🍀" اهميت NPSH و راههاي مقابله با پديده #كاويتاسيون "🍀
🚩در اين مقاله ضمن بررسي دقيق و جامع پديده كاويتاسيون ، روشهائي عملي و كاربردي جهت جلوگيري از بروز اين پديده و همچنين اهميت NPSH در انتخاب پمپها و ملاحظاتي كه از زمان طراحي پمپ تا زمان بهره برداري از آن ، بايد مدنظر قرارداد ، ارائه ميگردد .
هنگاميكه مايع به درون چشم پروانه ( مجراي ورود به پروانه ) يك پمپ سانتريفيوژ وارد مي شود ، فشارش كاهش مي يابد . اگر فشار مطلق در مقطع چشم پروانه از فشار بخار مايع در همان درجه حرارت كاري پائين تر آيد ، در آن نقطه شروع به جوشيدن كرده و بطور برق آسا تبديل به بخار مي شود . وقتي اين حبابهاي بخار همراه مايع در امتداد پره هاي پروانه بحركت در مي آيند ، فشار رفته رفته افزايش يافته و اين حبابها تركيده و مجددا‌ً به مايع تبديل مي شوند . اين پدپده تشـكيـل و از بین رفتن حبابهاي بخاراصطلاحاً‌کاویتاسیون (حفره زايي ) ناميده مي شود بطور كلي تشكيل و از بين رفتن تعداد زيادي حباب بر روي يك سطح آزاد ، آنرا در معرض تنش شديد موضعي قرار مي دهد كه به نظر مي رسد بر اثر پدپده خستگي صدمه مي بيند . كاويتاسيون در پمپها اثرات بسيار نامطلوبي دارد كه از آن جمله مي توان به ايحاد سرو صداي غير طبيعي ناشي از ضربات هيدروليكي و ايجاد لرزش در پمپها ، كاهش راندمان پمپ ، نوساني شدن دبي خروجي ، افت فشار در #پمپ ، صدمات مكانيكي و خوردگي سايشي بر روي سطوح و قطعات داخلي پمپ از جمله پوسته ، پروانه و آب بندها ، اشاره كرد .NPSH
( ارتفاع مثبت خالص مكش ) نقش مهم و اساسي را در انتخاب پمپهايي كه درجه حرارت مايع ورودي به آنها بالاست ، ايفا مي كند . در واقع يك سيال زماني تبخير خواهد شدكه فشار آن خيلي كاهش و يا دماي آن خيلي افزايش يابد و NPSH به حداقل ميزان فشاري اطلاق مي گردد كه براي جلوگيري از پديده كاويتاسيون ، مورد نياز است .به منظور ممانعت از بروز پديده كاويتاسيون ، فشار سيستم مي بايست همواره در تمامي مراحل مكش ، ورود به پروانه و تخليه ، بالاتر از فشار بخار مايع در درجه حرارت كاري باشد
در تمامي پمپهاي سانتريفيوژ مي بايست حداقل فشار مورد نياز در قسمت ورودي پمپ كه براي جلوگيري از تبخير شدن سيال ( كاويتاسيون ) لازم مي باشد ، تعيين گردد كه اين فشار مكش به مشخصات طراحي پمپ بستگي دارد و مقدار آن توسط سازنده بر روي منحني عملكرد پمپ ارائه مي شود كه به آن NPSHR ( ارتفاع مثبت خالص مكش مورد نياز ) گويند . NPSHA ( ارتفاع مثبت خالص مكش موجود ) مقدار فشار مكشي است كه عملاً در سيستم موجود است و مقدار آن تابع شرايط سيستم پمپاژ است كه مي بايست همواره مقدار آن از NPSHR بالاتر باشد .
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🆔 @Mech_Engineering
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🍀يك تعريف ساده از NPSHA# بصورت رابطه زير بيان مي شود :
NPSHA=Atmospheric Pressure + Static Suction Head + Pressure Head – Vapor Pressure – Losses in the piping, Valves and fittings.
