Przekrój Pompy Wirowej

Wysokość ssania netto (N.P.S.H) i Kawitacja

Ten artykuł dotyczy wysokości ssania netto (NPSH) i kawitacji. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o pompach wirowych, zapoznaj się z naszym głównym artykułem o pompach wirowych.

Dostępna wysokość ssania netto (NPSHA)

Wysokość ssania netto lub NPSH to sposób określenia, czy pompa może działać normalnie przy niskim ciśnieniu na oku ssącym pompy. Wyobraź sobie, że pompa jest podłączona do zbiornika ssącego z opadającym poziomem cieczy (Rysunek 1). Poziom opada, aż ciecz ledwo pokrywa rurę ssącą, a pompa nadal działa normalnie (B). Wyobraź sobie, że poziom mógłby opadać dalej, jakby poziom był poniżej osi pompy, co ma miejsce, gdy pompa naziemna jest podłączona do studzienki (C). Jeśli poziom opadnie dalej, ciśnienie na ssaniu będzie niższe niż atmosferyczne. W pewnym momencie, jeśli poziom będzie nadal opadał, pompa nie będzie już w stanie działać prawidłowo i nastąpi zmniejszenie przepływu i ciśnienia tłoczenia (D). Przy pewnym poziomie w studzience pompa zacznie kawitować.

Rysunek 1 Warunki Ssania Pompy

Uwaga: pompa działająca w konfiguracji studzienki będzie wymagała zaworu stopowego (zaworu zwrotnego), aby utrzymać ciecz w rurze ssącej i uniknąć konieczności ponownego zalewania pompy po jej zatrzymaniu.

Ciśnienie względne i absolutne

Ilość ciśnienia na ssaniu pompy jest związana z NPSHA. Zwykle używa się skali ciśnienia absolutnego (Rysunek 2). Wysokość jest przeliczana na ciśnienie absolutne za pomocą następującej zależności:

Gdzie h: wysokość w stopach lub metrach

SG: ciężar właściwy, gęstość cieczy w stosunku do wody;

p: ciśnienie w kPa lub psi;

h: wysokość statyczna w ft lub m.

Skale ciśnienia względnego i absolutnego to zasadniczo te same skale, ale przesunięte o 14,7 psi (1 bar). W skali imperialnej zero psi na skali względnej odpowiada 14,7 psi na skali ciśnienia absolutnego (Rysunek 2). Ponieważ problemy z NPSH występują w obszarze ciśnień poniżej atmosferycznego, przydatne jest użycie skali ciśnienia absolutnego.

Rysunek 2 Skale Ciśnienia Względnego i Absolutnego

Dostępna Wysokość Ssania Netto (NPSHA)

NPSHA to termin, który większość ludzi uważa za trudny do zrozumienia, częściowo dlatego, że w niektórych branżach NPSHA rzadko jest problemem i dlatego ludzie nie mają pojęcia, jaką wartość powinien mieć. Zanim omówimy wartości i dokładną definicję NPSHA, zrozummy intuicyjnie NPSHA. NPSHA to miara energii ciśnieniowej obecnej na ssaniu pompy. Im wyższe ciśnienie, tym wyższe NPSHA i tym lepiej pompa będzie działać.

Wysokość

Wysokość mierzona jest w stopach w Ameryce Północnej i w metrach prawie wszędzie indziej. Bardzo niska wartość NPSHA to 3-4 stopy (1 m). Typowa wartość to około 36 stóp (11 m). Zaczynamy się martwić przy około 20 stopach (6 m). Przez martwienie się rozumiem, że musimy sprawdzić zalecenie producenta dotyczące NPSHR (NPSH Required) dla tej pompy przy naszym konkretnym przepływie, aby upewnić się, że jesteśmy powyżej ich zalecenia. Wzór na NPSHA to definicja określona przez organizacje publikujące standardy pomp, takie jak Hydraulic Institute w USA (http://www.pumps.org/). Jeśli chodzi o europejskie lub inne standardy krajowe, każdy kraj ma swoje standardy i odsyłam czytelnika do:

https://www.pumpsandsystems.com/understand-european-pump-standards-organizations-processes Producenci będący członkami Hydraulic Institute zgodzili się przestrzegać tej definicji:

NPSHA = h - h_f + h_a - h_va (1.2)

Gdzie:

h : ssąca wysokość statyczna w stopach lub metrach;

H_a: ciśnienie atmosferyczne w stopach lub metrach;

H_f: : straty ciśnienia w stopach lub metrach;

H_va : ciśnienie pary w stopach lub metrach.

