Как рассчитать общий динамический напор (TDH)

Выбор правильного насоса — одно из наиболее важных решений при проектировании гидравлической системы. Правильный выбор обеспечит эффективную работу системы на долгие годы. Ошибка же приведет к высоким счетам за электроэнергию, преждевременному выходу оборудования из строя и плохой производительности. Ключ к успеху кроется в одном критически важном параметре:Полном Динамическом Напоре (ПДН).Неправильный расчет ПДН — распространенная и дорогостоящая ошибка. Она приводит к установке завышенных насосов, которые расходуют лишнюю энергию, или заниженных, которые не могут обеспечить требуемый расход. Это руководство предназначено для инженеров, подрядчиков, покупателей насосов и проектировщиков систем, которым необходимо каждый раз выполнять этот расчет правильно. Мы подробно разберем, что такое ПДН, как рассчитать его шаг за шагом и как он влияет на окончательный выбор насоса.

Что такое Полный Динамический Напор (ПДН)?

Полный Динамический Напор — это общая эквивалентная высота, на которую должна быть поднята жидкость, с учетом всех потерь энергии в системе. Он представляет собой общий объем работы, которую насос должен совершить, чтобы переместить жидкость от источника к месту назначения.Многие путают ПДН просто с разницей вертикальных высот, но это лишь часть уравнения. ПДН — это сумма статического напора (вертикального подъема) и динамического напора (потерь энергии на трение и скорость). Это истинная мера общего сопротивления, которое насос должен преодолеть.

Ключевые компоненты Полного Динамического Напора

ПДН рассчитывается путем сложения четырех ключевых компонентов. Понимание каждого из них необходимо для точного результата.

1. Статический напор

Статический напор — это вертикальное расстояние, на которое насос должен поднять жидкость, независимо от расхода. Он является чистой функцией силы тяжести и перепада высот.

·Статический напор/подъем на всасывании:Это вертикальное расстояние от осевой линии насоса до поверхности источника жидкости. Если источник жидкости находится выше насоса, это положительный статический напор на всасывании. Если источник ниже насоса, это отрицательное значение, известное как статический подъем на всасывании.

·Статический напор на нагнетании:Это вертикальное расстояние от осевой линии насоса до наивысшей точки в нагнетательном трубопроводе или до поверхности приемного резервуара.Чтобы найти общий статический напор, нужно просто вычесть статический напор на всасывании из статического напора на нагнетании.

2. Потери на трение

Когда жидкость движется по трубам, она соприкасается с внутренними стенками, создавая трение. Это трение препятствует потоку и представляет собой потерю энергии, которую насос должен преодолеть. Это известно как потери на трение или потери напора.На потери на трение влияют:·Расход:Более высокие расходы создают больше турбулентности и, следовательно, более высокие потери на трение.

·Диаметр трубы:Меньшие трубы заставляют жидкость двигаться быстрее, что значительно увеличивает трение.

·Длина трубы:Более длинные трубы означают большую площадь поверхности, на которую действует трение.

·Материал трубы:Более шероховатые материалы труб (например, старый чугун) создают больше трения, чем гладкие материалы (например, ПВХ).

3. Местные потери (арматура и клапаны)

Каждый раз, когда жидкость меняет направление или проходит через компонент, она теряет энергию. Эти потери в коленах, тройниках, клапанах, фильтрах и обратных клапанах часто называют 【местными потерями.】 Однако в сложных системах с большим количеством фитингов они могут составлять значительную часть общих потерь напора.

4. Напор давления

Если насос подает жидкость в сосуд под давлением (например, в котел или замкнутую систему), насос должен преодолеть это существующее давление. Это давление необходимо преобразовать в эквивалентную высоту столба жидкости, известную как напор давления. Например, в открытой системе, сбрасывающей жидкость в атмосферу, напор давления равен нулю.

Объяснение формулы общего динамического напора (ОДН)

Общее уравнение для общего динамического напора (Total Dynamic Head, TDH) просто:ОДН = Общий статический напор + Суммарные потери на трение + Напор давленияГде:

·Общий статический напор= Высота нагнетания - Высота всасывания

·Общие потери на трение= Потери на трение в трубах + Местные потери в арматуре

·Напор= Давление в целевом резервуаре (пересчитанное в напор)Единицы измерения должны быть согласованными. В имперской системе напор измеряется в футах. В метрической системе он измеряется в метрах.

Пошаговое руководство по расчету общего динамического напора (TDH)

Давайте пройдемся по процессу расчета TDH для типичной системы.

