Predmet Gospodarenje energijom i energetska učinkovitost" Pumpe i ventilatori Prof.dr.sc. Željko Tomšić Pumpe Ventilatori 3 4 Motori, pumpe i ventilatori U industriji, 70% potrošnje električne energije se koristi za pokretanje motora. Od toga, 33% kontrolira aplikacije pumpi ili ventilatora. Poboljšanja na sustavima mogu donijeti značajne uštede energije i troškova Ključ ovih ušteda je primjena energetski učinkovite opreme ili primjena prakse GE 5 Osnovne definicije Pumpe su strojevi za transport kapljevine, a ventilatori za transport zraka ili plinova; Preuzimaju mehaničku energiju od pogonskog stroja (npr. elektromotora) i predaju je radnom fluidu, tj. kapljevini ili zraku (plinu); Ta energija izaziva strujanje fluida u cjevovodima, pri čemu je karakteristično, da ukupna količina energije kapljevine (zraka ili plina) iza pumpe je veća nego ispred pumpe (ventilatora); To znači da je tlak kapljevine (ili zraka ili plina) iza pumpe (ili ventilatora) veći nego ispred pumpe (ili ventilatora); Na taj su način pumpe i ventilatori namijenjeni za transport kapljevina i plinova te povećanje njihove energetske razine; 6
Principijelna shema pumpnog (odn. ventilatorskog postrojenja) Motor dovodi u vrtnju rotor pumpe 2 (ili ventilatora); Kapljevina (odn. zrak ili plin) ulazi u pumpu (ili ventilator) kroz usisni cjevovod 3 s početnim tlakom p H ; U pumpi (ili ventilatoru) se kapljevini (odn. zraku ili plinu) predaje energija; U tlačnom cjevovodu 4 je tlak kapljevine (odn. zraka ili plina) p k veći od početnog. Pumpe Djelovanje pumpe: usisni cijevni vod usisava kapljevinu iz donjeg nižeg spremnika kroz tlačni vod tlači na visinu gornjeg spremnika. Uz prevladavanje razlike visina i/ili tlaka između gornjeg i donjeg spremnika (rezervoara). 7 8 Sličnost između teorije pumpi i ventilatora te razlika spram teorije kompresora Kod ventilatora je kompresijski omjer ε k =p k /p H,, pri čemu se gustoća plina povećava za manje od 7%, pa se zrak može smatrati praktički nestlačivim kao i kapljevina kod pumpe Stoga su teorija ventilatora i pumpe jedna te ista (tzv. teorija nestlačivog strujanja); Kod kompresora je kompresijski omjer ε k =p k /p H >,, i gustoća se može znatno mijenjati pa se plin ne može više smatrati nestlačivim pa se teorija kompresora razlikuje od teorije ventilatora i pumpe (tzv. teorija stlačivog strujanja); Kavitacija Određene razlike u metodi proračuna ventilatora i pumpi povezane su s mogućnošću pojave kavitacije kod pumpi (isparavanja kapljevine u blizini površine rotorskih lopatica i statorskih elemenata s naknadnom kondenzacijom mjehurića pare uz hidrauličke udare). 9 0 Kavitacija Početkom kavitacije se smatra kada u nekoj točki sustava pumpe kroz koju ili oko koje struji tekućina, minimalni apsolutni tlak padne na vrijednost tlaka isparavanja tekućine i u toj točki počinje isparavanje i stvaraju se mjehurići pare. Pojavom kavitacije se oštećuju stijenke cijevi ili lopatica pumpi, odnosno turbina. Vrste pumpi i ventilatora Prema principu djelovanja pumpe i ventilatori (kao i kompresori) dijele se u tri grupe: Klipni strojevi; Rotacioni strojevi Lopatični strojevi, češće nazivani turbostrojevi; Klipni i rotacioni strojevi često se objedinjuju u grupu tzv. volumnih strojeva. 2 2
Vrste pumpi i ventilatora Turbo pumpe i ventilatori dijele se prema smjeru strujanja na: Aksijalne: kapljevina odn. plin struji kroz rotorske i statorske lopatice približno paralelno osi vrtnje. Kod ventilatora jednostavne sheme prikazanog na sl. zrak dolazi na rotorske lopatice rotora 2, a potom odlazi u tlačnu liniju; Centrifugalne: kapljevina odn. plin struji kroz rotorske i statorske lopatice približno okomito na os vrtnje. Kod centrifugalnog ventilatora prikazanog na sl. 2 zrak kroz usisni priključak dolazi na lopatice rotora 2, koje predaju zraku energiju, a zatim u spiralni kanal 3 i dalje u