3.2 Tsentrifugaalpumba tunnusjooned ja jõudluse reguleerimine.

3.2.1 Survekarakteristik
 
Tsentrifugaalmasinate olulisemateks parameetriteks on jõudlus (tootlikkus, vooluhulk) Q m³ /s ja surve (surukõrgus) H m/s. Nende suuruste vaheline seos püsival pöörlemissagedusel n = const H(Q) tunnusjoon ehk survekarakteristik [1] on tsentrifugaalpumba põhikarakteristik ning antakse kataloogides.
Vooluhulk , kus F on toru ristlõige.
Surukõrgus 
.
Vajalik mootori võimsus 

kus P on võimsus kW, Q jõudlus m³ /s, H surukõrgus (rõhk) m, g 9,81 m/s² , r vedeliku tihedus kg/dm³ ,  pumba kasutegur.
Pumba surve kulub staatilise surve (kõrguste vahe) Hst ning (vee)võrgu survekao ht (ka D H) ületamiseks.

Joon. 3.2.1. Tsentrifugaalpumba (Flygt 5350 [2] surve karakteristikud (all) ja vajalik võimsus (ülal). 
> suurima hüdraulilise kasuteguriga punkt

Survekadu on võrdeline vooluhulga ruuduga , kus k on voolutakistust iseloomustav kordaja, mis sõltub torustiku materjalist (sisepinna töötlusest), läbimõõdust, pikkusest ja kohttakistustest (ventiil, klapp, põlv, ristlõike muutus). Võrgukarakteristik on seega parabool, tema võrrand on  ja tipp punktis (kõverad H(Q)võrk joon. 3.2.2).

Joon. 3.2.2. Pumba ja võrgu karakteristik

Pumba tööpunkt vooluhulgale vastav surukõrgus on määratud pumba- ja võrgukarakteristiku lõikepunktina. See punkt (A joon. 3.2.2) määrab vajaliku võimsuse (D) ja pumba kasuteguri (E). Vooluhulga muutmiseks on vaja muuta ühte neist karakteristikuist. Võrgukarakteristikut saab muuta vaid takistuse suurendamise suunas, tööpunkt nihkub siis punktist A punkti B ja vooluhulk väheneb. Pumbakarakteristikut saab muuta pöörlemissageduse muutmise või tööratta läbimõõdu vähendamisega. Pöörlemissageduse suurendamisega saab tööpunkti C: .

Tööratta läbimõõdu D vähendamisel kehtivad seosed [1] .

3.2.2 Pumba ja reguleerimisviisi valik

Pump valitakse alati suurima vooluhulga (veetarbe) järgi. Samuti torustik, armatuur ja mahutid. Seejuures on vaja silmas pidada

Seepärast on vaja ette näha pumba reguleerimise võimalus juhuks kui vedeliku tarbimine on väiksem. Pumba keskmine jõudlus  on väiksem suurimast vajalikust vooluhulgast  ja see omakorda pumba suurimast jõudlusest . Joonisel 3.2.3 on kujutatud pumba koormuskestuse kõver pikema aja, näiteks aasta kohta.

Pumba jõudluse reguleerimiseks kasutatakse järgnevaid meetodeid

Tööstuses on veel sageli kasutusel esimene neist. See on kõige ebaökonoomsem. Veevarustus- ja kanalisatsioonisüsteemides kasutatakse tavaliselt mahuteid, mida perioodiliselt täidetakse või tühjendatakse pumba (või pumpade) start-stopp-reþiimis lülitamisega vajaliku nivoo saavutamiseni. Ka niisuguse reguleerimise kasutegur pole kiita. Hoopis olulisemaks probleemiks on hüdraulilised löögid, mis kaasnevad pumpade käivitamise ja seiskamisega. Joonisel 3.2.4 on näidatud orienteeruvalt vajalik võimsus erinevate reguleerimisviiside kasutamisel.
 
Joon. 3.2.3. Pumba koormuskestus.
Keskmine vooluhulk (jõudlus)

pumba maksimaalne jõudlus
Joon. 3.2.4. Orienteeruv võimsustarve
Pt torustiku parameetreid muutes
Pss start-stopp-meetodil
PR pöörlemissagedust reguleerides
Pt - PR võimsussääst

Ökonoomseimaks viisiks on pöörlemissageduse reguleerimine, sest sel juhul pole vaja kulutada energiat vastusurve ületamiseks.

Ventiile sulgedes või mõnel muul viisil torustiku parameetreid muutes vooluhulk küll väheneb, kuid energiakulu suureneb, sest energiat tuleb kulutada ventiili poolt loodava vastusurve ületamiseks.
Pumba vajaliku võimsuse valemist
.
nähtub, et võimsustarve on võrdeline jõudluse Q ja surukõrguse H korrutisega. Seejuures .

Joon. 3.2.5. Võimsustarve ja sääst sõltuvad vooluhulgast: langev kõver võimsuse sääst on torustiku parameetrite muutmisega (ventiilidega) juhtimisel vajaliku võimsuse (ülemine kõver) ja pöörlemissageduse muutmisel vajaliku võimsuse (alumine kõver) vahe [3]

Joonistel 3.2.6 ja 3.2.7 on viirutatud pinnaga kujutatud tarbitav võimsus. Arvutusnäitena on esitatud võimsustarve kui vooluhulk on 70 % nimiväärtusest. Nähtub, et pöörlemissagedusega reguleerides (joonis 3.2.7) on võimsustarve oluliselt väiksem kui ventiilidega reguleerides (joonis 3.2.6); valitud näite korral on vahe enam kui kahekordne.
 
