КПД насоса: формула мощности и как посчитать на объекте

КПД насоса показывает, какая часть энергии на валу превращается в полезную работу — подъём воды на нужную высоту с нужной подачей. Остальное уходит в потери: трение в проточной части, перетечки через зазоры, вихри. У насосного агрегата к ним добавляются потери в двигателе. Поэтому КПД считают на двух уровнях: самого насоса и агрегата целиком.

Как рассчитать мощность насоса: формула

Полезная, или гидравлическая, мощность — это энергия, которую насос за секунду передаёт воде:

Nп = ρ · g · Q · H

Здесь ρ — плотность воды, 1000 кг/м³; g — 9,81 м/с²; Q — подача, м³/с; H — напор, м. Результат получается в ваттах. Для воды удобнее рабочая форма:

Nп (кВт) = Q (м³/ч) · H (м) / 367

Дальше мощность идёт по цепочке. На валу насосу нужно больше полезной мощности: Nв = Nп / ηн. Из сети двигатель берёт ещё больше: Nпотр = Nв / ηдв.

КПД насоса и КПД агрегата

У погружного насоса двигатель и гидравлика собраны в одном корпусе, и вал отдельно не измерить. Поэтому на практике считают КПД агрегата: полезную мощность делят на потребляемую из сети. Какая из мощностей указана на шильдике, разобрано в статье о маркировке насоса.

Мощность на валу и коэффициент мощности насоса

Мощность на валу — это то, что двигатель отдаёт гидравлике. На шильдике погружного насоса её обычно обозначают P2, а мощность из сети — P1. Их связывает ток через коэффициент мощности cos φ. Для трёхфазного двигателя P1 = √3 · U · I · cos φ, для однофазного — P1 = U · I · cos φ.

У асинхронного двигателя при номинальной нагрузке cos φ обычно около 0,8–0,9. При недогрузке он заметно падает. Поэтому точнее всего КПД насоса считают по мощности, измеренной ваттметром или анализатором сети, а не по одному току.

Как посчитать КПД насоса на объекте

1. Определите подачу: по расходомеру или по времени откачки зумпфа известного объёма.
2. Определите напор: высота подъёма плюс потери в линии, или по манометру на выходе.
3. Посчитайте полезную мощность по формуле выше.
4. Измерьте потребляемую мощность. Для трёхфазного двигателя P = √3 · U · I · cosφ, где ток меряют клещами.
5. Разделите полезную мощность на потребляемую.

Пример. Насос подаёт 30 м³/ч на 20 м. Полезная мощность 30 · 20 / 367 ≈ 1,63 кВт. Клещи показали 5,5 А при 400 В, cosφ примем 0,8: потребляемая мощность 1,73 · 400 · 5,5 · 0,8 ≈ 3,0 кВт. КПД агрегата 1,63 / 3,0 ≈ 54 %.

Почему у дренажных насосов КПД ниже

Насос для грязной воды жертвует частью КПД ради того, чтобы пропускать песок и мусор. Открытые и полуоткрытые колёса, крупная входная решётка и увеличенные зазоры снижают эффективность по сравнению с насосом для чистой воды. Поэтому у небольших дренажных агрегатов общий КПД нередко ниже 50 %, и это нормально для их задачи. Подробнее о колёсах — в статье о типах рабочих колёс.

Кроме того, КПД падает при износе. В абразивной среде колесо стачивается, зазоры растут, и насос тратит ту же энергию на меньшую подачу. Если КПД по замерам заметно ниже, чем был при вводе, пора проверить колесо — см. статью о замене рабочего колеса.

КПД и рабочая точка

КПД насоса не постоянен: он зависит от того, где на кривой находится рабочая точка. Максимум — в середине рабочего диапазона. Если насос работает далеко слева, при почти перекрытой линии, или далеко справа, с малым напором и большой подачей, КПД падает, а вибрация и износ растут. Поэтому насос подбирают так, чтобы рабочая точка попадала в зону высокого КПД, а не просто «с запасом по мощности».

КПД насоса и расход электроэнергии

Расход электроэнергии равен потребляемой мощности, умноженной на часы работы. Насос из примера, 3 кВт, при работе 10 часов в сутки берёт 30 кВт·ч в день и около 900 кВт·ч в месяц. При круглосуточной работе расходы на электроэнергию за несколько лет обычно превышают цену самого насоса — об этом статья о стоимости жизненного цикла насоса. Как снизить расход, разобрано в статье об энергоэффективности погружных насосов. Потребляемую мощность всех моделей Grindex и примеры расчёта собирает статья «Сколько электроэнергии потребляет насос».

Частые вопросы

Какой КПД у насоса считается хорошим? Зависит от класса. Насосы для чистой воды эффективнее дренажных и грязевых, которые жертвуют КПД ради пропуска частиц. Сравнивать стоит машины одного класса и в одной рабочей точке.

Где взять КПД насоса? У крупных машин — на графике характеристик. Для погружного насоса проще посчитать КПД агрегата по замерам на объекте.

Можно ли повысить КПД без замены насоса? Да: вернуть рабочую точку в середину кривой, заменить изношенное колесо, уменьшить потери в линии.

Почему потребляемая мощность меньше паспортной? Паспорт указывает максимум. В реальной рабочей точке насос обычно берёт меньше.

Вывод: КПД насоса — это отношение полезной мощности Q · H / 367 к мощности на валу, а КПД агрегата — к мощности из сети. Его считают по замерам подачи, напора и тока. Низкий КПД у дренажного насоса нормален для работы с грязной водой, а падение КПД со временем говорит об износе. Машины для откачки — в обзоре дренажных насосов Grindex. Производитель оборудования — шведская компания Grindex.