洗个舒服澡,不是买个泵这么简单—增压泵适用范围与选购

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不谈目的就说选型,不是瞎扯淡就是耍流氓,那么首先就要搞清楚我们的需求是什么?

第一章-先谈理想

那么,太初,我们还是先谈理想

女神曰,我去洗个澡

这时才想起你家水流小到燃气热水器都点不燃... 于是你想加大水流量...

但是水流量怎么加?努力回忆一下物理老师讲的,机械能=势能+动能,势能又分重力势能和压力势能,那么机械能=重力势能+压力势能+动能,于是伯努利方程就有了,水在管道里摩擦,摩擦,摩擦生热,一部分机械能被擦成了热能,根据能量守恒定律,最后从喷头出来的水流的总机械能 = 出口重力势能 + 出口压力势能 + 出口动能 = 初始重力势能 + 初始压力势能 + 初始动能 - 摩擦损失,那么决定着我们花洒流量出口动能 =(初始重力势能-出口重力势能)+(初始压力势能-出口压力势能)+ 初始动能 - 摩擦损失。那么我们看看这个等式里面有哪些是我们可以操作的:

  1. 初始重力势能和出口重力势能由市政供水和楼层高度决定,搬不了家的情况下,基本没得玩。
  2. 初始压力势能和初始动能由市政供水决定,基本也没得玩,但是供水压力过低的话,可以找小区物业解决。
  3. 出口压力势能由大气压力决定,所以也没得玩。
  4. 摩擦损失由管路弯道的多寡,阀门的多少,阀门的类型,管道的长度,管道的材质,管道直径,管道是否结垢,管道是否堵塞等因素决定,这个有操作空间。

第二章-症结所在

因此,在不改变现有系统的情况下,我们能操作的就只有减少摩擦阻力这一项了… 于是我们来深入地探讨一下:

首先,我们先看看从自来水公司到你家花洒要经过哪些步骤:

市政水泵(水塔)- 市政管道 -(小区增压)- 小区管道 - 楼层高差 - 家庭管道 - 花洒等出水口

阻力在任何位置都存在,但是有大小之分,在阻力最大的位置对症下药疗效更佳,所以第一步就是确定阻力位置。阻力要如何确定哇?这是必须要用上一个压力表了。

  1. 用一个三通把压力表设在入户水管处,测得总静压力P1。
  2. 打开一个龙头/花洒,测得流动状态下入户水管的静压力P2。

P1可以近似看做市政(小区)送水给到你家忽略阻力后的总压(实际情况比较复杂,跟市政水泵的类型,是否变频,是否水塔供水都有关系,这里只能做近似处理),由市政送水压力和你家高度决定,按照规定,P1在0.15-0.35MPa都属于合格,低于0.15可以找物业和自来水公司问问看,高于0.35,水流量还不够的肯定是堵了,需要排堵,并推荐使用减压阀,压力过大会增加管件损坏的可能性。

P2是当前流动状态下的静压力,反应了表后直到出水口的阻力情况。一般情况下,P1和P2的数值会比较接近,因为最大的阻力通常来自于室内的管道,应着手解决屋内的管道问题,如果P1远大于P2,那么说明进水在到你家之前就可以消耗了大量能量,这就需要找物业排查。

获取了必要的数据,我们就能机智地根据数据制定对策了:

  1. P1小于0.15,P2远远小于P1:自来水供压不足,水流在进入住宅之前损失大量压力,推荐通过联系物业和自来水公司解决,有理有据地告诉他们,是他们的系统出问题了… 不推荐安装增压泵,即使使用也只能用低扬程的泵,因为住宅的入口压力很小,流量增加会急剧增加公共段的阻力,导致泵入口的压力更小,如果使用高扬程高流量泵强抽可能使泵内出现真空,水开始低压沸腾,效率降低,磨损加剧,发生汽蚀现象。
  2. P1小于0.15,P2略小于P1:自来水供压不足,主要压力损失来自于室内,同样推荐通过联系物业和自来水公司解决,0.15已经低于最低供水压力了,讲道理是要解决的。如果将P1提升至0.3,水流量应可提升约40%。如果公家在短期内解决不了可以加装增压泵来解决,由于泵入口的压力较高,因此此处忽略气蚀现象,增压泵的具体选择需要用到压力-流量线,即PQ线,后面通过算例具体讲解。
  3. P1大于0.15小于0.25,P2远远小于P1:自来水供压较小,主要压力损失来自于室外公共管道,由于供压已经合格了,没有充足的理由找自来水公司了,只能通过联系物业解决,用数据告诉他们,问题不在我家。
  4. P1大于0.15小于0.25,P2略小于P1:自来水供压较小,主要压力损失来自于室内,联系物业商量看看能不能给全楼加个增压泵,不行的话就只能自己加增压泵了。如果近期有装修打算,推荐考虑水路换管径更大的水管,理论上流速与管径的平方成反比,即管径增加到原来的2倍,流速降低为原来流速的1/4,又有阻力与流速的平方成正比,因此,阻力降低为原来的1/16,使用原来同样的压力,增加流速使阻力相等,两倍管径获得的流量是原来的4倍… 所以增加管径绝对是事半功倍的方法,能改的时候就不要妥协。
  5. P1大于0.25小于0.35,P2远远小于P1:自来水供压正常,但是水流在进入住宅之前损失了大量能量,到你家已经不剩多少了,不能加增压泵,理由同第一点,只能找物业想办法。
  6. P1大于0.25小于0.35,P2略小于P1:自来水供压正常,主要损失来自于室内,可以安装增压泵,但是考虑到压力0.35的上限,增压泵的效果也会受限,假设P2=0.25,最大能增压到0.35,即水压增加到原来的140%,由于阻力与流速的平方成正比,那么流量仅增加到原来118%,这就是增压泵的极限了,不到20%... 在这个压力区间内,流量应该不至于太低的,所以想办法疏通室内管道或许会有奇效,或者考虑更换水管。
  7. P1大于0.35,P2远远小于P1:自来水压力超标,注意损失来自于室外,建议加装减压阀,并且找物业和自来水公司排查堵点。不建议加增压泵,理由同第一点,不过如果P1等于0.35,P2大于0.15,还是可以装的,压力如果提高至0.3,水量理论上能增加40%,但是假设泵的前后端阻力同比例上涨,前段压损从0.2提高到0.4,总压0.35减去0.4等于-0.05,已经出现负压了,汽蚀就需要重视起来,由于咨询了几个家用泵商家,都不给NPSHr线(但是格兰富可以在他家官网查到所有曲线),所以增压泵在这种情况下还是能不加就最好不加。除此之外,更重要的是,市政的水管抗正压的能力强,抗负压弱,抽出负压来有可能损坏市政的管道,被自来水公司知道了会罚款的哦。

举个栗子,小明家测得水流量6L/min,测得P1=0.3Mpa,P2=0.25Mpa,室内使用水管内径约13mm,小明想要把流量加到12L/min,请问应该怎么办?

答曰:P1=0.3,市政供水正常;P2=0.25,接近P1,主要阻力集中在室内;假设小明家管路正常无堵塞,流量从6L/min增加到12L/min,增加1倍,对于同一管径,流速也增加一倍,阻力通常与流速的平方成正比,阻力会增加3倍,达到1.2Mpa即12bar,即使额外增加水泵提升压力至12bar,该水压也超出了大部分水路管件的适用范围,容易损坏,因此,使用增压泵的方案不可行;由于流速与管道内径的平方成反比,管道内径增加41.4%即可将12L/min的流速降到与6L/min时相同,即改用约19mm内径的管道就可以将流量提升至12L/min。

再举个栗子,小明家测得水流量5.5L/min,测得P1=0.15Mpa,P2=0.1Mpa,室内使用水管内径约13mm,小明想要把流量加到8L/min,请问应该怎么办?