Joon. 3.2.6. Vooluhulga reguleerimine
torustiku parameetrite muutmisega
A tööpunkt suurima vooluhulga korral;
Suhteline võimsustarve 1 x 1 = 1
B tööpunkt 70 % vooluhulga korral
(Q = 0,7 ja H = 1,25)
Suhteline võimsustarve 0,7 x 1,25 = 0,875
Joon. 3.2.7. Vooluhulga reguleerimine pumba
pöörlemissageduse muutmisega
A tööpunkt suurima vooluhulga korral;
Suhteline võimsustarve 1 x 1 = 1
B tööpunkt 70 % vooluhulga korral
(Q = 0,7 ja H = 0,8)
Suhteline võimsustarve 0,7 x 0,6 = 0,42

Võimsustarve sõltub pumba jõudlusest ning on esitatud joonisel 3.2.5. Sagedusjuhtimisega saavutatav sääst on seda suurem, mida väiksem on vooluhulk (vedeliku tarbimine) ehk teiste sõnadega, mida sügavam on reguleerimine. Võimsuse säästu korrutis kasutusajaga annab energiasäästu.

3.2.3 Sagedusreguleerimise eelised

Olulisele energiasäästule lisaks vähendab sagedusreguleerimise kasutuselevõtt investeerimiskulutusi nii ehituslikus kui elektrivarustuse osas.

Jõudluse reguleerimise üheks viisiks on mitme (sageli eri suurusega) pumba kasutamine. Neid üksteise järel sisse või välja lülitades saadakse astmeline jõudluse reguleerimine. Kui aga varustada suur pump sagedusajamiga, saab palju parema tulemuse palju väiksemate kulutustega. Vähem läheb vaja pumpasid ja mootoreid ning samuti torustikku ja klappe või ventiile.

Veevarustussüsteemis silutakse töösurve ebaühtlus tavaliselt hüdrofooride või veetornidega. Sagedusjuhtimist kasutades võib niisugustest mahutitest loobuda või vähendada nende mõõtmeid.

Väiksemale investeerimisele vaatamata reguleerimise kvaliteet isegi paraneb, sest on võimalik hoida tarbija juures enam-vähem ühtlast veesurvet.

Otsekäivitatava mootoriga võrreldes on sagedusmuunduri kasutamise korral oluliselt väiksem käivitusvool (vt. joonis 3.2.8). See võimaldab palju väiksemate elektriseadmete ning sageli ka väiksema ristlõikega toitekaabli kasutamist ning annab nende hankimisel säästu. Tüüpiline kokkuhoiu objekt on niisugusel juhul vastutusrikaste pumpade toite reservgeneraator, mille vajalik võimsus on umbes poole väiksem kui otsekäivitatavate mootoritega pumpade korral.

Vähenevad ka korrashoiukulud, sest nii pump, torustik kui klapid/ventiilid/kraanid on vähem koormatud:

Viidatud asjaolude tõttu võib seadmete ressurss isegi kahekordistuda.
 
Joon. 3.2.8. Pumbamootori käivitusvool
IN mootori nimivool
IS mootori otsekäivitusvool
IF käivitusvool sagedusmuunduriga
nN mootori nimipöörlemissagedus
Joon. 3.2.9. Hüdrauliline löök polüvinüülkloriidtorus pärast pumba väljalülitamist
pN nimitöösurve
t aeg

Paraneb ka elektrivõrgu talitlus: käivitusvool on oluliselt väiksem ning enam pole vaja ka asünkroonmootorite magnetvälja loomiseks osta reaktiivvõimsust või toota seda kondensaatorpatareide või sünkroonkompensaatoriga. Sagedusmuundur genereerib ise mootorile vajaliku reaktiivvõimsuse.

3.2.4. Sagedusregulaatoriga juhitava tsirkulatsioonipumba energiasäästu arvutusnäide
 
Tsirkulatsioonipumba tehnilised andmed:
HN = 50 m QN = 1000 m³ /h = 1000/3600 m³ /s
nN = 1450 p/min
Hst = Hmin Qmin = 0 m³ /s
QM = 500 m³ /h = 500/3600 m³ /s
g = 1 kg/dm³ (vesi)
ta = 8000 h/a
PN = 200 kW h N = 0,86
k = 0,75 krooni/kWh
Tunnusjoontelt (joon. 3.2.10):
H1 = 65 m h 1 = 0,75
H2 = 12,5 m h 2 = 0,80
Võimsustarve torustiku parameetite muutmisel
kW
Võimsustarve sagedusreguleerimisel
kW
Võimsussääst
kW
Aastane energiasääst
kWh/a =
= 904 MWh/a
Rahaline sääst
krooni
Tasuvusaeg  aastat

Joon. 3.2.10. Arvutusnäite juurde [3]
H1 surukõrgus pöörlemissagedusel n1
P1 tarbitav võimsus pöörlemissagedusel n1
h 1 kasutegur pöörlemissagedusel n1
H2 surukõrgus pöörlemissagedusel n2
P2 tarbitav võimsus pöörlemissagedusel n2
h 2 kasutegur pöörlemissagedusel n2

KIRJANDUST

  1. A. Maastik, H. Haldre, T. Koppel, L. Paal. Hüdraulika ja pumbad. Tartu.: Greif, 1995.
    467 lk.
  2. Flygt. 5150, 5160, 5210, 5250, 5350. Technical specification. 6 p.
  3. ABB Drives. AC Drives. Speed Control of Pumps with SAMI Frequency Converters. 8 p.