Querschnitt einer Kreiselpumpe

Netto-Positiv-Saugdruck (N.P.S.H) und Kavitation

Dieser Artikel behandelt den Netto-Positiv-Saugdruck (NPSH) und die Kavitation. Wenn Sie mehr über Kreiselpumpen erfahren möchten, lesen Sie bitte unseren Hauptartikel über Kreiselpumpen.

Verfügbarer Netto-Positiv-Saugdruck (NPSHA)

Netto-Positiv-Saugdruck oder NPSH ist ein Maß zur Bestimmung, ob eine Pumpe bei niedrigem Druck am Saugauge der Pumpe normal arbeiten kann. Stellen Sie sich vor, eine Pumpe ist mit einem Saugbehälter verbunden, dessen Flüssigkeitsstand sinkt (Abbildung 1). Der Stand sinkt, bis die Flüssigkeit gerade noch das Saugrohr bedeckt und die Pumpe immer noch normal arbeitet (B). Stellen Sie sich vor, der Stand könnte weiter sinken, als ob der Stand unterhalb der Mittellinie der Pumpe wäre, wie es der Fall ist, wenn eine oberirdische Pumpe mit einem Sumpf verbunden ist (C). Sinkt der Stand weiter, wäre der Druck am Saugauge niedriger als der atmosphärische Druck. Irgendwann, wenn der Stand weiter sinkt, kann die Pumpe nicht mehr wie vorgesehen arbeiten, und es kommt zu einer Reduzierung des Durchflusses und des Auslassdrucks (D). Bei einem bestimmten Sumpfstand beginnt die Pumpe zu kavitieren.

Abbildung 1 Pumpensaugbedingungen

Hinweis: Eine Pumpe, die in einer Sumpfkonfiguration arbeitet, benötigt ein Fußventil (Rückschlagventil), um die Flüssigkeit im Saugrohr zu halten und ein erneutes Ansaugen der Pumpe beim Stoppen zu vermeiden.

Relativer und absoluter Druck

Die Menge an Druck am Pumpensaugauge steht in Beziehung zum NPSHA. Es ist üblich, die absolute Druckskala zu verwenden (Abbildung 2). Förderhöhe wird in absoluten Druck umgerechnet, indem folgende Beziehung verwendet wird:

Wo h: Förderhöhe in Fuß oder Meter

SG: relative Dichte, Dichte der Flüssigkeit im Verhältnis zu Wasser;

p: Druck in kPa oder psi;

h: statische Förderhöhe in ft oder m.

Die relativen und absoluten Druckskalen sind im Wesentlichen dieselbe Skala, jedoch um 14,7 psi (1 bar) versetzt. Auf der imperialen Skala entspricht null psi auf der relativen Skala 14,7 psi auf der absoluten Druckskala (Abbildung 2). Da die Probleme mit NPSH im Bereich oder bei Drücken unterhalb des atmosphärischen Drucks liegen, ist es nützlich, die absolute Druckskala zu verwenden.

Abbildung 2 Relative und absolute Druckskalen

Verfügbarer Netto-Positiv-Saugdruck (NPSHA)

NPSHA ist ein Begriff, den die meisten Menschen schwer nachvollziehen können, teilweise weil in bestimmten Branchen NPSHA selten ein Thema ist und daher niemand eine Vorstellung davon hat, welchen Wert er haben sollte. Bevor wir über Werte und die genaue Definition von NPSHA sprechen, lassen Sie uns ein intuitives Verständnis von NPSHA gewinnen. NPSHA ist ein Maß für die druckspezifische Energie, die am Pumpensaugauge vorhanden ist. Je höher der Druck, desto höher der NPSHA und desto besser wird die Pumpe arbeiten.

