开式系统中变速泵的节能分析

1、开式系统中变速泵的节能分析analysisonenergysavingofvariablespeedpumpsinanopensystem摘要变速泵在开式和闭式管路中的节能效果不同，引起这 种差别的原因是开式系统受水的静压作用改变了泵的效率。 分析了开式管路系统中变速泵的节能效果并给出了计算实 例。关键词：变速泵/节能/开式系统abstracttheeffectsofenergysavingofvariablespeedpumpsintheclosedcircuitisdifferentfromthoseintheopenpipelinesystem thereasonisthattherei

2、sastaticheadintheopensystemcausingthepumpefficiencyvarying. analysestheenergysavingeffectsofvariablespeedpumpsinopensyste msandprovi descalcula tionexampl es.key wo rds : variab lespeedpum p/energysa ving/opens ystemo 弓| 言变速泵在空调供暖系统中的应用，对于改善系统调节 性能、节省运行费用发挥了很大作用。在闭式循环系统中, 其节能效果非常明显，因此得到广泛的应用。目前在不少 开

3、工系统中，也使用了变速泵，例如在供暖补水泵定压系 统中，补水泵也采用了变速调节。由于水的重力作用，在 闭式系统与开式系统中，采用变速泵的节能效果显然不 同。随着开式系统水提升高度的增加，变速泵的节能效果 进下降低，在流量变化大的闭式系统中应用变速泵肯定有 明显的节能效果，但在开式系统中采用变速泵是否节能， 要根据管路的实际情况从投资和运行费用角度综合分析。1基本方程1. 1泵的相似工况由泵的相似定律(1)即有(2)式中pl, p2,分别为转速nl, n2下泵的扬程，gl, g2 分别为转速nl, n2下泵的流量，nl, n2分别为转速nl, n2下泵的功率，c为常数。式(2)表明，只要泵在转速

4、nl下的工作点a和转速 n2下的工作点b (简称工况a , b)相似，则泵扬程与流量 平方的比值是一个常数；同时可以得知，如果两个工相似, 则这两个工况下泵的效率必然相同。实际上，式(2)也表 示了泵的等效率曲线式(3)在一定转速下，泵的工作点管路阻力的变化而变化。 对于某一确定的管路，常数c可用式（2）求得。式（2） 还表明，即使泵的工作点随着运行情况变化，但只工作点 在该曲线上，则泵的效率就不会发生变化。1. 2变速泵节能分析泵的转速泵从nl从调整到n2后泵的轴功率从n1,变 到n1,由轴功率知，若把水看成不可压缩流体，则在工况 a, b下功率之比为（4）如果工况a, b在等效率曲线上，则

5、na=nb,且。也 就是说，式（1）成立的条件必须是泵的工作点a, b均在 等效率曲线上。1. 3管路水力特征管路系统a, b两点间流动的压力总损失pab与流量g 存在着上述特征关系pab=po+sg2 （5）式中po为a与b两点间水的静压。闭式管路系统的终 点和起点生命，因此po=0；开式管路系统的终点和起点不 重合，且一般情况下a, b两点之间的压差不0。s为管路 阻力系数，在水管路系统中可以认为s值的大小与流量无 关而仅与管路结构有关，因此对于一个具体的管路系统而 言，s是一个不随流量变化的常数值。记sg2=ap,它表示 了流体磨擦阻力的大小与流量的平方成正比；当知道了管 路结构后就可以

6、求得p0和s值，从而由式（5）得到管路的 特征曲线。2闭式系统中变速泵的节能分析在闭式系统中，泵作功所输出的能量完全消耗在克服 水在管路中流动时的磨擦阻力，也就是说泵的扬程p等于 整个管路的压降。这样，当流量发生变化后，泵的能耗自 然也成比例地变化。2. 1泵与管路联合工作点泵的工作点为泵的特征曲线与管路特征曲线的交点， 如图1所示的闭式管路系统中的a点，其对应的流量、压 力及效率分别为ga, pa及na。图中效率曲线i是针对转速 nl而言的。图1闭式系统性能曲线闭式管路中流动阻力损失等于泵的扬程，即ap二p,且 po=0,则由式（5）有（6）对比式（2）与式（6）不难发现c=s,这表明在闭式

7、管 路系统中泵的等效率曲线与管路特征收与管路特曲线完全 重合。把该管路的阻力系统记作，则c=sa,因此泵的等效 率曲线方程和管路特征曲线均为p=sag2o当泵转速从nl变 到n2时，泵的工作点从a点变到b点，b点仍在管路特征 曲线上。由于泵的等效率曲线与管路特征曲线重合，则泵 在a, b两点的效率h a= h b ,这是闭式管路系统所具有的 特点。2. 2变速泵的节能当泵转速从nl调整到n2后，泵的特征曲线变化如图1 所示。在na=nb的条件下，由式(4 )知a, b工况功率 之比为(7)也就是说，泵的功率与转速的三次方成正比。因此在 闭式水系统中变速泵的节能效果是非常明显的。3开式管路系统中