tlačni cjevovod. Slika Slika 2 3 Turbostrojevi i klipni strojevi Turbostrojevi se razlikuju spram klipnih strojeva: Gibanje rotora je rotacijsko, pri čemu ne postoji trenje između kola i kućišta; Fluidu se predaje energija na račun promjene količine gibanja pod djelovanjem lopatica, tj. ne postoji prinudno istiskivanje fluida; Dobava fluida je kontinuirana i jednolika; Sile koje se pojavljuju na lopaticama, a u skladu s tim i energija predana fluidu proporcionalna je kvadratu obodne brzine; Visoki tlakovi mogu se postići ili jako visokim obodnim brzinama (tj. visokom brzinom vrtnje) ili povećanjem broja stupnjeva (tj. uporabom višestupnih strojeva); Klipni strojevi se primjenjuju kada su potrebni jako visoki tlakovi i manji protoci, a turbostrojevi kada se traže visoki protoci i relativno niši tlakovi. 4 OSNOVNE JEDNADŽBE Proračun strujanja u elementima pumpi i ventilatora provodi se pomoću zakona o čuvanja: Mase; Količine gibanja; Energije. Zakon očuvanja mase, tzv. jednadžba kontinuiteta za stacionarno strujanje kapljevine ili plina govori o jednakosti masenih protoka u dva ili nekoliko kontrolnih presjeka, Teorem količine gibanja za stacionarno strujanje kapljevine ili plina i teorem momenata količine gibanja (Brzina promjene količine gibanja materijalnog volumena jednaka je zbroju vanjskih masenih i površinskih sila koje djeluju na taj materijalni volumen.) Zakon očuvanja energije za strujanje nestlačivog fluida - Bernoullijeva jednadžba (ukupna energija zatvorenog sustava s vremenom ne mijenja, tj. ostaje konstantnom). Energetska bilanca za tipičnog sustava za crpljenje 00% Električna energija MOTOR SPOJKE PUMPE VENTILI 2% Gubici 2% Gubici 24% Gubici 9% Gubici CIJEVI % Gubici Rad izvršen pumpom 5 6 Shema pumpe s pozitivnim istisninom (klipni tip) Princip rada (klipne pumpe) pomicanjem klipa udesno obavlja faza usisa (punjenje cilindra), a pomicanjem klipa ulijevo faza tlačenja odnosno pražnjenja cilindra. Uz otvaranje ventila (usisnog i tlačnog) ovisno o pojedinoj fazi Centrifugalne pumpe Princip rada: unutar zatvorenog kućišta spojenog s usisnim i tlačnim vodom, okreče se radni element pumpe rotor Tekućina iz usisnog voda pritječe u sredinu rotora, biva zahvaćena centrifugalnom silom bačena povećanom brzinom prema izlazu. Vrste centrifugalnih pumpi: Jednosmjerni ulaz tekućine (jednoulazne) Obostrani ulaz tekućine (višeulazne) Jednostupne Višestupne 3
Centrifugalne pumpe Centrifugalne pumpe Centrifugalne pumpe - zakoni sličnosti Za istu pumpu koja radi pod različitim brzinama uz konstantni promjer rotora Ovi su odnosi poznati kao zakoni sličnosti i služe za procjenu učinka promjene brzina na visinu dobave i snagu pumpe. Q = dobavna količina kapacitet, protok N = brzina, o/min P = uložena snaga H = dobavna visina Centrifugalne pumpe - zakoni sličnosti Za istu pumpu koja radi pod konstantnom brzinom i mijenjanje promjera rotora: Protok se mijenja proporcionalno promjeru rotora Dobavna visina mijenja se proporcionalno kvadratu promjera rotora Potrebna snaga mijenja se proporcionalno kubu promjera rotora Ako kombiniramo zakone sličnosti dobijemo: N2 D2 Q2 Q N D N2 D2 H 2 H N D N D P2 P N D 2 2 2 3 Q = dobavna količina kapacitet, protok N = brzina, o/min P = uložena snaga H = dobavna visina Ovi zakoni mogu se upotrijebiti za određivanje promjenjivih karakteristika kapaciteta iz poznatih karakteristika za početne uvjete Radni parametri pumpe i ventilatora Visina dobave; Tlak; Snaga; Iskoristivost. Visina dobave pumpe izražena visinom stupca kapljevine kao mjerom za tlak određuje se kao razlika specifičnih energija nakon i prije pumpe Uz pojam visine dobave kao karakteristika rada pumpe i ventilatora koristi se i pojam tlak, podrazumijevajući pod njim energiju predanu m 3 fluida. Vezu između ta dva pojma daje Bernoullijeva jednadžba Pod korisnom snagom se podrazumijeva korisno predanu energiju fluidu u s Ukupna iskoristivost pumpe ili ventilatora predstavlja omjer korisne snage spram stvarno utrošene od strane pogonskog stroja 23 Radni parametri pumpe i ventilatora Pod korisnom snagom se podrazumijeva korisno predanu energiju fluidu u s P = ṁ H Ukupna iskoristivost pumpe ili ventilatora predstavlja omjer korisne snage spram stvarno utrošene od strane pogonskog stroja e P P e. m H P e 24 4
