Циркуляционный насос

Циркуляционный насос — это устройство, предназначенное для принудительного перемещения жидкости в замкнутых гидравлических контурах систем отопления, горячего водоснабжения, охлаждения и технологических установок. Основная функция циркуляционного насоса — преодоление гидравлического сопротивления трубопроводов, арматуры и теплообменников, обеспечивая постоянную или регулируемую циркуляцию теплоносителя без создания высокого напора, характерного для повысительных насосов.

История

Первые системы водяного отопления, появившиеся в XVIII—XIX веках, работали на принципе естественной циркуляции (гравитационного тока). Теплоноситель двигался за счёт разницы плотностей нагретой и охлаждённой воды, что требовало больших диаметров труб, уклонов и ограничивало протяжённость контуров. С развитием центрального отопления в многоквартирных домах и промышленных зданиях возникла необходимость в принудительном движении жидкости.

Первые циркуляционные насосы, применявшиеся в системах отопления в начале XX века, были центробежными с сальниковыми уплотнениями и открытыми рабочими колёсами. Они были шумными, требовали частого обслуживания и имели низкий КПД. Значительный прорыв произошёл в 1929 году, когда датская компания Grundfos (организация зарегистрирована в Дании, деятельность в РФ осуществляется в соответствии с местным законодательством) выпустила первый серийный циркуляционный насос с «мокрым» ротором. В этой конструкции ротор электродвигателя полностью погружён в перекачиваемую жидкость, которая одновременно служит смазкой и охлаждением. Это позволило практически полностью устранить сальниковые уплотнения, снизить уровень шума и увеличить срок службы.

В 1950—1960-х годах технология «мокрого» ротора была усовершенствована: появились керамические подшипники скольжения, устойчивые к абразивному износу. С 1980-х годов началось внедрение электронного регулирования частоты вращения, что позволило адаптировать производительность насоса под текущую потребность системы. Современные модели оснащаются частотными преобразователями, встроенными датчиками давления и температуры, а также интерфейсами для интеграции в системы «умный дом».

Устройство и принцип действия

Циркуляционный насос состоит из двух основных узлов: гидравлической части (корпус, рабочее колесо, всасывающий и напорный патрубки) и электродвигателя.

Корпус насоса обычно изготавливается из чугуна, нержавеющей стали или высокопрочного пластика (для агрессивных сред). Внутри корпуса находится рабочее колесо (крыльчатка) — лопастное колесо, которое при вращении создаёт центробежную силу. Жидкость через всасывающий патрубок поступает в центр рабочего колеса, захватывается лопастями, разгоняется и выбрасывается к периферии корпуса, где переходит в напорный патрубок. Спиральная форма корпуса преобразует кинетическую энергию потока в давление.

Электродвигатель — основной источник энергии. В насосах с «мокрым» ротором статор (неподвижная часть) отделён от ротора (вращающейся части) тонкостенной гильзой из нержавеющей стали. Ротор, закреплённый на валу, вращается в перекачиваемой жидкости, которая заполняет зазор между ротором и гильзой. Жидкость смазывает подшипники скольжения (обычно из спечённой керамики или графита) и отводит тепло от обмоток статора. В насосах с «сухим» ротором (консольного типа) ротор двигателя изолирован от жидкости сальниковым уплотнением или торцевым механическим уплотнением. Такие насосы имеют более высокий КПД, но более шумны и требуют периодической замены уплотнений.

Основные элементы насоса «мокрого» типа:

• Вал — обычно из нержавеющей стали, вращается в подшипниках скольжения.
• Подшипники — керамические или углерод-графитовые, самосмазывающиеся.
• Гильза статора — разделяет электрическую и гидравлическую части.
• Конденсатор (в однофазных моделях) — для пуска и работы двигателя.
• Блок управления (в регулируемых моделях) — электронная плата с микропроцессором.

Классификация

Циркуляционные насосы классифицируются по нескольким признакам:

По типу ротора

1. С «мокрым» ротором — ротор вращается в жидкости. Характеризуются низким уровнем шума (до 30 дБ), компактностью, простотой монтажа. Применяются в системах отопления частных домов, двухтрубных системах, системах «тёплый пол». КПД — 20–40 %. Не требуют технического обслуживания в течение всего срока службы (10–15 лет).
2. С «сухим» ротором — ротор изолирован от жидкости. Имеют КПД до 80 %, большие габариты и массу. Используются в промышленных системах, котельных, системах с высокой температурой или агрессивными средами. Требуют регулярной замены уплотнений (каждые 2–3 года).

По конструкции

• In-line (моноблочные) — всасывающий и напорный патрубки расположены на одной оси. Устанавливаются непосредственно на трубопровод.
• Консольные — насос и двигатель соединены через муфту. Требуют фундамента или опорной рамы.
• Сдвоенные — два насосных блока в одном корпусе. Обеспечивают резервирование: при выходе из строя одного блока второй автоматически включается.

По возможности регулировки

• Не регулируемые — с постоянной частотой вращения (одно-, двух- или трёхскоростные). Переключение скоростей вручную.
• Регулируемые — с электронным изменением частоты вращения. Автоматически подстраивают производительность под гидравлическое сопротивление системы. Делятся на модели с пропорциональным давлением (изменение напора пропорционально расходу) и с постоянным дифференциальным давлением (поддержание заданного перепада давления).

