NPSH и кавитация насосов
Расчёт располагаемого NPSH, предотвращение кавитации и проектирование всасывающей линии насоса.
Обзор
Чистое положительное давление на входе (NPSH) определяет, может ли насос работать без кавитации — образования и схлопывания паровых пузырьков, которые повреждают рабочие колёса и ухудшают производительность. Каждый центробежный насос имеет кривую требуемого NPSH (NPSHr), предоставленную производителем. Система должна обеспечивать доступный NPSH (NPSHa), который превышает NPSHr с достаточным запасом на всех рабочих точках.
Кавитация возникает, когда локальное статическое давление на входе в насос падает ниже давления насыщенного пара жидкости. Вспышка пара нарушает поток, создаёт шум и разрушает металлические поверхности. Правильное проектирование всасывающего трубопровода и возвышенные исходные резервуары являются основными инструментами для её предотвращения.
Ключевые формулы
Доступный NPSH (в форме абсолютного напора):
Коэффициент запаса NPSH (безразмерная проверка безопасности):
Напор давления пара:
Переменные
| Символ | Описание | Typical Unit |
|---|---|---|
| Absolute pressure at pump suction | Pa | |
| Vapor pressure of liquid at pumping temperature | Pa | |
| Liquid density | kg/m³ | |
| Gravitational acceleration (9.81) | m/s² | |
| Static suction head (+) or suction lift (−) | m | |
| Friction head loss in suction piping | m | |
| NPSHr | Required NPSH (from pump curve) | m |
Давление насыщенного пара воды
Точные значения необходимы для расчётов NPSHa. Давление насыщенного пара воды резко возрастает с температурой:
Температура (°C) | Давление насыщенного пара (kPa abs) |
|---|---|
| 10 | 1.23 |
| 20 | 2.34 |
| 30 | 4.25 |
| 40 | 7.38 |
| 50 | 12.35 |
| 60 | 19.94 |
| 70 | 31.19 |
| 80 | 47.39 |
| 90 | 70.14 |
| 100 | 101.33 |
Источник: engineeringtoolbox.com
Давление насыщенного пара воды в зависимости от температуры
Типовые рекомендации по запасу NPSH
Тип обслуживания | Мин. NPSHa / NPSHr |
|---|---|
| Общее водоснабжение | 1.1 |
| Горячая вода / конденсат | 1.3 |
| Углеводороды вблизи точки кипения | 1.5 |
| Питательная вода для котлов | 2 |
| Применения с низким напором на входе | 1.5 |
| Переменная скорость / широкий диапазон работы | 1.5 |
Источник: engineeringtoolbox.com
Калькулятор — оценка NPSHa
Доступный NPSH
Запас NPSH и конвертер единиц
Сохранённые исходные концепции
На исходной странице различаются напор на всасывании, напор давления пара жидкости, нетто-положительный напор на всасывании, доступный NPSH и требуемый NPSH. Для открытого всасывающего резервуара атмосферное давление создаёт положительный напор давления, давление пара вычитает напор пара, статический уровень жидкости добавляет или вычитает геометрический напор, а трение во всасывающем трубопроводе вычитает потери. Жидкости с растворённым газом могут кавитировать или выделять газ ещё до достижения предела давления пара чистой жидкости, поэтому горячая вода, углеводороды и газонасыщенные жидкости требуют дополнительного запаса.
Пример — перекачка воды из открытого резервуара
Для насоса, забирающего воду из открытого резервуара на уровне моря, атмосферное давление обеспечивает примерно 10,3 м водяного столба. Доступный NPSH уменьшается на напор давления пара жидкости, увеличивается или уменьшается в зависимости от всасывающего подпора или высоты всасывания, а также уменьшается на потери на трение во всасывающем трубопроводе.
Например, вода при 20 °C имеет давление пара около 2,3 кПа, что соответствует примерно 0,24 м водяного столба. При открытом резервуаре, оси насоса на 3 м ниже уровня воды и потерях на трение 0,5 м:
Если тот же насос установить с всасыванием высотой 3 м вместо подпорного всасывания, член геометрического напора станет отрицательным, и доступный NPSH снизится примерно до 6,56 м.
NPSH и жидкости с растворённым газом
Жидкости, содержащие растворённый воздух или другие газы, могут выделять газ при падении давления, даже не достигнув давления пара чистой жидкости. Выделение газа может снизить производительность насоса, вызвать шумную работу и имитировать симптомы кавитации. Поэтому горячая вода, конденсат, углеводороды и технологические жидкости, близкие к точке кипения, должны проектироваться с дополнительным запасом NPSH и консервативной всасывающей обвязкой.
