Pompy w chłodnictwie i klimatyzacji - tłumienie drgań
W celu wyeliminowania lub obniżenia poziomu ewentualnych nieprzyjemnych hałasów, eksploatacja pompy w urządzeniach klimatyzacji budynków wymaga szczególnej uwagi przy jej doborze oraz przy projektowaniu i wykonywaniu instalacji.
Problem obniżenia emisji dźwięków (głównie w godzinach nocnych) odgrywa znaczącą rolę szczególnie w budynkach mieszkalnych, ze względu na wymagania dotyczące komfortu. W zakresie dopuszczalnych wartości poziomu hałasu w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, należy przestrzegać odpowiednich przepisów.
Pompy też hałasują
Wytwarzanie hałasu przez pompy jest niestety nieuniknione. Renomowani producenci pomp czynią jednak wszystko, aby dostarczać najcichsze urządzenia. W instalacjach stosowanych w budynkach prawie zawsze używa się pomp wirnikowych. Generowany przez nie hałas może być podzielony na następujące grupy:
Hałasy przepływowe
●
Hałas związany z przepływem ma różne przyczyny. Na skutek turbulencji i tarcia cząsteczek wody o powierzchnię opływanych elementów powstaje dźwięk o wysokiej częstotliwości, który odbierany jest jako hałas. Procesy tarcia wywołują ponadto w warstwie granicznej nierównomierny rozkład prędkości przepływu, co może skutkować odrywaniem się strugi cieczy, a następnie powstaniem zawirowań. To okresowe odrywanie się strugi cieczy wywołuje mniej lub bardziej słyszalny pojedynczy dźwięk. Ponadto prędkość przepływu cieczy zmienia się po opuszczeniu wirnika. Ta nierównomierność prowadzi do powstawania hałasu w podłączonych kolejno urządzeniach. Ponieważ częstotliwość tych hałasów zależy od prędkości obrotowej i liczby łopatek wirnika, to mówi się o częstotliwości łopatkowej pompy.
Hałas powstający wskutek kawitacji
●
Hałasy kawitacyjne powstają w wyniku tworzenia i zderzania się pęcherzyków pary w przepływającej wodzie.
Hałas wywoływany siłami bezwładności
●
Drgania powodowane przez siły bezwładności, które prowadzą do powstawania hałasów, generowane są na skutek niewyważenia obracających się części (wirnika, wału, sprzęgła, itp.).
Niewyważenie powstaje na skutek zmiany układu sił w łożyskach, pomimo zastosowania najnowocześniejszej techniki wyważania, niedokładności wykonania części maszyn lub z powodu
ścierania się materiału lub powstawaniem osadów. Częstotliwość drgań związanych z niewyważeniem części maszyn równa się zawsze częstotliwości wynikającej z prędkości obrotowej wirujących części.
Hałas powodowany tarciem w łożyskach i uszczelnieniach
●
Drgania wywoływane na skutek tarcia w łożyskach i uszczelnieniach, które prowadzą do powstawania hałasu, w pracujących prawidłowo pompach mają znaczenie podrzędne.
Hałas wywoływany przez silnik elektryczny
●
Pompy stosowane w instalacjach technicznych budynków napędzane są z reguły silnikami elektrycznymi. Hałas emitowany przez silnik elektryczny nakłada się tylko w konstrukcji blokowej pompy i silnika. W silniku elektrycznym, wskutek zachodzenia w nim procesów elektromagnetycznych, powstają dźwięki o podwójnej częstotliwości sieci (100 Hz) i, w zależności od liczby biegunów silnika, ich wartość zawiera się w zakresie od 600 do 1200 Hz. Z wentylatora silnika, podobnie jak w przypadku pompy, generowany jest hałas w zakresie wspólnej częstotliwości, na który nakłada się, jako dźwięk pojedynczy, częstotliwość łopatkowa wentylatora.
Pozostałe hałasy
●
Ponadto mogą występować hałasy związane z pracą łożysk tocznych oraz dźwięki interferencyjne powstające w obracających się na sucho dławikach i ślizgowych pierścieniach uszczelniających.
Dźwięki powietrzne
●
Hałasy, emitowane bezpośrednio przez pracujące pompy, słyszalne są w pomieszczeniach central grzewczych. Jednak w sąsiednich pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, są one wytłumione, gdy stropy i ściany pomieszczenia pompowni wykonane zostały zgodnie z wymaganiami normy DIN 4109, część 3.
Przy zwykłej izolacji dźwiękowej o zdolności tłumienia 40 do 50 dB do oceny dopuszczalnego poziomu emisji dźwięku, przenoszonego przez powietrze, można użyć podanego obok wykresu. Jeśli widmo oktawowe pompy obiegowej przy żadnej częstotliwości nie przekracza linii granicznej, to wówczas poziom dźwięku przenoszonego przez powietrze w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, nie przekracza wartości 30 dB.
