Pompa obiegowa. Zastosowanie pompy obiegowej c.o., parametry pracy, regulacja, dobór

Pompa obiegowa jest urządzeniem powszechnie wykorzystywanym w instalacjach c.o. oraz w układach chłodzących (instalacje wody lodowej, klimatyzacja itp.). Pompę obiegową instaluje się też w układach c.w.u. w większych budynkach jako pompę cyrkulacyjną. Przedstawiamy charakterystykę pompy obiegowej w instalacji c.o. Jakie ma parametry pracy?

Spis treści

1. Co to jest pompa obiegowa i jakie ma zastosowanie?
2. Pompa obiegowa - moc hydrauliczna i moc pobierana z sieci
3. Znamionowa wydajność, wysokość podnoszenia i moc pompy obiegowej
4. Pompa obiegowa - temperatura czynnika roboczego i maks. ciśnienie robocze
5. Prędkość obrotowa pompy obiegowej
6. Pompa obiegowa - rozwiązania konstrukcyjne
7. Silniki elektryczne pompy obiegowej
8. Charakterystyka pompy obiegowej i układu
9. Regulacja parametrów pracy pompy obiegowej
10. Rodzaje regulacji pompy obiegowej
11. Efektywność energetyczna pompy obiegowej
12. Jak dobrać pompę obiegową?
13. Pompa obiegowa - eksploatacja

Co to jest pompa obiegowa i jakie ma zastosowanie?

Rozporządzenie [2] oraz norma [3] wprowadziły następujące definicje pompy obiegowej:

• pompa obiegowa (z ang. circulator) to pompa wirowa o znamionowej (z ang. rated) mocy hydraulicznej (użytecznej) pomiędzy 1 a 2500 W, przeznaczona do stosowania w układach c.o. (z ang. heating systems) lub obiegach wtórnych układów chłodzących (z ang. cooling distribution systems);
• pompa obiegowa bezdławnicowa (z ang. glandless circulator) – jej wirnik jest osadzony na wale rotora omywanego pompowaną cieczą;wyposażona w mokry silnik;
• pompa obiegowa wolno stojąca (z ang. standalone circulator) – zaprojektowana do eksploatacji w układach, niezależnie od urządzenia (umieszczona na zewnątrz źródła ciepła, klimatyzatora lub innego urządzenia chłodzącego); pompa obiegowa wbudowana (z ang. circulator integrated in a product) – pompa obiegowa stanowiąca część większego urządzenia generującego (np. kocioł) lub transformującego ciepło (np. wymiennik ciepła, klimatyzator) albo przeznaczona do regulacji prędkości obrotowej za jego pośrednictwem.

W rozporządzeniu [2] oraz w normie [3] i publikacjach, np. EUROPUMP-u, nie ma rozróżnienia między pompami obiegowymi a cyrkulacyjnymi – nazwa circulator obejmuje oba te rozwiązania.

W dużych instalacjach zamiast pomp bezdławnicowych można spotkać dławnicowe z suchym silnikiem, zarówno monoblokowe, jak i połączone z silnikiem za pomocą sprzęgła.

Pompa obiegowa - moc hydrauliczna i moc pobierana z sieci

Moc hydrauliczna P_hyd (z ang. hydraulic power) według [2], [3] to moc użyteczna P_u przekazana cieczy przez wirnik pompy, odniesiona do przekroju wylotowego króćca tłocznego pompy obiegowej:

P_hyd = P_u = p · g · Q · H [W],

gdzie:

ρ – gęstość wody zależna od jej temperatury w [kg/m³],

g – przyspieszenie ziemskie – 9,81 m/s²,

Q – wydajność pompy w [m³/s],

H – wysokość podnoszenia pompy w [m].

Dla wody o temperaturze 20°C otrzymuje się podany w [3] wzór liczbowy P_hyd = 2,72 · Q · H [W], w którym Q jest wyrażone w m³/h. Znamionowa moc hydrauliczna P_hyd,r (r – rated) dotyczy wydajności, przy której iloczyn Q · H osiąga wartość maksymalną Q · H = Q_znam · H_znam = maks. Moc P_el pobrana z sieci elektrycznej przez silnik pompy, oznaczana w normach ISO jako P₁, będzie większa od P_hyd o straty w pompie i w silniku. Można ocenić, że dla P_hyd,r w zakresie 1–2500 W znamionowa moc elektryczna powinna wynosić P_el,znam = P_1,rated ≈ 6–4300 W. Pompy obiegowe o większych mocach, zarówno dławnicowe, jak i bezdławnicowe,są objęte rozporządzeniem [5].

