Zdolność ssania pompy. Konsekwencje pracy w warunkach kawitacji

Transkrypt

1 Zdolność ssania pompy. Konsekwencje pracy w warunkach kawitacji SSANIE Stwierdzenie, że pompy cechuje zdolność ssania, nasuwa skojarzenie z ciągnięciem cieczy. Tymczasem ciecz, w odróżnieniu do ciał stałych, nie posiada zdolności do przenoszenia naprężeń rozciągających. Ciągnięcie cieczy jest więc fizycznie niemożliwe. Ssanie pompy polega na obniżaniu ciśnienia przed jej wirnikiem. Dopływ cieczy do obszaru ciśnienia obniżonego przez wirnik występuje za sprawą ciśnienia działającego na ciecz w zbiorniku, z którego ciecz jest pobierana. Najprostszym przykładem jest zasysanie (nie boimy się tego terminu!) z otwartego zbiornika przez pompę usytuowaną wyżej. Na powierzchnię cieczy działa ciśnienie atmosferyczne, a przed wirnikiem panuje ciśnienie znacznie niższe. Skutkiem jest przepływ wymuszony przez różnicę ciśnień. Ciecz nie jest ciągnięta przez wirnik, tylko wpychana do rurociągu i dalej - do wirnika, przez ciśnienie działające na powierzchnię. Mamy więc do czynienia z dopływem cieczy do pompy, co poglądowo ilustruje rysunek 1. Tendencja do poprawności terminologii prowadzi do poszukiwania innego niż ssanie terminu, opisującego działanie pompy. Zdaniem autorów takiego terminu nie warto poszukiwać. Pozostaniemy przy ssaniu tak jak Anglicy przy suction, Niemcy przy saugen, Rosjanie przy wsasywaniu. W konsekwencji rurociąg dopływowy nazywać będziemy ssawnym, a zdolność do pracy w warunkach obniżonego ciśnienia na ssaniu - zdolnością ssania itd. Zdolność ssania pompy, wcześniej w literaturze i praktyce określana prymitywnymi pojęciami jak maksymalna geometryczna wysokość ssania, później maksymalna manometryczna wysokość ssania,

2 dziś jest określana parametrem nadwyżki antykawitacyjnej NPSH, definiowanej równaniem: Wielkość ta, oznaczając nadwyżkę energii w króćcu ssawnym pompy nad energią parowania cieczy, ma zawsze wymiar dodatni (stąd positive w oryginalnym terminie Net Positive Suction Head), eliminując kłopoty związane ze stosowaniem pojęć ujemnej lub dodatniej wysokości ssania. Pojęcie NPSH znalazło swoje miejsce wśród podstawowych, definiowanych normami, parametrów opisujących działanie pomp zarówno wirowych, jak i wyporowych (w tych ostatnich występuje jako Net Positive Suction Presure - NPSP). ROZPORZĄDZALNA NADWYŻKA KAWITACYJNA NPSHA JAKO PARAMETR UKŁADU POMPOWEGO Zabezpieczenie się przed występowaniem kawitacji wymaga, aby energia cieczy w króćcu ssawnym była większa od odpowiedniej wartości krytycznej. Zapewnić to muszą parametry układu pompowego. Rys. 2. Rozporządzalna nadwyżka antykawitacyjna NPSHA układu pompowego z pompą usytuowaną powyżej (napływ) lub poniżej (ssanie) poziomu cieczy w zbiorniku otwartym. Rysunek 2 przedstawia prosty przypadek zainstalowania i pracy pompy - pompowania ze zbiornika otwartego przy różnych poziomach cieczy. Wysokim, w wyniku którego występuje tzw. zalanie pompy, i niskim - typowym dla tzw. pracy ze ssanie. W obu istotne są następujące wielkości: ciśnienie działające na powierzchnię cieczy w zbiorniku - p d, tu równe ciśnieniu atmosferycznemu p b, położenie osi pompy względem poziomu cieczy w zbiorniku - H zs, dodatnie lub ujemne, ciśnienie parowania cieczy p v, strata ciśnienia na drodze od zbiornika do pompy pstr, wyrażona wysokością - Δhs, ciśnienie na wlocie do pompy p s, prędkość na wlocie do pompy c s. Występujące w opisie wielkości reprezentują energie właściwe, wyrażone w jednostkach wysokości: ciśnienia p/qg, położenia H zs, straty Δh s i prędkości c 2 /2g, co pozwala na ich sumowanie (2):