答曰:P1=0.15,市政供水正常;P2=0.12,接近P1,主要阻力集中在室内;假设小明家管路正常无堵塞,流量从5.5L/min增加到8L/min,增加45%,对于同一管径,流速也增加45%,阻力通常与流速的平方成正比,阻力会增加到原来的212%,为0.317Mpa,低于推荐最大供水压力,因此,可以使用增压泵达成目标;然后我们可以开始选择增压泵了,忽略动压,水路在入口处自带压力0.15Mpa,总共需要压力0.317Mpa,那么我们需要增加的压力,即扬程为0.167Mpa,换算成常用扬程单位即为16.7米(H2O),那么我们就要找额定扬程为17米左右,额定流量8L/min左右的水泵。找到合适的型号后,再找供应商要PQ线,估算实际流量,根据公式P=CQ²,即15=C5²,计算出C=0. 6,在图上画出抛物线P=0. 6*Q²-15,新作的抛物线与供应商提供的PQ线交叉时,对应的流量Q即为新的实际流量。

再再举个栗子,小明家测得水流量8L/min,测得P1=0.3Mpa,P2=0.08Mpa,室内使用水管内径约13mm,小明想要把流量加到16L/min,小明买了一个额定流量16L/min,额定扬程0.9Mpa的水泵,请问小明可以如愿吗?

答曰:假设增压泵可以正常运转,增压后总扬程1.2Mpa,泵前0.88Mpa,泵后0.32Mpa,P1-泵前总扬程=-0.58Mpa,吸程需要58米水柱,而抽成真空也仅仅只有10米水柱,根本不可能达成,肯定会抽出负压,肯定会发生气蚀,轻则机毁,重则抽爆水管,被自来水公司重罚... 因此,大力出悲剧,小明掩面而泣…

小结一下,解决流量问题,最关键的还是找准病因,对症下药,盲目购买增压泵可能达不到预期。提升水量的最佳方法是在装修时就用上大直径的水管;自来水供水水压P1较低,且主要阻力来自于室内比较适合使用增压泵(增压泵安装在入户总水管处),且需要正确选型,避免抽出负压;其余情况优先推荐排查水量堵塞,实在不行再考虑增压泵;主要阻力来自室外的情况,不推荐使用增压泵。

第三章 - 增压泵,不得已的解决方案

确认你家适合使用增压泵以后,我们再来研究一下增压泵:

1. 增压泵是什么?

增压泵通过叶轮和电机,通过离心力,把水吸进来,再用力吐出去,这样就将电能转化成水流的机械能。使得水流的总机械能增加,重力势能和压力势能是恒定的,动能和摩擦损失成正比,于是多出来的机械能就用于增加动能和摩擦生热了,于是水流量就增加了,棒棒哒!

燃鹅,既然要吸水,那么就有造成负压的可能,合适的设计和缓冲措施可以避免出现负压,但是造价高昂,普通人家也很难自己设计,所以,市政供水对于增压泵的态度基本是一刀切的... 不准装... 被发现了就罚款... 所以我是建议能不用就不用的。

从数据上我们就能看到水压计P2读数和流量都增加了。有小伙伴就问了,我没有水压计怎么办?有大V用喷水实验测了增压效果,能换算成水压吗?

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答案是不行的,初中物理复习一下,初速度为X的水滴垂直向上喷出,其最高高度能达到多少?是不是都会做?冲高的高度是动能转变成重力势能的结果... 跟压力没半分钱关系... 而且这个高度还有花洒的结构有关系,所以这个喷水高度并不准确,实际反映的其实是流量,而且不精确,真正的压力还是要用压力表才能测出来,反映的是水路的阻力情况。

2. 增压泵的类型:

增压泵实质上还是一个泵,那么泵有哪些类型呢?

常见的分两大类,叶片式和容积式,叶片式又分离心式,旋涡式,轴流式,容积式有往复式和转子式,除此之外还有特殊的如喷射式。

这么多种泵... 更蒙圈了... 到底买哪个?

在讲解类型之前,要先理解两个概念,那就是扬程和流量,

首先排除容积式,这货之所以叫容积式,就是你给定转速,那么它一定要排出对应体积的流体,阻力大,排不动?嘿嘿嘿,要么它把你的水管搞爆,要么它把自己憋坏,反正不成功便成仁,所以它的性能曲线基本是一根直线,理论上无论面对多大阻力它都在单位时间内输出恒定体积的流体,因此得名容积式。工业上用于输送高粘度,高压力,小流量的流体,最高压力可以到2000MPa,家用的推荐压力是0.3MPa... 所以第一个pass。