Znamionowa wydajność, wysokość podnoszenia i moc pompy obiegowej

Wydajność znamionowa Q_znam pompy obiegowej wynika z obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło (mocy cieplnej P_term), wyrażonego wzorem wielkościowym, tj. w jednostkach układu SI:

P_term = Q_znam · p · c_p · Δt [W],

gdzie:

gdzie:c_p – ciepło właściwe wody w [kJ/(kgK)],Δt = t_z – t_p – różnica temperatur na zasilaniu i na powrocie w [K] i [°C]. Dla średniej temperatury wody 40°C można stosować wynikający z niego wzór liczbowy:

Q_znam = P_term / (1,15 Δt) [m³/h]

Wysokość podnoszenia pompy obiegowej dla dowolnej wydajności oblicza się z równania:

H = Δh_r + Δh_m + Δh_zr [m]

gdzie:

Δhr – opory przepływu rurociągu (liniowe),

Δhm – opory przepływu miejscowe (zaworu, zwężki, kolanka itp.),

Δhzt – opory przepływu zaworu termostatycznego.

W dokładniejszej analizie wykonywanej przez projektanta, wykraczającej poza zakres niniejszego artykułu, powinno się uwzględnić również wysokość ciśnienia hydrostatycznego (grawitacyjnego).W małych instalacjach w domach jednorodzinnych stosuje się kotły gazowe z wbudowaną niewielką pompą obiegową, której parametry (Q, H) nie są na ogół podawane w instrukcji obsługi kotła – zadaniem projektanta jest wówczas dobranie mocy cieplnej kotła do kubatury budynku.Wydajność małych pomp obiegowych nie przekracza 10 (15) m³/h, a wysokość podnoszenia 10 m (przy znamionowej mocy elektrycznej często mniejszej od 100 W). W większych instalacjach wydajność bezdławnicowych pomp obiegowych może przekraczać 100 m³/h, wysokość podnoszenia 15 m, zaś moc znamionowa silnika być znaczniewiększa od 4 kW.

Pompa obiegowa - temperatura czynnika roboczego i maks. ciśnienie robocze

Ze względu na dość szeroki zakres zastosowań pomp obiegowych temperatura czynnika roboczego (którym nie zawsze jest sama woda, może to być także mieszanina wody z glikolem w różnych proporcjach) zawiera się zwykle w granicach od –10 do 110°C. W cyrkulacyjnych, przeznaczonych do przetłaczania tylko c.w.u., są one niższe: od 0 do 65(70)°C. Maksymalne ciśnienie robocze w pompach do c.o. i c.w.u. wynosi 6 lub 10 barów.

Prędkość obrotowa pompy obiegowej

W starszych rozwiązaniach pomp obiegowych można spotkać silniki wielobiegowe, zwykle trzybiegowe, z prędkościami np. 1000, 1600 i 2450 obr./min. W rozwiązaniach z płynną regulacją częstotliwości zasilania pompa obiegowa może pracować z dowolną prędkością obrotową, dochodzącą nawet do 5000 obr./min.

Pompa obiegowa - rozwiązania konstrukcyjne

Ze względu na sposób połączenia części hydraulicznej i elektrycznej zespół pompowy może się składać z oddzielnych maszyn, pompy i silnika elektrycznego, połączonych sprzęgłem elastycznym i umieszczonych na wspólnej płycie (ramie) fundamentowej. Mniejsze zespoły, w tym także pomp obiegowych i cyrkulacyjnych, mają zwykle budowę monoblokową: wirnik osadzony jest na jednym wale z rotorem silnika (rys. 3, 4). Modele monoblokowe mogą być wyposażone w dławnicę – silnik elektryczny pozostaje wówczas suchy. Część hydrauliczna takiej pompy jest oddzielona od elektrycznej uszczelnieniem, dawniej ze szczeliwem miękkim, obecnie (rys. 3a) – mechanicznym (czołowym). W pompie monoblokowej bezdławnicowej woda przepływa przez rotor silnika, oddzielony od uzwojeń suchego statora niemagnetyczną tuleją rozdzielającą (rys. 3b) – jej przekrój pokazano na rys. 4.

