het ontwerpen van efficiënte en effectieve pompsystemen

het ontwerpen van efficiënte en effectieve pompsystemen

het bekijken van alle opties kan u helpen energie en geld te besparen voor uw klanten.

door Ed Butts, PE

het ontwerpen van een efficiënt pompsysteem gaat veel verder dan het afstemmen van de meest efficiënte pomp op bedrijfs-of systeemkopomstandigheden of het gebruik van een variabele frequentieaandrijving of regelklep voor variabele eisen.

dit zijn slechts de uitgangspunten. In de wereld van vandaag, de talloze mechanische en elektrische apparatuur beschikbaar voor de ontwerper en installateur, in combinatie met gevestigde en eveneens nieuwe ontwerp regels en richtlijnen, maakt het ontwerp van een efficiënt en effectief pompsysteem twee van de belangrijkste elementen van een pompinstallatie.

deze maand bespreken we eerdere ideeën over een goed pomp-of pompstation-ontwerp, samen met de huidige regelveranderende criteria die ontwerpers moeten overwegen voor vrijwel alle pomptoepassingen.

een efficiënt en effectief systeem definiëren

efficiëntie: dat ene woord heeft verschillende betekenissen voor verschillende mensen, maar nooit heeft het woord meer geldigheid en waarde gehad dan in de wereld van vandaag met steeds stijgende energiekosten.

voor de typische verkoper betekent efficiëntie u overtuigen dat hun product meer van iets zal leveren voor minder van uw geld. Voor ingenieurs betekent efficiëntie het produceren van een soort van eindresultaat, of het nu resulteert in werk of een product met de minste inspanning, en dus kosten.

efficiëntie is in wezen het verschil tussen een theoretisch resultaat en het werkelijke resultaat van een taak, inspanning of proces. In de waterputbusiness is efficiëntie meestal van toepassing op elektrische, mechanische of chemische efficiëntie—en er zijn manieren om elk type te verbeteren.

naast efficiëntie moeten ontwerpers van watersystemen ervoor zorgen dat hun ontwerp effectief is. Dit betekent gewoon dat het pompsysteem niet alleen efficiënt water moet leveren, maar bij de juiste stroming en druk—met andere woorden, effectief.

voor een pompsysteem begint de effectiviteit altijd met het bepalen van de snelheid of het volume van het water dat nodig is om over een vooraf bepaalde periode te leveren. Dit kan over een periode van 24 uur voor de gemiddelde dagelijkse vraag van een watersysteem of slechts 20 minuten voor piekvraag.

het biedt natuurlijk weinig voordeel en zelfs minder comfort, als u uw klant moet informeren dat hun nieuwe pompsysteem 750 GPM levert met de hoogst mogelijke efficiëntie wanneer ze 1000 GPM nodig hebben. Of hun irrigatiesysteem is in staat om 2 inch water toe te passen over 50 hectare in 12 uur toen de klant een systeem vroeg dat 1,75 inch water kon leveren over 90 hectare in acht uur.

Wat Betekent Efficiëntie Werkelijk?

het woordenboek definieert efficiënt als ” handelen om een effect te produceren met een minimum aan verspilling of inspanning, of het vertonen van een hoge verhouding tussen output en input.”Beide delen van deze definitie zijn uiteraard van toepassing op de waterputindustrie, hoewel elk onderdeel een andere toepassing heeft.

hoewel ons doel in het ontwerp en de toepassing is om een systeem te ontwikkelen met het hoogste niveau van operationele efficiëntie—en in veel gevallen hebben we deze verbeteringen op vele niveaus bereikt—is het belangrijk om te onthouden dat er altijd enig verlies van efficiëntie zal zijn in elk proces of inspanning, ongeacht eventuele verbeteringen, stroomlijning of verbeterd ontwerp dat we in het systeem plaatsen.

veel van de efficiëntieverbeteringen van een bepaalde machine of een bepaald proces kunnen rechtstreeks verband houden met de vraag van de klant of met overheidsinterventie en-regelgeving.