Radne karakteristike pumpi i ventilatora Tipična krivulja centrifugalne pumpe Osobitosti karakteristika pumpi i ventilatora Pod karakteristikama pumpi i ventilatora podrazumijevaju se ovisnosti visine dobave (tlaka), iskoristivosti i potrebne snage o protoku stroja. Dobivaju se na temelju podataka ispitivanja stroja. Dobavna visina/tlak Protok Učinkovitost 25 26 Radne karakteristike pumpi i ventilatora Tipične karakteristike pumpi i ventilatora: Centrifugalni ventilatori s unaprijed povinutim lopaticama (P = f (Q)-gotovo linearna; H = f (Q)-ima sedlasti karakter); Centrifugalna pumpa i ventilator s unazad povinutim lopaticama (tipično smanjenje potrebne snage kod protoka koji nadmašuju proračunsku vrijednost); Radne karakteristike pumpi i ventilatora Tipične karakteristike pumpi i ventilatora: c) Aksijalna pumpa i ventilator s relativno malom visinom dobave (snaga praznog hoda kod Q = 0 je znatno veća nego na proračunskom režimu); d) Aksijalna pumpa i ventilator s relativno velikom visinom dobave (imaju prekid i strmu desnu radnu granu). V je Q V je Q 27 28 Rad pumpe i ventilatora na instalaciju Ukupni pad koji razvija pumpa Radni parametri stroja određeni su ne samo njegovom karakteristikom, već i karakteristikom instalacije na koju stroj radi. Kod stacionarnog strujanja pumpa ostvaruje količinu dobave (protok) kojem odgovara jednakost visine dobave stroja i otpora instalacije. Karakteristika instalacije je približno parabola. Za određivanje dobave (protoka) u zadanim radnim uvjetima potrebno je izraditi karakteristiku stroja H - Q i instalacije H inst -Q i naći točku njihova presijecanja «radna točka». p 2 p H g H h H = Ukupni pad koji pumpa razvija u metrima stupca tekućine koja se pumpa, [m] p 2, p = Tlak na usisu i isisu pumpe, [Pa] = Gustoća tekućine koja se pumpa, [kg/m3] H g = Geometrijska visina na koju se podiže tekućina, [m] Δh = Visina pumpe potrebna za stvaranje brzine i savladavanje otpora trenja u cijevima i lokalnim preprekama na linijama usisa i isisa, [m] g = Akceleracija zbog gravitacije, = 9.8 [m/s2] g 29 30 5
Dobavna visina Kombinacije povezivanja mrežnih elemenata i pumpi Gubici trenja bez statičnog pada Gubici trenja sa statičkim padom Rad pumpe na instalaciju Visina dobave koju ostvaruje pumpa (ventilator) troši se na «otpor instalacije» pod kojim se podrazumijevaju ne samo hidraulički gubici već i potrebno povećanje tlaka i podizanje fluida Kod zajedničkog rada pumpe (ventilatora) i instalacije u stacionarnim uvjetima uvijek postoji jednakost : H = H inst što predstavlja zajedničku radnu točku pumpe i instalacije. Općenito H inst je funkcija protoka, a gubici u cjevovodima su proporcionalni protoku na kvadrat Ovisnost H inst = f (Q) naziva se karakteristika instalacije 3 32 Radna točka Rad pumpe i ventilatora na instalaciju Radna točka je točka na krivulji upotrebe u kojoj će pumpa stvarno raditi Krivulja upotrebe sastoji se od krivulja dobavne visine sistema i dobavne visine pumpe koje su nacrtane na istom grafu s protokom na apscisi Točka gdje se sijeku dobavna visina sustava i pumpe biti će radna točka i ona daje protok i tlak na kojem će pumpa raditi Za izbor radnih parametara stroja pomoću kataloga potrebno je što točnije odrediti otpor instalacije pošto o njemu ovisi visina dobave stroja. Netočnost u određivanju H inst dovodi do promjene količine dobave (protoka) stroja kao što se to vidi na slici Rezerve na visinu i količinu