Niezawodność pracy i trwałość pomp obiegowych w znacznym stopniu zależą od właściwie dobranych materiałów. Ich rodzaj wynika z kolei z przeznaczenia, wielkości i prędkości obrotowej urządzenia.Wirniki pomp obiegowych są najczęściej wykonywane z tworzyw sztucznych (także zbrojonych włóknem szklanym), stali nierdzewnej (dotyczy wirników składanych) lub brązu, ewentualnie – w większych pompach – ze staliwa. Korpusy (kadłuby) konstruuje się z żeliwa szarego z zewnętrzną i/lub wewnętrzną powłoką ochronną, niekiedy także z mosiądzu lub brązu, wały natomiast ze stali nierdzewnej lub kwasoodpornej (w najmniejszych pompach z ceramiki), a łożyska ślizgowe z ceramiki lub grafitu impregnowanego metalem.

Silniki elektryczne pompy obiegowej

Pierwsze pompy obiegowe wyposażane były w silniki elektryczne o stałej prędkości obrotowej. Następnie przez wiele lat stosowano najczęściej rozwiązania o trzech prędkościach, nastawianych zależnie od zapotrzebowania na ciepło, a od połowy lat 80. zaczęto wykorzystywać silniki z płynną regulacją, zasilane przetwornicami częstotliwości. Ich wymiary udało się tak zmniejszyć, że już od ponad 20 lat umieszcza się je w skrzynkach przyłączeniowych zintegrowanych z pompami. Silniki pracujące w pompach są asynchroniczne, pracują z poślizgiem 3 (5)% lub więcej, względem prędkości synchronicznej. Najczęściej charakteryzują się stopniem ochrony IP42 lub IP44 i klasą izolacji F.W 2001 r. pojawiły się pompy obiegowe napędzane najsprawniejszymi obecnie silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi [5], [7]. Ich budowa jest analogiczna do pokazanej na rys. 3. i 4. z tą różnicą, że w rotorze umieszczone są magnesy trwałe z wykorzystaniem pierwiastków ziem rzadkich, m.in. neodymu. Budowa układu mechanicznego i stojana (oraz zasilanie jego uzwojeń) jest taka sama jak w silnikach asynchronicznych z płynną regulacją prędkości obrotowej.Silniki z magnesami trwałymi mają sprawności wyższe niż najlepsze asynchroniczne klasy IE4 (rys. 5), a ponadto cechują się bardzo płaskimi charakterystykami sprawności w szerokim zakresie mocy P/P_znam.

Charakterystyka pompy obiegowej i układu

Na rys. 6. pokazano przykładowe podstawowe charakterystyki odśrodkowej pompy wirowej: przepływu H(Q), mocy na wale P(Q), sprawności η(Q) oraz wymaganej (z ang. required) nadwyżki antykawitacyjnej NPSHR(Q). Przebieg charakterystyk zależy od wartości wyróżnika szybkobieżności n_q = n · Q_opt ^0,5/H_opt ^0,75, z którą jest też związany kształt wirnika i typ pompy.Pompy obiegowe mają wyróżniki szybkobieżności o wartościach najczęściej n_q ≈ 20–50, dlatego kształty ich charakterystyk są podobne do tych pokazanych na rys. 6. W zamkniętym układzie, jak na rys. 1. i 2., pompa obiegowa musi pokonać tylko opory przepływu, proporcjonalne do drugiej potęgi wydajności. Charakterystyka układu Huk(Q) jest więc parabolą przechodzącą przez początek (0, 0) układu (jedna z parabol na rys. 7.). Jej przecięcie z charakterystyką przepływu H(Q) pompy wyznacza punkt pracy (Q, H) przy prędkości obrotowej n.