bijvoorbeeld, als gevolg van maatregelen van het Congres die tot nieuwe normen hebben geleid, zijn in de herziene energiecodes van de VS minimumeisen vastgesteld voor energie-efficiënt ontwerp en bouw van nieuwe en gerenoveerde gebouwen, die van invloed zijn op het energieverbruik en de emissies gedurende de levensduur van het gebouw. Dit is vooral belangrijk omdat gebouwen goed zijn voor bijna 40% van het huidige energieverbruik in de VS, 65% van het elektriciteitsverbruik en iets meer dan 10% van het waterverbruik.

aangezien gebouwen in de Verenigde Staten de belangrijkste energiebron zijn, moeten gebouwen zich aan deze nieuwe codes houden om ervoor te zorgen dat ze aan de hogere efficiëntienorm voldoen. Het gebruik van efficiëntere methoden en materialen eerder bij de bouw van een gebouw kost een fractie van wat ze later zullen kosten als een retrofit nodig is om het totale energieverbruik tijdens de levensduur van het gebouw te verminderen.

er zijn nieuwe energiecodes voor gebouwen voor zowel commerciële en residentiële gebouwen als voor andere vormen van energieverbruik.Aangezien elektromotoren de grootste verbruiksgroep van elektrische energie vormen, zijn nieuwe voorschriften—waaronder aantrekkelijke kortingsprogramma ‘ s—aangenomen voor de aanpassing en vervanging van oudere, minder efficiënte motoren door nieuwere, efficiëntere motoren. Deze nieuwe motoren kunnen een directe toepassing op putpomp en booster pomp toepassingen.

naast de verbeteringen die we met nieuwere elektromotoren kunnen aanbrengen, zijn er nog andere schijnbaar kleine verbeteringen van systemen of componenten die we ook kunnen aanbrengen. Deze verbeteringen kunnen in veel gevallen zo gering lijken dat ze onbeduidend of betekenisloos zijn. Maar wanneer rekening wordt gehouden met de levensduur van de eenheid of de jaarlijkse bedrijfsuren, kunnen ze gemakkelijk oplopen tot een energiebesparing die veel hoger ligt dan de initiële kosten van de investering zelf.

hoewel het verbeteren van de efficiëntie van een systeem of pompinstallatie gewoonlijk direct gekoppeld is aan besparingen in elektrische energie, zijn er verschillende perifere methoden die ook energie kunnen besparen—en dus de efficiëntie verhogen. Deze methoden zijn als volgt.

operationele of Systeemmethoden

• Selecteer pompinstallaties om te werken tijdens daluren of perioden van ontlading, indien haalbaar. Deze perioden, meestal in de vroege ochtend of late avonduren, kunnen lagere energieverbruikskosten opleveren dan op enig ander tijdstip van de dag. In reservoirvultoepassingen kan dit het bijvullen van het reservoir mogelijk maken gedurende een periode met relatief laag verbruik, en dus ontladingskop.
• het gebruik van een inline smoorklep is in de meeste gevallen gunstig voor het afstoten van water. Hoewel het gebruik van dit proces moet worden gecontroleerd voor de specifieke pompeenheid en het betrokken systeem, zal een inline throttling ventiel op de ontlading van een pomp naar een verlaagd debiet meestal zorgen voor een grotere energiebesparing dan het recirculeren van het water terug naar de bron of anderszins verspillen van het water—naast het behoud van deze kostbare bron. Gebruik nooit een gasklep aan de zuigzijde van een pomp.
• Gebruik altijd hoogwaardige en nauwkeurige manometers en debietmeters voor het volgen van gegevens. Hoewel dit lijkt misschien een no-brainer, het ontwikkelen en onderhouden van een nauwkeurige en effectieve gegevensverzameling proces vereist niet alleen nauwkeurige gegevens, maar consequent nauwkeurige gegevens. Variaties of onnauwkeurigheden in de methode van gegevensverzameling kunnen gemakkelijk leiden tot verkeerde veronderstellingen en beslissingen.
• rekening houden met niet-pompende energieverliezen. Nogmaals, vele malen de energieverliezen in verband met niet-vitale en niet—verwante functies—zoals de verlichting, verwarming, koeling of gebruik transformatoren in een pompstation-kunnen gering of onbeduidend lijken. Maar naarmate deze verliezen toenemen, zoals voor continue verlichting of verwarming, kunnen de energieverliezen extreem worden en andere energiekosten voor pompdoeleinden verstoren.