dobave trebaju biti minimalne: 0% na visinu i 5% na količinu dobave: Q =,05Q p ; H =,H p. Q 33 Q Q p Q Q p 34 Radna točka Želimo li promijeniti radnu točku možemo to učiniti prigušivanjem, promjenom broja okretaja pumpe ili oboje Prigušivanjem se radna točka pomiče ulijevo po krivulji Q-H Promjenom broja okretaja radna točka se pomiče od A prema A Prigušivanjem se gubi i dio energije pa taj način regulacije treba izbjegavati Zajednički rad više pumpi Radi povećanja protoka ili dobavne visine više pumpi može raditi zajedno serijski ili paralelno Krivulja kapaciteta pumpe za rad dvije pumpe jednake veličine koje rade paralelno nacrtana je kao dvostruki protok jedne pumpe Sustav ima 2 moguće radne točke A i B tj. Rad ili 2 pumpe Krivulja upotrebe kod regulacije brojem okretaja i prigušivanjem 35 36 6
PUMPE Sisaljke (pumpe) Sisaljke su hidraulični strojevi koji prenose energiju na tekućine, koristeći mehanički rad pogonskog stroja. Nazivaju se još i crpke, a sve češće i izvedenicom iz engleskog jezika pumpe. Pumpa je uređaj koji se upotrebljava da prebacuje tekućine ili muljevite tvari. Pumpa pomiče tekućine s strane nižeg tlaka na viši tlak, a razliku u tlakovima prevladava dodajući energiju sustavu. Pumpe koje kao radni medij imaju plinove nazivaju se uglavnom kompresori, osim u slučajevima primjene vrlo malog porasta tlaka (npr. grijanje, ventilacija, klimatizacija), gdje se ugrađuju ventilatori ili puhala. Rad pumpe se upotrebljava da pomiče medij. 38 Podjela pumpi Pumpe se dijele na više načina: prema namjeni - mogu biti za rad raznih strojeva, kotlova i kondenzatora, dobavu vode, goriva, sanitarne,... prema količini - mogu biti pumpe male dobavne količine i pumpe velike dobavne količine prema izvedbi - mogu biti pumpe s pravocrtnim gibanjem kao što su stapne i klipne pumpe, pumpe s rotacijskim gibanjem kao centrifugalne, vijčane i zupčaste, a posebna su izvedba mlazne pumpe prema dobavnoj visini - mogu biti sisaljke s malom i velikom visinom dobave Upotreba Pumpe su uz elektromotor najčešće upotrebljavani strojevi danas. Možemo ih naći svuda oko nas, pa i u svakom domaćinstvu. U domaćinstvu pumpu imaju perilice rublja i suđa, koje im služe da bi vodu iz uređaja izbacile vani. Sustav dobave pitke vode u domaćinstva također ima pumpe, ali to su veće pumpe koje su ugrađene u sustave. I sustav kanalizacije mora ih imati da bi mogao funkcionirati. Svaki automobil, brod, avion, ukratko svako prevozno sredstvo ima pumpe. To su pumpe rashladne vode, pumpe ulja, pumpe goriva, pumpe servo uređaja,... Veliki broj industrijskih pogona ima također pumpe koje služe za razne namjene. U poljoprivredi tu su pumpe za natapanje, u rudarstvu pumpe za crpljenje vode iz rudnika,... 39 40 PUMPE Dva su tipa modernih pumpi koje se primjenjuju u industriji: brzinskog pada i pozitivne istisnine. Može se primijeniti slijedeća podjela pumpi: Brzinski pad Centrifugalne: Pozitivna istisnina: Klipne: Rotacijske Centrifugalne pumpe se više koriste u industrijskim postrojenjima nego bilo koja druga vrsta pumpe. Glavni razlog je niska cijena i troškovi održavanja takvih pumpi. PUMPE Centrifugalne: Aksijalni tok (jednostupanjske ili višestupanjske) Radijalni tok (jednostruki ili dvostruki usis) Miješani tok (jednostruki ili dvostruki usis) Klipne: Klipni čep Dijafragma (mehanička ili pogonjena fluidom, simpleks ili multipleks) Rotacijske: Jedan rotor (krilo, klip, vijak, fleksibilni član, peristaltik) Višestruki rotor (mjenjačka kutija, priključni kabel, vijak, kružni klip) 4 42 7