Förderhöhe

Förderhöhe wird in Nordamerika in Fuß und fast überall sonst in Metern gemessen. Ein sehr niedriger Wert von NPSHA wäre 3-4 Fuß (1 m). Ein typischer Wert wäre etwa 36 Fuß (11 m). Wir beginnen uns bei etwa 20 Fuß (6 m) Sorgen zu machen. Mit Sorgen meine ich, dass wir die NPSHR (NPSH Required) Empfehlung des Herstellers für diese Pumpe bei unserem spezifischen Durchfluss überprüfen müssen, um sicherzustellen, dass wir über ihrer Empfehlung liegen. Die Formel für NPSHA ist eine Definition, die von den Organisationen festgelegt wird, die Pumpenstandards veröffentlichen, wie das Hydraulic Institute in den USA (http://www.pumps.org/). Bezüglich europäischer oder anderer Länderstandards hat jedes Land seine eigenen Standards und ich verweise den Leser auf:

https://www.pumpsandsystems.com/understand-european-pump-standards-organizations-processes Die Hersteller, die Mitglieder des Hydraulic Institute sind, haben sich darauf geeinigt, diese Definition zu befolgen:

NPSHA = h - h_f + h_a - h_va (1.2)

Wo:

h : die Saugstatische Förderhöhe in Fuß oder Metern;

H_a: die atmosphärische Druckhöhe in Fuß oder Metern;

H_f: : der Reibungsverlust in Fuß oder Metern;

H_va : die Dampfdruckhöhe in Fuß oder Metern.

Es ist eine sehr logische Definition, die alle Begriffe umfasst, die den Druck am Saugstutzen der Pumpe beeinflussen:

• Die statische Förderhöhe (h) - positiv oder negativ.
• Der Reibungsverlust (h_f) im Saugrohr (negativ).
• Der atmosphärische Druck (h_a), der additiv ist.
• Der Dampfdruck (h_va) (negativ), der von der Art der Flüssigkeit und der Temperatur abhängt (der Dampfdruck wird später im Artikel behandelt).

Wenn der Saugbehälter unter Druck steht, d.h. über dem atmosphärischen Druck arbeitet, muss die zusätzliche Druckhöhe zur statischen Förderhöhe hinzugefügt werden.

NPSHA = h_pr + h - h_f + h_a - h_va (1.3)

(wenn der Saugbehälter unter Druck steht)

Wo h_pr die zusätzliche Druckhöhe auf der Oberfläche der Flüssigkeit im Saugbehälter ist.

Abbildung 3 NPSHA-Komponenten in Pumpensystemen

Warum ist der atmosphärische oder barometrische Druck in der NPSH-Definition enthalten?

Pumpensysteme laufen überall auf der Welt. Der atmosphärische Druck drückt auf die Flüssigkeitsoberfläche des Saugbehälters und liefert Energie an das Pumpensaugauge. Da der atmosphärische Druck jedoch nicht überall gleich ist, müssen wir ihn in unsere NPSHA-Berechnungen einbeziehen. Der atmosphärische Druck variiert mit der Höhe. Zum Beispiel liegt Johannesburg auf 5.200 Fuß (1.585 m) Höhe mit einem atmosphärischen Druck von 12 psia (83 kPaa), und Mexiko-Stadt liegt auf 8.500 Fuß (2.590 m) mit 10,8 psig (74,5 kPaa) atmosphärischem Druck. Diese kleinen Unterschiede können in einigen kritischen Anwendungen signifikant sein (siehe Anhang für Daten zum barometrischen Druck im Verhältnis zur Höhe).

Warum ist der atmosphärische Druck in der Definition eines Pumpensystems mit einem unter Druck stehenden Saugbehälter enthalten?

Wenn der Behälter zuerst unter Druck gesetzt wird, beginnt er bei null Druck oder dem lokalen atmosphärischen Druck. Daher müssen wir den lokalen atmosphärischen Druck immer noch einbeziehen, um die Höhe der Pumpe zu berücksichtigen.

Abbildung 4 zeigt die relative Größe der Werte der NPSHA-Komponenten in einer typischen Situation, in der der Dampfdruck gering ist.

Abbildung 4 NPSHA – Die relative Größe der verschiedenen NPSHA-Parameter

In vielen Anwendungen ist die Dampfdruckhöhe (h_va) im Vergleich zu anderen NPSHA-Begriffen gering, aber das ist nicht immer der Fall. Der Reibungsverlust (h_f) ist normalerweise gering, da die Saugleitung normalerweise kurz und großzügig dimensioniert ist. Die größte Komponente ist typischerweise der atmosphärische Druck (h_a) (34 Fuß oder 10,4 Meter), der zur statischen Förderhöhe der Saugseite hinzugefügt wird, die andere größte Komponente.

