Jak řešit problémy NPSHa
Ve většině skutečných problémů NPSH nejsme osobou, která provádí počáteční výpočet NPSHa pro systém a zpočátku vybírá čerpadlo. Pravděpodobnější scénář je, že jsme uvízli u stávajícího systémového problému a související čerpadlo kavituje směrem ke krátkému a velmi drahému konci životnosti. Viníci jsou pryč nebo nemluví.
Proč je kavitace špatná věc
Pokud není dostatek NPSHa, čerpadlo bude kavitovat. Kavitace způsobuje poškození čerpadla a snížení výkonu. Poškození čerpadla se projevuje poškozením mechanické ucpávky a ložisek. V pozdějších fázích může také zničit oběžné kolo. Všechny škody jsou drahé.
Většina čtenářů ví, že kavitace (klasická) je tvorba bublin páry v kapalině. Tyto bubliny se tvoří, protože tlak na kapalinu klesl pod tlak par (požadované NPSH [NPSHr] překračuje NPSHa). K tomuto problému obvykle dochází v blízkosti oka oběžného kola, protože toto je oblast s nejnižším tlakem v sacím systému. Bubliny se následně zhroutí, když dosáhnou oblasti s vyšším tlakem v přibližně jedné třetině až polovině vzdálenosti podél spodní strany lopatky oběžného kola. Tvorba bublin způsobuje malé fyzické poškození. Kavitace ovlivní hydraulický výkon čerpadla. Zhroucení bublin může způsobit vážné poškození oběžného kola.
V příštím čísle budu mít článek vysvětlující, jak kavitace způsobuje škody.
Marže NPSH
Chcete-li zabránit nebo zmírnit kavitaci, musíte mít více NPSHa, než čerpadlo vyžaduje.
Rovnice 1
NPSHa ÷ NPSHr = rozpětí NPSH
Kde:
NPSHr se také rovná NPSH3
Jak velkou rezervu NPSH potřebujete, abyste zabránili kavitaci, se u každé aplikace liší. Čím větší marže, tím lépe. Směrnic a orientačních pravidel je stejně hojné a spolehlivé jako městské mýty. Pro lepší pochopení doporučuji přečíst si specifikaci 9.6.1 American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI). Rozlišujícími faktory jsou vlastnosti kapaliny a úroveň sací energie.
Jak opravit kavitační čerpadlo
Tuto otázku dostávám často a obvykle navrhuji pro řešení podívat se na vzorec NPSHa a jeho čtyři složky.
Pomocí každé ze čtyř složek vzorce můžete zmapovat potenciální řešení k vyřešení problému NPSHa.
Rovnice 2
NPSHa = hA – hvpa + hSvatý – hF
Kde:
hA = absolutní tlak. Absolutní tlak měřený ve stopách hlavy kapaliny čerpané na povrchu kapaliny. Bude to barometrický tlak, pokud je sání z otevřené nádrže, nebo absolutní tlak existující v uzavřené nádrži, jako je horká jímka kondenzátoru nebo odvzdušňovač.
hvpa = tlak par. Dopravní výška ve stopách odpovídá tlaku par kapaliny při teplotě, která je čerpána.
hSvatý = statická výška kapaliny nad osou čerpadla nebo okem oběžného kola pro zaplavené sání ve stopách (kladná hodnota pro zaplavené sání). Ne všechny osy oběžného kola odpovídají středové ose čerpadla.
hF = celková ztráta třením ve stopách hlavy pro systém sací strany.
Prvním faktorem ve vzorci je absolutní tlak (hA). Tento faktor je vždy pozitivní. Pokud je sací zdroj již otevřený do atmosféry, nemůžete dělat nic, protože je nepravděpodobné a nerealistické měnit cokoli, co máte pod kontrolou. Nemůžete změnit atmosférický tlak ani přesunout umístění čerpadla/systému do nižší nadmořské výšky vzhledem k hladině moře. Pokud však dojde k problému, pomůže vám to pochopit, proč čerpadlo kavituje. Pokud je systém uzavřený a pod tlakem, existuje možnost, že můžete zvýšit tlak (v důsledku toho absolutní výška [hA]) nějakým způsobem. Moje zkušenost s vlastníky a provozovateli zařízení je, že ke zvýšení sacího tlaku systému téměř nikdy nedojde kvůli převažujícím omezením a/nebo omezením s vyšší prioritou.