Pogon pumpe Pumpe se pokreću na razne načine. U početku su bile pokretane ručno ili snagom teglećih životinja, vjetra. Danas su uvedeni novi načini, a prevladava elektromotorni pogon ili pogon motorom s unutarnjim izgaranjem. Ponegdje se mogu naći i sisaljke pokretane vjetrenjačom. Centrifugalne pumpe Centrifugalne pumpe su pumpe kroz koje tekućina protječe od smjera crpljenja prema tlačnoj strani djelovanjem centrifugalne sile, s radijalnim tokom strujanja, koja potiskuje tekućinu između lopatica jednog ili više rotora. Centrifugalne pumpe prikladne su za svaku namjenu osim za male količine i male brzine, te za tekućine koje imaju veliku viskoznost. Koriste se najviše za male i srednje dobavne visine i za velike dobavne količine pri povečanim brzinama strujanja. Ove pumpe nisu samousisne tj. nisu u mogućnosti iscrpsti zrak iz usisnog cjevovoda 43 44 Centrifugalne pumpe Centrifugalne pumpe mogu biti jednostupanjske i višestupanjske. Uglavnom imaju kućište od lijevanog željeza, rotor od bronce i vratilo od nehrđajućeg čelika. Odlikuju se konstantnom dobavom i dobavnom visinom, zauzimaju malo prostora, neposredno se spajaju na pogonski stroj uz pogodnu brzinu vrtnje. U usporedbi sa pumpama istih podataka, ove su relativno jeftinije, nemaju ventila, a izrada i održavanje je jeftinije. Centrifugalne pumpe zbog kapaciteta i specifične energije imaju veliku zastupljenost, te su u velikoj mjeri istisnule stapne/klipne pumpe. Centrifugalne pumpe Glavni dijelovi centrifugalne pumpe su: lopatice i spirala Lopatice mogu imati mnogo oblika. Uređaj djeluje tako da raspodjeljuje kružnu brzinu fluidu koji ulazi u pumpu okomito na lopatice. Spirala ima ulogu usporavanja fluida i povećanja tlaka. Može biti jedna ili više spirala. Broj stupnjeva pumpe uvelike utječe na izlazne karakteristike pumpe. Nekoliko stupnjeva može se nalaziti u istom kućištu, što podrazumijeva povećanje izlazne snage pumpe. Višestupanjske pumpe često se koriste kada je potreban tlak od preko 50 bara. 45 46 Pumpe s linearno pokretnim dijelovima Stapne i klipne pumpe su pumpe s linearno pokretnim dijelovima. Sastoje se od radnog cilindra u kome se nalazi stap ili klip kao radni element, te pogonskog dijela, najčešće ostatka klipnog mehanizma s zamašnjakom i osovinom koju pogoni elektromotor. Prebacivanje tekućine kod ovih pumpi vrši klip ili stap svojim linearnim gibanjem u cilindru. Stapne i klipne pumpe Stapna sisaljka (lijevo) i klipna sisaljka (desno) 47 48 8
Zupčasta pumpa Zupčasta pumpa je pumpa koja radi na principu pokretanja zupčanika. Sastoji se od dva zupčanika koja su smještena u kućištu sisaljke. Jedan zupčanik je pogonski, i dobiva pogon od pogonskog uređaja (najčešće elektromotor), a drugi zupčanik je pogonjen. Zupčanici su međusobno uklinjeni, te se okreću ovisno jedan o drugom. Razmak između kućišta i vrha ozubljenja je tek dovoljan da se zupčanici nesmetano okreću u kućištu, da bi se spriječilo strujanje tekućine između kućišta i ozubljenja. Ovo je jedna od najčešće upotrebljavanih izvedbi pumpi, koja ima vrlo široku primjenu, naročito pri prebacivanju viskoznijih tekućina. Zupčasta pumpa Pumpa s 'unutarnjim' ozubljenjem Pumpa s vanjskim ozubljenjem 49 50 Sheme pumpi IZBOR PUMPI Shema centrifugalne pumpe Shema pumpe s pozitivnim istisninom (klipni tip) Shema rotacijske pumpe 5 Ovisi o nizu faktora: zahtjevi procesa (potrebni tlak, brzina transporta) reološka svojstva kapljevine (Reologija je znanost o deformaciji i karakteristikama tečenja materijala pod djelovanjem vanjskih sila) lokacija Primjeri: za visoke tlakove pogodne su volumenske pumpe za brzi transport centrifugalne pumpe pseudoplastični fluidi volumenske rotacijske pumpe, a može se koristiti i centrifugalna pumpa lako hlapive kapljevine centrifugalna nije pogodna zbog mogućnosti pojave kavitacije viskoplastični fluidi pogodne su volumenske pumpe 52 p 2 p H g Ukupni pad koji razvija pumpa H g h Tipične konfiguracije cijevi za usis i isis H = Ukupni pad koji pumpa razvija u metrima stupca tekućine koja se pumpa, [m] p 2, p = Tlak na usisu i isisu pumpe, [Pa] = Gustoća tekućine koja se pumpa, [kg/m3] H g = Geometrijska visina na koju se podiže tekućina, [m] Δh = Visina pumpe potrebna za stvaranje brzine i savladavanje otpora trenja u cijevima i lokalnim preprekama na linijama usisa i isisa, [m] g = Akceleracija zbog gravitacije, = 9.8 [m/s2] 53 54 9
