Чистая положительная высота всасывания

В гидравлическом контуре чистый положительный напор на всасывании ( NPSH ) может относиться к одной из двух величин при анализе кавитации :

1. Доступный NPSH (NPSH _A ): мера того, насколько близко жидкость в данной точке находится к вспышке и, следовательно, к кавитации. Технически это абсолютный напор за вычетом давления пара жидкости.
2. Требуемый NPSH (NPSH _R ): значение напора на стороне всасывания (например, на входе насоса), необходимое для предотвращения кавитации жидкости (предоставляется производителем).

NPSH особенно важен внутри центробежных насосов и турбин , которые являются частями гидравлической системы, наиболее уязвимыми для кавитации. В случае возникновения кавитации, то коэффициент лобового сопротивления из рабочего колеса лопастей будет увеличиваться резко-возможно остановить поток вообще-и длительное воздействие может привести к повреждению крыльчатки.

NPSH в насосе [ править ]

Простая гидравлическая насосная схема. Точка O - это свободная поверхность всасывания, а точка i - вход рабочего колеса.

В насосе кавитация сначала возникает на входе в рабочее колесо. ^[1] Обозначая вход i , NPSH _A в этой точке определяется как:

${\ displaystyle {\ text {NPSH}} _ {A} = \ left ({\ frac {p_ {i}} {\ rho g}} + {\ frac {V_ {i} ^ {2}} {2g}) } \ right) - {\ frac {p_ {v}} {\ rho g}}}$

где - абсолютное давление на входе, - средняя скорость на входе, - плотность жидкости, - ускорение свободного падения, - давление паров жидкости. Обратите внимание, что он эквивалентен сумме статического и динамического напора, то есть напора застоя, из которого вычитается напор, соответствующий равновесному давлению пара, то есть «чистый положительный напор на всасывании».${\ displaystyle p_ {i}}$${\ displaystyle V_ {i}}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle g}$${\ displaystyle p_ {v}}$

Применение первого закона термодинамики для контрольных объемов, охватывающих свободную поверхность всасывания 0 и вход насоса i , в предположении, что кинетическая энергия при 0 пренебрежимо мала, что жидкость невязкая и что плотность жидкости постоянна:

${\ displaystyle {\ frac {p_ {0}} {\ rho g}} + z_ {0} = {\ frac {p_ {i}} {\ rho g}} + {\ frac {V_ {i} ^ { 2}} {2g}} + z_ {i} + h_ {f}}$

Использование приведенного выше приложения Бернулли для исключения терминов скорости и местного давления в определении NPSH _A :

${\ displaystyle {\ text {Чистая положительная высота всасывания}} _ {A} = {\ frac {p_ {0}} {\ rho g}} - {\ frac {p_ {v}} {\ rho g}} - (z_ {i} -z_ {0}) - h_ {f}}$

Это стандартное выражение для доступного NPSH на данный момент. Кавитация произойдет в точке i, когда доступное значение NPSH меньше, чем NPSH, требуемое для предотвращения кавитации (NPSH _R ). Для простых систем с рабочим колесом NPSH _R может быть получено теоретически ^[2], но очень часто оно определяется эмпирически. ^[1] Примечание. NPSH _A и NPSH _R выражены в абсолютных единицах и обычно выражаются в «м» или «футах», а не в «фунтах на квадратный дюйм».

Экспериментально NPSH _R часто определяется как NPSH ₃ , точка, в которой напор насоса уменьшается на 3% при заданном расходе из-за снижения гидравлических характеристик. В многоступенчатых насосах это ограничено падением напора первой ступени до 3%. ^[3]

NPSH в турбине [ править ]

Расчет NPSH в реакционной турбине отличается от расчета NPSH в насосе, потому что точка, в которой впервые возникнет кавитация, находится в другом месте. В реакционной турбине кавитация сначала возникает на выходе из рабочего колеса, на входе в вытяжную трубу . ^[4] Обозначение входа в отсасывающую трубу буквой e означает , что NPSH _A определяется так же, как для насосов:

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$^[1]

Применяя принцип Бернулли от входа в отсасывающую трубу e до нижней свободной поверхности 0 , в предположении, что кинетическая энергия в точке 0 пренебрежимо мала, жидкость невязкая и плотность жидкости постоянна:

${\displaystyle {\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}}$

Использование приведенного выше приложения Бернулли для исключения терминов скорости и местного давления в определении NPSH _A :

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}}$

Обратите внимание, что в турбинах небольшие потери на трение ( ) уменьшают эффект кавитации - в отличие от того, что происходит в насосах.${\displaystyle h_{f}}$

Рекомендации по проектированию NPSH [ править ]

Давление паров сильно зависит от температуры, и , таким образом , чтобы оба будут NPSH _R и кавитационный . Центробежные насосы особенно уязвимы, особенно при перекачивании нагретого раствора, близкого к давлению пара, тогда как насосы прямого вытеснения меньше подвержены кавитации, поскольку они лучше способны перекачивать двухфазный поток (смесь газа и жидкости), однако получающийся скорость насоса будет уменьшена из-за того, что газ объемно вытесняет непропорциональную долю жидкости. Тщательная конструкция требуется для перекачивания высокотемпературных жидкостей с помощью центробежного насоса, когда жидкость близка к точке кипения.