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然后排除喷射式,它要靠其他流体提供真空来抽介质,是个消耗机械能的家伙,根本不适用。那么大V评测的喷射式是怎么回事呢?我个人认为商家噱头居多... 所谓的喷射其实只是它的自吸功能是靠喷射配件抽真空达成的,增压靠的还是离心叶片,本质上其实是一个离心泵... 配合前面讲到真空的影响,自吸时会产生负压,所以城市家庭不推荐包括喷射式在内的其他一切自吸泵。

4.jpg喷射自吸泵(447元)

除非需要从井里抽水,否则不推荐这一类型
接下来是轴流式,轴流式的特点是扬程低,流量大,流量随阻力的增加急剧减小,没有自吸能力,轮船的螺旋桨就是它的典型应用,前后均无阻力,直进直出,最大流量高。不适合应用在家用管道中,1寸管的内径也放不了一个多大扇叶...

再然后是旋涡泵,在工业应用上,它的特点是相对于离心泵,实现同样的扬程,它的体积比离心泵要小,一个高精度的大叶轮比一个小叶轮贵很多,使用旋涡泵可以节省不少成本,不过这一点在家用环境下基本体现不出来,假如一个250mm离心叶轮可以做到的扬程,它用125mm做出来... 然而两块塑料的差价可能就几块钱...体现不出任何优势... 旋涡泵还有一个大缺点,使用同样的电机,其效率通常比离心泵差很多,所以同样功率的电机驱动的旋涡泵输出的扬程和流量可能会比离心泵更低... 那么旋涡泵就全都不可取么?也不是,它可以实现气液共输,部分型号自带自吸功能,适应性好,作为家用虽然效率一般,但是万金油,不容易出错,因此市面上大量低端家用泵采用这一形式。但是用旋涡泵更需要小心汽蚀,其必需汽蚀余量(NPSHr)比离心泵要高,更容易发生汽蚀。

5.jpg自吸旋涡泵(399元)

最后就是离心泵了,离心泵是现在使用最多的一种泵,结构简单,容易维修,适应性强,扬程较高(而且可以多叶轮串联强行堆扬程),效率高。只要不是介质工况有特殊需求,如高粘度,超高压,气液混合流等,通常都默认使用离心泵作为解决方案,而家用情况,除了个别时候出现气液混合(例如停水后,管道内填充了空气),几乎不涉及特殊介质和特殊工况,所以离心泵也可以作为家用泵。如果需要自吸需要特殊结构抽出真空,把液体从低液面抽进泵里,例如上面提到的,使用喷射器抽真空。市面上的高扬程高流量家用泵采用这一形式的也很多。

6.jpg单级离心泵(533元)

以上讲得都是泵的类型,常见的家用泵中还有一种叫屏蔽泵又是什么呢?

7.jpg格兰富单级屏蔽泵(789元)

屏蔽讲的不是泵的类型,而是电机的类型。理论上屏蔽泵既可以是离心也可以是旋涡,但是市面上看到卖的都是离心泵。普通泵的电机和泵体是分开的,如下图,中间有轴承连接,连接处就有接口,而且这个接口处的轴承还是转动的,因此密封性能较差。

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最右边那一坨就是电机,中间是密封和联轴器,最左边是泵体。

而屏蔽泵的轴承就是电机的转子,如下图,中间用屏蔽层隔离水和定子,屏蔽层完全密封,不涉及转动的轴承,在对密封型要求极高的场合,这类泵用的很多,在家用中,因为主要的噪音部件被包在水和屏蔽层里,所以这类泵的静音效果出众。

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屏蔽泵的轴承和转子结合为一个,体积大大缩小,也没有中间连接密封的问题。屏蔽泵的转子靠水来降温和润滑,因此水里面不能有杂质,最好预处理之后再进泵。工业屏蔽泵的轴承不易对中,通常采用石墨轴承,耐用性较差,不知家用是否存在同样的问题。

由于屏蔽层的存在,使得它的电机效率非常低,也就限制了它在大流量高扬程上的应用。如果再搭配上一个效率也很低的旋涡泵,那就更惨了... 可能这就是为什么我们看不到屏蔽旋涡泵的原因吧。但是屏蔽泵可以理论上可以通过多级串联提升效率,目前我只看到格兰富一家有家用多级屏蔽泵,效率可达40%,额定扬程27m,流量3方/小时,可以说非常不错了,不过价格惊人... 不知道土豪买不买,反正我是不会买的...