🍀 مقدار ( NPSHA ) را مي توان از فرمول زير برحسب فوت محاسبه كرد :
Pa = فشار منبع مكش ( Psia )
Pv= فشار بخار مايع #پمپ شونده در حداكثر درجه حرارت ممكن ( Psia )
Hs = فشار حاصل از ارتفاع سيال قبل از ورود به دهانه مكش پمپ ( ft ) . اين مقدار در صورتيكه مخزن مكش در ارتقاعي پائين از پمپ قرار گيرد ، منفي خواهد بود .
Hf = تلفات ناشي از اصطكاك در لوله مكش بازاء دبي مورد نياز ( ft ) .
s.g. = وزن مخصوص مايع پمپ شونده .
🍀روابط زير نيز براي تبديل فشار به هد سيال مورد استفاده قرار مي گيرند :
- Inches of mercury x 1.133 / s.g.= feet of liquid
- Millimeters of mercury / ( 22.4x s.g. ) = feet of liquid
- Pounds per square Inch x 2.31/ s.g. = feet of liquid
🍀حال به مثالي براي محاسبه NPSHA مي پردازيم :
مفروضات :
1- سيال چگاليده بخار ( Condensate )با دبي 200 gpm و در درجه حرارت (98.8°C) 210 °F
2- هد ( فشار ) استاتيك برابر 3 ft است .
3- فشار اتمسفر برابر 14.7 Psi مي باشد .
4- مخزن در سطح دريا و بصورت باز ( Vent ) در نظر گرفته مي شود .
5- لوله مكش به قطر 3" و بطول 1 ft و شامل يك زانوئي 90 ° و يك شير كشوئي( Gate Valve )
مي باشد .
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🆔 @Mech_Engineering
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🚩در اين مقاله ضمن بررسي دقيق و جامع پديده كاويتاسيون ، روشهائي عملي و كاربردي جهت جلوگيري از بروز اين پديده و همچنين اهميت NPSH در انتخاب پمپها و ملاحظاتي كه از زمان طراحي پمپ تا زمان بهره برداري از آن ، بايد مدنظر قرارداد ، ارائه ميگردد .
هنگاميكه مايع به درون چشم پروانه ( مجراي ورود به پروانه ) يك پمپ سانتريفيوژ وارد مي شود ، فشارش كاهش مي يابد . اگر فشار مطلق در مقطع چشم پروانه از فشار بخار مايع در همان درجه حرارت كاري پائين تر آيد ، در آن نقطه شروع به جوشيدن كرده و بطور برق آسا تبديل به بخار مي شود . وقتي اين حبابهاي بخار همراه مايع در امتداد پره هاي پروانه بحركت در مي آيند ، فشار رفته رفته افزايش يافته و اين حبابها تركيده و مجددا‌ً به مايع تبديل مي شوند . اين پدپده تشـكيـل و از بین رفتن حبابهاي بخاراصطلاحاً‌کاویتاسیون (حفره زايي ) ناميده مي شود بطور كلي تشكيل و از بين رفتن تعداد زيادي حباب بر روي يك سطح آزاد ، آنرا در معرض تنش شديد موضعي قرار مي دهد كه به نظر مي رسد بر اثر پدپده خستگي صدمه مي بيند . كاويتاسيون در پمپها اثرات بسيار نامطلوبي دارد كه از آن جمله مي توان به ايحاد سرو صداي غير طبيعي ناشي از ضربات هيدروليكي و ايجاد لرزش در پمپها ، كاهش راندمان پمپ ، نوساني شدن دبي خروجي ، افت فشار در #پمپ ، صدمات مكانيكي و خوردگي سايشي بر روي سطوح و قطعات داخلي پمپ از جمله پوسته ، پروانه و آب بندها ، اشاره كرد .NPSH
( ارتفاع مثبت خالص مكش ) نقش مهم و اساسي را در انتخاب پمپهايي كه درجه حرارت مايع ورودي به آنها بالاست ، ايفا مي كند . در واقع يك سيال زماني تبخير خواهد شدكه فشار آن خيلي كاهش و يا دماي آن خيلي افزايش يابد و NPSH به حداقل ميزان فشاري اطلاق مي گردد كه براي جلوگيري از پديده كاويتاسيون ، مورد نياز است .به منظور ممانعت از بروز پديده كاويتاسيون ، فشار سيستم مي بايست همواره در تمامي مراحل مكش ، ورود به پروانه و تخليه ، بالاتر از فشار بخار مايع در درجه حرارت كاري باشد
در تمامي پمپهاي سانتريفيوژ مي بايست حداقل فشار مورد نياز در قسمت ورودي پمپ كه براي جلوگيري از تبخير شدن سيال ( كاويتاسيون ) لازم مي باشد ، تعيين گردد كه اين فشار مكش به مشخصات طراحي پمپ بستگي دارد و مقدار آن توسط سازنده بر روي منحني عملكرد پمپ ارائه مي شود كه به آن NPSHR ( ارتفاع مثبت خالص مكش مورد نياز ) گويند . NPSHA ( ارتفاع مثبت خالص مكش موجود ) مقدار فشار مكشي است كه عملاً در سيستم موجود است و مقدار آن تابع شرايط سيستم پمپاژ است كه مي بايست همواره مقدار آن از NPSHR بالاتر باشد .