Tipične konfiguracije cijevi za usis i isis Tipične konfiguracije cijevi za usis i isis 55 56 Smanjivanje potrošnje energije u pumpi Mnogo je mogućnosti smanjivanja potrošnje energije u pumpi. Sve mjere ušteda energije mogu se svrstati u dvije grupe: Učinkoviti pogon Podizanje efikasnosti motora i/ili pumpe Međutim, učinak mogućih tehničkih mjera koje se mogu primijeniti je različit i uvijek ga treba analizirati istovremeno sa: pogonskim uvjetima pumpe, ekonomskim značajkama i mogućem utjecaju promjene mjere na proces. Podešavanje učina pumpe kako bi se zadovoljile potrebe procesa je najbolji način smanjivanja cijene energije, a poboljšanja efikasnosti i motora i pumpe mogu rezultirati smanjenjem troškova za samo nekoliko postotaka. Načini smanjivanja utroška energije pumpi 57 58 Utjecaj efekta podešavanja lopatica na karakteristike pumpe Promjenom brzine vrtnje centrifugalne pumpe Promjenom brzine centrifugalne pumpe unutar dozvoljenih granica, promjene u protoku, padu i utrošku snage definirani su slijedećim odnosima Q Q2 N N 2 2 H N H 2 N 2 3 P N P2 N 2 Q = Volumen izlaza pumpe (isporuka), [m3/s] H = Ukupni pad koji pumpa razvija u metrima stupca tekućine koja se pumpa, [m] P = Snaga električnog motora pumpe, [kw] N = Brzina pumpe, [o/min] 59 60 0
Tipična karakteristika pumpe kod promjene brzine Energetski gubici u sustavu pumpe kod upravljanja protokom prigušivanjem ventila 6 62 Energetski gubici u sustavu pumpe kod upravljanja protokom s VSD Preporučeno ograničenje broja uključivanja 63 64 VENTILATORI Centrifugalni ventilatori Centrifugalni ventilatori s jednostranim usisom i naprijed zakrivljenim lopaticama 66
Centrifugalni ventilatori Ventilatori CENTRIFUGALNI TRANSPORTNI VENTILATORI Ventilator je uređaj koji omogućava strujanje plinovitog medija kroz sustav na principu pretvorbe mehaničke energije vrtnje u tlak i kinetičku energiju strujanja plina. Ventilatori se koriste u dvije svrhe: protok zraka radi ugodnosti ili ventilacije protok zraka i plinova s jednog područja na drugo za industrijsku primjenu 67 68 Ventilatori Općenito se ventilatori dijele prema tome kako plin struji preko lopatica. Ti tokovi mogu biti aksijalni, radijalni, miješani. Ovisno o strujanju zraka (ili bilo kojeg drugog plina) kroz njih, postoje dvije osnovne izvedbe ventilatora: radijalni aksijalni, te kombinacije istih. 69 Ventilatori Kod radijalnih ventilatora zrak ulazi usporedo, a izlazi okomito na os vrtnje. Sastoje se od: spiralnog kućišta s ulaznim otvorom, rotora koji je vratilom povezan s motorom, te izlaznog otvora. Radijalnim ventilatorima se može svladati veći pad tlaka nego kod aksijalnih, te se zbog toga i više koriste u sustavima ventilacije. Kod aksijalnih ventilatora zrak struji usporedo s osi vrtnje. Sastoje se od: cilindričnog kućišta i rotora s motorom na nosaču. 70 Vrste ventilatora Aksijalni ventilator Postoje brojni tipovi lopatica pa se također mogu koristiti za klasifikaciju ventilatora. Aksijalni ventilatori obično imaju lopatice aerodinamičnog profila i ujednačene debljine. Većina industrijskih pogona koristi centrifugalni tip ventilatora. U usporedbi s aksijalnim ventilatorima centrifugalni ventilatori imaju veći rast tlaka ali niži protok. 7 72 2