Przenoszenie dźwięku
Całkowicie inne zjawiska mogą powstawać przy przenoszeniu dźwięku przez materiały i wodę. W przypadku, gdy dźwięki związane z pracą pomp przenoszone są poza pomieszczenie, w którym są ustawione, prawdopodobna jest sytuacja przenoszeniem dźwięków przez elementy konstrukcji budynku (przenoszenie dźwięków przez materiały i wodę wzdłuż rurociągu). Wzdłuż rurociągu dźwięk związany z przepływem wody roznosi się i przenoszony jest przez materiał ścianek rurociągu.
Praktyka wykazuje, że najczęściej oba te przypadki występują łącznie. Dźwięki przenoszone przez materiały i wodę nie są bezpośrednio odczuwalne przez organ słuchu. Dopiero, gdy dźwięk związany z przepływem wody pobudzi do drgań ściankę rury oraz otaczające powietrze, powstaje dźwięk słyszalny (hałas). Ta korzystna właściwość braku bezpośredniej słyszalności równoważona jest w znacznym stopniu przez niekorzystną właściwość, jaką jest nie obarczone prawie żadnymi stratami przenoszenie dźwięku przez rurociągi. Rurociągi ze względu na swą elastyczność dobrze przenoszą drgania i stanowią tym samym idealny układ przenoszący hałas. W przypadku powstania rezonansu,
drgania te nie tylko przenoszone są dalej, lecz są jeszcze wzmacniane. Tak jak wszystkie ciała sprężyste, także rurociągi mają tak zwaną częstotliwość własną, która zależy od różnych wielkości.
Gdy przypadkowo, któraś z tych częstotliwości własnych rurociągu będzie zgodna z jakąś częstotliwością drgań wzbudzanych przez pompę obiegową, to powstaje rezonans. Wystarczy wówczas mała energia wzbudzająca, aby wywołać bardzo silne drgania w rurociągu. Jest to równoznaczne z powstawaniem znacznego hałasu. Badania nad drganiami wykazały, że w wykonywanych instalacjach w interesującym nas zakresie częstotliwości między 50 i 1000 Hz może powstawać duża liczba częstotliwości własnych. Tym samym zawsze istnieje możliwość pojawienia się rezonansu. Wcześniejsze obliczenie częstotliwości drgań własnych rurociągów nie jest możliwe w związku ze zbyt zawiłymi zależnościami. W przypadku hałasów w strefie mieszkalnej, spowodowanych powstawaniem dźwięków w instalacjach montowanych wewnątrz budynków, przenoszenie dźwięków przez ciała stałe i wodę w sieci rurociągów stanowi główny problem. Dlatego też, należy podejmować wszelkie środki zaradcze, aby ograniczyć przenoszenie dźwięków przez materiały i wodę. Wytyczna VDI 2715 podaje w tym celu kilka godnych uwagi wskazówek.
Gdy pompa jest bezpośrednio połączona z elementem konstrukcji budynku, to może ona wzbudzać w nim drgania. Z kolei drgania te mogą być przenoszone przez rurociągi na ściany i stropy.
Ograniczanie hałasów
Istotnym warunkiem skutecznej i odpowiedniej ochrony pomieszczeń mieszkalnych przed hałasem związanym z pracą pomp, które montowane są w instalacjach budowlanych, jest współpraca wszystkich osób biorących udział w projektowaniu budynków. Zadaniem architektów i projektantów jest taki dobór układu pomieszczeń, aby uzyskać korzystne stosunki emisji dźwięków. Dlatego pomieszczenia lub elementy konstrukcji, w których znajdują się urządzenia generujące hałas (instalacje stosowane wewnątrz budynków), powinny być umieszczane możliwie jak najdalej od miejsc, w których przebywają ludzie. Na charakterystykę roboczą pomp mają wpływ podłączone do nich rurociągi i inne elementy instalacji, które przenoszą dźwięki. Wzajemne zależności są bardzo różnorodne, więc nie można wyodrębnić żadnych prostych reguł, których zastosowanie całkowicie wyeliminuje wszystkie hałasy. Przy doborze pomp należy jednak uwzględnić następujące zalecenia:
Pompy powinny pracować możliwie jak najbliżej swojego najwyższego współczynnika sprawności.
●
Wymaganie to można najlepiej zrealizować w taki sposób, aby przy obliczeniu strat ciśnienia nie
●
przyjmować przesadnych wartości naddatków bezpieczeństwa.
Aspekty doboru pomp
Pompy powinny pracować w punkcie najwyższego współczynnika sprawności, gdyż wtedy, poza najwyższym stopniem ekonomiczności, można uzyskać z reguły optymalną charakterystykę emisji hałasu. Można wówczas zrezygnować z dodatkowych środków zapobiegających powstawaniu hałasów. Często, podczas projektowania pomp w instalacjach wewnętrznych budynków, przyjmuje się zbyt duże naddatki bezpieczeństwa związane z zapewnieniem odpowiedniej pracy instalacji.
