e-gépész online szaklap

Nyomásfokozó szivattyúk hatásfoka részterhelésen

| | |  0 | |

Nyomásfokozó szivattyúk hatásfoka részterhelésen

A 2020-as évre előirányzott CO2-kibocsátási és energiafelhasználási értékek eléréséhez jelentős megtakarítási potenciált képvisel a szivattyús rendszerek energia-hatékonyságának növelése.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2019/1-2. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

A különböző – EuP, ErP, 640/2009/EK (villanymotorokra), 641/2009/EK (nedvestengelyű keringetőszivattyúkra, 327/2011/EK (ventilátorokra) vonatkozó – rendeletek következményeképpen az áramlástechnikai berendezések hidraulikája, a hajtómotorok energiafelhasználása területén óriási fejlődés volt tapasztalható az elmúlt 2-3 évben. További jelentős megtakarítás a korszerű szabályozás mellett az új motortechnológiák hatásfokával, illetve a meglevő rendszerek szabályozásának célszerű megválasztásával érhető el.

A kommunális vízellátásban a fogyasztási profilt általában nagyfokú változékonyság jellemzi, ezért ebben a szolgáltatási szektorban fokozott a jelentősége annak, hogy hogyan reagál a szivattyú a váltakozó igényekre, milyen hatásfokkal képes követni a vízigény változását. Ez egyrészt a felvett energiamennyiség, másrészt a részterhelésen üzemelő szivattyúk megváltozott hatásfoka miatt fontos. Mivel a szivattyúk működési idejük jelentős hányadában részterhelésen üzemelnek, ezért az energiahatékonyság érdekében nagy jelentőségű, hogy ebben az üzemállapotban kedvező legyen a hatásfok. Amíg a szivattyú a fogyasztói mennyiségi igényeket kiszolgálja, addig ritkán fordul a figyelem a működés energiahatékonyságára. A cikk laboratóriumi mérési eredmények alapján arra mutat rá, hogy az egyes üzemi paraméterek hogyan befolyásolják a szivattyú energiafelhasználását.

A mérés leírása

A méréseket a Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Karának „Fordulatszám-szabályozott és kaszkád kapcsolású GRUNDFOS szivattyúk mérőkörén” végeztük el, a változó fogyasztási igényeknek megfelelő üzemállapotokat szimulálva. Az első esetben (1. ábra) egy korszerű, a motorhoz integrált frekvenciaváltóval ellátott állandó mágneses, speciális kivitelű szinkron reluktancia motorral felszerelt, CRE 3–5 típusú örvényszivattyút vizsgáltunk. A térfogatáramot egy Siemens MAGFLO 1100 áramlásmérő segítségével rögzítettük, amely a víz vezetőképességén alapuló mágneses-indukciós elven működik. A második esetben (2. ábra, lásd a következő oldalon) egy külső frekvenciaváltóval szabályozott aszinkronmotorral szerelt CR 1–7 szivattyút vizsgáltunk. Ebben az esetben a térfogatáramot egy Grundfos VFI vortex elven működő áramlásmérővel rögzítettük, amelyet elektronikusan egy külső, Grundfos CUE típusú frekvenciaváltóba kötöttünk.

1. ábra. CRE 3–5 mérőkör

2. ábra. CR 1–7 mérőkör

A munkapontokat a mérőkörbe épített Oventrop VTR beszabályozó szelep és Danfoss MBS nyomástávadók segítségével állítottuk be.

A mérőkör mindkét esetben zárt keringetőrendszerű volt. A nyomásfokozó szivattyúk szívott oldalán kialakuló depresszió – ezzel együtt a kavitáció – elleni védekezés céljából a rendszer nyomását nyomólégüsttel megemeltük olyan nyomásszintre, ahol kavitáció már nem jelentkezhet. A nyomólégüstök a mérőkörök ábráin nincsenek külön feltüntetve.

A mérési pontok meghatározása

A 3. ábra egy általános, 24 órás kommunális vízellátási profilt mutat. Ebből képezhető az ún. tartamgörbe (4. ábra), amely tájékoztatást ad arról, hogy egy-egy térfogatáram szintet egy napon belül mennyi ideig kell biztosítani.

3. ábra. 24 órás vízellátási terhelési profil

4. ábra. Terhelésmegoszlási tartamgörbe

A szivattyú kiválasztásának alapja egyrészt a csúcsfogyasztási igények kielégítése, másrészt a megfelelő üzemeltetési feltételek biztosítása. A tartamgörbéből egyértelműen látszik, hogy a teljes fogyasztási időszaknak csupán egy alacsony hányadában áll fenn a csúcsfogyasztás, viszont a részterhelések aránya összesen már számottevő. Míg az aszinkron motorok hatásfoka részterhelésnél még frekvenciaváltó használatával is jelentősen romlik, addig a szinkron motorral szerelt szivattyúk esetén mind alacsony terheléseknél, mind az egész terhelési spektrumra nézve jó motorhatásfokkal számolhatunk (5. ábra).