verbetering van de pompefficiëntie

• het gebruik van pomponderdelen met lage hydraulische wrijving zoals brons, porselein en roestvrij staal zal leiden tot lagere weerstand in de pomp zelf en dus lagere pompkosten. Specificeer een C-10/C-20/C-30 gepolijst afgewerkt op waaierpassages.
• weinig bekende trucs voor waaiers of voluten, zoals het ondervullen of opvullen van schoepen, het bijsnijden van de volute tong, dynamisch balanceren, het versmeren van de buitenrand van de waaier en het polijsten van de waaier, kunnen de efficiëntie een of twee punten verhogen, waardoor pk wordt bespaard.
• Selecteer de pomp om te allen tijde zo dicht mogelijk bij het beste efficiëntiepunt (Bep) of binnen het beste efficiëntievenster (BEW) te werken.
• Verbeter de leidingen door Grotere aanzuig-en afvoerleidingen te gebruiken dan vereist. Het elimineren van tees, ells, en beperkte leidingen waar mogelijk en het veranderen of gebruiken van leidingen materialen met de laagste wrijvingsfactoren, zoals PVC of cement bekleed nodulair ijzer over staal, kan ook ten goede komen aan een systeem.
• zelfs het wijzigen van een regel -, isolatie-of terugslagklep op de afvoerleiding van de pomp kan langetermijndividend opleveren. Afhankelijk van de klepgrootte, debiet en plicht, kan het veranderen van een standaard globe stijl van inline regelklep met een hoek of wye Patroon type regelklep besparen tot 2-4 psi of tot 10 voet van hoofdverlies tijdens de werking. Voor een klep die strikt wordt gebruikt voor de isolatie van het station, kan het gebruik van een volledig open poort ventiel type (zoals een veerkrachtige stoel schuifklep) in plaats van een klep met een inline obstructie (zoals een ongevoerde plug of vlinderklep) ook het hoofdverlies door de klep te verlagen.
• het gebruik van een high-performance coating op een waaier of een volute of in een kom kan de schijfwrijving van de waaiers verminderen, wat resulteert in energiebesparingen. Een coating zoals Scotchkote 134 (SK134) fusion bonded epoxy kan kosten tussen de $500-$800 per fase aan te brengen, maar kan de efficiëntie te verhogen met maar liefst twee tot vier punten. Op een pompunit ontworpen voor 1000 GPM bij 300 voet TDH, kan dit resulteren in een PK besparingen van maximaal vier remmen pk. Bij 4000 uur per bedrijfsjaar kan dit alleen al in het eerste jaar leiden tot een energiebesparing van meer dan $1200.
• bij het ontwerp van nieuwe of vervangende pompen met diepe putten moet rekening worden gehouden met het relatieve verschil in efficiëntie en levensduur van de kom en motor tussen dompel-en verticale turbine-eenheden. Hoewel de kapitaalinvestering van een dompelpompsysteem bijna altijd minder zal zijn dan een vergelijkbare verticale turbine-eenheid, zal het gecombineerde rendement van de ketel en de motor vaak tot 10-15 punten hoger zijn voor de verticale turbine-eenheid. Bijvoorbeeld, met een pompinstallatie ontworpen voor 1000 GPM op 300 voet TDH, kan het verschil in per uur pompen kosten oplopen tot $1.30 per uur of $ 5200 per 4000-uur (50%) operationele periode. Bovendien is de levensduur van een verticale turbine-eenheid vaak groter dan een duikboot vanwege lagere snelheid, motorwarmte en toegankelijkheid. Uiteraard zijn deze verhoudingen niet altijd van toepassing, dus de ontwerper moet deze factoren van geval tot geval evalueren.
• voor verticale turbinepompen moet de instelling van de ketel ten minste eenmaal per jaar worden gecontroleerd om de prestaties te optimaliseren. Voor semi-open waaiers, gebruik maken van een versterker of power meter om de bowl aanpassing te optimaliseren.