Regulacja parametrów pracy pompy obiegowej

Zasady regulacji pompy obiegowej

W najstarszych instalacjach, z pompami pracującymi ze stałą prędkością obrotową, regulacja ilości ciepła przekazywanego do pomieszczeń ogrzewanych polegała na ręcznym ustawianiu stopnia otwarcia zaworu, w jaki jest wyposażony każdy grzejnik, lub okresowym wyłączaniu pomp. Powodowało to duże straty dławienia przepływu i związane z tym zwiększone zużycie energii elektrycznej. Obecnie parametry pracy pomp obiegowych reguluje się prawie zawsze za pomocą zmian prędkości obrotowej dokonywanych przez płynną zmianę częstotliwości zasilania, zazwyczaj w granicach od 20 do 75 (85) Hz. Do dyspozycji jest wówczas każdy punkt z pola pracy ograniczonego krzywymi H(Q) dla n_min. i n_maks. oraz H_uk(Q) dla całkowicie otwartych zaworów regulacyjnych i największego ich możliwego przymknięcia (rys. 7). Najlepsze pompy zużywają do 80% mniej energii niż stare, pracujące z n = const.

Należy podkreślić, że pompa nie powinna pracować przy zamkniętych wszystkich zaworach (charakterystyka H_uk(Q) pokrywa się wówczas z pionową osią H), gdyż grozi to nadmiernym podgrzaniem cieczy, a niekiedy doprowadzeniem do wrzenia (przedtem – do kawitacji) i uszkodzeniem pompy.Zmniejszenie prędkości obrotowej przy małym zapotrzebowaniu na ciepło w nocy lub wyższych temperaturach otoczenia powoduje znaczne zmniejszenie mocy P_el = P₁ pobieranej z sieci, a zatem oszczędności energii w porównaniu z sytuacją, gdy pompa ma stałą prędkość obrotową.

Rodzaje regulacji pompy obiegowej

Pompy obiegowe z płynną regulacją prędkości obrotowej są zaopatrzone w sterowniki umożliwiające ustawienie różnych sposobów regulacji, najczęściej:

• Δp – c, stała różnica ciśnień Δp = p_t − p_s = ρ · g · H (ciśnienie wytwarzane przez pompę),
• Δp – v, zmienna różnica ciśnień,
• Δp – cv, stała różnica ciśnień dla dużych Q, liniowo malejąca dla małych (np. Q < 0,25 Q_maks.),
• Δp – T, zmienna różnica ciśnień, zależnie od temperatury medium, i wynikająca z tego zmiana Q.

Regulacja Δp – c jest zalecana w małych instalacjach, w których występują niewielkie straty ciśnienia, natomiast przy dużych to regulacja Δp – v (proporcjonalno-ciśnieniowa) jest najkorzystniejsza energetycznie. Można także ustawić pracę ze stałą prędkością lub tryb nocny.W większych instalacjach o trybie pracy i ustawieniach powinien decydować projektant, w małych zaś – z pompami wolno stojącymi – odpowiednich wskazówek powinni udzielać instalatorzy lub serwisanci. Wiele ważnych informacji zawierają też materiały katalogowe oraz instrukcje obsługi producentów pomp obiegowych i użytkownik zobligowany jest do postępowania zgodnie z nimi (również w przypadku najmniejszych instalacji, z pompami wbudowanymi w urządzenia grzewcze).

Efektywność energetyczna pompy obiegowej

W pompach objętych regulacjami [2], [3] podstawą oceny energochłonności pompowania jest wskaźnik EEI (z ang. Energy Efficiency Index) – im mniejsza jego wartość, tym pompa bardziej efektywna energetycznie. Wartość EEI wyznacza producent pompy z dość zawiłej formuły empirycznej, przyjmując według [2], [3] przeciętne statystycznie czasy pracy pompy z obciążeniami 0,25, 0,50, 0,75 i 1,0 Q/Q_100%, przy regulacji Δp – v(rys. 8). Należy podkreślić, że dla innych rodzajów regulacji wartość EEI może być znacznie większa, np. dla jednej z pomp, dla której EEI = 0,20 (Q ~ H), otrzymano EEI = 0,32 dla Δp – c i aż EEI = 0,43 przy pracy z n = const [8].

Wartości EEI starych pomp obiegowych wynosiły ok. 0,30–0,80, a niekiedy nawet powyżej 1,20. Od 1 sierpnia 2015 r. zarówno dla pomp obiegowych bezdławnicowych wolno stojących, jak i zintegrowanych z produktami powinna wynosić EEI ≤ 0,23 (wartość ta może być jeszcze obniżona) i być podana na tabliczce znamionowej, opakowaniu oraz w instrukcji obsługi. Najbardziej efektywne pompy obiegowe charakteryzują się wskaźnikiem EEI w granicach 0,15 (0,17).

