So lösen Sie NPSHa-Probleme
In den meisten realen NPSH-Problemen sind wir nicht die Person, die die anfängliche NPSHa-Berechnung für ein System durchführt und zunächst die Pumpe auswählt. Das wahrscheinlichere Szenario ist, dass wir mit einem bestehenden Systemproblem stecken bleiben und die zugehörige Pumpe auf ein kurzes und sehr teures Lebensende zusteuert. Die Schuldigen sind weg oder reden nicht.
Warum Kavitation eine schlechte Sache ist
Wenn nicht genügend NPSHa vorhanden ist, kavitiert die Pumpe. Kavitation führt zu Pumpenschäden und Leistungsminderung. Der Pumpenschaden äußert sich in Gleitringdichtungs- und Lagerschäden. In späteren Stadien kann es auch ein Laufrad zerstören. Jeder Schaden ist teuer.
Die meisten Leser wissen, dass Kavitation (klassisch) die Bildung von Dampfblasen in der Flüssigkeit ist. Diese Blasen bilden sich, weil der Druck auf die Flüssigkeit unter den Dampfdruck gefallen ist (NPSH erforderlich [NPSHr] übersteigt NPSHa). Dieses Problem tritt normalerweise in der Nähe des Auges des Laufrads auf, da dies der Bereich mit dem niedrigsten Druck im Ansaugsystem ist. Die Blasen kollabieren anschließend, wenn sie einen Bereich höheren Drucks bei etwa einem Drittel bis der Hälfte der Strecke entlang der Unterseite der Laufradschaufel erreichen. Die Bildung der Blasen verursacht wenig physikalischen Schaden. Kavitation beeinträchtigt die hydraulische Leistung der Pumpe. Der Kollaps der Blasen führt möglicherweise zu ernsthaften Schäden am Flügelrad.
Ich werde in einer zukünftigen Ausgabe einen Artikel veröffentlichen, in dem erklärt wird, wie Kavitation Schäden verursacht.
NPSH-Marge
Um Kavitation auszuschließen oder zu mindern, müssen Sie mehr NPSHa haben, als die Pumpe benötigt.
Gleichung 1
NPSHa ÷ NPSHr = NPSH-Spanne
Wo:
NPSHr ist auch gleich NPSH3
Wie viel NPSH-Spanne Sie benötigen, um Kavitation zu vermeiden, variiert je nach Anwendung. Je mehr Marge, desto besser. Richtlinien und Faustregeln sind so zahlreich und zuverlässig wie urbane Mythen. Ich empfehle Ihnen, die Spezifikation 9.6.1 des American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) zu lesen, um ein besseres Verständnis zu erlangen. Die Flüssigkeitseigenschaften und das Saugenergieniveau sind die Unterscheidungsmerkmale.
So reparieren Sie eine kavitierende Pumpe
Diese Frage wird mir häufig gestellt, und ich schlage normalerweise vor, einen Blick auf die NPSHa-Formel und ihre vier Komponenten für die Lösung zu werfen.
Mit jeder der vier Komponenten aus der Formel können Sie mögliche Lösungen zur Lösung des NPSHa-Problems abbilden.
Gleichung 2
NPSHa = ha - hvpa + hst - hf
Wo:
ha = der absolute Druck. Absoluter Druck, gemessen in Fuß der Förderhöhe der gepumpten Flüssigkeit an der Oberfläche der Flüssigkeit. Dies ist der barometrische Druck, wenn aus einem offenen Tank angesaugt wird, oder der absolute Druck, der in einem geschlossenen Tank wie einem Kondensator-Hotwell oder Entlüfter vorhanden ist.
hvpa = der Dampfdruck. Die Förderhöhe in Fuß entspricht dem Dampfdruck der Flüssigkeit bei der gepumpten Temperatur.
hst = die statische Förderhöhe der Flüssigkeit über der Mittellinie der Pumpe oder dem Laufradauge für eine geflutete Ansaugung in Fuß (positiver Wert für eine geflutete Ansaugung). Nicht alle Laufradmittellinien entsprechen der Pumpenmittellinie.
hf = der gesamte Reibungsverlust in Fuß über der Höhe für das saugseitige System.
Der erste Faktor in der Formel ist der absolute Druck (ha). Dieser Faktor ist immer positiv. Wenn die Saugquelle bereits zur Atmosphäre hin offen ist, können Sie wenig tun, da es sowohl unwahrscheinlich als auch unrealistisch ist, etwas innerhalb Ihrer Kontrolle zu ändern. Sie können den atmosphärischen Druck nicht ändern oder den Standort der Pumpe/des Systems in Bezug auf den Meeresspiegel auf eine niedrigere Höhe verlegen. Wenn es jedoch ein Problem gibt, hilft es Ihnen zu verstehen, warum die Pumpe kavitiert. Wenn das System geschlossen ist und unter Druck steht, besteht die Möglichkeit, den Druck zu erhöhen (daher die absolute Förderhöhe [ha]) in gewisser Weise. Meine Erfahrung mit Anlageneigentümern und -betreibern ist, dass eine Erhöhung des Saugdrucks des Systems aufgrund von Einschränkungen und/oder Einschränkungen mit höherer Priorität fast nie vorkommen wird.
