اهمیت NPSH و راههای مقابله باپدیده کاویتاسیون

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 بيــن رفتــن حـبابـهاي بـخـار اصـطلاحاً‌ كاويــتاسيــون ( 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 .

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.

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 .

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 :

H_f = ( 1.0+2.62+3.6) x 8.9 ft per 100 ft = 0.64 ft

H_s= 3.0 ft

P_a = P_atm + P_gage = 14.7 +0 = 14.7 Psia

s.g.= 0.96 at 210 °F

P_v= 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 . )