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🆔 @Mech_Engineering
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🍀يك تعريف ساده از NPSHA# بصورت رابطه زير بيان مي شود :
NPSHA=Atmospheric Pressure + Static Suction Head + Pressure Head – Vapor Pressure – Losses in the piping, Valves and fittings.
🍀 مقدار ( NPSHA ) را مي توان از فرمول زير برحسب فوت محاسبه كرد :
Pa = فشار منبع مكش ( Psia )
Pv= فشار بخار مايع #پمپ شونده در حداكثر درجه حرارت ممكن ( Psia )
Hs = فشار حاصل از ارتفاع سيال قبل از ورود به دهانه مكش پمپ ( ft ) . اين مقدار در صورتيكه مخزن مكش در ارتقاعي پائين از پمپ قرار گيرد ، منفي خواهد بود .
Hf = تلفات ناشي از اصطكاك در لوله مكش بازاء دبي مورد نياز ( ft ) .
s.g. = وزن مخصوص مايع پمپ شونده .
🍀روابط زير نيز براي تبديل فشار به هد سيال مورد استفاده قرار مي گيرند :
- Inches of mercury x 1.133 / s.g.= feet of liquid
- Millimeters of mercury / ( 22.4x s.g. ) = feet of liquid
- Pounds per square Inch x 2.31/ s.g. = feet of liquid
🍀حال به مثالي براي محاسبه NPSHA مي پردازيم :
مفروضات :
1- سيال چگاليده بخار ( Condensate )با دبي 200 gpm و در درجه حرارت (98.8°C) 210 °F
2- هد ( فشار ) استاتيك برابر 3 ft است .
3- فشار اتمسفر برابر 14.7 Psi مي باشد .
4- مخزن در سطح دريا و بصورت باز ( Vent ) در نظر گرفته مي شود .
5- لوله مكش به قطر 3" و بطول 1 ft و شامل يك زانوئي 90 ° و يك شير كشوئي( Gate Valve )
مي باشد .
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🆔 @Mech_Engineering
Ⓜ️Ⓜ️Ⓜ️📧📧📧📧
🍀با استفاده از جداول و نمودارهاي مربوطه ؛
- افت ناشي از اصطكاك و زبري جداره يك لوله آهني معادل 8.9 فوت در هر 100 فوت طول لوله مي باشد ( لوله مكش با ظرفيت 200 gpm و قطر 3" )
- براي افت در زانوئي و شير كشوئي بايد طول معادل از يك لوله مستقيم و نو محاسبه و منظور گردد ، كه نتيجتا‌ً خواهيم داشت :
Hf = ( 1.0+2.62+3.6) x 8.9 ft per 100 ft = 0.64 ft
Hs= 3.0 ft
Pa = Patm + Pgage = 14.7 +0 = 14.7 Psia
s.g.= 0.96 at 210 °F
Pv= 14.1 Psia at 210°F
🍀بنابراين پمپي كه براي اين مثال انتخاب مي شود بايد داراي NPSHR كمتر از 3.8 ft باشد تا از بروز پدپده كاويتاسيون ممانعت بعمل آيد .
به منظور ممانعت از بروز #كاويتاسيون بايد يا NPSHA را افزايش داد و يا NPSHR را كاهش داد و براي اين منظور راهكارهاي مختلفي وجود دارد كه از جمله مي توان به موارد ذيل اشاره كرد ؛
1- افزايش سطح سيال در مخزن .