Der zweite Faktor in der Formel ist der Dampfdruck (hvpa). Je höher die Temperatur, desto höher der Dampfdruck und desto höher die negative Wirkung. Nach meiner Erfahrung habe ich nur einen Fall erlebt, in dem der Kunde bereit oder in der Lage war, die Systemtemperatur zu reduzieren, aber es ist immer noch eine Frage, die gestellt werden muss. Schon wenige Grad können einen erheblichen Effekt haben.
Die dritte Komponente in der Formel ist die statische Förderhöhe (hst). Manchmal können Sie den Anlageneigentümer davon überzeugen, den Vorratstank (überflutete Situation) oder den Sumpf (Hebezustand) auf einem höheren Niveau zu halten. Wenn Sie Glück haben, können die wenigen Meter, die der statische Kopf erhöht wird, einen großen Unterschied machen. Ich war an einigen Fällen beteiligt, in denen die Pumpe auf eine niedrigere Ebene verlegt wurde, und in einem Fall wurde eine niedrigere Ebene für die Pumpe geschaffen. Diese Lösungen sind teuer.
Die vierte Komponente in der Formel ist der Reibungsfaktor (hf). Von allen Faktoren in der Formel hatte ich mehr „Glück“, den Systembesitzer davon zu überzeugen, die Saugleitung zu ersetzen oder zu modifizieren, um die Reibungskomponente zu reduzieren. Sie können die Rohrgröße erhöhen und möglicherweise die Anzahl der Bögen, T-Stücke und anderer Komponenten im Saugsystem reduzieren, um die Reibung zu minimieren.
Andere Möglichkeiten außerhalb der Formel
Wenn Sie den NPSHa nicht erhöhen können, können Sie vielleicht den NPSHr reduzieren.
Suchen Sie nach verschiedenen Pumpen- oder Laufradoptionen, die weniger NPSH erfordern. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Hersteller verschiedene Laufräder für dieselbe Pumpe mit unterschiedlichen NPSH-Anforderungen hat. Einige Hersteller bieten einen Inducer an, der in Verbindung mit dem Laufrad arbeitet, um den NPSHr zu reduzieren. Fügen Sie keinen Inducer ohne Rücksprache mit dem Hersteller hinzu, da Inducer auf das Laufrad abgestimmt werden müssen. Manchmal ist eine ganz andere Pumpe erforderlich.
Der Wechsel zu einem Laufrad mit Doppelansaugung (zwei Augen) wird das Problem erheblich verbessern, da der NPSHr um 50 Prozent reduziert wird.
Reduzieren Sie die Pumpendrehzahl, indem Sie entweder eine variable Drehzahl einbauen oder einfach eine Pumpe verwenden, die den Service (Durchfluss [Q] und Förderhöhe [TH]) bei einer niedrigeren Drehzahl abschließt. Die Einschränkung ist, dass die Pumpe (physisch) wahrscheinlich doppelt so groß sein wird wie die ursprüngliche Pumpe mit den damit verbundenen höheren Kosten.
In vielen Fällen besteht die Lösung darin, eine Druckerhöhungspumpe an der Saugseite der ersten Pumpe hinzuzufügen. In Kraftwerken und anderen Dampfsystemen ist es nicht ungewöhnlich, eine Kondensatpumpe zu haben, die zu einer Speise-Druckerhöhungspumpe pumpt, bevor die Flüssigkeit zur eigentlichen Speisepumpe gelangt.
Materialien
Manchmal können Sie nichts tun, um die Kavitation der Pumpe zu verhindern, daher besteht Ihre Option darin, das Symptom anstelle des Problems zu behandeln. Unterschiedliche Materialien bieten unterschiedliche Widerstandsbereiche gegenüber Kavitationsschäden. Außerdem bieten einige Materialien während eines Phänomens, das als kavitationsinduzierte Erosionskorrosion bezeichnet wird, einen besseren Schutz als andere.
Der Widerstand gegen Kavitationsschäden ist definiert als der Kehrwert der Volumenverlustrate für ein gegebenes Metall. Die mechanischen Eigenschaften des Materials, die Teil dieser Gleichung sind, sind Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Brinell-Härte, Elastizitätsmodul und Dehnungsenergie.