elektromotoren en aandrijvingen

• voor motoren: Het verhogen van draadmaten, het optimaliseren van spanningen, het verbeteren van de vermogensfactor met condensatoren, het gebruik van premium efficiëntie motoren, het verstrekken van een schone en koele werkomgeving, en de-rating van een motor pk voor een bepaalde belasting kan de efficiëntie van een pompinstallatie verhogen met maar liefst 5% door elektrische veranderingen alleen.
• voor alle bestuurders (met inbegrip van tandwielaandrijvingen): Olie Vervangen en vet toevoegen/vervangen op door de fabrikant aanbevolen frequenties en intervallen. Gebruik olie – en vetgewicht en viscositeit op basis van de richtlijnen van de fabrikant. Vul geen oliereservoirs en houd het oliepeil tussen lage en hoge niveaus tijdens het gebruik. Voor watergekoelde tandwielaandrijvingen en wateromslaggekoelde motoren: controleer de werking en het minimale debiet van de waterkoellus. Controleer de bedrijfstemperatuur van de versnellingsaandrijving / motor om te controleren of de olie afkoelt tot de voorgeschreven niveaus.
• voor standby-motoren: ten minste routinematige oefeningen en jaarlijkse operationele tests uitvoeren. Ongeacht de bedrijfsuren, olie minimaal één keer per jaar vervangen. Roteren of anderszins gebruik opgeslagen brandstof om de kwaliteit te behouden. Gebruik indien nodig dieselbrandstof met anti-waxkwaliteit of additief om waxen gedurende lange opslagintervallen te voorkomen. Controleer de gereedheid van de motor met de juiste functie van de batterij druppellader, jasverwarmer, voorverwarmen en gloeibougies (indien van toepassing). Voor primaire motoren: vervang olie en bougies (gas) op de door de fabrikant aanbevolen bedrijfsuren; gebruik zware service als richtlijn. Om de twee jaar compressie en timing uitvoeren om de uniforme cilinderfunctie te controleren.
• voor aandrijflijnen: controleer de uitlijning en vet U-voegen met door de fabrikant aanbevolen intervallen. Voor riemaandrijvingen: Controleer ten minste eenmaal per jaar de bandspanning en een gelijkmatige bandaanbrenging. Overweeg om meerdere V-riemen te vervangen door een enkele serpentijn-of tandwielriem.

regelafsluiters

regelafsluiters met variabele snelheid of frequentie (VFD ‘ s) en drukmodulerende kleppen zijn snel een favoriete methode geworden voor energiebesparing en verbetering van de efficiëntie van het systeem. Echter, ze zijn niet zonder hun nadelen en beperkingen, dus de ontwerper moet gebruiken en rekening houden met specifieke kenmerken om de hoogst mogelijke efficiëntie te bieden en de levensduur van het pompsysteem te verlengen. Deze omvatten de volgende:

• zoals met de meeste elektronische apparaten, VFD ‘ s niet zorg voor warmte. Niet alleen zal de levensduur van de eenheid lijden, maar de operationele efficiëntie zal ook. Om deze redenen moet een goede ventilatie en koeling in acht worden genomen.
• bij gebruik in combinatie met dompelmotoren of andere motoren met een lange kabelloop tussen de motor en de aandrijving (meer dan 50 voet) kan zich een toestand voordoen die bekend staat als gereflecteerde golfspanning. Dit betekent gewoon dat de aandrijving kan worden blootgesteld aan een geretourneerd niveau van spanning weerkaatst van de motor in waarden honderden keren hoger dan de isolatie van de motor is beoordeeld voor. Verschillende beveiligingsinrichtingen, zoals gelijkrichters, worden gebruikt om deze omstandigheden te negeren en moeten worden geïmplementeerd op alle installaties met lange kabelverschuivingen.
• bij het dimensioneren van een VFD moet je rekening houden met de werkelijke stroomsterkte waarmee het apparaat moet werken, niet alleen met de PK. Aangezien een dompelmotor een hogere stroom zal aantrekken dan een vergelijkbare standaard motor, kan de dimensionering voor PK niet voorzien in een voldoende reservecapaciteit voor de hogere stroom. In veel gevallen kan het vergroten van de eenheidsgrootte met één bescherming bieden tegen dit potentieel. Dit is een veel voorkomend probleem op retrofit installaties.
• specifieke soorten installaties, zoals die op verticale holteas of standaard horizontale motoren, kunnen leiden tot grondlussen of vonken van opgelegde spanningen binnen de lagers. Verschillende methoden bestaan om te beschermen tegen dit optreden, maar de meest betrouwbare methode omvat effectieve en volledige aarding en hechting van de aandrijving en motor.
• voor nieuwe of retrofit VFD-toepassingen, controleer of de toerentalvermindering samenvalt met de geselecteerde pompcurve en of energiebesparingen worden toegepast bij lagere toerentallen. Steile pompcurven zijn over het algemeen meer gerechtvaardigd en gunstig bij gebruik met VFD ‘ s dan het gebruik van inline drukregelkleppen. Een hogere mate van energiebesparing bij verminderde debiet zal meestal optreden wanneer een inline drukregelklep wordt toegepast op een pomp met een vlakke curve, omdat pk zal de neiging om te dalen over een evenredige daling van de stroomsnelheid.