2- بالا بردن مخزن .
3- افزايش فشار مخزن ( استفاده از سيستمهاي بسته / سيستمهاي تحت فشار )
4- قراردادن پمپ داخل گودال ( Pit ) .
5- كاهش افتهاي ناشي از #لوله كشي و #اتصالات ( كه مي توان با طراحي دقيق سيستم لوله كشي ، بكار بردن حداقل اتصالات ، طراحي مناسب قطر لوله ها و غيره ، افتهاي مربوطه را به حداقل رسانيد . )
6- تزريق مقدار كمي سيال خنك كننده به ورودي پمپ ( به منظور كمتر شدن فشار بخار ، مي توان سيال را از درون يك خنك كننده يا فلاش تانك عبور داد . )
7- عايق بندي مناسب لوله ها .
8- بكار بردن پمپهاي دو مكشه ( كه تا 25% مقدار NPSHR را كاهش مي دهد . )
9- بكار بردن پمپها با سرعت دوراني ( rpm ) پائين تر .
10- بكار بردن پمپها با مجراي ورودي ( چشم ) پروانه بزرگتر .
11- زاويه جريان ورودي به زاويه اي اطلاق مي شود كه تحت آن جريان سيال وارد پروانه مي شود . هر چند اين زاويه بزرگتر باشد بازده بيشتر است و هر چه اين زاويه كوچكتر باشد ، NPSHR پائين تر است . به همين دليل زاويه جريان درجه 17 با حدود 5 تا 7 پره بعنوان يك حد مرزي بين دو محدوده فوق در نظر گرفته مي شود .
12- در هر پمپ هر چه مقدار سرعت مخصوص مكش كمتر باشد ، مقدار NPSHR بالاتر خواهد بود . در موارديكه NPSHR پائين حائر اهميت است ، مقادير سرعت مخصوص مكش بسيار افزايش مي يابد كه به منظور دستيابي به چنين مقادير بالائي زاويه جريان تا كمتر از درجه 10 و تعداد پره هاي پروانه تا حداقل 4 پره كاهش مي يابد .
13- به منظور كاهش بيشتر NPSHR و به تبع آن افزايش بيشتر سرعت مخصوص مكش ، يك پروانه جريان محوري يا يك راه انداز ( Inducer) در جلوي پروانه سانتريفيوژ بكار گرفته مي شود . زاويه جريان اين پروانه ثانويه 5 تا 10 درجه و زاويه پره 3 تا 5 درجه بزرگتر است و تعداد پره‌هاي آن بين 2 تا 4 مي باشد .
14- جلوگيري از ورود هوا به داخل پمپ .
15- بكار بردن خط باي پس مناسب ( اگر خط باي پس خيلي نزديك به ورودي پمپ نصب گردد ، باعث افزايش دماي سيال ورودي خواهد شد . )
16- جلوگيري از اغتشاش ( Turbulence ) جريان سيال و فراهم نمودن شرايط عبور سيال در يك سرعت ثابت با استفاده از طول مناسب از لوله صاف ( ده برابر قطر ورودي ) مابين قسمت ورودي پمپ تا اولين اتصال .
17- بكارگيري چندين #پمپ كوچكتر بجاي استفاده از يك پمپ بزرگ ( هر قدر ظرفيت پمپ افزايش يابد مقدار NPSHR نيز افزايش خواهد يافت و دليل آن افزايش سرعت سيال مي باشد چرا كه مي دانيم ، هر وقت سرعت سيال افزايش يابد فشار يا هد كاهش خواهد يافت . )
مهندس پژمان نجم آبادي
- افت ناشي از اصطكاك و زبري جداره يك لوله آهني معادل 8.9 فوت در هر 100 فوت طول لوله مي باشد ( لوله مكش با ظرفيت 200 gpm و قطر 3" )
- براي افت در زانوئي و شير كشوئي بايد طول معادل از يك لوله مستقيم و نو محاسبه و منظور گردد ، كه نتيجتا‌ً خواهيم داشت :
Hf = ( 1.0+2.62+3.6) x 8.9 ft per 100 ft = 0.64 ft
Hs= 3.0 ft
Pa = Patm + Pgage = 14.7 +0 = 14.7 Psia
s.g.= 0.96 at 210 °F
Pv= 14.1 Psia at 210°F
🍀بنابراين پمپي كه براي اين مثال انتخاب مي شود بايد داراي NPSHR كمتر از 3.8 ft باشد تا از بروز پدپده كاويتاسيون ممانعت بعمل آيد .
