Насосы центробежные циркуляционные

Насосы центробежные циркуляционные: конструкция, принцип действия, классификация и применение

Центробежные циркуляционные насосы представляют собой тип динамических лопастных насосов, предназначенных для создания непрерывной циркуляции жидких сред в замкнутых системах. Их основная функция – преодоление гидравлического сопротивления трубопроводов, арматуры и теплообменного оборудования, обеспечение заданной скорости потока и, как следствие, эффективного тепло- или массообмена. Доминирующая сфера применения – системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха (ОВиК) и холодоснабжения, а также технологические контуры в промышленности.

Принцип действия и конструктивные особенности

Работа насоса основана на преобразовании кинетической энергии, сообщаемой жидкости рабочим колесом, в энергию давления. Электродвигатель приводит во вращение вал, на котором закреплено рабочее колесо (крыльчатка) с изогнутыми лопастями. Жидкость поступает в осевом направлении в центр колеса (в зону низкого давления), под действием центробежной силы отбрасывается к периферии и выбрасывается в спиральный отвод (улитку) или диффузор, где происходит дальнейшее преобразование скорости в давление. После этого жидкость направляется в нагнетательный патрубок.

Конструктивно большинство современных циркуляционных насосов выполняются по схеме с «мокрым» ротором. В таких агрегатах ротор электродвигателя и рабочие колеса расположены на общем валу и находятся в перекачиваемой жидкости, которая выполняет функции смазки и охлаждения. Статор электродвигателя изолирован от ротора герметичным разделительным стаканом, обычно из нержавеющей стали. Такая конструкция обеспечивает бесшумность, компактность, отсутствие необходимости в обслуживании сальниковых уплотнений и высокий КПД для малых и средних мощностей.

Для систем с высокими требованиями к мощности и давлению применяются насосы с «сухим» ротором, где двигатель отделен от гидравлической части торцевым механическим уплотнением. Они имеют более высокий КПД на больших мощностях, но требуют регулярного обслуживания уплотнений и, как правило, более шумны.

Ключевые технические параметры и характеристики

Выбор насоса определяется его рабочими точками на напорно-расходной характеристике (H-Q кривой), предоставляемой производителем.

• Напор (H): Измеряется в метрах водяного столба (м.в.ст.) или паскалях (Па, кПа). Показывает, какую высоту столба жидкости способен преодолеть насос, или какое гидравлическое сопротивление системы он может компенсировать. Не является физической высотой подъема в чистом виде, а суммой потерь на трение и местных сопротивлений в системе.
• Расход (Q): Объем жидкости, перекачиваемой за единицу времени. Измеряется в кубических метрах в час (м³/ч) или литрах в секунду (л/с). Для систем отопления часто рассчитывается исходя из тепловой мощности и температурного дельтета.
• Номинальная мощность (P): Электрическая потребляемая мощность, кВт. Важно различать потребляемую электрическую мощность и полезную гидравлическую мощность, передаваемую жидкости.
• Кавитационный запас (NPSH): Критический параметр, определяющий условия, при которых в зоне низкого давления на входе в рабочее колесо происходит вскипание жидкости с образованием пузырьков пара и их последующим схлопыванием. Кавитация приводит к эрозии металла, вибрации и падению параметров.
• Рабочее давление (PN): Максимальное избыточное давление в гидравлической части, на которое рассчитан корпус насоса, обычно 6, 10, 16 или 25 бар.
• Температура перекачиваемой среды: Для стандартных моделей диапазон обычно составляет от -10°C до +110°C (для систем отопления). Существуют специализированные исполнения для высокотемпературных сред или хладагентов.

Классификация и типы циркуляционных насосов

По типу регулирования:

• С постоянной скоростью (односкоростные): Работают с фиксированной частотой вращения. Просты и надежны, но неэкономны при переменной нагрузке.
• Ступенчатого регулирования (2-3 скорости): Позволяют вручную переключать обмотки двигателя для работы на разных скоростях, грубо адаптируя производительность.
• С частотным регулированием (инверторные): Оснащены встроенным или внешним преобразователем частоты, плавно изменяющим скорость вращения ротора в зависимости от потребности системы (по перепаду давления, температуре и т.д.). Обеспечивают значительную энергоэкономию (до 60%), снижение шума и гидравлических ударов.

По конструктивному исполнению:

• Линейные (in-line): Патрубки расположены на одной оси. Упрощают монтаж в прямолинейный участок трубопровода.
• Блочные: Конструктивно объединены с другими элементами системы (например, с котлом).
• Двух- или трехскоростные: С ручным переключателем скоростей.
• Сдвоенные (дуплексные) агрегаты: Два насоса на общей раме, работающие в режиме «основной-резервный» или параллельно для покрытия пиковых нагрузок. Обеспечивают повышенную надежность системы.

Материалы исполнения

Выбор материалов определяет долговечность, стоимость и область применения насоса.

Таблица 1. Материалы основных компонентов циркуляционных насосов

Компонент	Типичные материалы	Примечания
Корпус	Чугун (GG-25), Латунь (CuZn), Нержавеющая сталь (AISI 304, AISI 316), Композитные материалы (технополимеры)	Чугун – для нейтральных сред в отоплении; латунь и нержавеющая сталь – для питьевой воды и агрессивных сред; полимеры – для легкости и коррозионной стойкости.
Рабочее колесо	Технополимеры (PP-GF, PPS-GF), Нержавеющая сталь, Латунь	Полимерные колеса с минеральным наполнением – стандарт для насосов с мокрым ротором, обеспечивают низкий шум и стойкость к абразиву.
Вал ротора	Нержавеющая сталь (AISI 420, AISI 431), Керамика (Al₂O₃)	Керамические валы – стандарт для качественных бытовых насосов, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.
Разделительный стакан	Нержавеющая сталь (AISI 304, AISI 316)	Должен быть немагнитным для передачи вращающего поля от статора к ротору.
Уплотнения, прокладки	EPDM, NBR (Nitrile), FPM (Viton)	Выбор зависит от температуры и химического состава перекачиваемой среды. EPDM – для горячей воды, NBR – для масел, FPM – для агрессивных сред.

