開式系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能分析具體計(jì)算

1、開式系統(tǒng)中變速泵的節(jié)能分析清華大學(xué)狄洪發(fā)李吉生戴斌文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)AnalysisonenergysavingofvariablespeedpumpsinanopensystemByDiHongfa,LiJishengandDaiBinwenAbstractTheeffectsofenergysavingofvariablespeedpumpsintheclosedcircuitisdifferentfromthoseintheo

2、penpipelinesystem.Thereasonisthatthereisastaticheadintheopensystemcausingthepumpefficiencyvarying.Analysestheenergysavingeffectsofvariablespeedpumpsinopensystemsandprovidescalculationexamples.Keywordsvariablespeedpump,energysaving,opensystemTsinghuaUniversity,China0引言變速泵在空調(diào)供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用,對(duì)于改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用

3、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。目前在不少開式系統(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)一步降低。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Gn=由泵的相似定律G1n1pp1的比值是一個(gè)常數(shù);同時(shí)可以得知,如果兩個(gè)工況相似,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

4、了泵的等效率曲線式p=CG2(3)在一定轉(zhuǎn)速下,泵的工作點(diǎn)隨著管路阻力的變化而變化。對(duì)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,但只要工作點(diǎn)在該曲線上,則泵的效率就不會(huì)發(fā)生變化。1.2變速泵節(jié)能分析泵的轉(zhuǎn)速從n1調(diào)整到n2后泵的軸功率從N1變到知,若把水看成不可壓縮流體,則在工況A,B下功率之比為N2Gbpba=1aab如果工況A,B在等效率曲線上,則a=b,且Gbpb=Gapan2n13N2,由軸功率N=gGpN=N1(4)N2=N1(1)p2G22n22即=p1G1n1p1p2有=C(2)2=G1G22式中p1,p2分別為轉(zhuǎn)速n1,n2下泵的

5、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n2A,B),則泵。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。狄洪發(fā),男,1945年1月生,大學(xué),教授100084北京清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系(010)62779996收稿日期:1999-07-26-·60·設(shè)計(jì)參考2002年第32卷第1期也就是說,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(5)一供熱系統(tǒng)如圖2所示,使用高位膨脹水箱定壓

6、。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)泵則在閉式管路圖2系統(tǒng)示意圖1.3管路水力特征管路系統(tǒng)A,B兩點(diǎn)間流動(dòng)的壓力總損失pab與流量G存在著下述特征關(guān)系pab=p0+SG2式中p0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)重合,因此p0=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)之間的壓差不為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(duì)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=p,它表示了流體摩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p0和S值,從而由式(5)得到管路的特

7、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(dòng)時(shí)的摩擦阻力,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(duì)應(yīng)的流量、壓力及效率分別為Ga,pa及a。圖中效率曲線是針對(duì)轉(zhuǎn)速n1而言的。閉式管路中流動(dòng)阻力損失等于泵的揚(yáng)程,即p=p,且p0=0,則由式(5)有pG2=S(6)圖1閉式系統(tǒng)性能曲線系統(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

8、方成正比。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所提供的揚(yáng)程一方面消耗在克服流動(dòng)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=p0+SG2中的p0即為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p0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,此圖3開式系統(tǒng)性能曲線1對(duì)比式(2)與式(

9、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曲線完全重合。把該pa管路的阻力系數(shù)記作Sa=,則C=Sa,因此泵的等效Ga率曲線方程和管路特征曲線均為p=SaG。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a=b,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4)知A,B工況功率之比為a=b的條件下,由式(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:pa-p0Ga3.2開式管路中變速泵的等效率曲線Sa=

10、(8)為分析比較方便,設(shè)開式管路系統(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(duì)應(yīng)的流量和壓力為Gb,pb。泵在B點(diǎn)的效率b并不一定等于A點(diǎn)的效率a,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))暖通空調(diào)HV&AC設(shè)計(jì)參考·61·得到對(duì)應(yīng)的效率在開式管路系統(tǒng)中等效率曲線式(3)a。中的p此時(shí)對(duì)應(yīng)pab,同樣把式(3)中的常數(shù)C記作Ca,則pabpab-p0但開式管路系統(tǒng)的管路阻力

11、系數(shù)S=,。GG因?yàn)閜00,所以CaS。也就是說,在p00的開式管路Ca=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)的流量和壓力代入式(3),得到A,B點(diǎn)的等效率曲線常數(shù):pa=SaGapbCb=GbCa=(9)(10)A,B兩點(diǎn)效率不同對(duì)節(jié)能的影響不可忽視,如果不計(jì)泵N25.95×227.8=31.9%。與實(shí)際值N112.85×330.2的相對(duì)偏差為20%,而這一點(diǎn)往往容易被忽略。效率的變化,則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

12、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下流量與開式系統(tǒng)n2=998r/min下的流量相同,閉式系圖4開式系統(tǒng)性能曲線2已知Cb后可以由等效率曲線方程p=CbG2得到過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(duì)應(yīng)的Ga,pa,pb,4),即得到節(jié)能比。需要注a及Gbb值代入式(意,即使假設(shè)此時(shí)a=b,轉(zhuǎn)速變化后的節(jié)能比也只能由N2Gbpbn2=求得,而不等于N1Gapan1

13、式(1)。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=a0+a1G+a2G2,則在n2下的方程為p=a0+a1G+a2G2,其中a0,a1,a2為已知系數(shù),a0=n2a0k,a1=a1k,a2=a2,轉(zhuǎn)速比k=。根據(jù)上兩式及式n1(5)、(6)、(7)、(9)及(4)聯(lián)立即可求得相應(yīng)的數(shù)值,本文利2統(tǒng)的等效率曲線為過A,B。因?yàn)樵陂_式管路系統(tǒng)中,p00,A,B點(diǎn)不在等效率曲線上,因此不能直接使用的曲線,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(duì)應(yīng)的效率為0.75,開式系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速n2=998r/min下所對(duì)應(yīng)的效率為

14、0.68。據(jù)式(4)知,N2/N1=(10.05×279.6/0.68)/(12.85×330.2/0.75)=73%。因此,對(duì)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(duì)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

15、開式系統(tǒng)受靜水壓p0的影響。如果p0=0,則節(jié)能效果相同;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,19902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):66713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,75,B點(diǎn)a=0.Gb=10.