Jest to bardzo logiczna definicja, która obejmuje wszystkie terminy wpływające na ciśnienie na dyszy ssącej pompy:

• Wysokość statyczna (h) - dodatnia lub ujemna.
• Straty tarcia (h_f) w rurze ssącej (ujemne).
• Ciśnienie atmosferyczne (h_a), które jest dodatnie.
• Ciśnienie pary (h_va) (ujemne), które zależy od natury cieczy i temperatury (ciśnienie pary zostanie omówione później w artykule).

Jeśli zbiornik ssący jest pod ciśnieniem, tj. działa powyżej ciśnienia atmosferycznego, dodatkowe ciśnienie będzie musiało zostać dodane do ssącej wysokości statycznej.

NPSHA = h_pr + h - h_f + h_a - h_va (1.3)

(jeśli zbiornik ssący jest pod ciśnieniem)

Gdzie h_pr to dodatkowe ciśnienie na powierzchni cieczy w zbiorniku ssącym.

Rysunek 3 Komponenty NPSHA w Systemach Pompy

Dlaczego ciśnienie atmosferyczne lub barometryczne jest uwzględniane w definicji NPSH?

Systemy pomp działają wszędzie na świecie. Ciśnienie atmosferyczne naciska na powierzchnię cieczy w zbiorniku ssącym, dostarczając energię do ssania pompy. Jednakże, ponieważ ciśnienie atmosferyczne nie jest wszędzie takie samo, musimy je uwzględnić w naszych obliczeniach NPSHA. Ciśnienie atmosferyczne zmienia się wraz z wysokością. Na przykład Johannesburg znajduje się na wysokości 5 200 stóp (1 585 m) z ciśnieniem atmosferycznym 12 psia (83 kPaa), a Miasto Meksyk na wysokości 8 500 stóp (2 590 m) z ciśnieniem atmosferycznym 10,8 psig (74,5 kPaa). Te niewielkie różnice mogą być znaczące w niektórych krytycznych zastosowaniach (zobacz załącznik dotyczący danych o ciśnieniu barometrycznym w zależności od wysokości).

Dlaczego ciśnienie atmosferyczne jest uwzględniane w definicji systemu pompy z ciśnieniowym zbiornikiem ssącym?

Kiedy zbiornik jest najpierw pod ciśnieniem, zacznie się od zera ciśnienia lub lokalnego ciśnienia atmosferycznego. Dlatego nadal musimy uwzględnić lokalne ciśnienie atmosferyczne, aby uwzględnić wysokość pompy.

Rysunek 4 pokazuje względną wielkość wartości komponentów NPSHA w typowej sytuacji, w której ciśnienie pary jest małe.

Rysunek 4 NPSHA – Względna Wielkość Różnych Parametrów NPSHA

W wielu zastosowaniach ciśnienie pary (h_va) jest małe w porównaniu do innych terminów NPSHA, ale nie zawsze tak jest. Straty tarcia (h_f) są zazwyczaj małe, ponieważ linia ssąca jest zwykle krótka i o dużej średnicy. Największym komponentem jest zazwyczaj ciśnienie atmosferyczne (h_a) (34 stopy lub 10,4 metra), które jest dodawane do ssącej wysokości statycznej, drugiego największego komponentu.

Kombinacja wysokości statycznej i strat tarcia jest jednym z głównych komponentów NPSHA. Możemy obliczyć te terminy lub możemy zmierzyć ciśnienie na ssaniu pompy, które połączy efekty obu wartości. Ale najpierw dygresja, aby wyjaśnić, co oznacza pomiar ciśnienia, który wykonujemy.

Co się dzieje z przepływem i ciśnieniem w pompie po punkcie pomiaru?