met behulp van software voor het ontwerpen van pompen

naarmate computermodelleringstechnieken blijven verbeteren en in ons dagelijks leven werken, neemt ook de noodzaak om het gebruik van pompselectieprogramma ‘ s te overwegen toe. Door mijn telling, er zijn momenteel vijf generieke pomp selectie software keuzes en ontelbare fabrikant Selectie Programma ‘ s.

hoewel ik altijd een oudgediende ben geweest als het gaat om het selecteren van een pomp uit catalogi en door gebruik te maken van fabrikantcurves, is mijn gebruik van selectieprogramma ‘ s de afgelopen tien jaar sterk toegenomen, vooral nu ik meer pompsystemen met variabele debiet-en hoofdcondities ontwerp.

hoewel ik niet van plan ben om te adverteren, ben ik blij met en werk ik met de PumpFlo-software die is ontwikkeld door Engineered Software Inc. Ik begon met Versie I jaren geleden en nu werken met Versie X en ben blij met de manier waarop deze software maakt selectie van verschillende pompen door het invoeren van de ontwerpvoorwaarden van capaciteit en kop of direct verwijzen naar een specifiek pompmodel.

hoewel ik weet dat er vele andere uitstekende software programma ‘ s voor pompselectie beschikbaar zijn, ben ik een van de dinosaurussen die de voorkeur geeft aan iets als het voor mij werkt (dit is dezelfde reden dat ik 40 jaar getrouwd ben!).

naast programma ‘ s waarmee pompen van verschillende fabrikanten kunnen worden vergeleken, hebben vrijwel alle pompfabrikanten nu hun eigen selectieprogramma of maken ze deel uit van een pompselectiesoftware zoals PumpFlo, PumpCALC of PumpBase. De meeste selectieprogramma ‘ s maken multi-snelheid evaluatie, efficiëntie en PK vergelijking, pomp curve beperkingen, en selecties met verschillende afwerking en fasen samen met de juiste veranderingen in efficiëntie en PK trekken, elk een kritische parameter in het goed ontwerpen van een water pompsysteem.

dit type functionaliteit versnelt niet alleen de selectie van een putpomp, maar helpt ook bij de nauwkeurigheid en vergelijking van verschillende modellen en merken, plus de door de computer gegenereerde afdrukken en curves zien er beter uit dan het type I dat ooit met de hand werd geproduceerd. Hoewel het gebruik van een pomp selectie software is waarschijnlijk niet zo efficiënt en noodzakelijk met huishoudelijke goed pompen, ik van harte aanbevelen het gebruik van deze technologie voor grotere dompelbare en verticale turbine goed en booster pompen.

eenheid of Component vs. Systeemefficiëntie

naarmate het modewoord van efficiëntie steeds vaker in ons dagelijks arbeidsleven sluipt, moeten we als watersysteemontwerpers het belang erkennen van meer werk voor minder energie als een manier om niet alleen belangrijke operationele kosten voor onze klant te besparen, maar ook om de beperkte natuurlijke hulpbronnen van onze wereld te behouden.