Die wichtigste Eigenschaft aus dieser Liste ist die Bruchdehnungsenergie der Metalle. Aus diesem Grund bieten Variationen von Aluminiumbronze und Duplex-Edelstählen eine bessere Beständigkeit als andere Materialien wie normaler Kohlenstoffstahl und Eisen. Beachten Sie, dass es als Post-Original Equipment Manufacturer (OEM)-Fix auch mehrere Beschichtungen gibt, die aufgetragen werden können. Bei der Verwendung von Beschichtungen empfehle ich den entscheidenden Satz und Ratschlag des Tages „caveat emptor“, aus dem Lateinischen für „Käufer aufgepasst“.
Bei Beschichtungen gibt es gute und schlechte und gute, die schlecht aufgetragen werden.
Nähe zum Best Efficiency Point (BEP)
Sehen Sie sich an, wo Sie auf der Pumpenkurve arbeiten (Förderhöhe und Durchfluss). Wenn zu weit nach rechts, gibt es eine Fehlanpassung mit dem System und der Pumpe. Der NPSHr steigt exponentiell an, wenn Sie sich nach rechts bewegen. Wenn Sie in der Kurve zu weit nach links fahren, können ähnliche Probleme auftreten. NPSHr steigt tatsächlich an, wenn Sie sich Bereichen mit niedrigen und minimalen Durchflussraten nähern. Dies wird auf den meisten Pumpenkurven nicht veröffentlicht.
Saugspezifische Geschwindigkeit (NSS)
In den 1970er Jahren wurden neue Anlagen oder Systeme mit einem immer strengeren Gebot entworfen, Geld zu sparen (manchmal über Zuverlässigkeit), insbesondere bei den anfänglichen Konstruktions- und Materialkosten. Als Kostensenkungsmaßnahme wurde der NPSHa der Systeme reduziert (denken Sie an kleinere und niedrigere Tanks und Pumpen auf höheren Ebenen). Die Anlageneigentümer/Käufer übten in der Folge zunehmenden Druck auf die Pumpenhersteller aus, Pumpen mit niedrigeren NPSH-Anforderungen zu konstruieren. Die einfachste und schnellste Lösung für die Pumpenhersteller war die Vergrößerung des Laufradauges. Die gute Nachricht war, dass der NPSHr reduziert wurde, aber die schlechte Nachricht war, dass die hydraulische Stabilität der Pumpe ebenfalls deutlich reduziert wurde, wenn und wenn der Betriebspunkt vom Bestpunkt abwich. Ich werde mehr darüber in einem späteren Artikel haben.
Notiz: Ebenfalls nicht diskutiert wird der „Kohlenwasserstoff-Korrekturfaktor“, der Gegenstand eines zukünftigen Artikels ist.
Fazit
Egal was passiert, Sie werden in Pumpenanwendungen involviert sein, ob neu oder bestehend, aus irgendeinem Aspekt, bei dem NPSH ein Faktor sein wird. Spätestens jetzt wissen Sie, warum Impeller große Augen haben, Tanks lange Beine haben und Pumpen an niedrigen Stellen hängen.
Tipps zur Berechnung des NPSHa
1. Berechnen Sie immer den NPSHa, wenn Sie eine Pumpe auswählen, anwenden oder Fehler beheben.
2. Arbeiten Sie immer in absoluten Werten.
3. Halten Sie die Einheiten konsistent. Ich empfehle, in Fuß über Kopf zu arbeiten, wenn Sie in US-Einheiten (USC) arbeiten, oder Meter über Kopf, wenn Sie metrische SI-Einheiten verwenden.
4. Verwenden Sie die NPSHa-Formel. Es ist dein Freund.
5. Berechnen Sie immer für die schlechteste Bedingung (am restriktivsten) im System.
6. Saugdruck ist nicht NPSHa.
7. Verwechseln Sie Submergenz nicht mit NPSHa. Für beides musst du rechnen.
8. Fast jedes Pumpenproblem liegt auf der Saugseite.
9. Dampfdruck ist nicht dein Freund. Kennen Sie immer die Flüssigkeitseigenschaften.
10. Im Vakuum herrscht immer noch ein gewisser Druck. Es liegt knapp unterhalb des atmosphärischen Drucks.
11. Für eine bestimmte Pumpe erfordert die gleiche Durchflussrate (Q) mit einem kleineren Laufrad mehr NPSH. Erwägen Sie, wenn möglich, ein größeres Laufrad zu verwenden. Beachten Sie, dass die gesamte dynamische Förderhöhe (TDH oder TH) unterschiedlich ist.
12. Wenn Sie Zweifel haben, kehren Sie zu dieser Artikelserie zurück oder nennen Sie Ihr „Pump-Telefon einen Freund“.