Druhým faktorem ve vzorci je tlak par (hvpa). Čím vyšší je teplota, tím vyšší je tlak par a tím vyšší je negativní efekt. Z vlastní zkušenosti jsem byl svědkem pouze jednoho případu, kdy byl zákazník ochoten nebo schopen snížit teplotu systému, ale i tak je to otázka, kterou je třeba si položit. I pár stupňů může mít významný vliv.
Třetí složkou ve vzorci je statická hlava (hSvatý). Někdy můžete přesvědčit vlastníka systému, aby udržoval zásobní nádrž (zatopená situace) nebo jímku (stav výtahu) na vyšší úrovni. Pokud budete mít štěstí, těch pár stop, o které se zvýší statická hlava, může znamenat velký rozdíl. Byl jsem zapojen do několika případů, kdy bylo čerpadlo přesunuto na nižší úroveň a v jednom případě byla vytvořena nižší úroveň pro čerpadlo. Tato řešení jsou drahá.
Čtvrtou složkou ve vzorci je faktor tření (hF). Ze všech faktorů ve vzorci jsem měl více „štěstí“, když jsem přesvědčil majitele systému, aby vyměnil nebo upravil sací potrubí ve snaze snížit třecí složku. Můžete zvětšit velikost potrubí a případně snížit počet kolen, T-kusů a dalších součástí v sacím systému, abyste minimalizovali tření.
Další možnosti mimo formuli
Pokud nemůžete zvýšit NPSHa, možná můžete snížit NPSHr.
Hledejte různé možnosti čerpadla nebo oběžného kola, které vyžadují méně NPSH. Není neobvyklé, že výrobce má různá oběžná kola pro stejné čerpadlo s různými požadavky na NPSH. Někteří výrobci nabízejí induktor, který pracuje ve spojení s oběžným kolem a snižuje NPSHr. Nepřidávejte induktor bez konzultace s výrobcem, protože induktory musí být přizpůsobeny oběžnému kolu. Někdy je potřeba úplně jiné čerpadlo.
Přesun na oběžné kolo s dvojitým sáním (dvě oka) bude mít významný vliv na problém, protože NPSHr se sníží o 50 procent.
Snižte otáčky čerpadla buď začleněním proměnných otáček, nebo jednoduše pomocí čerpadla, které dokončí službu (průtok [Q] a dopravní výška [TH]) při nižších otáčkách. Upozornění je, že čerpadlo bude pravděpodobně dvakrát tak velké (fyzicky) než původní čerpadlo, s tím související vyšší náklady.
V mnoha případech je řešením přidat pomocné čerpadlo na sání počátečního čerpadla. V elektrárnách a jiných parních systémech není neobvyklé mít čerpadlo kondenzátu, které čerpá do napájecího pomocného čerpadla předtím, než se kapalina dostane do skutečného napájecího čerpadla.
Materiály
Někdy nemůžete udělat nic, abyste zabránili kavitaci pumpy, takže vaší možností je léčit symptom místo problému. Různé materiály nabízejí různé rozsahy odolnosti vůči kavitačnímu poškození. Některé materiály navíc nabízejí lepší ochranu než jiné v průběhu jevu označovaného jako eroze-koroze vyvolaná kavitací.
Odolnost proti kavitačnímu poškození je definována jako převrácená hodnota rychlosti ztráty objemu pro daný kov. Mechanické vlastnosti materiálu, které jsou součástí této rovnice, jsou mezní pevnost v tahu, mez kluzu, mezní prodloužení, tvrdost podle Brinella, modul pružnosti a deformační energie.