3 p b /qg + H zs - Δh s = c 2 /2g [m] Podobnie jak w prostym przypadku (rys. 2) przedstawić można warunki pracy w każdym innym przypadku zainstalowania - rys, 3; szczególnym są warunki pracy pompy kondensatu p d = p v (rys. 3a). Rys. 3. Rozporządzalna nadwyżka antykawitacyjna NPSHA w ogólnym przypadku układu pompowego ze zbiornikiem powyżej (a) lub poniżej (b) osi pompy. W każdym z możliwych przypadków układu pompowego występuje wielkość nadwyżki antykawitacyjnej, definiowanej równaniem (1). Jest to nadwyżka, jaką dysponuje układ, zwana rozporządzalna nadwyżką antykawitacyjna i oznaczana symbolem NPSHA (ang. available). Z bilansu energii właściwej układu w ogólnym przypadku wynika: NPSHA = (p d -p v )/qg - H zs - Δh s [m] (W podanych równaniach bilansu energetycznego pominięto liczbowo małą wysokość prędkości na wlocie w zbiorniku dolnym). Rozporządzalna nadwyżka antykawitacyjna jest funkcją wydajności, ponieważ wraz z wydajnością zmienia się wysokość strat hs. Maleje wraz z wydajnością tym silniej, im większe są straty przepływu. Charakter tej funkcji przedstawia rys. 4.

4 Rys. 4. Rozporządzalna nadwyżka antykawitacyjna NPSHA w funkcji wydajności. ODPOWIEDZIALNOŚĆ ZA WYSTĄPIENIE KAWITACJI Praca pompy w warunkach, w których nie grozi obniżenie charakterystyk, nie zapobiega występowaniu kawitacji w jej wcześniejszym stadium rozwoju. Po dłuższym czasie eksploatacji mogą ujawnić się ślady erozji kawitacyjnej, tym wyraźniejsze, im mniej odporne było tworzywo, z którego wykonano pompę. Wystąpić mogą ślady erozji w miejscach zwiększonej prędkości cieczy, np. w szczelinach dławiących (kawitacja szczelinowa) lub miejscowej depresji ciśnienia, np. za żebrem kierującym. Dążenie do eliminacji wszelkich objawów kawitacji, uzasadnione w instalacjach o szczególnej odpowiedzialności, wymaga określania wartości NPSHR z wielokrotnie większym zapasem bezpieczeństwa wobec wartości NPSH3. Wiąże się to z kosztami, np. stosowania pomp wstępnych do pomp zasilających lub sytuowania pomp znacznie poniżej poziomu w zbiorniku dolnym. Podawanie przez producenta pompy większej wartości wymaganej nadwyżki NPSHR nie zawsze leży w jego interesie. Jest porównywalne do deklarowania niższej sprawności pompy. Prowadzi do ograniczenia skutków kawitacji, lecz zmusza do zapewnienia większej dysponowanej nadwyżki antykawitacyjnej NPSHA, co nie zawsze jest możliwe, a niekiedy może eliminować oferowaną pompę na etapie projektu instalacji. Odpowiedzialność za spełnienie warunku pracy bezkawitacyjnej spoczywa na producencie pompy, projektancie układu pompowego i na użytkowniku. Obowiązkiem producenta jest określenie NPSHR z dostatecznym zapasem w zalecanym zakresie pracy pompy. Projektant jest odpowiedzialny za zapewnienie pompie dobranej do instalacji odpowiedniej rozporządzalnej nadwyżki antykawitacyjnej NPSHA w przewidywanych warunkach pracy. Ocena przyczyn licznych kłopotów w eksploatacji wskazuje na błędy popełniane przez projektantów. Podstawowym jest nieznajomość parametrów NPSH i zakładanie, że napływ eliminuje występowanie kawitacji. Powszechnie spotykanym błędem jest dobór pompy o zbyt wysokich parametrach, jak w przykładzie - rys. 5. Odpowiedzialność użytkownika pompy sprowadza się do eksploatacji w zadanych warunkach. Niestety na tym polu spotyka się liczne błędy, jak: powodowanie zwiększonych strat, np w zanieczyszczonych filtrach, koszach ssawnych itp.