Сильный коллапс кавитационного пузыря создает ударную волну, которая может отделить материал от внутренних компонентов насоса (обычно переднего края крыльчатки), и создает шум, часто описываемый как «перекачка гравия». Кроме того, неизбежное усиление вибрации может вызвать другие механические неисправности насоса и связанного с ним оборудования.

Связь с другими параметрами кавитации [ править ]

NPSH появляется в ряде других параметров, связанных с кавитацией. Коэффициент напора на всасе является безразмерным показателем NPSH:

${\displaystyle C_{\text{NPSH}}={\frac {g\cdot {\text{NPSH}}}{n^{2}D^{2}}}}$

Где - угловая скорость (в рад / с) вала турбомашины, а - диаметр рабочего колеса турбомашины. Число кавитации Томы определяется как:${\displaystyle n}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle \sigma ={\frac {\text{NPSH}}{H}}}$

Где голова поперёк турбомашины.${\displaystyle H}$

Некоторые общие примеры NPSH [ править ]

(на уровне моря).

Пример номер 1: резервуар с уровнем жидкости на 2 метра выше всасывания насоса, плюс атмосферное давление 10 метров, минус 2-метровые потери на трение в насосе (например, для труб и клапанов), минус кривая NPSH _R (скажем 2,5 метра) предварительно спроектированного насоса (см. Кривую производителя) = NPSH _A (доступный) 7,5 метров. (не забывая про расход). Это в 3 раза больше необходимого NPSH. Этот насос будет работать хорошо, пока все остальные параметры верны.

Помните, что режим положительного или отрицательного потока изменит показания на кривой NPSH _R производителя насоса . Чем ниже расход, тем ниже NPSH _R , и наоборот.

Подъем скважины также создаст отрицательный NPSH; однако помните, что атмосферное давление на уровне моря 10 метров! Это помогает нам, поскольку дает нам дополнительный импульс или «толчок» к забору насоса. (Помните, что у вас есть только 10 метров атмосферного давления в качестве бонуса и не более того!).

Пример № 2: Скважина или ствол с рабочим уровнем на 5 метров ниже забора, минус 2-метровые потери на трение в насосе (потери в трубе), минус кривая NPSH _R (например, 2,4 метра) предварительно спроектированного насоса = NPSH _A (в наличии) (отрицательный) -9,4 метра. Добавление атмосферного давления в 10 метров дает положительный NPSH _A, равный 0,6 метра. Минимальное требование - 0,6 метра выше NPSH _R ), поэтому насос должен подниматься из колодца.

Используя ситуацию из примера 2 выше, но перекачивание воды с температурой 70 градусов Цельсия (158F) из горячего источника, создающее отрицательный NPSH, дает следующее:

Пример № 3: Скважина или ствол, работающий при температуре 70 градусов Цельсия (158F) с рабочим уровнем на 5 метров ниже всасывания, минус 2-метровые потери на трение в насосе (потери в трубе), минус кривая NPSH _R (скажем, 2,4 метра) предварительно спроектированного насоса за вычетом потери температуры 3 метра / 10 футов = NPSH _A (доступный) (отрицательный) -12,4 метра. При добавлении атмосферного давления в 10 метров получается отрицательный NPSH _A, равный -2,4 метра.

Помня о том, что минимальное требование - 600 мм выше NPSH _R, поэтому этот насос не сможет перекачивать жидкость с температурой 70 градусов Цельсия, а также будет кавитация, потеря производительности и повреждение. Для эффективной работы насос должен быть закопан в землю на глубину 2,4 метра плюс требуемые минимум 600 мм, общая глубина ямы составляет 3 метра. (3,5 метра для полной безопасности).

Для правильной работы насоса требуется минимум 600 мм (0,06 бар) и рекомендуемое давление напора на 1,5 метра (0,15 бар ), «превышающее» значение давления NPSH _R, требуемое производителем.

Если большой насос был неправильно установлен с неправильным значением NPSH _R, может произойти серьезное повреждение, и это может привести к очень дорогостоящему ремонту насоса или установки.

Проблемы с NPSH могут быть решены путем изменения NPSH _R или повторной установки насоса.

Если NPSH _A составляет, скажем, 10 бар, то используемый вами насос будет выдавать на 10 бар больше на всей рабочей кривой насоса, чем указанная рабочая кривая.

Пример: насос с макс. напор 8 бар (80 метров) будет фактически работать при 18 бар, если NPSH _A составляет 10 бар.

т.е.: 8 бар (характеристика насоса) плюс 10 бар NPSH _A = 18 бар.

Это явление используют производители при разработке многоступенчатых насосов (насосов с более чем одним рабочим колесом). Каждое многослойное рабочее колесо усиливает последующее рабочее колесо, чтобы поднять напор. Некоторые насосы могут иметь до 150 ступеней и более для повышения напора до сотен метров.

Ссылки [ править ]