Nejdůležitější vlastností z tohoto seznamu je lomová deformační energie kovů. Z tohoto důvodu nabízejí varianty hliníkového bronzu a duplexní nerezové oceli lepší odolnost než jiné materiály, jako je běžná uhlíková ocel a železo. Všimněte si, že jako oprava původního výrobce zařízení (OEM) existuje také několik nátěrů, které lze použít. Při použití nátěrů doporučuji rozhodující frázi a radu pro daný den „caveat emptor“, z latiny pro „kupující pozor“.
U nátěrů existují dobré a špatné a dobré se nanášejí špatně.
Blízkost k bodu nejlepší účinnosti (BEP)
Podívejte se, kde na křivce čerpadla pracujete (výtlak a průtok). Pokud je příliš vpravo, došlo k nesouladu se systémem a čerpadlem. NPSHr se zvyšuje exponenciálně, když se pohybujete doprava. Provoz příliš vlevo na křivce může mít podobné problémy. NPSHr se ve skutečnosti zvyšuje, když se blížíte k oblastem s nízkým a minimálním průtokem. U většiny křivek čerpadla to není publikováno.
Specifická rychlost sání (NSS)
V 70. letech 20. století byly nové závody nebo systémy navrhovány se stále narůstajícím přísným mandátem šetřit peníze (někdy až nad spolehlivost), zejména na počáteční náklady na výstavbu a materiál. Jako opatření ke snížení nákladů bylo sníženo NPSHa systémů (vzpomeňte si na menší a nižší nádrže a čerpadla na vyšších úrovních). Vlastníci/kupující soustav následně vyvíjeli zvýšený tlak na výrobce čerpadel, aby navrhovali čerpadla s nižšími požadavky na NPSH. Nejjednodušším a nejrychlejším řešením pro výrobce čerpadel bylo zvětšení oka oběžného kola. Dobrou zprávou bylo, že NPSHr bylo sníženo, ale špatnou zprávou bylo, že hydraulická stabilita čerpadla byla také výrazně snížena, pokud a jak se provozní bod odchýlil od BEP. Více o tom budu v pozdějším článku.
Poznámka: Rovněž není diskutován „uhlovodíkový korekční faktor“, předmět budoucího článku.
Závěr
Bez ohledu na to se budete podílet na aplikacích čerpadel, ať už nových nebo stávajících z nějakého hlediska, kde bude NPSH hrát roli. Nyní alespoň budete vědět, proč mají oběžná kola velká oka, nádrže dlouhé nohy a čerpadla visí v nízkých místech.
Tipy pro výpočet NPSHa
1. Vždy vypočítejte NPSHa při výběru, použití nebo odstraňování problémů s pumpou.
2. Vždy pracujte v absolutních hodnotách.
3. Udržujte jednotky konzistentní. Doporučuji pracovat ve stopách hlavy, pokud pracujete v obvyklých amerických (USC) jednotkách nebo metrech hlavy, pokud používáte metrické jednotky SI.
4. Použijte vzorec NPSHa. Je to tvůj přítel.
5. Vždy počítejte pro nejhorší stav (nejvíce omezující) v systému.
6. Sací tlak není NPSHa.
7. Nezaměňujte ponoření s NPSHa. Musíte počítat pro oba.
8. Téměř každý problém s čerpadlem je na straně sání.
9. Tlak par není váš přítel. Vždy znát vlastnosti kapaliny.
10. Ve vakuu je stále nějaký tlak. Je těsně pod atmosférickým tlakem.
11. Pro dané čerpadlo bude stejný průtok (Q) při použití menšího oběžného kola vyžadovat více NPSH. Pokud je to možné, použijte větší oběžné kolo. Všimněte si, že celková dynamická hlava (TDH nebo TH) se bude lišit.
12. Pokud si nejste jisti, vraťte se zpět k této sérii článků nebo zavolejte svému „telefonu s pumpou příteli“.