泵和风机的相似定理的应用.doc

泵和风机的相似定理的应用引言 水泵风机的功耗占空调系统总能耗的3060，随着空调节能形势的叫紧，水泵风机的变频节能问题成了大家注目的焦点。然而对于在系统中运行的水泵、风机水泵变频的性能多有不清，本文以“系统思考”的理念，分析了这个问题。 2 泵与风机全相似运行的涵义 在泵与风机的教科书中提出，如果泵或风机满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件，泵或风机就在全相似工况运行。在全相似工况运行的泵或风机其流量、扬程、功率与转速之间符合下面三个著名的相似定理的公式 1 2 3 式中L 泵或风机的流量，m3/s; n 泵或风机的转速，r/min; ΔP泵或风机的扬程，Pa; Ws泵或风机的轴功率，W; 下标为“0”的参数，是泵或风机在额定转速n0时的参数; 下标为“1”的参数，是泵或风机在转速n1时全相似工况的参数。 从理论上严格地讲，公式3中的泵或风机的轴功率项Ws应当是泵或风机的有效功率项 We ΔPL 4 只是在全相似工况运行的泵或风机的轴效率ηs是不变的，从ηsWe/Ws的关系可以推导出公式3来。文献[1]的实验数据证明了这个结论。 图1是变频水泵或风机的性能曲线。其中工况点A0是额定转速n0下的变频水泵或风机的性能曲线n0与管路阻力特性曲线R1的交点。工况点A1是转速n1下的变频水泵或风机的性能曲线n1与管路阻力特性曲线R1的交点。可以严格的从理论上证明，只有工况点A1是和额定工况点A0完全相似的，也只有工况点A1才和工况点A0之间有式13的关系。其他任何点，比如特性曲线n1与等压线P0的交点C就没有式13的关系。 式13是用相似理论是从孤立的水泵或风机的理论中推导出来的，然而，水泵或风机使用是容入水泵或风机与管道、阀门、盘管及相应的控制系统组成的系统中的，容入系统中的水泵或风机的性能要受管路系统阻力特性及相应的控制系统的关联、制约和影响。从大系统论可知，系统整体中的水泵或风机的性能和孤立的水泵或风机的性能有着本质的不同。分析系统中的水泵或风机的性能，要用大系统的理论，用“系统思考”的理念。按照“系统思考”的理念可以严格地从理论上证明，在最节能的全相似变压变流量系统中，对水泵或风机的三个全相似条件的要求，不仅是对水泵或风机的，也是对管道阻力元件的要求。这就是式13揭示的深刻内涵，这种内涵只有用系统思考的理念才能深刻的理解。这种观点得到了文献[1]中的“管路不变，手动变频”一组实验数据的证实，如图25所示。文献[1]所说的“管路不变”的含义就是在实验中，管路中没有一个改变几何参数的元件，即便是有可以改变几何参数的调节阀，也是放在固定的开度上，保持不变。 只是文献[1]的作者其他许多变频水泵、变频风机和变频器的专著的作者一样，没有领会式13深刻的涵义，不分场合和管路阻力特性并且没有相应的全相似变压变流量的控制系统与之匹配如文献[1]图1所示的控制系统，一律套用式13进行计算。当然这种理念很容易被实验证伪。其实文献[1]中不同定压差下变频水泵系统的定压变流量系统的实验数据已经证明，在定压变流量系统中是没有式13的关系的。这个例子再一次证明了著名的数学家、哲学家哥德尔所说数学公式给人们的内容，比人们对它理解的内容要多的多 图1 变频泵或风机性能曲线 图2 相对频率与相对转速关系图f1/f0n1/n0 图3 相对流量与相对转速关系图L1/ L0 n1/ n0 图4 相对扬程与相对转速平方关系图 ΔP1/ΔP 0 n1/ n0 2 图5a 相对总功率与相对转速立方关系图 Wt1/ Wt0 n1/ n0 3 图5b 相对电机功率与相对转速立方关系图 Wm1/ Wm0 n1/ n0 3 图5c 相对轴功率与相对转速立方关系图 Ws1/ Ws0 n1/ n0 3 3 认清水泵或风机的扬程内涵 泵或风机的有效功可以用式5计算 5 6 式中We泵或风机的有效功，W; ΔP泵或风机的扬程，Pa; L泵或风机的流量，m3/s 。 从式5可以清楚看出，泵或风机的扬程ΔP的物理涵义是将单位流量的流体提高扬程ΔP，水泵或风机做的有效功知道了扬程ΔP的物理涵义，我们就能清楚地解释，为什么在定压变流量变频泵或风机节能控制系统中，变频泵或变频风机的功耗只和流量L的一次方成正比当然和转速n有隐函关系，在能耗的关系上绝对没有如式3的三次方的关系 4 变频泵或风机节能控制的实质是控制一个能量传递链 变频水泵或风机的总输入功率可用式7计算 7 式中Wt变频水泵或风机的总输入功率，W; ηs变频泵或风机的轴效率，无因次; ηtr变频泵或风机的传动效率，无因次，直接传动ηtr1.0，联轴器传动ηtr0.98，V型皮带传动ηtr0.95，齿轮传动ηtr0.970.98; ηm变频水泵或风机的电机效率，无因次; ηin变频水泵或风机的变频器效率,无因次。 