CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA OSZACOWANIE DOPUSZCZALNEJ WYSOKOŚCI SSANIA POMP

Transkrypt

1 Stanisław Polanowski 1 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA OSZACOWANIE DOPUSZCZALNEJ WYSOKOŚCI SSANIA POMP Wstęp Trwa rozwój i doskonalenie instalacji hydraulicznych zarówno statkowych, przemysłowych jak i komunalnych. Obecnie rozwój polega głównie na automatyzacji pracy instalacji, oraz zwiększaniu ich sprawności i trwałości. Wystarczy zwrócić uwagę na fakt, że wcześniej w domach jedno i wielorodzinnych jedynymi powszechnie stosowanymi pompami były pompy hydroforowe. Obecnie w instalacjach bytowych nawet domów jedno i wielorodzinnych wolnostojących może być zastosowanych kilka pomp: pompy obiegowe ciepłej wody użytkowej, pompy krążeniowe centralnego ogrzewania, pompy w instalacjach sanitarnych, pompy w instalacjach pomp ciepła i solarnych, pompy w instalacjach basenów kąpielowych, pompy w instalacjach wody deszczowej. Zasadniczym aspektem poprawnego działania pomp jest ich zdolność zasysania pompowanej cieczy (wysokość ssania) oraz praca bez kawitacji i wirów powietrznych, które to zjawiska mają zasadniczy wpływ na pracę i trwałość pomp. Nieprawidłowości powstające na ssaniu pomp zależą od parametrów pracy pomp oraz prawidłowemu ich usytuowaniu w instalacji w odniesieniu do zbiornika dolnego pompowanej cieczy. Dążenie do zapobiegania możliwości powstawania kawitacji doprowadziło do wprowadzenia pojęcia liczby antykawitacyjnej oraz zmiany interpretacji wysokości ssania i podnoszenia pomp, co wymaga zmiany klasycznego podejścia do tego zagadnienia w procesie dydaktycznym szkół wyższych. Często bowiem zagadnienia te są nadal interpretowane w sposób tradycyjny. Nieścisłości interpretacyjne i obliczeniowe ciśnienia ssania pomp Obliczenia energii przepływów oparte są na bilansie Bernouliego energii mechanicznej przepływu cieczy idealnej. Adaptacji tego równania dla opisu przepływów rzeczywistych dokonano uzupełniając je 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, Gdynia, ul. Morska 81-87, tel.: e- mail: pawletko@am.gdynia.pl 1070 Logistyka 6/2014 o straty energii mechanicznej o charakterze liniowym oraz miejscowym (lokalnym). Wyróżnia się trzy postacie równania przepływu: postać bilansu ciśnień, postać bilansu wysokości i postać bilansu energii jednostkowej [1]. Ta ostatnia postać jest niepraktyczna, ponieważ wartość energii jednostkowej nie podlega pomiarom bezpośrednim. W instalacjach pompowych stosuje się manometry. Ogromna większość charakterystyk pomp jest opisywana w jednostkach ciśnienia, a w szczególności w barach, która to jednostka została ponownie dopuszczona do stosowania z uwagi na jej praktyczność i percepcyjność. Niekiedy tylko, a szczególnie jeżeli są to pompy do wody, opisywane są w metrach słupa wody, co jest łatwo przeliczalne na bary. Śledząc literaturę techniczną i dydaktyczną można zauważyć pewien błąd w równaniach energii przepływu, prowadzący w istocie do nie uwzględniania w bilansie energii kinetycznej strumienia. Powyższe ilustruje przykład pokazany na rysunku 1. Rys. 1 Schemat układu pompowego [1] i wzory obliczeniowe energii jednostkowej układu (1.38 [1]) oraz pompy (1.39 [1]). Łatwo zauważyć, że w przypadku równych średnic rury dopływowej i odpływowej oraz ssącej i tłoczącej zapotrzebowana energia kinetyczna jest równa zeru, co nie jest prawdą. Z definicji prędkości c dopł i c s wynika, że we wzorze na wysokość ssania pompy wystąpiłby ten sam błąd. W innych materiałach dydaktycznych dostępnych w Internecie [2] opisany wyżej błąd jest także oczywisty (rys. 2).

