Similarity criteria of an autonomous pumping system and their impact on energy efficiency indicators

Introduction.

The authors have formulated a system of equations to describe the liquid flowing in a self-contained pumping system (SPS) that has a centrifugal pump (CP). To solve the problem, it is necessary to take into account a change in static pressure, features of the hydraulic resistance of pipes, and the influence of temperature. The authors have shown that the flow under study has two similarity criteria in the case of a certain characteristic flow rate. The authors have also assessed their influence on the energy efficiency values of a basic hydraulic circuit.

Materials and methods.

The authors make a hydraulic analysis of an SPS that has pump 1K 50-32-125, whose characteristics are presented in the technical specification. A mathematical model, based on the Bernoulli equation for an unsteady flow, was developed to solve the problem.

Results.

The authors solve the non-steady problem of pumping liquid through the central heating system into the SPS if the liquid level is variable in the self-similar (quadratic) resistance range. For the case when Str = 0 and Str is the analogue of the Strouhal number, the authors find the analytical expression of pumping time for the pre-set amount of liquid and the value of criterion Θ (a dimensionless complex value linking the difference between the head in the central heating system and the initial static head in the event of zero supply, the steepness of the pressure characteristic and the hydraulic resistance of the circuit). The results of the hydraulic analysis of SPS that has pump 1K 50-32-125 and different pipeline diameters, technical parameters characteristic of self-contained water supply and sanitation systems are presented. Power consumption value E is identified for water pumping. This value is used to assess the energy efficiency of water supply and sewerage systems.

Conclusions.

The authors have found that the values of the similarity criterion Θ increase together with the pipeline diameter, while efficiency decreases and the energy consumption value improves. Under the conditions under consideration, it is advisable to focus on a change in the value of E rather than efficiency, when energy efficiency is assessed in the process of selecting equipment.

1. Pravinchandra M.M. Improving the head and efficiency of a pump // International Journal of Engineering Development and Research. 2016. Vol. 4. Issue 2. Pp. 275-281.

2. Volkov A.V., Parygin A.G., Naumov A.V., Vikhlyantsev A.A., Druzhinin A.A., Grigoriev S.V. Application of methods of the optimum control theory for development of high efficiency centrifugal pumps // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol. 12. Issue 19. Pp. 8768-8778.

3. Pochylý F., Haluza M., Fialová S., Dobšáková L., Volkov A.V., Parygin A.G. et al. Application of heterogeneous blading systems is the way for improving efficiency of centrifugal energy pumps // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. Issue 11. Pp. 794-801. DOI: 10.1134/S0040601517110088

4. Николенко И.В., Рыжаков А.Н., Умаров Р.С. Повышение энергетической эффективности регулирования силовых агрегатов насосных станций систем водоснабжения // Строительство и техногенная безопасность. 2016. № 3 (55). С. 75-81.

5. Фисенко В.Н. Энергетическая эффективность насосов в системах водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 6. С. 52-56.

6. Примин О.Г., Громов Г.Н., Тен А.Э. Алгоритмы построения и калибровки электронных моделей системы водоснабжения // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. № 7 (118). С. 847-854. DOI: 10.22227/1997-0935.2018.7.847-854

7. Ивановский В.Н., Карелина С.А. К вопросу об энергетической эффективности электроприводных лопастных насосов // Территория Нефтегаз. 2019. № 3. С. 36-43.

8. Lynn A.Z., Khaing C.C., Sein N.W. Prediction of centrifugal pump performance on theoretical and experimental observation at constant speed of impeller // International Journal of Scientific and Research Publications (IJSRP). 2019. Vol. 9. Issue 8. P. p92146. DOI: 10.29322/IJSRP.9.08.2019.p92146

9. Николенко И.В. Анализ энергетической эффективности силовых агрегатов насосных станций систем водоснабжения и водоотведения по удельным показателям // Строительство и техногенная безопасность. 2020. № 18 (70). С. 143-148.

10. Todini E. Extending the global gradient algorithm to unsteady flow extended period simulations of water distribution systems // Journal of Hydroinformatics. 2011. Vol. 13. Issue 3. Pp. 167-180. DOI: 10.2166/hydro.2010.164

11. Giustolisi O., Berardi L., Laucelli D. Generalizing WDN simulation models to variable tank levels // Journal of Hydroinformatics. 2012. Vol. 14. Issue 3. P. 562. DOI: 10.2166/hydro.2011.224

12. Волков В.Ю., Голибродо Л.А., Зорина И.Г., Кудрявцев О.В., Крутиков А.А., Скибин А.П. Применение метода контрольного объема для моделирования нестационарных процессов в трубопроводных системах // Математическое моделирование и численные методы. 2016. № 4 (12). С. 34-46. DOI: 10.18698/2309-3684-2016-4-3446

13. Христо П.Е. Оптимизация энергопотребления центробежной машины в нестационарных режимах в ограниченной области изменения переменных // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2014. № 12. С. 2-16.

14. Протопопов А.А., Виговский В.И. Анализ работы центробежного насоса в составе системы с изменяющимися параметрами // Политехнический молодежный журнал. 2017. № 11 (16). С. 13. DOI: 10.18698/2541-8009-2017-11-198

15. Наумов В.А. Анализ нестационарной математической модели простой гидравлической сети с центробежным насосом // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2020. № 4. С. 64-70. DOI: 10.17588/2072-2672.2020.4.064-070

16. Jovic V. Analysis and modelling of non-steady flow in pipe and channel networks. John Wiley & Sons, Ltd, 2013. 544 p.

17. Ghanbari A., Farshad F.F., Reice H.H. Newly developed friction factor correlation for pipe flow and flow assurance // Journal Chemical Engineering and Materials Science. 2011. Vol. 2. Pp. 83-86.

18. Fang X., Xu Y., Zhou Z. New correlations of single-phase friction factor for turbulent pipe flow and evaluation of existing single-phase friction factor correlations // Nuclear Engineering and Design. 2011. Vol. 241. Issue 3. Pp. 897-902. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2010.12.019

19. Орлов В.А., Аверкеев И.А., Коблова Е.В. Гидравлическая составляющая альтернативных материалов труб и защитных покрытий при бестраншейной реновации напорных трубопроводов // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 6. С. 22-26.

20. Орлов В.А., Зоткин С.П. Исследование изменения коэффициента гидравлического трения материалов напорных труб при различных температурах // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 4. С. 54-59. DOI: 10.35776/VST.2021.04.08

21. Kumana J.D., Suarez M.R. Analyzing the performance of pump networks. Part 1: Basic theory // Chemical Engineering Progress. 2018. Vol. 114. Issue 1.

22. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Кузьмин А.В. К вопросу о выборе рабочей области характеристики центробежных насосов // Территория Нефтегаз. 2015. № 3. С. 88-92.