Aksijalni ventilatori Properelni ventilator Podjela ventilatora Promjena učinkovitosti ventilatora ukazuju na oštru maksimalnu vrijednost na projektiranoj točki. To znači da odabir ventilatora mora biti pažljivo usklađen s traženim uvjetima. Cijevnoaksijalni ventilator Tipične karakteristike ventilatora 73 74 Snaga ventilatora Q p P [ kw ] 000 Q = Volumni protok, [m 3 /s] p = Ukupni tlak ventilatora, [Pa] = Ukupna efikasnost postavljenog ventilatora jednaka umnošku efikasnosti pumpe p, prijenosa tr, i električnog motora m (= p tr m ) Primjer komponenti sustava ventialcije 75 76 Tipična radna točka ventilatora Regulacija protoka Regulacija protoka ventilatora je važno pitanje projektiranja i pogona. Postoji pet vrsta regulacije koji se koriste za ventilatore za prisilno i inducirano strujanje: Prigušnik u vodu sa motorom ventilatora konstantne brzine Dvobrzinski motor ventilatora Lopatice promjenjivog nagiba na ulazu ili ulazne grilje sa motorom konstantne brzine Višestupanjski promjenjivi motor ventilatora Motor promjenjive brzine Prigušnike je najmanje skupo instalirati, ali su i najneefikasniji u smislu utroška energije. Regulacija sustava s promjenjivom brzinom motora je preferirani regulacijski sustav, kada se razmatra kombinacija početnih i pogonskih troškova. 77 78 3
Mogućnosti regulacije protoka Bypass (zaobilazni) ventil nula uštede Prigušenje izlaza Povećan pad tlaka sustava Pomicanje krivulje sustava i smanjuje učinkovitosti Učinak manji u ravnoj krivulji H-Q Trim rotora Kupiti novu pumpu Promjenjiva brzina vožnje Najučinkovitija Snaga varira kao kub brzine Različite veličine protoka bez utjecaja na učinkovitost Regulacija protoka Ovakav način regulacije je usporediv sa vožnjom automobila koji nema regulaciju gasa, već motor radi maksimalnom snagom, a regulacija brzine u skladu s uvjetima na putu se vrši kočenjem. 79 80 Regulacija protoka prigušnim ventilom Regulacija protoka prigušenjem B A = = B = 0.7.25 = 0.875 Q p P 000 [ kw ] A 8 82 Regulacija protoka brzinom vrtnje A = = B = 0.7 0.6= 0.42 Q p P 000 [ kw ] Potrebna snaga za različite vrste upravljanja pumpi i ventilatora 83 84 4
Usporedba potrebe primarne energije regulacija brzine / prigušenje pumpe Potrošnja energije i ušteda koristeći VSD (variable speed drive) Tipični radni ciklus centrifugalne pumpe 85 86 Regulacija brzine vrtnje Koristi VSD Značajna ušteda energije Eliminirana potreba predimenzioniranja motora Indirektne koristi eliminacije mehaničke regulacije: - preopterećenje mehaničkih dijelova - porast temperature u cjevovodima - turbulencije i kavitacija - vibracije - skokovita promjena tlaka pri pokretanju/zaustavljanju pumpe Skalabilni spektar frekv. pretvarača za sve vrste aplikacija Frekventni pretvarač Procesna slika nadzora i upravljanja Micromaster Sinamics G50 0,2-500 kw 0-690 V Perfect Harmony Sinamics GM 0,5 - max. 70MW 2,3-4,4 kv Ventilatori i pumpe sumarno Ventilatori osiguravaju snagu za kretanje protiv otpora sustava za transport zraka Pumpe osiguravaju snagu za kretanje tekućina protiv otpora sustava cijevi i za promjenu visine Oba najčešće koriste električne motore za pokretanje Mjere energetske učinkovitosti pumpi Provesti analizu bilance vode radi smanjenja potrošnje vode Izbjegavati kod mirovanja cirkulaciju rashladne vode u kompresoru, rashladnim sustavima U radu više crpki, razborito miksati rad pojedinih crpki i izbjegavati prigušivanje Ugraditi pumpe za pojačanje u ona područja visokog tlaka Zamijeniti stare pumpe s energetski učinkovitijim U slučaju predimenzionirane pumpe, ugraditi upravljanje promjenjivom brzinom vrtnje, trimati / zamijeniti rotor ili zamijeniti s ispravnom veličinom pumpe Izvadite nekoliko stupnjeva kod višestepene pumpe ako je predimenzioniran tlak 90 5