2 Rys. 4. Definicja wysokości ssania podana w Engineering Tool Box [4]. Rys. 2. Definicja wysokości ssania pompy według [2]. W opisie wzoru (6) na rysunku 2 prędkości c s i c d są dokładnie zlokalizowane w przewodzie ssawnym pompy i w takim przypadku ich różnica wysokości ciśnień dynamicznych na ogół będzie równa zeru, a nawet jeżeli nie, to wynik będzie także błędny. Identyczne, błędne pojmowanie ciśnienia (wysokości) ssania występuje również w materiałach dydaktycznych kilku innych uczelni dostępnych w Internecie. Źródłem powyższych błędów może być poradnik mechanika [3], gdzie opisany błąd występuje w sposób oczywisty (rys. 3). Rys. 3. Definicja wysokości ssania podana w Poradniku inżyniera mechanika [3]. Nie jest celem opracowania poszukiwanie źródeł błędu. Prawdopodobnie pierwotnie prędkość cieczy na wlocie do rurociągu ssawnego pierwotnie dotyczyła, np. poboru wody z rzeki, gdzie przy odpowiednim i odpowiednio skierowanym wlocie króćca ssawnego występowało spiętrzenie wody. Obecnie prędkości cieczy w zbiornikach górnym i dolnym jest przyjmowana jako zerowa. W dostępnym w Internecie poradniku inżynierskim [4] wysokość ssania pompy zdefiniowano następująco jak na rysunku 4. Jak wynika z przytoczonej wyżej definicji (rys. 4), we wzorze na wysokość ssania uwzględniono wysokość prędkości (wysokość spiętrzenia) na ssaniu nie odnosząc się do prędkości w zbiorniku, która domyślnie jest przyjmowana jako równa zeru. Lokalizacja tego punktu różni się od lokalizacji punktu ssania w układach pokazanych na rysunkach 1 3. W opisie wielkości, w odniesieniu do wielkości h s i p s zaznaczono, że parametry te są określane (mierzone) przy samym wirniku (... close to the impeller ) (rys. 5). Wartość błędów popełnionych z tytułu nieuwzględnienia ciśnienia dynamicznego dla przepływu wody o gęstości 1000 kg/m 3, dla prędkości przepływu wynoszących kolejno: 1; 2; 3 m/s, wynoszą kolejno: 5; 20; 45 hpa. Na ssaniu pomp stosuje się na ogół prędkości przepływu nie większe od 2 m/s, co przypadku wielu instalacji regulowane jest odpowiednimi normami. Należy zauważyć, że zaobserwowane na przestrzeni 22 lat w pasie nadmorskim minimalne ciśnienie atmosferyczne wyniosło 966,1 hpa, a maksymalne 1049,4 hpa [5]. Przedział zmienności wyniósł więć 83,3 hpa. W różnych rejonach ziemi odnotowano znacznie większe odchylenia. Spadek średniego ciśnienia atmosferycznego ze wzrostem wysokości ponad poziom morza przekracza 100 hpa na przyrost wysokości o każde 1000 m. Nie oznacza to, że obliczając wysokość ssania pompy można zaniedbać wartość ciśnienia dynamicznego. W krajowej literaturze i dydaktyce pojawia się obecnie, jak się wydaje w związku z wprowadzeniem pojęcia nadwyżki antykawitacyjnej, współczesna interpretacja wysokości ssania i podnoszenia, gdzie nie uwzględnia się wysokości podnoszenia na pompie. Przykładem takiej interpretacji może być rysunek 5 zaczerpnięty z materiałów szkoleniowych straży pożarnej [9]. Rys. 5. Przykład współczesnej interpretacji wysokości ssania, tłoczenia i podnoszenia [9]. Logistyka 6/

3 Powyższa interpretacja charakterystycznych wysokości dotyczy także pomp wyporowych, a w tym tłokowych. Autorzy nie wyjaśniali, który poziom w pompie tłokowej o pionowych cylindrach przyjmować za poziom odniesienia, np. poziom odpowiadający DMP czy GMP tłoka. Można jednakże przyjąć, że pompy takie mogą być z napływem lub poziome, co stwarza jednoznaczność interpretacji. Kawitacja i nadwyżka antykawitacyjna ciśnienia na ssaniu pompy Zagadnienie kawitacji pomp jest wyczerpująco opisane w literaturze krajowej, np.: [6], [7], [8]. Wystąpienie zjawiska kawitacji w przepływie o parametrach średnio nie przekraczających warunków jej powstania jest możliwe w miejscach zmiany kształtu powierzchni omywanych, występowania zanieczyszczeń gazowych w płynie, drgań powierzchni omywanych i samego płynu. Wyróżnia się trzy rodzaje kawitacji [7]: kawitacja powierzchniowa w pobliżu lub na powierzchni wirnika pompy, kawitacja przestrzenna (obłok kawitacyjny) powstająca przed wirnikiem lub na powierzchniach biernych łopatek wirnika, kawitacja szczelinowa wewnątrz szczeliny pomiędzy wirnikiem a ścianą pompy. Zapobieganie