Prowadzi to do tego, że dobiera się niepotrzebnie dużą pompę, która nie pracuje z tego powodu w punkcie najwyższego współczynnika sprawności. Jak wynika z doświadczeń, większa część obciążeń akustycznych powstaje z tego błędu. Przy doborze właściwej pompy należy pamiętać, że pompy o niskiej prędkości obrotowej cechują się na ogół korzystniejszą charakterystyką akustyczną.
W powstawaniu hałasów, związanych z przepływem w układzie składającym się z pompy i rurociągu, znaczącą rolę odgrywają: sposób prowadzenia rurociągu oraz prędkość przepływu cieczy.
Prędkości przepływu cieczy
Należy pamiętać o tym, że średnica znamionowa rurociągu jest z reguły równa średnicy znamionowej przyłącza pompy lub od niej większa. Koniecznych zmian przekroju należy dokonywać w sposób dostosowany do przepływu i pozwalający na uzyskanie osiowości przyłączy. Przedstawiona obok tabela zawiera zalecenia, co do doboru średnic znamionowych, w zależności od prędkości przepływu w danym króćcu przyłączeniowym pompy. Wartości tych prędkości nie powinny być przekraczane ze względu na poziom hałasu. Rurociąg po stronie ssawnej pompy powinien przebiegać prosto na długości co najmniej 5-d, aby uzyskać korzystne warunki hydrauliczne na dopływie do wirnika.
Przeciwdziałanie
Poziom hałasu wywoływanego przez przenoszenie dźwięków przepływowych i materiałowych można zredukować, stosując w rurociągach specjalne elementy tłumiące. Przy stosowaniu elementów tłumiących należy zwracać uwagę na to, aby nie zostało obniżone bezpieczeństwo eksploatacyjne pompy, tzn. należy dobierać elementy tłumiące, które nie będą zakłócać funkcjonowania pompy. Jako elementy tłumiące mozna stosować:
kompensatory z ograniczeniem długości bez elementów elastycznych (kompensatory boczne),
●
kompensatory z ograniczeniem długości z elementami elastycznymi oraz kołnierzami
●
gumowo-metalowymi,
kompensatory bez ograniczenia długości.
●
W przypadku zastosowania kompensatorów z ograniczeniem długości bez elementów elastycznych żadne dodatkowe siły rurociągu nie oddziałują na króćce pomp, przy czym kompensatory te cechują się bardzo małym stopniem tłumienia drgań. Kompensatory bez ograniczenia długości cechują się najwyższym stopniem tłumienia drgań, lecz w ich przypadku działają największe dodatkowe siły ze strony rurociągu. W pompie o średnicy znamionowej 100 mm i ciśnieniu znamionowym 10 barów siły oddziaływania rurociągu mogą osiągnąć teoretycznie 16000 N. W praktyce, z powodu ograniczonej elastyczności kompensatorów, w rurociągu działają jednak siły nieprzekraczające połowy tej wartości. Nie można podać obecnie żadnej ogólnej informacji, jakie są dopuszczalne siły działające
na króćce. Kompensator z elastycznymi ogranicnikami długości stanowi w wielu przypadkach zastosowań „rozsądny" kompromis między tłumieniem drgań a siłami działającymi na króciec.
Przy stosowaniu elementów tłumiących należy pamiętać o ich ograniczonej trwałości i wrażliwości na działanie gorącej wody. Przy ustawianiu pomp na podłodze, poza tłumieniem drgań rurociągów, często konieczne jest także wyeliminowanie przenoszenia dźwięków materiałowych poprzez umieszczenie elementów elastycznych między płytą podstawy a podłogą. Dzięki temu zapobiega się przenoszeniu drgań na elementy konstrukcji budynków. Gdy pompy ustawiane są na stropach między piętrami, konieczne jest bezwzględne zastosowanie podkładek elastycznych. Szczególną ostrożność w tym zakresie należy zachować w przypadku pomp o zmiennej prędkości obrotowej.
Elementy elastyczne należy dobierać zgodnie z najniższą częstotliwością wzbudzania (jest to najczęściej prędkość obrotowa). Ich sztywność sprężysta musi być tym mniejsza, im niższa jest prędkość obrotowa. Ogólnie stosowane mogą być, przy prędkości obrotowej wynoszącej 3000 obr./min i więcej, płyty z korka naturalnego, a przy prędkości obrotowej między 1000 i 3000 obr./min elementy gumowo-metalowe. Natomiast przy prędkości poniżej 1000 obr./min stosowane są sprężyny spiralne. Przy ustawianiu pomp na podłodze w piwnicy wystarcza kilka warstw płyt z korka naturalnego, wełna mineralna lub guma jako podłoże elastyczne.