5. ábra. Motorhatásfok a terhelés függvényében, aszinkron- (a) és szinkronmotor (b) esetén

Jelen tanulmányban emiatt a valóságban felvett munkapontok közül csak az alacsony terheléshez tartozó, 20, 30 és 40%-os nyomásszintekhez tartozó hatásfok- és teljesítményszint diagramokat tesszük közzé.

A mérési munkapontok helyét a gyakorlati vízellátásban használatos állandó kimenő nyomás értéktartása szerint határoztuk meg (6. ábra). Két esetben eltérőek voltak a szivattyúk által előállított maximális nyomásértékek, ezért a mérési sorokat nyomás szerint százalékosítottuk az összehasonlíthatóság érdekében.

6. ábra. A munkapontok felvétele

A mérési eredmények megjelenítése, kiértékelése

A mérési eredményeket a következő oldalon látható 7., 8. és 9. ábra mutatja, amelyeket egyenként és együtt is célszerű elemezni.

7. ábra. 20%-os nyomásszinten mért teljesítményszintekhez tartozó összhatásfok

8. ábra. 30%-os nyomásszinten mért teljesítményszintekhez tartozó összhatásfok

9. ábra. 40%-os nyomásszinten mért teljesítményszintekhez tartozó összhatásfok

Megfigyelhető, hogy az IE5 energiaosztályú, a „jövő reménységeként” emlegetett szinkron motorral szerelt CR 3–5 szivattyú összhatásfok-görbéin a „törési” pont alacsonyabb terhelésnél következik be, mivel – ahogy ezt az 5. ábra is mutatja – a motor hatásfok karakterisztikája ezt diktálja.

A két szivattyútípus között a hatásfok különbség átlagosan mintegy 8%. Ez a különbség a terhelési szint növekedésével csökken, ami ismét a részterheléses üzemhez illesztendő szivattyú és szabályozási mód megválasztásának fontosságára hívja fel a figyelmet.

A hatásfok optimum a terhelési szint emelkedésével jobbra tolódik, ami azt a gyakorlati irányelvet igazolja, hogy a jól kiválasztott szivattyú munkapont a maximális hatásfokú ponttól jobbra legyen annak érdekében, hogy a nagyobb üzemidő hányadban jellemző részterhelésen üzemeljen jó hatásfokkal a szivattyú.

Az új fejlesztésű CR 3–5 szivattyú esetében a maximális hatásfok terheléstől függetlenül közel azonos szinten van, míg a CR 1–7 szivattyú esetében az alacsonyabb terhelési szintnél a hatásfok is alacsonyabb.

Látható az is, hogy a terhelési szint növekedésével a hatásfok mindkét esetben megközelítőleg állandósul.

A nyomásszint növelésével a motorok terhelése növekedett, ezért a frekvenciaváltónak nem kellett jelentős mértékű leszabályozást végrehajtania. Azonban még ekkor is jelentős mértékűnek mutatkozott az új motortechnológia kedvező hatása. Mind az alacsonyabb, mind a magasabb teljesítményszintnél a CRE 3–5 nyomásfokozó berendezés üzemelt magasabb hatásfokkal.

A mérések során külön-külön felvettük a szivattyútest, a motor és az ezekből álló komplett szivattyú hatásfok-görbéjét. A mérési eredmények azt tanúsították, hogy az összhatásfokra a jelentősebb kedvezőtlen hatást a szivattyútest alacsony hatásfoka gyakorolta.

Összefoglalás

A mérési eredmények rávilágítanak arra, hogy a legújabb fejlesztésű berendezések, módszerek hatása az energiahatékonysága is akkor igazán optimális, ha nem csak a méretezési állapotot vesszük figyelembe, hanem a változó terhelés mellett kialakuló paramétereket is. A szivattyúhatásfokot komplexen kell értelmezni, beleértve a motor és a szivattyútest hastásfokát is. A szabályozástechnika szerepe a szivattyús rendszerek energiahatékony üzemeltetésében felértékelődik.

Irodalomjegyzék

  1. Erdei István: Az EuP/ErP irányelv hatása az épületgépészeti rendszerek tervezésére.
    Egyetemi előadás vázlat
  2. Eördöghné dr. Miklós Mária – Szőke András (2016): Nyomásfokozó telepek energiafelhasználásának vizsgálata
    Magyar Épületgépészet, 2016. LXV. évf. 1-2. szám, pp. 3-9. ISSN 1215 9912
  3. Eördöghné dr. Miklós Mária – Szinyei Bence (2016): Fordulatszám-szabályozott nyomásfokozók üzemeltetésének optimalizálása
    Magyar Épületgépészet, 2016. LXV. évf. 1-2. szám, pp. 17-20 ISSN 1215 9912
  4. Plath, M. – Wichmann, K. – Ludwig, G. (2010): Handbuch Energieeffizienz / Energieeinsparung in der Wasser-versorgung
    DVGW-Information - DBU
  5. Eördöghné dr. Miklós Mária (2008): Pumpenarbeiteinsparung durch Regelung
    E-Nova Pinkafeld, Band 12, pp. 157-162, ISBN 978-3-9500919-8-4

Magyar Épületgépészet

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul