2024. november 5. |
Vesztergombi Ádám, Eördöghné dr. Miklós Mária |
|
0 |
Ebben a cikkben a figyelmet a két, illetve egy szivattyúval történő rendszerüzemeltetés összehasonlítására összpontosítottuk annak érdekében, hogy meghatározzuk, milyen terhelés mellett érdemes be- és kiléptetni a második szivattyút. Ez a téma rendkívül sok érdekes és gyakorlati aspektust rejt magában. A cél az optimális terhelési szintek meghatározása , azaz, hogy milyen terhelési szinteknél költséghatékonyabb már két szivattyúval üzemeltetni az adott rendszert. A szivattyúk jelleggörbéi alapján felállítjuk a hipotézist, hogy mely munkapontok átlépése után lesz célszerűbb már két szivattyúval ellátni a jelentkező igényeket.
A vízellátás és folyadékmozgatás hatékony megoldásainak keresése napjainkban kulcsfontosságú a fenntartható energiagazdálkodás és a költséghatékony infrastruktúra kialakítása szempontjából [1]. Az egyik ilyen megoldás a hidraulikusszivattyú-kapcsolások vezérlésének optimalizálása, amely lehetővé teszi a rendszer rugalmasságának növelését és a költséghatékony működést.
Többszivattyús rendszereknél a szükséges munkapontot egy, kettő vagy akár még több szivattyú is előállíthatja egyidejűleg [2]. Természetesen más-más fordulatszámoknál történő üzemeltetés esetén a hatásfok és a villamos teljesítményfelvétel is változik. Ez nagyban befolyásolja a fogyasztást és ezáltal a költséghatékonyságot is. Tehát célunk a beépített szivattyúkat az optimális állapothoz lehető legközelebbi pontban üzemeltetni. Azonban sajnálatos módon az optimális teljesítményfelvétel nem kap megfelelő hangsúlyt és az igények ellátása mellett teljes mértékben háttérbe szorul. Ipari szinten, a szivattyúk vezérlésének optimális beállítása éves szinten több száz kwh energia megtakarítást is jelenthet [3], [4]. Célkitűzésünk az optimális paraméterek meghatározása a rendelkezésre álló gyártói jelleggörbék alapján. Az egyetem laboratóriumában található, párhuzamosan kapcsolt CRE 3-5 típusú szivattyúkat vizsgáltuk. Elmondható, hogy ennél a kapcsolásnál a térfogatáramok összeadódnak. Tehát mindkét szivattyú egyidejű üzemelése esetén, azok azonos nyomáson feleannyi vizet szállítanak, mintha csak az egyik látná el a jelentkező igényeket. A jelleggörbe alapján minden esetben meghatározhatók a fordulatszámok és a felvett teljesítmény is. Például, amennyiben 3 m3/h térfogáram 3 bar nyomáson történő szállítása az igény, a munkapontok az 1. ábra szerinti módon alakulnak.
Az 1. ábrán egyértelműen látszik, hogy bár a szállítandó térfogatáram felére csökkent, a hatásfok jelentősen romlott. Amennyiben a vezérlés úgy került beállításra, hogy az első szivattyú 90%-os fordulatszáma fölött léptesse be a másodikat, úgy a felvett villamos teljesítmény 520,5 W-ról 2×326,9 = 653,8 W-ra változik, ami több, mint 25%-os többlet energiafelvételt jelent.
1. ábra. Egy szivattyú munkapontja egyedülálló, illetve a két szivattyú egyidejű üzeme esetén Forrás: product-selection.grundfos.com
Bár a fenti példa nagyon szemléletes, azonban egy viszonylag szélsőséges eset. Belátható, hogy ez a nagy veszteség a kezdeti magas hatásfok miatt ilyen jelentős. Illetve nyilvánvalóan előállhat olyan eset is, amikor nem tudjuk elkerülni mind a két szivattyú, alacsonyabb hatásfokon történő üzemeltetését. A problémák többsége, mint például a túl- vagy alulméretezés, legegyszerűbben a tervező asztalon orvosolhatók [5]. Változó tömegáramú vagy nyomásfokozó rendszereknél van a legnagyobb jelentősége annak, ha a hidraulikus szivattyú kapcsolások vezérlését optimalizálják [6]. A szivattyúk be- és kiléptetésének optimalizálásával rengeteg energia megtakarítható. Annak érdekében, hogy átfogó képet kapjuk a szivattyúk optimális üzemeltetéséről megvizsgáltuk az 1. táblázat szerinti munkapontokat.
1. táblázat. A vizsgált munkapontok
Q [m3/h]
Térfogatáram
H [bar]
Nyomás
P1 [W]
Villamos teljesítményfelvétel egy szivattyúval
P2 [W]
Villamos teljesítményfelvétel két szivattyúval
n1 [%]
Fordulatszám egy szivattyúval
n2 [%]
Fordulatszám két szivattyúval
η1 [%]
Összhatásfok egy szivattyúval
η2 [%]
Összhatásfok két szivattyúval
A szivattyú fogyasztásának összehasonlítását a 2. táblázat mutatja.
2. táblázat. A szivattyú fogyasztásának összehasonlítása
Q [m3/h]
H [bar]
P1 [W]
n1 [%]
η1 [%]
P2 [W]
n2 [%]
η2 [%]
1,5
1,0
106,0
52
38,6
77,54
49
26,9
1,5
1,5
157,2
62
39,8
113,8
59
27,5
1,5
2,0
211,5
70
39,4
155,9
68
26,7
1,5
2,5
267,6
78
38,9
199,8
76
26,1
1,5
3,0
326,9
85
38,2
246,4
83
25,4
1,5
3,5
388,8
91
37,5
295,7
89
24,7
2,0
1,0
133,6
55
41,6
87,0
50
31,9
2,0
1,5
191,2
64
43,6
127,6
60
32,7
2,0
2,0
253,1
73
43,9
173,7
69
32,0
2,0
2,5
317,4
80
43,8
221,6
77
31,3
2,0
3,0
385,1
87
43,3
272,5
84
30,6
2,0
3,5
455,9
93
42,7
325,8
90
29,8
2,5
1,0
165,7
59
41,9
97,09
51
35,8
2,5
1,5
231,5
68
45,0
142,0
61
36,7
2,5
2,0
300,6
76
46,2
192,2
70
36,1
2,5
2,5
372,9
83
46,6
244,2
77
35,5
2,5
3,0
449,0
89
46,4
299,3
84
34,8
2,5
3,5
528,5
95
46,0
356,8
91
34,1
3,0
1,0
207,4
64
40,2
106,0
52
38,6
3,0
1,5
280,0
72
44,6
157,2
62
39,8
3,0
2,0
356,1
79
46,8
211,5
70
39,4
3,0
2,5
436,7
86
47,7
267,6
78
38,9
3,0
3,0
520,5
92
48,0
326,9
85
38,2
3,0
3,5
608,7
98
47,9
388,8
91
37,5
3,5
1,5
338,2
77
43,1
1735
63
42,0
3,5
2,0
421,9
83
46,1
231,7
71
42,0
3,5
2,5
509,8
90
47,7
292,0
79
41,6
3,5
3,0
602,1
96
48,4
355,5
86
41,6
4,0
1,5
407,7
82
40,9
191,2
64
43,6
4,0
2,0
499,3
88
44,5
253,1
73
43,9
4,0
2,5
595,3
94
46,7
317,4
80
43,8
4,5
2,0
590,7
93
42,3
276,0
74
45,3
A táblázatban vastaggal jelölt eredményeknél már a két szivattyús üzem a költséghatékonyabb. Észrevehető, hogy egyértelműen nem lehet kijelenteni, hogy az első szivattyú x%-os fordulatszáma felett célszerű beléptetni a másodikat.
