Оценка экономической эффективности

Уважаемый читатель! Если Вам действительно интересна эта тема, Вы можете скачать ее в разделе Ссылки - Ж.К.Х. В самом низу моей страницы.
 


 Оценка экономической эффективности водяных насосов при перекачке воды, обработанной магнитным полем.
Ткаченко Ю.П.  Косневич А.Г.
 

Известно, что вода под действием магнитного поля изменяет свои параметры и, причем, весьма заметно. К таким параметрам, например, относятся: плотность, вязкость, теплоемкость, удельная теплота парообразования и др.
Изменение плотности и вязкости воды влияют на потребляемую водяными насосами мощность. Если настроить магнитную систему в режим понижения плотности (вязкости) воды, то такая настройка магнитной системы МГДР позволит снизить энергопотребление водяными насосами. Для того чтобы оценить такую возможность, необходимо воспользоваться некоторыми расчетными формулами и определенной методикой расчета. При этом, желательно, четко понимать физический смысл всех используемых параметров и характеристик, как воды, так и  самого насоса и его привода.
1. Плотность воды (;) это физическая величина, которая определяется массой единичного объема в килограммах на метр кубический (кг/м3). Ее можно рассчитать по приближенной формуле зависимости от температуры воды:
;(T)=995.7/(0.984+0.483;;10;^(-3);(T-273) )  ,    (1)
или взять из справочника по физике или в интернете.
2. Вязкость жидкости и, в частности, воды – свойство оказывать сопротивление сдвигу. При движении воды по трубопроводу ближайшие слои прилипают к стенкам (к внутренней поверхности трубопровода), остальные слои скользят друг относительно друга. Сила необходимая для преодоления скольжения слоев называется сопротивлением среды. Если при движении воды (жидкости) не возникает завихрений, то величина сопротивления среды пропорциональна скорости движения. Коэффициент пропорциональности есть коэффициент внутреннего трения, и называется абсолютной вязкостью. Абсолютная вязкость, иногда называемая динамической или просто вязкостью (µ), является произведением кинематической вязкости и плотности жидкости
;=u;;  .     (2)
Абсолютная вязкость выражается в системе СИ, как Паскаль-секунда (Па·с).
Под кинематической вязкостью (u) понимается мера потока имеющей сопротивление жидкости под влиянием силы тяжести. То есть, когда две жидкости равного объема помещены в идентичные капиллярные вискозиметры и двигаются самотеком, то вязкой жидкости требуется больше времени для протекания через капилляр. Например, если одной жидкости требуется для вытекания 200 с, а другой 400 с,  вторая жидкость в 2 раза более вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости. Размерность кинематической вязкости в системе СИ – (м2/с).
2
Кинематическую вязкость воды в зависимости от ее температуры можно рассчитать по приближенной формуле:
 ,      (3)
или взять из номограмм, приведенных в справочниках.
Изменение вязкости жидкости (воды) влияет в основном на потери мощности насоса, на дисковое трение и гидравлические сопротивления движению потока жидкости и оказывает значительно большее по сравнению с плотностью жидкости влияние на потери мощности. При снижении вязкости жидкости (воды) увеличиваются напор и подача насоса и характеристика Q – H повышается.
3.  Подача (производительность) насоса – это количество жидкости, перемещаемое насосом в единицу времени. Подача может быть выражена по-разному: Q – объемная подача (м3/с), G – массовая подача (кг/с). Между массовой и объемной подачей есть взаимосвязь:
Q=G/;,        (4)
где ; – плотность перекачиваемой жидкости (кг/м3).
Подача насоса зависит от его конструкции, скорости вращения рабочего колеса, вязкости жидкости и характеристик трубопровода, по которому насос перемещает жидкость.
4. Напор насоса (Н) – это энергия, которую получает объем жидкости весом в один Ньютон при прохождении через насос. Измеряется в метрах (м) столба рабочей (перекачиваемой) жидкости. Напор можно рассматривать и с геометрической точки зрения, как высоту, на которую может быть поднят один Ньютон жидкости за счет энергии, вырабатываемой насосом.
Следует отметить, что напорная характеристика насоса не зависит от плотности перекачиваемой жидкости, но зависит от вязкости жидкости. Напорную характеристику можно получить только при испытании реального насоса и, соответственно, из паспорта на конкретный насос. 
5. Полезная мощность – это энергия, отдаваемая жидкости за единицу времени при работе насоса. Полезная мощность обозначается N_п , измеряется в системе СИ в Ваттах. Полезную мощность можно определить по формуле:
N_п=Q;;;g;H ,    (5)
где g- ускорение свободного падения в [м/с2].
6. Общий КПД насоса (;_(нас.)) - это отношение полезной мощности к мощности на валу N_в:
3
;_(нас.)=N_п/N_в .             (6)         
7.  Мощность на валу – это энергия, потребляемая насосом за единицу времени. Другими словами, мощность на валу это энергия, передаваемая валу рабочего колеса насоса от электропривода (электродвигателя) или двигателя внутреннего сгорания.
Мощность на валу является важным параметром, дающим представление об энергопотреблении работающего насоса. Однако иметь представление и оценить влияние параметров насоса, а также перекачиваемой жидкости на энергопотребление это совсем не одно и то же. Поэтому основная цель настоящей методики заключается в оценке потребляемой насосом мощности при изменении плотности (вязкости) перекачиваемой воды (жидкости).
На шильдике асинхронного двигателя (АД), который, как правило, используется в качестве привода насоса или в паспорте указывается его полезная мощность на валу (Р).
Потребляемую АД мощность из сети можно найти, если взять такие параметры как КПД (;ад) двигателя и cos;;. При этом необходимо учесть связь между полезной механической мощностью на валу (Р), указанной на шильдике АД и указанным КПД. Через эти величины можно найти его активную мощность, которую потребляет двигатель от сети. Находится она из соотношения:
Р_а=Р/;_ад    .            (7)
Теперь необходимо учесть тот факт, что в общем случае каждое электрическое устройство потребляет из сети не только активную, но и реактивную энергию. И асинхронный двигатель тому не исключение. И чтобы найти потребляемую им полную мощность (не реактивную, а именно полную) необходимо воспользоваться общеизвестным соотношением:
S=Р_а/cos;;   .    (8)
С учетом соотношения (7) формула (8) приобретает следующий вид:
S=Р/(;_ад;cos;;; ; ),   (9)
где: Р – механическая полезная мощность на валу, указанная на шильдике (в паспорте) АД;
     ;_ад  - КПД электродвигателя;
     ; - угол между векторами активной и полной мощностью.

