при 35 Гц по сравнению с 1,85 кВт при 47,2 Гц, что позволяет сэкономить 59% и даже 65% по сравнению с работой в сети с частотой 50 Гц.
Хотя скорость потока Q не может быть измерена напрямую, она может быть легко рассчитана по частоте при постоянном перепаде давления. Чтобы сделать это, мы формируем квадратичную регрессию Q против f для вышеуказанных четырех рабочих точек и таким образом получаем функциональное соотношение:
Это уравнение применимо только к перепаду давления 2,5 бар. Исходя из этого, поток из измеренной частоты может быть рассчитан и при желании отображен непосредственно на преобразователе. Таким образом, обеспечивается бесперебойная работа насоса для следующих параметров и в следующих пределах диапазона:
В этих условиях существует достаточный запас давления (S>3 м) против испарения тока охлаждения двигателя. Также достаточно запаса NPSH (S>3 м) для насоса, чтобы предотвратить кавитацию на стороне всасывания насоса. Частота вращения насоса также достаточна для обеспечения несущей способности подшипников скольжения. Рабочая точка Max соответствует точке пересечения синей кривой с прямой Δp согласно рис. 2 и, таким образом, отражает состояние максимальной охлаждающей способности системы. С точки зрения расчета, числовые значения, приведенные в таблице 1 под рабочей точкой Max, приводят к этой рабочей точке. Они также соответствуют проектным данным насоса.
Таблица 1 – Расчетные числовые значения для рабочих точек.
Использование преобразователя частоты с управлением Δp может сэкономить до 70 процентов мощности насоса по сравнению
с 50 Гц при работе от сети. Тепло, вводимое в систему охлаждения, также уменьшается на 65 процентов.
Это означает, что требуемая охлаждающая способность компрессоров соответственно уменьшается.
Благодаря контролю скорости насоса это дает двойную выгоду. Специальная конструкция и высокая несущая способность гидродинамических
подшипников скольжения в сочетании с эффективным балансом осевого усилия насоса обеспечивают бесконтактную работу герметичных насосов
для хладагента. Насосы с хладагентом, оснащенные технологией ZART
, предназначены для надежной и постоянной работы с частотным контролем.