Rysunek 5 pokazuje, że ciśnienie znacznie spada, gdy ciecz wchodzi do oka wirnika pompy. Dzieje się tak z kilku powodów:

1. Prędkość gdy ciecz zbliża się do oka, wzrasta, gdy obszar przepływu się zwiększa, co powoduje spadek ciśnienia (zasada Bernoulliego),
2. Tarcie zmniejsza ciśnienie.
3. Turbulencja przepływu dodatkowo zmniejsza ciśnienie.

Rysunek 5 Zmiana Ciśnienia w Kilku Punktach Wzdłuż Ścieżki Cieczy

Możliwe jest, że lokalne ciśnienie może być na tyle niskie, że ciecz zacznie wrzeć lub parować w „Punkcie Niskiego Ciśnienia” (D).

Czy ciecz będzie wrzeć przy niskim ciśnieniu?

Istnieją dwa sposoby na zagotowanie cieczy. Jednym ze sposobów jest zwiększenie temperatury przy zachowaniu stałego ciśnienia, aż temperatura będzie wystarczająco wysoka, aby wytworzyć pęcherzyki pary. Na Rysunku 6 jest to, co się dzieje, jeśli weźmiesz jeden punkt w fazie ciekłej i przesuniesz się poziomo (czyli przy stałym ciśnieniu) zwiększając temperaturę. W końcu osiągasz linię parowania danego płynu i płyn zaczyna wrzeć, czyli wytwarzać pęcherzyki pary. Robimy to samo codziennie, gotując wodę w garnku. Aby dowiedzieć się więcej o związku objętości i temperatury przy stałym ciśnieniu, zobacz Prawo Charlesa.

Rysunek 6 Ciśnienie Parowania vs Temperatura

Innym sposobem zagotowania cieczy jest obniżenie ciśnienia. Jeśli utrzymasz stałą temperaturę i obniżysz ciśnienie, ciecz zacznie wrzeć, jak pokazano na pionowej przerywanej linii na Rysunku 6. Na Rysunku 6 jest to, co się dzieje, jeśli weźmiesz jeden punkt w fazie ciekłej i przesuniesz się pionowo (czyli przy stałej temperaturze) zmniejszając ciśnienie. Ponownie, gdy osiągniesz linię parowania danego płynu, płyn zaczyna wrzeć lub wytwarzać pęcherzyki pary. Oczywiście możesz przekroczyć linię ciśnienia pary, zmniejszając ciśnienie i jednocześnie zwiększając temperaturę. Aby dowiedzieć się więcej o związku objętości i ciśnienia przy stałej temperaturze, zobacz Prawo Boyle'a.

Gdyby garnek był przykryty i miałbyś źródło próżni (zobacz Rysunek 7), to obniżając ciśnienie w garnku, mógłbyś sprawić, że woda zacznie wrzeć w niższej temperaturze. Gdy ciśnienie wynosi 7,5 psia (52 kPaa) lub (14,7 – 7,5 = 7,2) lub 7,2 psi (50 kPa) mniej niż ciśnienie atmosferyczne, woda zacznie wrzeć w temperaturze 180 °F (82 °C), a gdy ciśnienie wynosi 1,5 psia (10,3 kPaa), woda zacznie wrzeć w temperaturze 120 °F (49 °C). To właśnie dzieje się na ssaniu pompy, gdy ciśnienie jest wystarczająco niskie, aby ciecz zaczęła parować.

Nie jest niczym niezwykłym, że procesy przemysłowe działają w temperaturach bliskich lub wyższych niż 120 ^oF. Dlatego, jeśli temperatura jest wysoka, a ciśnienie spada, gdy ciecz wchodzi do pompy, zwiększa to prawdopodobieństwo wystąpienia kawitacji z powodu redukcji ciśnienia wewnątrz pompy. Jeśli kawitacja występuje lub jest podejrzewana, dwa możliwe rozwiązania to:

1. Zwiększenie ciśnienia na wlocie pompy (strona ssąca).
2. Obniżenie temperatury cieczy.

Rysunek 7 Gotowanie Cieczy w Niskiej Temperaturze

Ciśnienie, przy którym ciecz paruje, jest znane jako ciśnienie pary i zawsze jest określone dla danej temperatury i dla konkretnej cieczy (zobacz wykres ciśnień pary dla różnych cieczy w załączniku). Jeśli temperatura się zmienia, ciśnienie pary również się zmienia.