een van de vele manieren waarop we kunnen helpen bij dit streven is door zowel de efficiëntie van het systeem als die van de componenten te evalueren en te verbeteren.

de efficiëntie van het systeem is de meest voor de hand liggende en schijnbare bijdrage aan de totale efficiëntie en de operationele kosten, en die waar wij ons over het algemeen het meest mee bezig houden. In watersystemen volkstaal, wordt het algemeen aangeduid als de draad-naar-water of pompinstallatie efficiëntie. Het is de netto-efficiëntie, bestaande uit de individuele verliezen binnen het gehele systeem die samen de uiteindelijke efficiëntie van de installatie creëren.

aan de andere kant is de efficiëntie van de eenheid, ook wel onderdeelefficiëntie genoemd, de relatieve efficiëntie van een specifiek of individueel element binnen het grotere gegroepeerde systeem. Het kan de pomp, bestuurder, of transmissie-efficiëntie, of zelfs de efficiëntie van een enkel onderdeel binnen de totale eenheid, zoals de interne hydraulische verliezen binnen een waaier of de lagerwrijving voor een fase in een meertraps verticale turbinepomp die elk een afzonderlijk onderdeel van de totale ketel efficiëntie.

veel mensen denken dat de efficiëntie van het systeem de enige belangrijke factor is, maar ik ben het daar niet mee eens. In veel gevallen kan het gebruik van incrementele verbeteringen in de efficiëntie van de eenheid of component veel kosteneffectiever zijn dan grootschalige veranderingen van het hele systeem. Dit is de reden dat ik tout met behulp van goedkope maar effectieve methoden zoals waaier opvullen, polijsten, of kom voeringen als manieren om de pomp efficiëntie te verhogen.

hier is een ander voorbeeld: Converteren naar een 100 pk, 1800 toeren per minuut premium efficiëntie van een standaard efficiëntie elektromotor zal de volle belasting efficiëntie van ongeveer 93% naar 94,5% te verhogen. Bij een volgeladen toestand bespaart deze incrementele verbetering tot 1,27 kW, wat bij vermenigvuldiging met 3000 bedrijfsuren per jaar resulteert in een energiebesparing van 3820 kW/uur. bij $0,15 per kW/uur. Dit is een potentiële besparing in bedrijfskosten van $573 per jaar.

dit soort besparing is ook mogelijk met retrofits van ketels, waar een verbetering van een ketelefficiëntie van 75% tot 83% bij een belasting van 50 pk (remvermogen) tot 6,42 pk kan besparen.

zelfs wanneer deze bewezen energiebesparingen worden aangetoond, zijn klanten in veel gevallen—met name in irrigatie—vaak bestand tegen het investeren in de kosten van een volledige vervanging of upgrade van het systeem dan voor een vervanging van een onderdeel. Het testen en evalueren van de individuele efficiëntie van de eenheden of componenten en vervolgens het aanbevelen van vervanging of reparatie van deze specifieke elementen is vaak gunstiger voor het budget van een klant dan een volledige systeemvervanging.

u zult nog steeds business en sales genereren en de tevredenheid hebben dat u de klant waarschijnlijk wat echt geld bespaart.

conclusie

naarmate de energiekosten elk jaar blijven stijgen, zal ook de noodzaak om volledig rekening te houden met de efficiëntie van elk item in onze pompsystemen blijven toenemen. Het doel van deze column is om jullie eraan te herinneren hoe belangrijk efficiëntie is geworden in onze wereld. Er zijn manieren om het te verbeteren met slechts een beetje gedachte, terwijl op hetzelfde moment het behoud van de effectiviteit van het pompsysteem.

overweeg alle mogelijkheden, hoe onbeduidend ze ook mogen lijken, en het kan zijn dat ze u en uw klant alleen maar echte dividenden opleveren.

tot volgende maand, werk veilig en slim.Ed Butts, PE, is hoofdingenieur bij 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Hij heeft meer dan 40 jaar ervaring in de waterputbusiness, gespecialiseerd in engineering en business management. Hij is te bereiken op [email protected].