Дегазация, переохлаждение жидкости, повышение уровня бака, повышение давления в отсасывающем сосуде, снижение скорости потока во всасывающей магистрали и уменьшение количества фитингов во всасывающем трубопроводе являются распространёнными способами улучшения NPSHa для жидкостей с высоким содержанием газа.
Восстановленные исходные таблицы
Следующие таблицы восстановлены с исходной страницы-источника для сохранения полных справочных данных.
Напор на всасывании и уменьшение высоты всасывания для воды в зависимости от температуры
oC (oC) | kN/m2, kPa (kN/m2, kPa) | m (m) | m (m) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0.6 | 0 | 10.3 |
| 5 | 0.9 | 0 | 10.2 |
| 10 | 1.2 | 0 | 10.2 |
| 15 | 1.7 | 0 | 10.2 |
| 20 | 2.3 | 0.1 | 10.1 |
| 25 | 3.2 | 0.2 | 10 |
| 30 | 4.3 | 0.3 | 9.9 |
| 35 | 5.6 | 0.4 | 9.8 |
| 40 | 7.7 | 0.7 | 9.5 |
| 45 | 9.6 | 0.8 | 9.4 |
| 50 | 12.5 | 1.1 | 9.1 |
| 55 | 15.7 | 1.5 | 8.7 |
| 60 | 20 | 1.9 | 8.3 |
| 65 | 25 | 2.3 | 7.8 |
| 70 | 32.1 | 3.1 | 7.1 |
| 75 | 38.6 | 3.8 | 6.4 |
| 80 | 47.5 | 4.7 | 5.5 |
| 85 | 57.8 | 5.8 | 4.4 |
| 90 | 70 | 7 | 3.2 |
| 95 | 84.5 | 8.5 | 1.7 |
| 100 | 101.33 | 10.2 | 0 |
Источник: engineeringtoolbox.com
Уменьшение высоты всасывания для воды в зависимости от высоты над уровнем моря
Высота над уровнем моря (м) | Уменьшение высоты всасывания (м) |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 250 | 0.3 |
| 500 | 0.6 |
| 750 | 0.89 |
| 1000 | 1.16 |
| 1250 | 1.44 |
| 1500 | 1.71 |
| 1750 | 1.97 |
| 2000 | 2.22 |
| 2250 | 2.47 |
| 2500 | 2.71 |
Источник: engineeringtoolbox.com
Напоры на всасывании при перекачке углеводородов
Fluid | Температура (°C) | Абс. давление насыщенного пара (кПа) |
|---|---|---|
| Ethanol | 20 | 5.9 |
| Ethanol | 65 | 58.2 |
| Ацетат метила | 20 | 22.8 |
| Methyl Acetate | 55 | 93.9 |
Источник: engineeringtoolbox.com
Исходные изображения
Следующие исходные изображения сохранены, чтобы не потерять визуальный справочный материал. Если изображение содержит графики или табличные данные, их извлечённые значения представлены в таблицах, калькуляторах или интерактивных графиках на странице; остальные изображения сохранены как визуальные ссылки на источники.
Характеристика системы насоса - интерактивное представление
Характеристика системы и зона максимального КПД насоса
Инженерные заметки
- Всегда используйте абсолютные давления. Распространённая ошибка — смешивать манометрические и абсолютные значения. Атмосферное давление ≈ 101.3 кПа абс на уровне моря.
- Горячие жидкости — самый большой риск. Давление насыщенного пара воды при 80 °C составляет ~47 кПа — почти половина атмосферного, что оставляет очень малый запас NPSHa в открытых системах.
- Учитывайте голову ускорения для поршневых (объёмных) насосов; пульсирующий поток создаёт дополнительное падение давления на стороне всасывания, которое не учитывается стационарным трением.
- Размер труб имеет значение. Недостаточный размер трубопровода всасывания увеличивает скоростной напор и потери на трение, что приводит к снижению NPSHa.
- Высота источника относительно насоса () измеряется от поверхности жидкости до оси насоса; затопленная схема (+) гораздо надёжнее, чем всасывание с подъёмом (−).
- Вязкие или жидкости с высокой плотностью увеличивают потери на трение и могут сдвинуть кривую NPSHr; обратитесь к производителю насоса за коэффициентами коррекции.
- Требования к глубине погружения на входе всасывания предотвращают завихрение и вовлечение воздуха, что эффективно снижает NPSHa, даже когда статический уровень кажется достаточным.