4
Принимая во внимание формулы (5 и 6), и что мощность на валу насоса; (N;_B) практически равна полезной механической мощности (Р) на валу асинхронного двигателя, выражение (9) приобретает следующий вид:
S=(Q;;;g;H)/(;_нас;;_ад;cos;; )  .     (10)
Формула (10) позволяет выполнить приблизительную оценку влияния магнитной обработки воды на энергопотребление насосом.
Следует заметить, что в настоящее время не существует никаких математических и экспериментальных зависимостей, объясняющих  связь параметров магнитного поля, воды и самого насоса, перекачивающего воду. Что, казалось бы, указывает на то, что оценить влияние магнитной обработки воды на энергопотребление насосом практически невозможно. Но это не так. Да, сложно. И, тем не менее,  такая возможность имеется. По крайней мере, ошибка прогнозируемого результата не превышает 25%. Ошибка прогнозирования энергопотребления насосом, безусловно, значительная, но она не мешает выполнить качественную оценку экономического эффекта. Сущность ошибки заключается в том, что основные технические показатели любого насоса определяются при работе его на воде с плотностью 1000 кг/м3 и кинематической вязкостью 10-6 м2/с, которые вносятся в техническую документацию, например, на центробежный насос. При пересчете технических показателей насоса при подаче им воды на подачу более вязкой жидкости используются экспериментальные данные. А вот данных для пересчета показателей насоса на подачу воды с плотностью и вязкостью ниже, чем 1000 кг/м3 и 10-6 м2/с, соответственно, не существует. Теоретическое же решение такой задачи затруднено из-за сложности явлений, происходящих в насосах. Поэтому методика оценки возможной экономии потребляемой водяным насосом электроэнергии предусматривает некоторые допущения и упрощения.
1. На основании большого опыта по применению магнитной обработки воды и полученных устойчивых результатов, изменение плотности и вязкости воды считать в пределах 3 – 6 % от базовых значений.
2. За базовые значения принимаются параметры плотности и вязкости воды при 200С, а именно: ; = 998,2 кг/м3, µ = 1,002 Н·с/м2.
3.  Учитывая, что изменение плотности и вязкости воды при ее магнитной обработке происходит в небольших пределах, то для пересчета параметров воды и Q – H характеристик насоса воспользуемся методом линейной экстраполяции. Как известно, он дает 100 % верный результат для уравнения прямой.
4.  Все расчеты проводятся при условии, что параметры окружающей среды, температура воды и режим работы насоса остаются неизменными, как до магнитной обработки воды, так и после нее.