8、变速泵的节能分析一供热系统如图2所示，使用高位膨胀水箱定压。该 供热系统中，补水泵在开式管路系统中运行，而循环泵则 在闭式管路系统中运行。当用户热负荷发生变化后，如使 用中央量调、循环泵为变速泵，如上分析则循环泵所消耗 的功率与转速的三次方成比。但补水泵在开式管路系统内, 当补水量发生变化且补水泵亦为变速泵时，泵转速变化后 泵所消耗的功率并非与转速的三次方成正比，因为受到了 开式管路系统进出口高差h的影响。3. 1开式管路系统水力特性开式管路中泵的提供的扬程一方面消耗在克服流动阻 力上，另一方面还消耗在提升水的高度上。如图2,式（5） 所示压力总损失p=po+sg2中的po即时h=20m带来的

9、静压。 知道管路结构后即可求得管路的阻力系数s值。因此，知 道po和s后就可以画出管路特征曲线，如图3所示。由泵 的特征曲线和管路特征曲线的交点得到泵在转速nl下的工 作点a,从而得到a点的流量ga及泵的扬程pa,此处pa 即为式（5）中的pa bo为表示明确，管路的阻力系数也可 写为：（8）图2系统示意图3. 2开式管路中变速泵的等效率曲线为分析比较方便，设开式管系统中变速泵在转速nl的 工作点a与闭式管路系统相同，如图3。当补水量发生变 化后泵的转速从nl变到n 2,此时泵的工作点沿着管路特 征曲线从a变到w点，w点所对应的流量和压力为gb ', pb o泵在w点效率i'

10、b并不一定等于a点的效率n a,因为a, bz两个工况并不相似。如上分析在闭式管路中过a点的等效率曲线方程中c 二sa,作p=sag 2曲线与泵在nl下的性能曲线之交点得到对 应的效率ha。在开式管路系统中等效率曲线式（3）中的p 此时对应pab,同样把式（3）中的常数c记作c a,贝u。但 开式管路系统的阻力系统数，因为poho,所以casoo也 就是说在po ho的开式管路系统中泵的等效率曲线与管路 特征曲线不重合。把a, v点的等效率曲线常数：(9)(10)已知gz后可以由等效率曲线方程p二gb g2得到过程 b '点的等效率曲线，该等效率曲线与转速nl下的泵性能 曲线交点为w

11、,由w '得到此时泵在转速nl下的效率 n ' b,如图3o图3开式系统性能曲线13. 3节能分析在泵转速从nl调整到n2后，把a, bz工况对应的ga, pa, na及gbz , pbz , n 7 b值代入式(4 ),即得到节 能比。需要注意，即使假设此时na=ilb,转速变化后的节 能比也只能由求得，而不等于。因为在开式管路系统中po ho, a,刃点不在等效率曲线上，因此不能直接使用式(l)o4算例可以用解析法或作图法来求解。假设泵在nl下的性能 曲线方程为p= a 0+ a 1 g+ a 2g2,则在n 2下的方程为p= a 0 + al，g+ a 2z g2,其中

12、a 0, a 1 , a 2 为已知系数 a 0 '= a 0k2, a 1' = a lk, a 2 ' = a 2,转速比。根据上两式及 式（5）、（6）、（7）、（9）及（4）联立即可求得相应的数 值，本文利用作图法求解，以便于理解。闭式系统如图2所示闭式管路系统中循环泵，设转速nl=ll oor/min调整到n2=860r/mi n,工作点分别为a, bo由图1 得 a 点 ga=3/h, pa=, n a=, b 点 gb=3/h, pb二，则由式（ 3）得功率比。4. 2开式系统中保持转速n2与闭式系统的转速相同如图2,补水泵在开式管路系统中，同样，泵转速从

13、 11 oor/min调整到n2=860r/mi n,即n2相同，工作点由a 变到bz ,由图3知bz点的gbz =3/h, pz b二由式（10） 得到过w点的等效率曲线系数gb二，等效率曲线p=2与 转速nl下的泵性能曲线的交点为w w '对应的效率 hb, =60%o因此在a, b'两工况下的功率。泵在a, b7两 点效率不同对节能的影响不可忽视，如果不计泵效率的变 化，贝i。与实际值的相对偏差为20 %,而这一点往往容易 被忽略。4. 3开式系统中，保持流量g t/与闭式系统的流量相 同当n2相同时，开式系统x点的流量肯定小于闭 式系统b点的流量gbo假若仍希望gbz

14、=g b=m3/h,则闭式、 开式系统的n2肯定不相同。如图4,当开式系统的转速调 整到n2 =998r/mi n时,则gb =m3 /h,此时闭式系统n 2=860r/min下的流量相同，闭式系统的等效率曲线为过a , b的曲线，而开式系统的等效率曲线为过b w '的曲 线。从图4可以求得，闭式系统在转速n2=860 r/min下所 对应的效率为，开式系统在转速n2z =998r/min时所对应 的效率为。据式（4）知，。因此，对于开式、闭式系统当 流量均从m3/h变到m3/h时，开式系统节能效果只有闭式 系统的73%0图4开式系统性能曲线25结论5. 1在开式管路系统中，泵变速前后工作点a, £并 不在同一等效率曲线上，因此a, v点所对应的效率不相 等。在分析变速泵的节能效果时，应考虑效率不同所带来 的影响。5. 2在闭式和开式管路系统中，泵转速虽然都是从nl 变到n2,但两者的节能效果并不相同。在本文的算例中， 闭式系统中泵的节能效率,而开式系统中节能效率为。 这主要是由于开式系统受静水压p0的影响。如果p0=0,则