Dla pomp o mocach P_el,znam = P_1,rated ≥ 4 kW wskaźnikiem efektywności energetycznej jest MEI (z ang. Minimum Efficiency Index), będący ekwiwalentną miarą średniej sprawności przy różnych obciążeniach. Od 1 stycznia 2015 r. pompy objęte rozporządzeniem [4] powinny mieć MEI ≥ 0,40. Najbardziej efektywne na rynku duże pompy (Pel ≤ 150 kW) osiągają wartości MEI ≥ 0,70.

Jak dobrać pompę obiegową?

Ogólne zasady wyboru parametrów znamionowych pompy obiegowej podano w punkcie „znamionowa wydajność, wysokość podnoszenia i moc pompy obiegowej”. Ważnym kryterium powinna być mała wartość wskaźnika EEI – mniejsze koszty energii elektrycznej w ciągu wielu lat eksploatacji z nawiązką pokryją jej wyższą cenę.Nie powinno się stosować pomp o EEI > 0,23 lub gdy w ogóle nie podano tej wartości. W miarę możliwości trzeba też sprawdzać wartości EEI dla pomp wbudowanych w urządzenia, także objętych rozporządzeniem [2].

Zmienne parametry pracy instalacji powinny się zawierać w dopuszczalnym zakresie ciągłej pracy pompy. Nie należy dobierać urządzeń ze zbyt dużym zapasem względem wyznaczonej potrzebnej wydajności, ponieważ za duża pompa, mimo małego wskaźnika EEI, będzie miała powiększoną rzeczywistą jego wartość podczas pracy ze stale obniżoną wydajnością.Precyzyjnego doboru pompy powinien dokonać projektant instalacji. W tym procesie wspomagają ich wytwórcy pomp, dostarczając rozbudowane programy komputerowe doboru, a nawet projektowania układów.

Pompa obiegowa - eksploatacja

Pompę należy użytkować zgodnie z instrukcją obsługi i obserwować, czy nie pojawiają się niepokojące oznaki, np. w postaci nadmiernego hałasu lub drgań. Dotyczy to również pomp wbudowanych, do których nie ma odrębnych instrukcji. Trzeba kontrolować przede wszystkim ciśnienie w obiegu, nie dopuszczając jego spadku poniżej wartości minimalnych – zależy ono w dużej mierze od temperatury (dla wody o temperaturze 50°C nadciśnienie na wlocie pompy powinno, zależnie od wielkości i prędkości obrotowej pompy, wynosić 0,3–0,5 barów, a przy 95°C co najmniej 1–1,2 (1,5) barów), gdyż zbyt niskie ciśnienie może spowodować pracę w kawitacji i poważne uszkodzenie pompy.W przypadku utrzymujących się przez dłuższy czas niepokojących objawów (hałasu, drgań), urządzenie powinno zostać wyłączone i sprawdzone przez serwisanta.

Literatura

1. N. Thorup, „How to visualize energy saving and cost reduction by using Life Cycle Cost (LCC) in heating systems”, Pump Users International Forum, Karlsruhe, 2000.

2. Rozporządzenie Komisji (WE) nr 641/2009 z dnia 22 lipca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/UE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami (Dz.Urz. UE z dn. 23.7.2009, L 191).

3. PN-EN 16297–1, 2, 3:2013 „Pumps. Rotodynamic pumps. Glandless circulators.Part 1: General requirements and procedure for testing and calculationof energy efficiency index (EEI); Part 2: Calculation of energy efficiency index(EEI) for standalone circulators; Part 3: Energy efficiency index (EEI) for circulatorsintegrated in products”.

4. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 547/2012 z dnia 25 czerwca 2012 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WEw odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp do wody(Dz.Urz. UE z dn. 26.6.2012, L 165).5. „Elementarz techniki pompowej”, Wilo, 2006.6. W. Jędral, „Pompy wirowe”, Warszawa 2014.7. W. Jędral, „Efektywne energetycznie układy pompowe”, Warszawa 2018.8. K. Karaśkiewicz, W. Jędral, „Badanie wskaźnika energochłonności pomp obiegowych”, „Energetyka” 2013, nr 9.