kawitacji polega na zachowaniu takich wartości ciśnienia na ssaniu pompy, która uniemożliwi powstawanie kawitacji rozpatrywanej pompy w danych warunkach pompowania. W przypadku zastosowań konkretnych pomp powstaniu kawitacji sprzyja duża (nadmierna) wysokość ssania lub napływu ), dużą (nadmierną) prędkością obrotową wirnika, przekroczeniem nominalnej wydajności złego kształtu kanału wlotowego stanem (nierównomiernościami) powierzchni kanału wlotowego. W związku z potrzebą zapobiegania kawitacji wprowadzono pojęcie nadwyżki antykawitacyjnej NPSH (Net Positive Suction Head [4]), która ma znaczenie pojęcia teoretycznego. Jest wyrażana następująco [4]:, (1) przyspieszenie ziemskie, ciężar właściwy cieczy. W krajowej literaturze w miejsce stosuje się [6] z uwagi na potrzebę spójności z układem SI, gdzie gęstość cieczy o danej temperaturze. W niektórych źródłach, np. [6], można zauważyć, jak się wydaje, pewne nieścisłości [6]. Ciśnienie zostało zdefiniowane jako ciśnienie cieczy w króćcu ssawnym pompy, a w opisie wzoru (1) ciśnienie to opisano jako ciśnienie statyczne w płynie przy wirniku ( static pressure in the fluid close to the impeller ). Niekiedy to pojęcie jest dodatkowo uściślane i prędkość do obliczania NPSH jest określana dla środka strumienia, gdzie ona jest największa. Ewentualne różnice wynikają z rozkładu prędkości w przekroju przepływu na ssaniu w miejscu wyliczania NPSH, co zależy od liczby Reynoldsa. Jak wiadomo dla przepływu laminarnego różnice te są znaczne. Rozporządzalna (rzeczywista maksymalna) nadwyżka antykawitacyjna NPSH av lub NPSH a (Available NPSH) została zdefiniowana poprzez uwzględnienie strat ciśnienie w rurociągu ssawnym [4], [6]. Praktycznie ważną rolę w doborze pomp i budowie instalacji odgrywa pojęcie wymaganej nadwyżki antykawitacyjnej NPSHR lub NPSH r (Required NPSH) (2)., (2) gdzie: k współczynnik zapasu [6] (nie jest on zdefiniowany, np. w [4]). Dla zapobieżenia kawitacji zawsze powinno zachodzić NPSH av NPSH r. Nadwyżka NPSH r ta jest określana eksperymentalnie przez producentów pomp i podawana w dokumentacji. Wartość współczynnika k wynosi zwykle 1,1 1,3 [6]. Zagadnienie może być także podawane w innej formie, zależnie od producenta pomp i ich rodzaju (rys. 6.) gdzie: wysokość ssania pompy (teoretyczna), wysokość parowania (wrzenia), ciśnienie statyczne w płynie przy wirniku, ciśnienie parowania cieczy, prędkość cieczy, Rys. 6. Wykres dopuszczalnej geometrycznej wysokości ssania w zależności od długości rury ssawnej dla agregatu pompowego wody deszczowej RMQ-B firmy Grundfos [10] Logistyka 6/2014

4 W warunkach eksploatacji warunek ten może być naruszony w następstwie np. nadmiernego, wzrostu wydajności pompy lub nieprzewidzianego wzrostu oporów na ssaniu, jak np. zatkanie otworu wlotowego króćca ssawnego, nadmierne zanieczyszczenie ścian rury ssącej, obniżenie się poziomu cieczy w zbiorniku dolnym. Wir powietrzny na ssaniu i zapobieganie jemu W niektórych okolicznościach na ssaniu pomp może pojawiać się na ssaniu wir powietrzny uniemożliwiając pracę pompy lub ją zakłócając. Zagadnienie to dotyczy zwłaszcza pomp zasysających z płytkich zbiorników wodnych, np. pomp strażackich. a) Rys.8. Powstawanie wirów powietrznych w wodzie w fazie początkowej [13]. a) b) b) Rys. 7 a) Schemat zaawansowanego wiru powietrznego powstającego na ssaniu pompy [11], b) wir powietrzny zarejestrowany na ssaniu rury poboru wody z rzeki [12]. Rozróżnia się różne stadia i formy wirów, które są opisane w dostępnej literaturze [11]. Początkowe zawirowania, które nie tworzą jeszcze leja powietrznego (rys. 8) są również szkodliwe dla pracy pomp i ich trwałości. Rys. 9. a) Ilustracja możliwości zapowietrzania cieczy na ssaniu pompy [11], b) rekomendowany sposób zapobiegania zapowietrzaniu cieczy na ssaniu pompy (linia przerywana) [16]zapobieganie zapo- W celu zapobiegania powstawaniu wirów kształtuje się odpowiednio wloty króćców ssawnych. Geometrię króćca kształtuje się według równania różniczkowego rozwiązywanego w aspekcie minimalizacji zawirowań na wlocie i strat ciśnienia. Konstruowane są kosze ssące o konstrukcji zapobiegającej lub minimalizującej powstawanie wirów powietrznych [11], [14], [15]. Wykonywane są odpowiedniej konstrukcji kosze ssące minimalizującego straty. Logistyka 6/

