У сучасних промислових умовах енергозбереження є одним з ключових напрямків підвищення конкурентоспроможності підприємств. Відцентрові насоси, як основні компоненти водопостачання, опалення та технологічних процесів, споживають до 20% від загального обсягу електроенергії в промислових секторах [1, с. 78]. Значущість проблеми полягає в тому, що значна частина енергії втрачається через неоптимальну конструкцію проточної частини насосів, зокрема робочого колеса та спірального корпусу, що призводить до гідравлічних втрат та зниження коефіцієнта перетворення (ККП).
Сучасні дослідження з підвищення енергоефективності відцентрових насосів зосереджені на оптимізації гідродинамічних характеристик. У статті [2] розглядається моделювання систем водопостачання з використанням насосів з різними характеристиками тиску, демонструючи, що модернізація проточної частини дозволяє знизити споживання енергії на 18-20%. Автори пропонують об'єктно-орієнтоване моделювання для узгодження характеристик насоса з мережею.
У докторській дисертації [3] розроблено автоматизовану систему керування мережевими насосами на основі критеріїв енергоефективності, з акцентом на частотне регулювання для зменшення втрат. Результати моделювання підтверджують економію енергії на 30-50%.
Міжнародні дослідження, такі як [4], пропонують безмодельні методи оптимізації для різних насосних систем, що дозволяють досягти економії енергії від 7,9% до 50% без точних математичних моделей. У [5] описано оптимізацію проточного перерізу робочого колеса за допомогою варіаційного числення та 3D-аналізу, що підвищує ефективність на 2-3%. У [6] описано генетичний алгоритм для діагностики втрат у широкодіапазонних насосах, де оптимізація геометрії лопатей призвела до підвищення ефективності на 2,96%. Ці дослідження вказують на перспективи поєднання CFD-моделювання та алгоритмів оптимізації для покращення проточного перерізу.
Предметом дослідження є відцентровий насос CNS (секційний відцентровий насос) з номінальною витратою 100 м³/год та напором 50 м. Проточний переріз включає робоче колесо з лопатями, спіральний корпус, а також вхідну та вихідну труби. Енергетична ефективність оцінюється на основі коефіцієнта корисної дії, який розраховується за формулою η = (ρ g Q H) / P, де ρ – густина рідини, g – прискорення вільного падіння, Q – витрата, H – напір подачі, а P – споживання енергії [7, с. 45].
Методологія дослідження передбачає комп'ютерне моделювання внутрішніх потоків за допомогою програмного забезпечення ANSYS CFX. Оптимізація геометрії виконується за допомогою генетичного алгоритму для коригування профілів лопатей та зменшення зон відриву потоку. Вхідні дані: швидкість обертання 1500 об/хв, геометричні параметри колеса (діаметр 200 мм, кут нахилу лопаті 25°). Оцінка ефективності базується на порівнянні базової та вдосконаленої конструкцій за критерієм мінімальних втрат енергії.
Результати моделювання показали, що покращення прохідного перерізу шляхом зміни кута нахилу лопаті на 5° та оптимізації форми спірального корпусу зменшує турбулентні втрати на 15%. ККД становив 72% для базової конструкції та 75–77% після узгодження компонентів у номінальному режимі.
Порівняння з аналогічними дослідженнями [2] підтверджує, що ця оптимізація є ефективнішою, ніж традиційне керування клапанами, оскільки вона зменшує надлишковий тиск. Аналіз потоку продемонстрував зменшення зон рециркуляції, що сприяє стабільній роботі насоса в широкому діапазоні витрат.
Таблиця 1
Порівняння характеристик базової та удосконаленої конструкцій
Проведені дослідження підтверджують, що вдосконалення та координація компонентів проточної частини відцентрового насоса може підвищити енергоефективність на 3-5%. Запропоновані методи оптимізації, засновані на CFD та генетичних алгоритмах, є перспективними для промислового впровадження. Вони сприяють зниженню енергоспоживання та підвищенню надійності пристрою. Подальші дослідження можуть бути зосереджені на експериментальній перевірці в реальних умовах.
Список використаних джерел
1. Бойко В. С. Підвищення енергоефективності системи подачі та розподілу води відцентровими насосами з різними напірними характеристиками / В. С. Бойко, М. М. Юрченко, М. І. Сотник, С. О. Хованський // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. – 2011. – Вип. 2 (14). – С. 77–80.
2. Лазоренко А. В. Автоматизована система керування режимом роботи мережевого насосу Кременчуцької ТЕЦ за критерієм енергоефективності : магістерська дисертація / А. В. Лазоренко ; наук. кер. А. В. Босак. – Київ : НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», 2020. – 120 с.
3. Improving energy efficiency of individual centrifugal pump systems using model-free and on-line optimization methods // Applied Energy. – 2021. – Vol. 304. – P. 117–125. – DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117723.
4. Vikhlyantsev A. A. Optimization Methods to Improve Energy Efficiency of Centrifugal Pumps at Thermal Power Plants / A. A. Vikhlyantsev, A. V. Naumov, A. V. Volkov [et al.] // International Journal of Recent Technology and Engineering. – 2019. – Vol. 8, iss. 4. – P. 9987–9992. – DOI: 10.35940/ijrte.D9987.118419.
5. Liu Z. Research on Efficiency Improvement Technology of Wide Range Centrifugal Pump Based on Genetic Algorithm and Internal Flow Loss Diagnosis / Z. Liu, L. Ji, W. Pu [et al.] // Water. – 2024. – Vol. 16, iss. 23. – P. 3402. – DOI: 10.3390/w16233402.
6. Босак А. В. Енерго- та ресурсоощадні установки : конспект лекцій / А. В. Босак, В. А. Побігайло. – Київ : НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», 2022. – 150 с. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/52086/1/ERU_konspekt.pdf.
______________________________
Науковий керівник: Ратушний О.В., кандидат технічних наук, доцент
|