馬達動力系統－泵浦的選用與能源效率分析

國立勤益科技大學

冷凍空調與能源系

黃建民

2007年8月23日

泵與節約能源

• 中國大陸總用電量的20%是消耗在泵(毛正孝，1998)

• 台灣沒有相關統計，但差異應不大。• 台灣多數的泵效率偏低。• 台灣泵與系統匹配多不佳。• 普遍提升泵的效率及系統匹配技術，對節約能源會有直接、顯著的效果。

泵的用途

• 泵提供壓力克服管路阻抗，達到輸送液體的目地。泵與管路系統密不可分。

泵的種類

• 輪機式– 離心式泵、斜流式泵、軸流式泵

• 排量式– 往復式泵、齒輪式泵、輪葉式泵

• 特殊式– 渦流式泵、噴射式泵、空壓揚升式泵、再生泵、水鎚泵

• 離心泵無論是數量及產值都最大

泵的原理

• 排量式的性能特徵

泵的原理

• 輪機式– 機殼內裝置動葉輪，當動葉輪在機殼內旋轉時，藉離心力或升力將流體加壓送到出口，同時造成入口真空，進而吸入流體。

– 流量明顯受壓力影響。– 產生壓力的大小由葉輪轉速與外徑決定。

泵與風機的原理

• 輪機式的性能特徵

泵的選用(使用場合)

泵的選用(使用場合)

• 往復泵– 小流量高壓低速液體輸送– 高黏度流體輸送

• 齒輪泵– 油壓系統供油

泵的選用(使用場合)

• 輪葉泵– 工具機上之供油泵– 結構較弱

• 膈膜泵– 計量用– 零洩漏– 高壓時流量劇降

泵的選用(使用場合)

• 離心泵– 使用最廣的泵– 端吸泵– 斜流泵– 雙吸泵– 多級泵– 污水泵– 自吸泵

泵的選用(使用場合)

• 離心泵

4/3HQrpm

Ns =

Q：流量(m3/min)H：揚程(m)

泵的選用(使用場合)

• 軸流泵– 防洪、排水、灌溉– 大流量低揚裎

泵的選用(性能，離心泵)

• 最高效率點之流量、揚程與管路需求一致

泵靜揚程曲線與系統阻抗曲線相交處即為操作條件

確定系統的流量與當下的阻抗，選擇匹配的泵0

20

40

60

80

100

120

流量

揚程

泵靜揚程

管路阻抗

泵的選用(性能，離心泵)

• 高效率要寬廣，以應付管路需求

管路阻抗估算不精確

管路常有小幅度的流量變動

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

流量

效率

泵的選用(性能，離心泵)

泵的選用(性能，離心泵)

• 馬達過載考量(流量增大時)

泵的選用(性能，離心泵)

• 避免選用可能發生喘振的泵

泵的選用(性能，離心泵)

• 需求淨正吸水頭 (NPSHR)之考量

管路淨正吸水頭(NPSHA)

空(汽)蝕之防範

泵的選用(性能，離心泵)

• 振動之考量– 固定在地面– 懸吊或置於架上

• 洩漏之考量– 允許輕微洩漏– 不允許洩漏(機械軸封)– 完全不能洩漏(無軸封)

泵的選用(性能，離心泵)

• 高效率的泵

泵的選用(管路)

• 串聯管路

阻抗增加，流量減小，效率明顯降低，耗能明顯增加

泵的選用(管路)

• 並聯管路

阻抗減小，流量增加，效率略為降低，耗能增加

泵的選用(管路)

• 串聯泵

串聯後會使單一泵流量會增大，阻抗曲線越陡，流量增加越少。這會使效率降低，耗能增加

泵的選用(管路)

• 並聯泵

並聯後會使單一個泵的流量減小，降低效率，耗能增加，能源效率變差比串聯嚴重

能源效率分析

• 離心泵效率提升空間

能源效率分析

• 方法– 計算或實驗出管路操作流量及管損– 計算出使用單一泵時之比轉速– 由圖中查出泵效率及計算出消耗功率– 計算使用兩個泵時，各泵之比轉速– 由圖中查出泵效率及計算出消耗功率– 計算使用兩個以上泵時，各泵之比轉速– 由圖中查出泵效率及計算出消耗功率

能源效率分析

• 比轉速：NSNS=rpm× (Q)0.5/H0.75

• 泵效率：η, 由比轉速及流量查出

• 泵消耗軸功：Ws(kW)Ws=g×H×Q/ η

Q(m3/s), H(m), g(m/s2)

能源效率分析

• 泵串聯：1750rpm, 1CMM水量, 50m揚程

– 泵串聯有顯著的節能效果(單級低比轉速)

能源效率分析

• 泵並聯：1750rpm, 9CMM水量, 20m揚程

– 泵並聯節能效果不顯著

能源效率分析

• 泵並聯：1750rpm, 11CMM水量, 10m揚程

– 泵並聯節能效果不顯著

管路阻抗

• 確定系統操作時的流量及管阻– 進行流量及壓降量測或以管路設計軟體估算– 若有多種操作流量，皆須實驗或計算– 找出最適合的操作點匹配泵– 流量穩定度高或系統阻抗不易估算者，考慮使用排量泵

– 系統阻抗穩定或流量允許小幅變動時，考慮使用輪機泵

管路阻抗

• 估算系統長久運轉後的管阻• 因水垢、管路銹蝕、灰塵堆積使管阻增加• 盡量使用較佳的管材、較佳的水質及過濾器

• 考慮管內壁的惡化，適度加大泵容量

結語

• 泵之耗能相當大，泵本體的效率及與管路之適配性須審慎考量，方可得到顯著的節能效果。

• 泵的選用需考慮操作點效率、高效率區範圍、馬達過載、喘振、NPSHR、振動、允許洩漏情況等因素，以求適配管路系統需求。

結語

• 串聯管路(或增加管阻) ，流量減小，效率明顯降低，耗能明顯增加。

• 並聯管路(或減小管阻) ，流量增大，效率略為降低，耗能增加。

• 泵串聯後，單一泵流量會增大，阻抗曲線越陡，流量增加越少。這會使效率略為降低，耗能增加。

結語

• 在高揚程需求時，泵串聯會比單一高揚程泵明顯節能。

• 泵並聯後使單一個泵的流量減小，降低效率，耗能增加，能源效率變差比串聯嚴重

• 泵並聯節能效果不顯著• 管路阻抗計算務求精確，亦需考量長期使用情況，此為泵─管路系統節能的基礎。