Na rysunku pokazano sposób wykonania izolacji akustycznej (lub wibroizolacji) agregatu pompowego. Skuteczność izolacji zależy od częstotliwości własnej osadzonego elastycznie agregatu.
W sposób uproszczony można określić częstotliwość własną układu, która wynika z masy agregatu pompowego i sztywności sprężystej elementów elastycznych. Aby uzyskać dobrą skuteczność tłumienia, częstotliwość własna układu fo musi znajdować się znacznie poniżej emitowanej przez pompęczęstotliwości wzbudzania fwzb. W pompach z niekompensowanymi siłami bezwładności mozna zmniejszyć amplitudę drgań, zwiększając masę fundamentu. Przy wykonywaniu podstaw elastycznych należy zwracać uwagę na to, aby nie powstawały żadne mostki akustyczne. Należy więc unikać przykrywania podkładek elastycznych tynkiem lub płytkami. Każde ograniczenie swobody ruchu agregatu pompy niszczy skuteczność izolacji, a przynajmniej obniża ją w znaczącym stopniu.
Przy układaniu rurociągów należy zwracać uwagę na to, aby w żadnym miejscu nie powstało stałe, sztywne połączenie z elementem konstrukcji budynku. Mocowania rur powinny być kształtowane w sposób izolujący akustycznie. Należy na to zwracać uwagę przede wszystkim także przy układaniu rurociągów pod tynkiem. Odpowiednie, prefabrykowane elementy mocujące dostępne są w handlu.
Szczególną uwagę należy zwracać przy przeprowadzaniu rurociągów przez ściany i stropy. Także do tego celu dostępne są w handlu prefabrykowane pierścienie uszczelniające, które spełniają wszystkie wymagania w zakresie dobrej izolacji dźwiękowej.
Podkładki elastyczne
Izolacja dźwiękowa rurociągów, oddzielająca je od elementów konstrukcji budynków, musi być wykonana z dużą starannością, gdyż każde zaniedbanie, chociażby w jednym miejscu, niweczy wszelkie starania w zakresie wykonawstwa izolacji akustycznej.
Ciśnienie w króćcu ssawnym
Dostateczne ciśnienie w króćcu ssawnym powinno zapobiegać kawitacji na wirniku. Mianem kawitacji określa się tworzenie i zderzanie się powstających pęcherzyków pary. Pęcherzyki pary tworzą się w miejscach, w których ciśnienie przepływającej cieczy spada tak nisko, że osiąga wartość
ciśnienia nasycenia pary, odpowiadającą danej temperaturze. Pęcherzyki pary porywane są przez strumień cieczy i zderzają się z sobą, gdy na dalszej drodze przepływu ciśnienie ponownie wzrasta ponad ciśnienie pary. Kawitacji należy unikać, ponieważ ma ona niekorzystny wpływ na wydajność, charakterystykę emisji drgań i cichobieżność pompy, a nawet może spowodować uszkodzenia materiałów. Aby zakłócenia te nie powstawały podczas pracy, zalecane jest zachowanie „minimalnej wymaganej wyskości ciśnienia netto" na wejściu pompy (patrz katalog pomp). Ta wartość NPSH zależy od wydajności pompy. Każda wielkość pompy ma przy danej prędkości obrotowej krzywą NPSH, którą wyznacza producent pompy na podstawie odpowiedniego pomiaru. Projektant musi w instalacji zapewnić „NPSH instalacji", która będzie równa lub większa niż wartość NPSH pompy w niekorzystnym punkcie pracy. Rysunek pokazuje wartość minimalnego nadciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego, które musi panować po stronie ssawnej pompy w zależności od wartości NPSH pompy. Krzywe dotyczą maksymalnej prędkości przepływu wody, wynoszącej 2 m/s, i maksymalnej wysokości położenia 100 m nad poziomem morza. Wartość PE odczytana w zależności od wartości NPSH pompy i temperatury wody musi zostać skorygowana przy wysokościach ustawienia większych niż 100 m n.p.m. Obowiązuje wówczas wzór: P = PE +X * 0,0001 Wartość X jest tu wysokością rzeczywistą miejsca ustawienia (m), mierzoną od poziomu morza.
Autor: Stanisław Sowa
Zobacz więcej
Pompy w chłodnictwie i klimatyzacji. Praktyczne zasysanie
●
Pompy w chłodnictwie i klimatyzacji. Sprawne tłoczenie
●
Pompy w chłodnictwie i klimatyzacji. Lepkie tłoczenie
●
KONTAKT
Magazyn Instalatora - lider wśród czasopism branży instalacyjnej Tel: +48 58 306 29 27
Adres:
marsz.F.Focha7/5 80-156 Gdańsk
