Cột áp yêu cầu của hệ, công suất trục và động cơ, kiểm tra xâm thực (NPSH) và quy đổi khi đổi tốc độ bằng biến tần.
Giải thích chi tiết
- Bài toán dùng để làm gì
- Hình dung đơn giản
- Kiến thức nền cần có
- Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu
- Xây dựng công thức từng bước
- Lời giải mẫu từng bước
- Áp dụng thực tế và lưu ý
Bài toán dùng để làm gì
Bơm ly tâm dùng cấp nước làm mát cho máy hàn, khuôn, tháp giải nhiệt hoặc bơm dung dịch tẩy rửa. Bài toán tính cột áp hệ thống yêu cầu, công suất trục và cỡ động cơ, kiểm tra xâm thực (NPSH) để bơm không bị rỗ cánh, và quy đổi lưu lượng – cột áp – công suất khi đổi tốc độ bằng biến tần.
Hình dung đơn giản
Hãy tưởng tượng
Cột áp H là chiều cao mà bơm có thể đẩy nước lên (tính bằng mét nước). Bơm phải thắng: độ cao cần đưa lên + ma sát trong ống + áp suất cần ở đầu ra. Xâm thực giống hút trà sữa bằng ống hút quá mạnh: áp suất trong ống tụt quá thấp, nước “sôi” thành bọt rồi vỡ, gặm mòn cánh bơm như rỉ sét.
Kiến thức nền cần có
Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.15 áp suất/lưu lượng · 0.12 năng lượng/công suất, hiệu suất · 0.11 quay · 0.2 đơn vị (bar, m, m³/h)
Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị | Lấy số liệu ở đâu |
|---|---|---|---|
| Q | Lưu lượng cần | m³/h | Yêu cầu của máy (ví dụ máy hàn robot cần l/ph nước làm mát × số máy) |
| Hs | Chênh cao từ mặt nước bể hút đến điểm xả cao nhất | m | Bản vẽ mặt bằng, mặt cắt |
| hf | Tổn thất ma sát đường ống, van, co | m | Tính theo chiều dài ống và phụ kiện (sổ tay thủy lực) hoặc phần mềm Grundfos Product Center |
| Δp | Chênh áp cần ở đầu ra (ví dụ qua thiết bị trao đổi nhiệt) | bar | Catalogue thiết bị dùng nước |
| ρ, pv | Khối lượng riêng và áp suất hơi bão hòa của chất lỏng | kg/m³, bar | Nước 25 °C: 1000 kg/m³, 0,032 bar; nước nóng pv tăng mạnh |
| η | Hiệu suất bơm tại điểm làm việc | – | Đường đặc tính catalogue Grundfos, Ebara, Wilo, KSB, Pentax: 0,5–0,8 |
| zs, hfs | Mực nước trên tâm bơm (âm nếu hút sâu), tổn thất đường hút | m | Bản vẽ lắp đặt |
| NPSHr | NPSH bơm yêu cầu tại lưu lượng Q | m | Đường cong NPSH trong catalogue bơm |
| n1, n2 | Tốc độ hiện tại và tốc độ mới khi chạy biến tần | v/ph | Nhãn bơm; tần số biến tần × 60/p |
Xây dựng công thức từng bước
Công thức tổng quát không “từ trên trời rơi xuống”: nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:
Bước 1. Cột áp yêu cầu
Cộng chênh cao, tổn thất ma sát và chênh áp đầu ra đổi sang mét cột nước:
H = Hs + hf + Δp·10⁵/(ρ·g)
Bước 2. Công suất thủy lực và công suất trục
Năng lượng truyền cho nước mỗi giây; chia hiệu suất bơm ra công suất trên trục:
Ph = ρ·g·Q·H ; Ps = Ph / η
Bước 3. Cỡ động cơ
Thêm 10 % dự phòng, lấy cỡ động cơ tiêu chuẩn kế trên (bảng Du_lieu):
Pm ≥ 1,1·Ps
Bước 4. Kiểm tra xâm thực