从公式7可以看出泵或风机的能耗是通过变频器、电机、传动环节、水泵或风机等能量传递链将电能最终转换为流体的压力能的。这个能量传递链中每一个环节的转换效率均影响到变频水泵或风机的总输入功率Wt。变频节能的工作应当在整个能量传递链中的每一个环节中展开，而不能仅仅考虑一个方案、一个环节。这是一个系统整体，应当用“系统思考”的理念处理变频水泵或风机的节能问题。比如，当空调负荷发生变化时，改变泵或风机转速，使泵或风机输送的流量就是空调负荷需要的流量，如果泵或风机在全相似工况运行，就有公式3的节能关系，全相似变压变流量节能控制方案有其他任何变流量系统所没有的最节能的控制效果 然而即便是在最节能的全相似的变压变流量系统，通常的系统设计时往往忘记了一件非常重要的事水泵、风机额定工况点A0的确定。现在的空调设计中水泵或风机额定工况点A0的确定是模糊的，甚至是排脑袋的，如果水泵或风机特性不和管路系统是阻力特性相匹配，额定工况点A0不在水泵或风机的高效工作区，从泵或风机样本上的特性曲线可以看出，水泵或风机的不同工况点，效率最大相差可有20。而变频水泵或风机在整个生命周期都是按照选定的效率运行的，如果选定的额定工况点的效率非常低，它就要在低效率状态工作整个生命周期的2025年这样就是效率再高的水泵或风机在不协调、不和谐、不匹配的水路或风路系统中也发挥不出效能来。按照“系统思考”的理念，作者的研发小组开发出了水泵、风机选型软件。该软件能够精确地计算出在系统中运行的泵、风机的设计工况点，并保证选取的水泵、风机工况点在高效区段。这说明，泵或风机的变频节能不仅仅是安装一个变频器的事情，它是一个系统工程，也包括泵或风机的选型计算设计、匹配的管路系统、控制系统设计等。 另如，从电机和变频器的特性可看出，当它们的负荷率低于30时，电机的效率ηm、变频器的效率ηin 迅速下降，从公式6可以看出，这时即便是最节能的全相似的变压变流量系统，系统整体也是不节能。经换算，就是在10066流量的范围变频水泵或风机才是节能的，同时这对冷机的工作也是安全的。流量如果低于66，变频水泵或风机就不节能了，这时控制系统的特性必须转变，特别是在多泵并联运行的变频系统，更要注意在不同台数的水泵或风机运行时，必须保证管路阻力特性也要和不同台数的水泵或风机的特性相匹配，使水泵或风机的实际工况点仍在高效工作区。在设计水泵或风机变频控制系统时，一定要注意这个问题。 再如，现有市场上泵或风机专用变频器只是考虑泵或风机的转矩和转速的平方成正比的问题及泵或风机适应负荷变化的变频问题，并没有考虑部分负荷时电机效率低下的问题，因此这类变频器还不能算泵或风机专用，因为它没有考虑电机、泵或风机是在系统中工作的，在系统中泵或风机受到管道阻力特性、控制系统的关联、制约和影响，它们的性能要发生本质的变化。以上这些例子说明，泵或风机的变频节能不仅仅是安装一个变频器的问题，它是一个系统工程，包括水泵或风机和管路阻力特性匹配选型计算设计、管路系统阻力特性及其构成，相匹配的自控系统的设计构成、控制策略等子系统构建，这些子系统有机地组成了一个不可分割大系统整体及构成了决定系统特定特性和功能的系统结构机制，缺一个子系统或子系统间的关联，系统就不具备系统特定特性和功能的整体结构机制，在变频水泵或风机系统整体层次上就不可能涌现出健康系统才能涌现Emergent的特性节能。功能是系统整体性质的外在表现，结构是系统整体性质的内部基础。变频水泵或风机系统集成的过程，实质就是要做11＞2的工作，节能就是系统集成具有大系统整体结构机制后才涌现的“2”里的一个内容。大系统整体层次上具有的节能特性，是子系统所没有的，当然大系统整体层面上特有的节能属性也要以子系统的高效率为基础，这实质是既见树木又见森林的系统集成方法，这完全符合节能工程设计原则节能首先是设备和工艺流程是节能的。 5 结束语 1 变频水泵或风机节能控制，是一个系统工程，要用“系统思考”的理念，才能深刻理解水泵或风机相似原理的内涵。 2 水泵或风机在全相似工况，它的功耗才有和转速的三次方成正比的关系，这是水泵或风机最节能的运行工况。 3 泵或风机容入系统后，它的性能受到水路或风路、控制系统的关联、制约和影响要发生本质的变化;对泵或风机全相似的要求，也是对水路或风路的要求。