Vizsgáljuk meg egy és két darab szivattyú hatásfokát 4,5 m3/h térfogatáram és 2,0 bar nyomás mellett: A második szivattyú indításával változik a fordulatszám. A korábbi 93% helyett, egyidejű üzem esetén, elegendő 73%-os fordulatszámon üzemeltetni a szivattyúkat. Ezzel egyidejűleg változik a hatásfok görbéje is. Két szivattyús üzem esetén a 42,3%-ról 45,3%-ra nő az összes villamos teljesítményfelvételnek a hatásossága és ezáltal csökken az összes felvett energia. A Grundfos honlapján található szivattyú-jelleggörbén különböző munkapontokhoz tartozó villamos teljesítményt és a hatásfokot megvizsgálva belátható, hogy az utóbbi érték optimalizálásával lehet elérni a költséghatékony üzemeltetést. A hidraulikus szivattyú kapcsolás vezérélésének optimalizálása érdekében a feladatunk egy egyszerű, könnyen használható kapcsolat felállítása a hatásfok és a fordulatszám között. Ezáltal a beüzemelő a helyszínen egy gyors számítással közel a legmegfelelőbben fel tudja majd programozni a szivattyúk vezérlését.
A 2. és 3. ábrákon látható diagramokról leolvasható, hogy adott nyomás vagy éppen adott térfogatáram mellett melyik munkapontban található a legnagyobb hatásfok. Amennyiben a rendszerben található fogyasztói igényeket ismerjük, már egyszerűen meg tudjuk határozni a szivattyúnk optimális fordulatszámát. Bármilyen több szivattyús rendszerhez meghatározható így az optimális fordulatszám.
2. ábra. Hatásfok a fordulatszám függvényében, állandó nyomás mellett. Forrás: saját szerkesztés
3. ábra. Hatásfok a fordulatszám függvényében, állandó térfogatáram mellett. Forrás: saját szerkesztés
4. ábra. Hatásfok a fordulatszám függvényében, 3 m3/h és 3 bar igény mellett. Forrás: saját szerkesztés
Összegzés
A részterhelésen működő szivattyúk energiahatékonysága kiemelkedően fontos a modern ipari alkalmazásokban. Amikor a szivattyú teljes kapacitásánál kisebb terhelésen működik, kevesebb energiát fogyaszt, de a felhasználásának hatékonysága függ a hatásfoktól. Összességében a nagyobb hatásfokon történő működés jelentős energiamegtakarítást eredményezhet, hozzájárulva a fenntarthatóbb és gazdaságosabb üzemeltetéshez.
A fenti cikk mögötti mérési eredményeket a szerző első körben a PTE MIK 2024 tavaszi Tudományos Diákköri Konferenciáján mutatta be és dolgozatával 1. helyezést ért el.
Irodalomjegyzék
Abdelaziz, E. A., Rahman Saidur and Saad Mekhilef : A review on energy saving strategies in industrial sector. Renewable and sustainable energy reviews, 2011
Yang, Zhenyu and Hakon Børsting. Energy efficient control of a boosting system with multiple variable-speed pumps in parallel. IEEE Conference on Decision and Control, 2010
Falkner, H. and D. Reeves. Study on improving the energy efficiency of pumps. ETSU, AEAT PLC, SAVE Study, 2001
Falkner, H., and D. Reeves. Study on improving the energy efficiency of pumps. ETSU, AEAT PLC, SAVE Study, 2001.
Viholainen, Juha, et al. Energy-efficient control strategy for variable speed-driven parallel pumping systems. Energy Efficiency, 2013.
Du Plessis, Gideon Edgar, Leon Liebenberg and Edward Henry Mathews. Case study: The effects of a variable flow energy saving strategy on a deep-mine cooling system. Applied energy, 2013.
Horváth Gábor, Eördöghné Miklós Mária. Nyomásfokozó szivattyúk hatásfoka részterhelésen. Magyar Épületgépészet, 2019/1.2.