Dlaczego ciśnienie pary jest ważne?

Jeśli ciśnienie w oku wirnika pompy spadnie poniżej ciśnienia pary cieczy, wystąpi kawitacja. Kawitacja zaczyna się, gdy pęcherzyki pary tworzą się w oku wirnika z powodu spadku ciśnienia. Pęcherzyki tworzą się w miejscu najniższego ciśnienia na wlocie pompy (zobacz Rysunek 5), tuż przed tym, jak ciecz zostanie poddana działaniu łopatek wirnika. Następnie, gdy łopatki wirnika zaczynają działać na pęcherzyki z ciśnieniem, szybko implodują. Implozja niezliczonych pęcherzyków pary powoduje małe fale uderzeniowe, które uderzają w powierzchnię wirnika i powodują erozję metalu. Z biegiem czasu nagromadzenie erozji tworzy uszkodzone obszary, które mogą ostatecznie doprowadzić do awarii wirnika.

Rysunek 8 Implozja Pęcherzyków Parowych

Dźwięk kawitacji jest bardzo charakterystyczny i przypomina dźwięk żwiru w betoniarce. Możesz usłyszeć ten dźwięk, klikając ten link.

Rysunek 9 pokazuje uszkodzenia, jakie mogą wystąpić na śmigle z biegiem czasu podczas kawitacji; pokazane śmigło doznało łagodnej erozji z powodu kawitacji.

Rysunek 9 Wirnik Uszkodzony przez Kawitację

Ponieważ poziom zbiornika ssącego może być wszędzie w stosunku do ssania pompy, przydatne jest użycie płaszczyzny odniesienia, która znajduje się poniżej ssania pompy, a nawet poniżej poziomu studzienki. W ten sposób możemy użyć tej samej definicji dla wysokości statycznej (h₁ – h_s) i nadal uzyskać odpowiednią dodatnią lub ujemną wartość dla wysokości statycznej na ssaniu pompy.

NPSHA = h₁-h_s - h_f + h_a - h_va (1.4)

Rysunek 10 Komponenty NPSHA dla Zbiorników Ssących Nad i Pod Ziemią

To jest ogólny wzór na NPSHA oparty na pomiarze ciśnienia na ssaniu pompy:

Gdzie:

g : przyspieszenie grawitacyjne, 32,17 ft/s² w jednostkach imperialnych lub 9,81 m/s² w jednostkach metrycznych;

p_s : ciśnienie ssania w psia lub kPaa;

v_s : prędkość na ssaniu pompy w ft/s lub m/s;

p_a : ciśnienie atmosferyczne w psia lub kPaa;

p_va : ciśnienie pary w psia lub kPaa.

W części 2 rozważymy, jak producenci pomp określają wymaganie NPSH (NPSHR).

Znaczenie NPSH

NPSH to sytuacja, którą wielu projektantów nigdy nie będzie musiało rozważać, ponieważ wiele cieczy, takich jak woda lub podobne, ma niskie ciśnienie pary, a temperatura jest niska, na przykład poniżej 110 ^oF. Jednak w przypadku zbiornika ssącego pod ziemią w połączeniu z pompą naziemną, wysokość statyczna jest niska i NPSHA powinno być starannie rozważone. Każdy w przemyśle przetwórstwa węglowodorów lub chemicznym będzie musiał starannie rozważyć dostępne NPSH, ponieważ właściwości chemikaliów i cieczy węglowodorowych znacznie się różnią w porównaniu do wody.

Producenci pomp zawsze będą żądać NPSHA twojego systemu pompy, niezależnie od przypadku (chyba że żądasz pompy zanurzeniowej) jako środka ochrony przed potencjalnymi problemami z ssaniem w twojej instalacji. NPSHA to ostatnia rzecz, którą sprawdzisz po zaprojektowaniu systemu pompy i wybraniu pompy.  

Rysunek A1 Ciśnienie Barometryczne vs Wysokość

Rysunek A2 Ciśnienie Parowania dla Różnych Cieczy

Dodatkowe Zasoby

https://www.pumpsandsystems.com/topics/understanding-npsh-npsh-definitions

https://en.wikipedia.org/wiki/Net_positive_suction_head

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/centrifugal-pump