Подбор насоса для системы отопления/охлаждения

Корректный подбор включает гидравлический расчет системы.

1. Определение требуемого расхода (Q): Q = P / (c ρ ΔT), где P – тепловая мощность системы (кВт), c – удельная теплоемкость воды (~4.18 кДж/(кг°C)), ρ – плотность воды (~983 кг/м³ при 60°C), ΔT – расчетный перепад температур между подачей и обраткой (обычно 20°C для радиаторных систем, 5-10°C для теплых полов). Упрощенно: Q (м³/ч) ≈ P (кВт) / (1.163 ΔT (°C)).
2. Определение требуемого напора (H): H = ΣΔP = R
3. L + Z, где R – удельные потери на трение в трубопроводе (Па/м), L – длина расчетного участка (м), Z – сумма местных сопротивлений (арматура, теплообменники и пр.). Упрощенные методы используют удельные потери (100-150 Па/м) и коэффициент на местные сопротивления (обычно 1.3). Для точного расчета необходимы аксонометрическая схема и справочные данные.
4. Выбор по характеристике: Найденные значения Q и H образуют рабочую точку. Она должна лежать в средней трети кривой H-Q выбранного насоса, что обеспечит оптимальный КПД и запас по параметрам. Предпочтение отдается насосам с частотным регулированием, автоматически адаптирующимся к изменяющимся условиям.

Монтаж и эксплуатация

• Монтаж производится на обратном трубопроводе (перед котлом) для снижения температуры на сальниковых уплотнениях (для насосов с сухим ротором) и уменьшения риска кавитации. Допустима установка на подаче, если это предусмотрено производителем и конструкцией.
• Ось вала насоса с мокрым ротором должна быть строго горизонтальна. Расположение клеммной коробки – сверху.
• Обязательна установка фильтра-грязевика перед насосом для защиты крыльчатки и подшипников.
• По обе стороны насоса рекомендуется устанавливать запорную арматуру для обслуживания.
• Система перед пуском должна быть промыта и заполнена. Для удаления воздуха из камеры насоса с мокрым ротором предусмотрен воздушный винт или автоматический воздухоотводчик.
• Эксплуатация при нулевом или очень малом расходе (закрытые задвижки) недопустима, так как приводит к перегреву перекачиваемой среды и выходу из строя.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается насос с «мокрым» ротором от насоса с «сухим» ротором?

Насос с мокрым ротором имеет ротор двигателя, погруженный в перекачиваемую жидкость, которая его смазывает и охлаждает. Он бесшумен, не требует обслуживания уплотнений, но имеет ограниченный КПД (до 50-60%) и применяется для малых и средних мощностей в системах ОВиК. Насос с сухим ротором имеет торцевое уплотнение, разделяющее двигатель и гидравлику. Его КПД достигает 70-80%, он предназначен для высоких расходов и напоров, но требует регулярного контроля уплотнений, более шумен и чувствителен к пыли в воздухе.

Почему насос гудит, но не качает воду?

Основные причины: завоздушивание гидравлической полости насоса (требуется удалить воздух через воздушный винт), засорение фильтра-грязевика или рабочего колеса, неправильное направление вращения (при подключении трехфазного двигателя), механическое разрушение рабочего колеса или значительный износ уплотнительных колец. Также причиной может быть полностью закрытая запорная арматура на линии.

Какой класс энергоэффективности насосов актуален?

Согласно директиве ЕС ErP (Energy related Products), с 2015 года для циркуляционных насосов вводятся строгие нормы по индексу энергоэффективности (EEI). Для бытовых систем разрешены только насосы с EEI ≤ 0.23 (класс A), что соответствует практически исключительно насосам с частотным регулированием. Насосы с постоянной скоростью (EEI > 0.27) запрещены к установке в новых системах. Это стимулирует повсеместный переход на энергосберегающие инверторные модели.

Нужно ли обслуживать циркуляционный насос с «мокрым» ротором?

Такие насосы позиционируются как необслуживаемые в течение всего срока службы. Однако в условиях реальной эксплуатации с неидеальным качеством теплоносителя рекомендуется периодическая (раз в 2-3 отопительных сезона) профилактика: проверка состояния фильтра, визуальный контроль и при необходимости очистка крыльчатки от отложений, проверка электрических соединений. Принудительная смазка подшипников не требуется.

Как правильно выбрать насос для системы теплого пола?

Для систем напольного отопления характерны высокие гидравлические сопротивления из-за большой общей длины контуров и малого диаметра труб, а также малый температурный перепад ΔT (обычно 5-10°C). Это приводит к необходимости выбора насоса с повышенным напором при сравнительно небольшом расходе. Часто используются трехскоростные или частотно-регулируемые насосы, позволяющие точно настроить параметры. Ключевое значение имеет корректный гидравлический расчет, учитывающий сопротивление всех петель и коллекторного узла.

Что такое кавитация и как ее избежать?

Кавитация – это образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости при локальном падении давления ниже давления насыщенных паров. Признаки: шум, похожий на шелест гравия, вибрация, падение производительности и напора. Для предотвращения необходимо обеспечить достаточное давление на входе в насос (минимальный кавитационный запас NPSHr), не допускать завышения частоты вращения сверх паспортных значений, избегать работы при завышенной температуре теплоносителя и следить за отсутствием засоров на всасывающем участке.