Áp suất có sẵn ở cửa hút (áp suất khí quyển trừ áp suất hơi, cộng chiều cao nước, trừ tổn thất) phải hơn yêu cầu của bơm ít nhất 0,5 m:
NPSHa = (patm − pv)/(ρ·g) + zs − hfs ≥ NPSHr + 0,5
Bước 5. Luật đồng dạng khi đổi tốc độ
Lưu lượng tỉ lệ bậc 1, cột áp bậc 2, công suất bậc 3 với tốc độ:
Q2 = Q·n2/n1 ; H2 = H·(n2/n1)² ; P2 = P·(n2/n1)³
Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)
Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:
| TT | Đại lượng | Ký hiệu | Giá trị | Đơn vị | Ghi chú / nguồn |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Lưu lượng | Q | 20 | m³/h | |
| 2 | Chênh cao hình học | Hs | 10 | m | |
| 3 | Tổn thất đường ống | hf | 6 | m | |
| 4 | Chênh áp yêu cầu ở đầu ra | Δp | 1 | bar | |
| 5 | Khối lượng riêng | ρ | 1 000 | kg/m³ | |
| 6 | Hiệu suất bơm | η | 0,65 | ||
| 7 | Mực chất lỏng trên tâm bơm (âm nếu hút sâu) | zs | 1 | m | |
| 8 | Tổn thất đường hút | hfs | 0,5 | m | |
| 9 | Áp suất hơi bão hòa | pv | 0,032 | bar | Nước 25 °C ≈ 0,032 bar |
| 10 | NPSHr của bơm | NPr | 3 | m | |
| 11 | Tốc độ hiện tại | n1 | 2 900 | v/ph | |
| 12 | Tốc độ mới (biến tần) | n2 | 2 400 | v/ph |
Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:
| TT | Đại lượng | Ký hiệu | Kết quả | Đơn vị | Công thức / cách tính |
|---|---|---|---|---|---|
| 13 | CỘT ÁP YÊU CẦU | H | 26,19 | m | H = Hs + hf + Δp/(ρg) |
| 14 | Công suất thủy lực | Ph | 1,43 | kW | Ph = ρ·g·Q·H |
| 15 | Công suất trục | Ps | 2,2 | kW | |
| 16 | Cỡ động cơ (dự phòng 10 %) | Pm | 3 | kW | |
| 17 | NPSH khả dụng | NPa | 10,5 | m | NPSHa = (patm − pv)/(ρg) + zs − hfs |
| 18 | NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m | Kiểm tra | ĐẠT | ||
| 19 | Lưu lượng ở n2 | Q2 | 16,55 | m³/h | Q ∝ n |
| 20 | Cột áp ở n2 | H2 | 17,94 | m | H ∝ n² |
| 21 | Công suất ở n2 | P2 | 1,24 | kW | P ∝ n³ |
Bước C – Kết luận ví dụ
Kết quả chính: CỘT ÁP YÊU CẦU = 26,19 m; Công suất trục = 2,2 kW; NPSH khả dụng = 10,5 m.
Kiểm tra: NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m: ĐẠT.
Nếu đổi số liệu ở ô vàng, mọi kết quả tự tính lại. Ô nào báo KHÔNG ĐẠT thì xem mục Áp dụng thực tế bên dưới để biết cần sửa gì.
Áp dụng thực tế và lưu ý
- Chọn bơm: đặt điểm (Q, H) lên đường đặc tính catalogue Grundfos/Ebara; chọn bơm có điểm làm việc gần vùng hiệu suất cao nhất (BEP), không ở đầu mút đường cong.
- Nếu NPSH KHÔNG ĐẠT: hạ bơm thấp hơn mặt nước (hút ngập), tăng đường kính ống hút, rút ngắn ống hút, bỏ bớt co, giảm nhiệt độ nước, hoặc chọn bơm NPSHr nhỏ hơn.
- Giảm tốc độ 20 % bằng biến tần thì công suất chỉ còn ≈ 51 % – đây là lý do biến tần tiết kiệm điện rất nhiều cho bơm và quạt.
- Khi giảm tốc độ, cột áp giảm theo bình phương: nếu Hs lớn (bơm lên cao) có thể bơm không lên tới điểm xả – kiểm tra H2 ≥ Hs.
- Lỗi hay gặp: quên đổi m³/h sang m³/s (chia 3600) khi tính công suất.