10.jpg格兰富多级屏蔽泵(12099元)

泵+电机效率约40%,泵+电机+变频器约38%,普通单级屏蔽泵仅15%左右,可以说是全方位吊打了,包括价格...

那么市面上还有一种叫自吸泵是什么东西呢?

自吸是泵的一种功能,是指从本来没有水的水管里,造出真空,从低于泵的液面抽水,如你家住农村,需要从水井里抽水,你的泵又安装的比水面高,这就需要有自吸能力的水泵。注意液面水平面与泵入口的水平面高度差不得超过最大吸程,且需要留出安全余量,因为管道上还有压力损失。但是需要特别注意的是,城市里面请不要装自吸泵,例如停水时,普通离心泵高于供水面脱离就抽不动了,但是自吸泵还可以继续抽,把供水面抬高几米,会抽出负压,一来对市政管道不友好,二来如果运气不好,液面抬高几米后和你家水路接上了,那它可能会把别人家马桶里存的水往你家抽。洗个舒服澡,不是买个泵这么简单—增压泵适用范围与选购

所以,自吸泵对于城市家庭,统统不推荐。

因此,关于用什么类型的泵我们可以做一个小结了,总共有两个选择:

旋涡泵

  • 优点:万金油,部分自带自吸功能,可以对付气液混合的工况。
  • 缺点:效率低,流量低,耗能高,汽蚀风险高。
  • 鸡肋:旋涡对离心最大的优势,小体积高扬程,在家庭应用中体现不明显。

离心泵

  • 优点:扬程可高可低,效率高,流量高
  • 缺点:自吸需要特殊结构会增大体积,不擅长处理气液混合的情况。

屏蔽泵(离心)

  • 优点:噪音小,体积小
  • 缺点:效率低,不擅长处理气液混合的情况,耐用性差(待验证)

多级屏蔽泵(离心)

  • 优点:噪音小,体积小,效率高
  • 缺点:贵,选择少,耐用性差(待验证),仅有的一款家用也稍显用力过猛了,27m的额定扬程,3立方额定流量,前端容易抽出真空,后端容易超过35m水压上限,而且是自吸泵,对城市用户不太友好...

有眼光的厂家应该把小功率家用屏蔽泵做起来了

因此可以总结一下,根据第二章的内容,确认你需要的扬程和流量,不考虑价格的话,在可以选择的范围内按照以下顺序选择:多级屏蔽泵>单级屏蔽泵(室内安装噪音小,效率低)=单级离心泵(噪音大,效率高)>旋涡泵。由于城市水路不耐负压的原因,建议购买有抗负压的水泵,理论上可以通过压力传感器轻松实现控制,但是目前为止我没有看到家用泵有集成这个功能的,有的都是有水桶的泵站,普通人家里根本安不了...

P.S 最后我随便抓了几个泵的来计算效率,假设他们提供的数据真实有效,均在额定功率,额定扬程和额定流量下运行,得到结果如下:

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可以看到,屏蔽泵和旋涡泵的效率都非常惨淡,全部不到20%,功率相近的机型,格兰富的数据稍微比新界好一丢丢,同样是新界品牌,同样550w功率,离心泵的效率吊打旋涡泵,而且额定扬程还比旋涡泵高;多级离心泵则全方位吊打单级离心泵,效率多出60%多,460w干的活(机械功率220w)比550w(机械功率160w)还多...

再PS. 水泵选型简易计算,测得P1和P2,现有流量Q1,期望流量Q2。

忽略动能,计算总扬程P1’=P1*(Q2/Q1)²

验算水路压力小于最大推荐值,P2’=P2*(P1’/P1)<0.35

验算水路不会出现真空P1-(P1’-P2’)> 0Mpa: P1 为进水压力,P1’-P2’为进水到泵前的压损,大于0Mpa表示相对压力大于0,正常运行时不出现真空。

需要注意的是,即使验算结果显示不会出现真空,也仅仅是在正常工况时不会有真空,如果出现停水或者市政供水压力减小,也会有出现真空的风险,因此再次强调,增压泵解决水压问题的最末选项,疏通,投诉,物业都解决不了,且征得相关部门同意后再上,而且有条件的话最好上0负压系统,否则小心被罚款哦。

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(๑>ڡ<)☆谢谢老板~

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