Характеристики и параметры

Основные параметры циркуляционного насоса:

• Производительность (расход) — объём жидкости, перекачиваемый за единицу времени (м³/ч, л/мин). Зависит от гидравлического сопротивления системы.
• Напор — давление, создаваемое насосом (метры водяного столба, бар). Определяет высоту подъёма жидкости и преодоление сопротивления.
• Мощность — электрическая мощность, потребляемая двигателем (Вт). Влияет на энергоэффективность.
• Температура теплоносителя — диапазон рабочих температур (обычно от –10 до +110 °C для бытовых моделей, до +200 °C для промышленных).
• Максимальное рабочее давление — обычно 6–10 бар для бытовых систем, до 25 бар для промышленных.
• Класс энергоэффективности — по европейской директиве ErP (Energy-related Products). Современные модели относятся к классам A, A+, A++.

Применение

Циркуляционные насосы являются неотъемлемой частью современных систем отопления, водоснабжения и охлаждения. Основные области применения:

• Системы отопления: принудительная циркуляция теплоносителя в однотрубных и двухтрубных системах с радиаторами, конвекторами, тёплыми полами.
• Горячее водоснабжение (ГВС): рециркуляция воды в кольцевых линиях для обеспечения быстрого поступления горячей воды к точкам водоразбора.
• Системы охлаждения и кондиционирования: циркуляция хладагента (воды, гликолевых растворов) в чиллерах, фанкойлах, центральных кондиционерах.
• Промышленность: в технологических контурах для охлаждения оборудования, нагрева реакторов, циркуляции теплоносителя в тепловых сетях.
• Солнечные коллекторы и тепловые насосы: циркуляция теплоносителя в низкотемпературных контурах.

Монтаж и эксплуатация

Установка циркуляционного насоса требует соблюдения ряда правил:

• Насос монтируется на обратном трубопроводе (перед котлом) для снижения термической нагрузки на двигатель.
• Вал насоса должен располагаться горизонтально (для моделей «мокрого» типа) — это обеспечивает смазку подшипников.
• Перед и после насоса устанавливаются шаровые краны для возможности демонтажа без слива системы.
• Обязательно наличие фильтра грубой очистки на входе для защиты от механических примесей.
• Для отвода воздуха из корпуса предусмотрен автоматический или ручной воздухоотводчик.

Эксплуатация включает периодическую проверку герметичности соединений, очистку фильтра, контроль за шумом и вибрацией. В насосах с «сухим» ротором требуется своевременная замена механического уплотнения. Современные регулируемые насосы не требуют обслуживания, кроме визуального осмотра.

Энергоэффективность

Энергопотребление циркуляционных насосов составляет значительную долю в общем энергобалансе зданий. Внедрение электронно-регулируемых моделей с частотным преобразователем позволяет снизить потребление электроэнергии на 30–70 % по сравнению с нерегулируемыми насосами. Это достигается за счёт автоматического снижения частоты вращения при уменьшении тепловой нагрузки (например, ночью или при отключении части радиаторов). В Европейском союзе с 2015 года действуют требования ErP, обязывающие использовать в новых системах насосы класса не ниже A.

Производители

Крупнейшими мировыми производителями циркуляционных насосов являются:

• Grundfos (Дания) — пионер технологии «мокрого» ротора, выпускает широкий модельный ряд для бытового и промышленного применения.
• Wilo (Германия) — производит насосы с интеллектуальным управлением, в том числе для систем «умный дом».
• DAB (Италия) — специализируется на насосах для отопления и водоснабжения.
• Lowara (Италия, бренд Xylem) — известна насосами из нержавеющей стали.
• Pedrollo (Италия) — выпускает как бытовые, так и промышленные модели.
• Российские производители: «Ливгидромаш», «Катайский насосный завод», «Энергия» (бренд «Вихрь») — выпускают насосы для систем отопления, в том числе регулируемые модели.

Интересные факты

• Первый циркуляционный насос с «мокрым» ротором был разработан в 1929 году инженером Паулем Дуусом Хансеном (Grundfos).
• В современных насосах «мокрого» типа подшипники скольжения изготавливаются из керамики (оксид алюминия) или спечённого графита, что обеспечивает износостойкость до 50 000 часов работы.
• Энергопотребление циркуляционных насосов в жилом секторе Европы оценивается в 5–10 % от общего потребления электроэнергии в зданиях.
• Существуют насосы с «мокрым» ротором, способные работать при температуре теплоносителя до +200 °C (с использованием специальных материалов уплотнений).

Источники

• «Насосы и насосные станции» / под ред. В. И. Калицун. — М.: Стройиздат, 1999.
• «Циркуляционные насосы в системах отопления» / В. В. Пырков. — Киев: Термометр, 2005.
• «Grundfos. The Pump Company» — корпоративная история, 2010.
• «Энергоэффективные насосы: теория и практика» / А. А. Жуков. — М.: Энергия, 2018.
• «ErP Directive 2009/125/EC: Requirements for Circulators» — European Commission, 2015.
• «Справочник по насосам» / пер. с англ. под ред. И. И. Кузнецова. — М.: Машиностроение, 2003.