5 Jednym ze źródeł zapowietrzania pomp może być zbyt bliskie usytuowanie króćców ssącego pompy w odniesieniu do króćców wlotowych pomp pompujących do zbiornika. W razie potrzeby wykonywane są odpowiednie przegrody zapobiegające zapowietrzaniu na ssaniu. Wnioski Podstawą w zapobieganiu kawitacji pomp jest prawidłowe usytuowanie pomp względem miejsca (źródeł) poboru wody, które zapewnia spełnienie warunku NPSH av NPSH r wymaganego przez producenta pomp. Dla zapobieżenia powstania kawitacji w trakcie eksploatacji konieczne jest właściwe założenie na etapie projektowym możliwości wzrostu oporów na ssaniu w następstwie zanieczyszczenia ścian rur, możliwości zatkania króćca ssawnego i nadmiernej wydajności pompy. W niektórych zastosowaniach pomp należy liczyć się z możliwością powstawania wirów powietrznych, zapobieganie którym, jeżeli nie można zapewnić dostatecznej wysokości napływu, polega na zastosowaniu odpowiednio ukształtowanych króćców i koszów ssawnych. W związku z wprowadzeniem pojęcia liczby antykawitacyjnej dla pomp zmieniono poziom odniesienia geometrycznej wysokości ssania nie do płaszczyzny króćca ssawnego pompy, lecz do osi wirnika pompy. Usunięto pojęcie geometrycznej wysokości podnoszenia na pompie. Wobec niewielkich wartości ciśnień dynamicznych na ssaniu pomp przy naruszaniu powyższej zasady stosowanie właściwych aktualnie pojęć ma głównie znaczenie dydaktyczne, co jest także ważne dla właściwego rozumienia zagadnienia i w tym równania Bernouliego. Streszczenie W artykule dokonano analizy przeglądu problemu interpretacji wysokości ssania pomp oraz problemu powstawania zjawisk kawitacji i wiru powietrznego na ssaniu pomp. Pokazano, że w wielu przypadkach w literaturze dydaktycznej występuje nieprawidłowa interpretacja wysokości ssania, pompy, prowadząca do pominięcia (zerowania) ciśnienia dynamicznego. Pokazano, że zmianie uległ także poziom odniesienia geometrycznej wysokości ssania pomp nie do króćca ssawnego pompy, lecz do środka wirnika pompy. Omówiono pojęcie liczby antykawitacyjnej oraz jej rolę w zapobieganiu możliwości powstawania kawitacji. We współczesnej literaturze technicznej pojęcie liczby antykawitacyjnej stało się pojęciem podstawowym w aspekcie tworzenia warunków technicznych w instalacjach dla zapobieganiu kawitacji. Abstract The paper analyzes revision of the problem of interpretation of pump suction head and the problem of the formation of cavitation phenomena and a vortex of air pump suction. It is shown that in many cases in the literature incorrect interpretation of the amount of pumps suction head is present, leading to miss (zero) dynamic pressure. It is shown that the reference level of geometric height of the pump suction head has be change from pump suction tube, to the center of the pump rotor. Discusses the concept of the anticavitation number and its role in preventing the possibility of the formation of cavitation. In modern literature, the concept of the anti-cavitation number technology has become a fundamental concept in terms of creating the technical conditions in systems for preventing cavitation. Literatura 1. Górski, Z., Okrętowe urządzenia i mechanizmy pomocnicze. Tom I, TRADEMAR, Gdynia Badanie pompy wirowej. Ćwiczenie nr T-16. T_16%20Badanie%20pompy.pdf 3. Mały poradnik mechanika, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Engineering Tool Box Koźmiński, Cz., Michalska B., Międzydobowe zmiany ciśnienia atmosferycznego w strefie polskiego wybrzeża Bałtyku. Przegląd geograficzny. 2010, 82, 1, s Adamski, A., Kawitacja lekceważono zjawisko. Energia, listopad 2009, rynek instalacyjny.pl 7. Bagieński, J., Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych. 8. Jędral, W., Pompy wirowe odśrodkowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Basiński, B., Parametry pracy pompy i zjawisko kawitacji. Pionki.osp.org.pl_para_kaw.pdf 10. Grundfosliterature pdf 11. Engineering & Expertise Designing pump sumpt., pdf., Hydraulic Institute Pump FAQs March Logistyka 6/2014