5 pracę z dławieniem przez zawory po stronie ssania, pracę przy nadmiernie obniżonym poziomie lub ciśnieniu w zbiorniku dolnym, pracę poza zalecanym zakresem wydajności, np. podczas uruchamiania na pusty rurociąg tłoczny, pompowanie cieczy o innych właściwościach i temperaturze niż w projekcie, nieprzemyślane zmiany instalacji i warunków pracy. Przykład - kawitacja jako wynik błędnego doboru Na rysunku 5 pokazano przykład występowania kawitacji jako skutku złego doboru pompy cyrkulacyjnej. Do prawidłowej pracy instalacji o charakterystyce r wystarczyłaby pompa o charakterystyce p 1 (punkt pracy A). Zastosowanie większej pompy, ze zbyt dużym zapasem wysokości podnoszenia (charakterystyka p 2 ), co się często zdarza, powoduje pracę ze znacznie większą wydajnością (punkt B) już w warunkach kawitacji. Aby zmniejszyć wydajność (punkt C), tym samym unikając kawitacji, stosuje się dławienie zaworem lub kryzą, co powoduje znaczne straty energii, proporcjonalne do długości odcinka AC. Rys. 5. Pompa cyrkulacyjna dobrze dobrana (p 1 ) i ze zbyt dużym zapasem wysokości podnoszenia (p 2 ). PRĘDKOŚĆ OBROTOWA Pompy są zagrożone występowaniem kawitacji w tym większym stopniu, im większa jest ich prędkość obrotowa. Wartość NPSH3 zmienia się wraz z prędkością obrotową wg zależności: gdzie, na podstawie teorii podobieństwa, k = 2; wg niektórych autorów k < 2, np. k = 1,5. Na rys. 6 pokazano rzeczywiste krzywe NPSH3 (Q) jednej z produkowanych pomp, dla n 1 = 1450 obr/min (krzywa 1) i n 2 = 2900 obr/min (krzywa 2). Teoretyczna (krzywa 3) przedstawia wynik przeliczenia poszczególnych punktów krzywej 1 wg wzoru (3) dla k = 2. Znajomość zależności, określonej równaniem (3), ma znaczenie dla doboru pomp. Pozwala też przewidywać możliwość uniknięcia lub ograniczenia skutków kawitacji pompy źle dobranej przez obniżenie jej prędkości obrotowej.

6 Rys. 6. Zależność charakterystyki NPSH3 (Q) od prędkości obrotowej dla badanej pompy odśrodkowej, jednostopniowej, z wlotem osiowym. ZAKOŃCZENIE Zagadnienia kawitacji stanowią przedmiot licznych prac i publikacji. W czasopiśmie World Pumps" (kwiecień 2011) znajduje się artykuł pt. The NPSH performance indicator NPSH (71), w którym Edward Grist (autor monografii Cavitation and the centrifugal pump) przedstawia zalecenia do określania wymaganej nadwyżki antykawitacyjnej NPSHR. Jako podstawę przyjmuje wartości NPSH3 i omawia zależność doświadczalnego wyniku od sposobu wyznaczania, prędkości obrotowej i temperatury wody. Stwierdza: wyniki pomiarów obniżenia wysokości podnoszenia o 3% przez pomiar zależności H (NPSH) przy Q = const oraz przez pomiar zależności H (Q) przy zmiennej wartości NPSH3 są równoważne, wyniki pomiaru NPSH3 pompy są powtarzalne w zakresie wydajności od 0,5 do 1,2 Q opt, temperatury wody od 40 do 150 C, wyniki pomiarów wykonanych przy prędkości obrotowej 3600 min -1 mogą być przeliczane na prędkości od 900 do 5400 min -1 z technicznie dopuszczalnym błędem przy wykładniku potęgowym 2 (wzór 3), NPSHR pomp o prędkościach obrotowych większych od 5400 min -1 należy określać na podstawie badań fizycznych efektów kawitacji, a nie tylko wpływu na obniżenie charakterystyk, aby uniknąć obniżenia parametrów, należy przyjmować NPSHR > 1,3 NPSH3, aby ograniczyć do minimum skutki kawitacji (w tym erozję), należy przyjmować NPSHR > 2,5 NPSH3. Zamieszczenie artykułu w World Pumps" świadczy o celowości omawiania w przystępnej formie pojęcia NPSH, wciąż niedostatecznie zrozumiałego w praktyce, zwłaszcza projektowej. Warto podkreślić, że zgromadzona wiedza na temat kawitacji w pompach nie pozwala na daleko idące uogólnienia i ekstrapolacje. Wynika to z różnorodności konstrukcji pomp, szerokiego spektrum szybkobieżności i warunków ich stosowania. Dotyczy to zwłaszcza zasad doboru pomp do cieczy innych niż woda, np. produktów ropopochodnych, dla których określenie wartości NPSHR wymaga stosowania dodatkowych współczynników korygujących. Odrębne zagadnienia wiążą się z przypadkami szczególnymi, np. pompowaniem cieczy pieniących się, nieniutonowskich, o zmiennej temperaturze, pracą z celowo dopuszczonym silnym rozwojem kawitacji itp.

7 Autor: Waldemar Jędral, Piotr Świtalski Źródło: "Pompy Pompownie" (3/2011) KONTAKT ZPBiP CEDOS Sp. z o.o.