به منظور ممانعت از بروز #كاويتاسيون بايد يا NPSHA را افزايش داد و يا NPSHR را كاهش داد و براي اين منظور راهكارهاي مختلفي وجود دارد كه از جمله مي توان به موارد ذيل اشاره كرد ؛
1- افزايش سطح سيال در مخزن .
2- بالا بردن مخزن .
3- افزايش فشار مخزن ( استفاده از سيستمهاي بسته / سيستمهاي تحت فشار )
4- قراردادن پمپ داخل گودال ( Pit ) .
5- كاهش افتهاي ناشي از #لوله كشي و #اتصالات ( كه مي توان با طراحي دقيق سيستم لوله كشي ، بكار بردن حداقل اتصالات ، طراحي مناسب قطر لوله ها و غيره ، افتهاي مربوطه را به حداقل رسانيد . )
6- تزريق مقدار كمي سيال خنك كننده به ورودي پمپ ( به منظور كمتر شدن فشار بخار ، مي توان سيال را از درون يك خنك كننده يا فلاش تانك عبور داد . )
7- عايق بندي مناسب لوله ها .
8- بكار بردن پمپهاي دو مكشه ( كه تا 25% مقدار NPSHR را كاهش مي دهد . )
9- بكار بردن پمپها با سرعت دوراني ( rpm ) پائين تر .
10- بكار بردن پمپها با مجراي ورودي ( چشم ) پروانه بزرگتر .
11- زاويه جريان ورودي به زاويه اي اطلاق مي شود كه تحت آن جريان سيال وارد پروانه مي شود . هر چند اين زاويه بزرگتر باشد بازده بيشتر است و هر چه اين زاويه كوچكتر باشد ، NPSHR پائين تر است . به همين دليل زاويه جريان درجه 17 با حدود 5 تا 7 پره بعنوان يك حد مرزي بين دو محدوده فوق در نظر گرفته مي شود .
12- در هر پمپ هر چه مقدار سرعت مخصوص مكش كمتر باشد ، مقدار NPSHR بالاتر خواهد بود . در موارديكه NPSHR پائين حائر اهميت است ، مقادير سرعت مخصوص مكش بسيار افزايش مي يابد كه به منظور دستيابي به چنين مقادير بالائي زاويه جريان تا كمتر از درجه 10 و تعداد پره هاي پروانه تا حداقل 4 پره كاهش مي يابد .
13- به منظور كاهش بيشتر NPSHR و به تبع آن افزايش بيشتر سرعت مخصوص مكش ، يك پروانه جريان محوري يا يك راه انداز ( Inducer) در جلوي پروانه سانتريفيوژ بكار گرفته مي شود . زاويه جريان اين پروانه ثانويه 5 تا 10 درجه و زاويه پره 3 تا 5 درجه بزرگتر است و تعداد پره‌هاي آن بين 2 تا 4 مي باشد .
14- جلوگيري از ورود هوا به داخل پمپ .
15- بكار بردن خط باي پس مناسب ( اگر خط باي پس خيلي نزديك به ورودي پمپ نصب گردد ، باعث افزايش دماي سيال ورودي خواهد شد . )
16- جلوگيري از اغتشاش ( Turbulence ) جريان سيال و فراهم نمودن شرايط عبور سيال در يك سرعت ثابت با استفاده از طول مناسب از لوله صاف ( ده برابر قطر ورودي ) مابين قسمت ورودي پمپ تا اولين اتصال .
17- بكارگيري چندين #پمپ كوچكتر بجاي استفاده از يك پمپ بزرگ ( هر قدر ظرفيت پمپ افزايش يابد مقدار NPSHR نيز افزايش خواهد يافت و دليل آن افزايش سرعت سيال مي باشد چرا كه مي دانيم ، هر وقت سرعت سيال افزايش يابد فشار يا هد كاهش خواهد يافت . )
مهندس پژمان نجم آبادي