Шаг 1: Определите статический напор

Сначала измерьте вертикальные высоты. Определите уровень жидкости в источнике и точке сброса. Допустим, насос забирает воду из приямка, расположенного на 10 футов ниже его осевой линии, и подает ее в резервуар с уровнем воды на 40 футов выше него.

· Статическая высота всасывания = 10 футов

· Статический напор нагнетания = 40 футов

·Общий статический напор= 40 футов - (-10 футов) = 50 футов (Примечание: высота всасывания часто рассматривается как положительная величина при окончательном сложении)

·Общий статический напор= 40 футов + 10 футов = 50 футов

Шаг 2: Рассчитайте потери на трение в трубе

Используя желаемую скорость потока и параметры вашего трубопровода (диаметр, материал, длина), обратитесь к таблице потерь на трение или воспользуйтесь онлайн-калькулятором. Предположим, вам нужно перекачивать 100 галлонов в минуту (GPM) через 200 футов ПВХ-трубы диаметром 3 дюйма. Таблица потерь на трение может показывать потерю 1,6 фута напора на каждые 100 футов трубы.

· Потери на трение = (1,6 фута / 100 футов) * 200 футов =3.2 фута

Шаг 3: Добавьте местные потери

Перечислите все фитинги в системе (например, четыре отвода под 90°, один обратный клапан, один задвижка). Используя таблицу 【эквивалентных длин】, определите, сколько дополнительных футов прямого трубопровода представляет каждый фитинг. Добавьте эти длины к вашей общей длине трубы и пересчитайте, или просуммируйте индивидуальные потери напора для каждого фитинга. Давайте оценим, что они добавляют еще4.0 футапотерь напора.

Шаг 4: Учтите напор от давления

Нагнетает ли насос в резервуар под давлением? Если да, преобразуйте это давление в напор. Для воды 1 PSI эквивалентно 2.31 фута напора. Если приемный резервуар открыт в атмосферу, это значение равно нулю. В нашем примере предположим, что это открытый резервуар.·Напор от давления= 0 футов

Шаг 5: Суммируйте все составляющие

Теперь сложите все вместе, чтобы найти итоговый TDH (полный требуемый напор).

· TDH = Статический напор + Потери на трение в трубе + Местные потери + Напор от давления

· TDH = 50 футов + 3.2 фута + 4.0 фута + 0 футов

·Итоговый TDH = 57.2 футаВаш насос должен обеспечивать производительность 100 GPM при напоре не менее 57.2 фута.

Распространенные ошибки при расчете TDH

·Игнорирование потерь на трение:Расчет только статического напора — самая частая ошибка, приводящая к выбору насоса недостаточной мощности.

·Забывая о второстепенных потерях:В системах с большим количеством поворотов потери напора на арматуре могут быть больше, чем потери на трение в трубах.

·Использование неверного диаметра трубы:Небольшое изменение размера трубы сильно влияет на трение. Всегда используйте внутренний диаметр для расчетов.

·Путаница статического напора с TDH:TDH (полный динамический напор) — это рабочая точка на кривой насоса, в то время как статический напор — это лишь требование к 【подъёму】 при нулевом расходе.

Как TDH влияет на выбор насоса

Кривая производительности насоса показывает расход, который насос может обеспечить при заданном напоре. Чтобы выбрать насос, найдите ваш расчетный TDH на вертикальной оси и желаемый расход на горизонтальной оси. Пересечение этих двух точек — рабочая точка вашей системы.Вы должны выбрать насос, у которого эта рабочая точка лежит на его кривой или рядом с ней, в идеале — близко к точке наилучшего КПД (BEP). Занижение TDH приведет к тому, что насос будет работать далеко справа на своей кривой, что вызовет кавитацию, высокое энергопотребление и сокращение срока службы насоса.

Итоговый контрольный список перед выбором насоса

Прежде чем принять окончательное решение, пройдитесь по этому контрольному списку:

· Вы подтвердили требуемый расход?

· Вы перепроверили все компоненты расчета TDH (перепады высот, длины труб, арматуру)?

· Вы учли возможные будущие изменения системы, которые могут увеличить напор?

· Попадает ли рабочая точка в допустимый диапазон на кривой насоса?

· Вы также проверили требования к кавитационному запасу (NPSH)?

Заключение

Точный расчет полного динамического напора (TDH) — это основа надежной и эффективной насосной системы. Хотя это может показаться сложным, разбивка его на основные компоненты — статический напор, потери на трение и напор давления — делает процесс управляемым. Уделение времени правильному расчету TDH предотвращает дорогостоящие эксплуатационные проблемы, возникающие из-за неправильного выбора насоса. Всегда основывайте свои расчеты на реальных условиях системы, чтобы ваш насос работал должным образом в течение многих лет.