Mjere energetske učinkovitosti pumpi Voditi računa o učinkovitosti pumpe prilikom odabira pumpe. Odabrati pumpu koja odgovara zahtjevima protoka i tlaka. Odaberite motor koji odgovara opterećenju i s visokom učinkovitosti. Optimizacija projektiranja cjevovoda. Pratiti sve važne parametre sustava kao što su: snaga motora kw, tlak pumpe, temperatura protoka. Koristiti pumpe u seriji i paralelno, tako da se s neusklađenosti u dizajnu sustava ili varijacije u uvjetima rada može ispravno rukovati. Mjere energetske učinkovitosti pumpi Koristiti upravljanje promjenjivom brzinom za pogona kod promjene toka zbog zahtjeva procesa. Ako tlak protoka veći nego što je potrebno od 5 do 5%, (i) postojeći rotor treba biti obrubljen na manji promjera, (ii) ili staviti novi propeler s manjim promjerom. U višestupanjskim pumpama, dodati ili ukloniti stupnjeve na postojećoj pumpi, čime je povećan / smanjene isporučeni tlak protoka, ako je potrebno. 9 92 Energetski pregled ventilatora Prikupiti specifikacije ventilatora i motora s kanalima Mjerenje ulazne snage napajanja motora Mjerenje brzina motora i ventilatora Mjerenje statičkog tlaka na raznim mjestima u kanalu Mjerenje ukupnog i statičkog tlaka i izračunati protok Procijeniti učinkovitost sustava i provjeriti radnu točku ventilatora Energetski pregled ventilatora što provjeriti na terenu Ukupna učinkovitost sustava će se odrediti prema vrsti ventilatora, njegove interakcije s distribucijom zraka, te načinu upravljanja. Utvrditi da li se koristi prava vrsta ventilatora za primjenu. Da li ventilator je pruža najbolju učinkovitost i karakteristike za određenu primjenu. Energetski pregled ventilatora što provjeriti na terenu Učinkovitost sustava ovisi o broju i vrsti zavoja i ograničenja. Oštri zavoji, osobito, povećavaju otpor koji ventilator mora savladati u instalaciji. Koljena i ograničenja u blizini ulaza ili izlaza ozbiljno smanjuju kapacitet i učinkovitost. Uz pravilno odabrane ventilatore i dobro osmišljen sustav za distribuciju zraka, način kontrole je glavna stvar za utvrđivanje energetske učinkovitosti. U sustavima koji zahtijevaju konstantan volumen zraka, brzina ventilatora i pogon treba prilagoditi i pravilno odabrati veličinu remenice, a oprema treba raditi samo kada je to potrebno. U sustavima koji zahtijevaju varijabilni protok zraka, upravljanje brzinom vrtnje je najučinkovitije. Gospodarenje energijom: Što možemo učiniti?. Održavanje 2. Mjere s malim troškovima 3. Mjere sa značajnim troškovima 6
. Održavanje Što možemo učiniti? Inspect and maintain fans and pumps. Redovito provjeriti i podesiti pogonski remen Ispraviti dodatnu buku i vibracije ventilatora. Čistiti i podmazivati komponente ventilatora Redovito čistiti ili zamjenjivati filtre Čistiti kanale za ventilaciju i popraviti ispuštanja na kanalima i komponentama. Što možemo učiniti?. Održavanje (nast.) Čistiti propelere pumpi i popraviti ili zamijeniti oštećene Održavati tolerance razmaka kod propelera i brtvi pumpe Isključiti pumpe i ventilatore kad ih ne trebamo. Što možemo učiniti? 2. Mjere s malim troškovima Aerodinamično oblikovati spojeve zračnih kanala radi smanjenja gubitaka Optimirati protok zraka, balansirajući prigušnim zaklopkama u njihovim maksimalnim otvorenim položajima za uravnoteženu distribuciju zraka Što možemo učiniti? 2. Mjere s malim troškovima (nast.) Zamijeniti brtvenice pumpe s mekim brtvilom kod mehničke brtvenice koja zahtjeva dosta manju snage pumpe Podesiti propeler pumpe da odgovara zahtjevima protoka sustava i dobavnoj visini Što možemo učiniti? 3. Mjere sa značajnim troškovima Koristiti motore s promjenjivom brzinom vrtnje tako da protok zraka ili tekućine se može podesiti prema promjenjivim potrebama Zamijeniti stare jedinice s novim efikasnijim i korektno dimenzioniranom opremom Što možemo učiniti? 3. Mjere sa značajnim troškovima (nast.) Decentralizirati glavni sustav u pod-sustave koji pokrivaju njihove vlastite specifične potrebe Upravljati sustavom ventilacije s ultrazvučnim senzorima pokreta ovo može uštedjeti 50% u troškovima pogona ventilatora 7
Što možemo učiniti? 3. Mjere sa značajnim troškovima (nast.) Instalirati računalno upravljani sustav za gospodarenje energijom Instalirati invertere za promjenjivi napon i frekvenciju da se omogući kontinuirana promjena brzine motora radi zadovoljavanja potreba opterećenja ušteda snage u iznosu od 30 do 60 posto 8