5
Оценку влияния магнитной обработки воды на энергопотребление насоса проведем на примере водяного насоса типа ADB – 35 abs.
Технические характеристики насоса в номинальном режиме
1. Потребляемая насосом  активная мощность Р1 = 0,43 кВт.
2. Полезная мощность на валу насоса Р2 = 0,37 кВт.
3. Расход Q = 0; 0,3; 0,6; 1,2; 1,8 м3/ч.
4. Напор Н = 35; 31; 25; 14; 4 м.
5. Рабочий диапазон Q = 0,6 – 1,5 м3/ч, Н = 10 – 20 м.
6. КПД насоса ;н= 0,86.
7. КПД асинхронного двигателя ;ад = 0.73.
8. Коэффициент мощности АД cos;; = 0,82.
9. Частота вращения вала насоса n = 2900 об/мин.
Из формулы (8) следует, что полная мощность потребляемая насосом в номинальном режиме составляет:
S=0,43/0,82=0,52 кВт           (11)
Оценим степень методической ошибки при использовании предлагаемой методики. При этом необходимо принять во внимание характер  взаимного изменения параметров насоса и привода. Графическая интерпретация такого изменения для наглядности представлена на рис. 1. Как видно из рисунка, характер зависимостей нелинейный даже в рабочем диапазоне насоса. В целях упрощения расчетов, приняты средние значения параметров насоса и асинхронного двигателя во всем диапазоне их изменения.
1. Qср = 0,975 м3/ч = 270,1·10 – 6 м3/с.
2. Нср = 21, 8 м.
3. ;н ср = 0,4.
4. ;ад ср = 0,45.
5. cos;;;=0,78;.
6. ; = 998,2 кг/м3.
6
Подставим эти значения в формулу (10) для определения расчетной полной потребляемой насосом мощности Sp1.
(12)
Из сравнения результатов (11) и (12) следует, что  методическая погрешность не превышает 21%. Такой результат дает возможность однозначно ответить на вопрос возможного снижения потребляемой насосом энергии, в данном случае – электроэнергии при обработке воды магнитным полем в МГДР. Другими словами, реальная потребляемая мощность насосом при магнитной обработке воды Sм оценивается по формуле:
S_м=S_p+0,25·S.     (13)   
В формуле (13) коэффициент 0,25 представляет собой сумму базовой методической погрешности 0,21 и дополнительной методической погрешности 0,04. Дополнительная погрешность вызвана применением метода линейной экстраполяции при пересчете Q – H характеристик  насоса при изменении плотности (вязкости) воды.
 
Рис.1. Изменение мощности, КПД и напора насоса при изменении расхода прокачиваемой воды.
Оценка снижения энергопотребления насосом ADB – 35 abs  выполнена с применением формул (11), (12), (13). Влияние магнитной обработки учтено снижением плотности воды на 5%- 7% и пересчетом Q – H характеристик, вызванных изменением плотности (вязкости) воды. После пересчета были получены следующие параметры:
7
1. Q = 261,3·10 -6 м3/с; 2. Н = 23 м; 3. ; =948,29 кг/м3; 4. ;н = 0,47; 5. ;ад = 0,52; 6.cos;;;=0,8.;
S_p2=(261,3·;10;^(-6);948,29;23;9,8)/(0,47;0,52;0,8)=0,286 кВт.   (14)
Согласно формуле(13):
S_M=S_p2+0,25;S=0.286+0.25;0.52=0,416 кВт.
То есть каждый 1% снижения плотности (вязкости) воды дает возможность экономить приблизительно 4% -5% потребляемой электроэнергии.
Таким образом, потребляемая насосом ADB – 35 abs мощность при перекачке воды, обработанной в МГДР, снижается на 20%- 25%.  Прямая экономия электроэнергии при этом с учетом изменения трения жидкости в трубопроводах составит от 25% до 30%