Поверхневий або занурювальний насос: плюси, мінуси та особливості монтажу

Вибір між поверхневою насосною станцією і занурювальним електронасосом є фундаментальною інженерною задачею при проектуванні автономної системи водопостачання. В основі цього вибору лежать не тільки вартісні показники, але і жорсткі фізичні обмеження, продиктовані законами гідростатики і динаміки рідин. Основним лімітуючим фактором для поверхневого обладнання виступає атмосферний тиск, який обмежує теоретичну висоту всмоктування, в той час як занурювальні системи стикаються з проблемами герметичності і корозійної стійкості в умовах постійного контакту з агресивним водним середовищем. У даній статті ми проведемо детальний розбір кінематики роботи обох типів пристроїв і визначимо експлуатаційні межі їх застосування.

Фізичні обмеження всмоктування і архітектура поверхневих агрегатів

Поверхневі насоси відцентрового типу працюють за принципом створення розрідження у всмоктувальній магістралі. Згідно із законом Паскаля, вода піднімається по трубі під дією атмосферного тиску, який за нормальних умов врівноважує стовп води висотою близько 10,33 метра. На практиці, з урахуванням гідравлічного опору трубопроводу, шорсткості стінок і втрат у зворотному клапані, гранична глибина всмоктування для більшості поверхневих самовсмоктувальних насосів становить 7–9 метрів. Перевищення цього порогу неминуче призводить до розриву потоку і кавітації — утворення бульбашок пари, які при схлопуванні створюють мікроударні навантаження, які руйнують робоче колесо і дифузор. Конструктивно такі агрегати об'єднуються в насосні станції, які включають гідроакумулятор, реле тиску і манометр. Основною перевагою є доступність всіх вузлів для технічного обслуговування. У разі зносу торцевого ущільнення або виходу з ладу пускового конденсатора, ремонт проводиться в сухих умовах без необхідності підйому обладнання зі свердловини. Однак поверхневі установки мають високий рівень акустичного шуму, що вимагає виділення окремого звукоізольованого приміщення або будівництва кесона. Також важливо враховувати температурний режим: наявність води в корпусі і всмоктуючому патрубку робить систему вкрай вразливою до промерзання, що вимагає глибокого закладення магістралі нижче рівня промерзання грунту.

Занурювальні системи: гідростатика, охолодження та монтажні допуски

Занурювальні насоси (колодязні або свердловинні) не мають обмежень по глибині всмоктування, оскільки вони працюють в режимі нагнітання, створюючи надлишковий тиск безпосередньо в джерелі. Це дозволяє транспортувати воду з глибин в десятки і сотні метрів. Електродвигун занурювального агрегату охолоджується набігаючим потоком перекачуваної рідини, що забезпечує стабільний тепловий режим навіть при тривалій безперервній експлуатації. Однак така архітектура накладає жорсткі вимоги до класу захисту корпусу (не нижче IP68) і якості подвійних торцевих ущільнень валу.

Монтаж занурювального обладнання пов'язаний з рядом технічних складнощів, пов'язаних з герметизацією кабельного вводу і правильним підбором перетину живильного проводу з урахуванням падіння напруги на великій довжині.

Специфічні особливості та переваги монтажу занурювальних систем:

• Відсутність необхідності в попередній заливці всмоктуючої лінії водою перед кожним запуском системи.
• Природна шумоізоляція за рахунок товщі води, що дозволяє монтувати систему в безпосередній близькості від житлових зон.
• Висока ефективність за рахунок виключення втрат на всмоктування і кавітаційних ризиків.
• Стабільне охолодження статора двигуна за рахунок теплообміну з навколишнім водним середовищем.
• Можливість експлуатації у вузьких обсадних трубах діаметром від 75 до 110 міліметрів.
• Зниження ризику замерзання обладнання за рахунок його знаходження нижче горизонту промерзання ґрунту.

Основним мінусом занурювальних агрегатів є їх низька ремонтопридатність. Будь-яка несправність, будь то заклинювання робочого колеса піском або пробій ізоляції, вимагає повної зупинки водопостачання і трудомісткого підйому насоса на поверхню. Крім того, свердловинні насоси вкрай чутливі до вмісту абразивних частинок (піску) у воді. Тверді включення викликають прискорений гідроабразивний знос лопаток робочого колеса, що призводить до прогресуючого падіння напору і ККД.

Порівняльна надійність і енергоефективність систем

З точки зору енергоефективності, занурювальні насоси перевершують поверхневі аналоги при роботі на великих глибинах. Поверхневий насос витрачає значну частину корисної потужності на подолання статичного напору всмоктування і гідравлічного опору приймального клапана. Занурювальний же агрегат направляє весь крутний момент на створення напору в напірній магістралі. Однак при глибині дзеркала води до 4-5 метрів різниця в ККД нівелюється, і на перший план виходять експлуатаційні витрати і вартість монтажу.

Важливим аспектом є автоматизація. Поверхневі станції часто комплектуються механічними реле тиску, які мають значний гістерезис і викликають пульсації в системі. Занурювальні насоси все частіше інтегруються з частотними перетворювачами (інверторами), які плавно змінюють частоту обертання двигуна в залежності від поточної витрати. Це не тільки підтримує стабільний тиск у крані, але й виключає гідроудари, а також знижує пускові струми, що позитивно позначається на ресурсі обмоток електродвигуна.

При виборі типу насоса інженер повинен спиратися на динамічний рівень джерела і хімічний склад води. Якщо рівень води в колодязі схильний до сезонних коливань і може опуститися нижче 8 метрів, установка поверхневого насоса стає технічно неможливою без використання зовнішнього ежектора, який різко знижує загальну надійність системи. У таких випадках занурювальний багатоступеневий насос є єдиним раціональним рішенням. У той же час, для неглибоких абіссінських колодязів з високим дебітом поверхневий самоусмоктувальний насос залишається найпростішим і бюджетним варіантом, який забезпечує легкий доступ до обладнання в будь-який час року.

Таким чином, поверхневий насос є оптимальним вибором для малих глибин і умов, які вимагають частого контролю. Занурювальне обладнання — це стандарт для глибоких свердловин і систем з підвищеними вимогами до комфорту і стабільності тиску. Правильний розрахунок гідравлічної робочої точки на кривій характеристик насоса гарантує довговічність системи незалежно від обраного типу виконання.