Die Kombination aus statischer Förderhöhe und Reibungsverlust ist eine der Hauptkomponenten von NPSHA. Wir können diese Begriffe berechnen oder den Druck am Pumpensaugauge messen, der die Auswirkungen beider Werte kombiniert. Aber zuerst ein Exkurs, um zu erklären, was die von uns gemessene Druckmessung bedeuten wird.

Was passiert mit dem Durchfluss und Druck innerhalb der Pumpe nach dem Messpunkt?

Abbildung 5 zeigt, dass der Druck erheblich abfällt, wenn die Flüssigkeit in das Laufrad der Pumpe eintritt. Dies geschieht aus mehreren Gründen:

1. Geschwindigkeit steigt, wenn die Flüssigkeit das Auge erreicht, da die Durchflussfläche zunimmt, was zu einem Druckabfall führt (Bernoulli-Prinzip),
2. Reibung verringert den Druck.
3. Strömungsturbulenzen verringern den Druck weiter.

Abbildung 5 Druckvariation an mehreren Punkten entlang des Flüssigkeitspfads

Es ist möglich, dass der lokale Druck niedrig genug ist, damit die Flüssigkeit siedet oder blitzt am „Niederdruckpunkt“ (D).

Die Flüssigkeit wird bei niedrigem Druck sieden?

Es gibt zwei Wege, um eine Flüssigkeit zum Sieden zu bringen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Temperatur zu erhöhen, während der Druck konstant gehalten wird, bis die Temperatur hoch genug ist, um Dampfblasen zu erzeugen. In Abbildung 6 ist dies der Fall, wenn Sie einen Punkt in der flüssigen Phase nehmen und sich horizontal bewegen (d.h. bei konstantem Druck), indem Sie die Temperatur erhöhen. Schließlich erreichen Sie die Verdampfungslinie der jeweiligen Flüssigkeit und die Flüssigkeit beginnt zu sieden oder Dampfblasen zu erzeugen. Wir tun dasselbe jeden Tag, wenn wir Wasser in einem Topf kochen. Um mehr über die Beziehung von Volumen und Temperatur bei konstantem Druck zu erfahren, siehe Charles' Gesetz.

Abbildung 6 Dampfdruck vs. Temperatur

Der andere Weg, um eine Flüssigkeit zum Sieden zu bringen, besteht darin, den Druck zu senken. Wenn Sie die Temperatur konstant halten und den Druck senken, wird die Flüssigkeit sieden, wie in der vertikalen gestrichelten Linie in Abbildung 6 gezeigt. In Abbildung 6 ist dies der Fall, wenn Sie einen Punkt in der flüssigen Phase nehmen und sich vertikal bewegen (d.h. bei konstanter Temperatur), indem Sie den Druck senken. Wiederum, wenn Sie die Verdampfungslinie der jeweiligen Flüssigkeit erreichen, beginnt die Flüssigkeit zu sieden oder Dampfblasen zu erzeugen. Und natürlich können Sie die Verdampfungslinie überschreiten, indem Sie den Druck senken und gleichzeitig die Temperatur erhöhen. Um mehr über die Beziehung von Volumen und Druck bei konstanter Temperatur zu erfahren, siehe Boyle's Gesetz.

Wenn der Topf abgedeckt wäre und Sie eine Vakuumquelle hätten (siehe Abbildung 7), könnten Sie durch Senken des Drucks im Topf das Wasser bei einer niedrigeren Temperatur zum Sieden bringen. Wenn der Druck 7,5 psia (52 kPaa) oder (14,7 – 7,5 = 7,2) oder 7,2 psi (50 kPa) weniger als der atmosphärische Druck beträgt, wird das Wasser bei einer Temperatur von 180 °F (82 °C) sieden und wenn der Druck 1,5 psia (10,3 kPaa) beträgt, wird das Wasser bei 120 °F (49 °C) sieden. Dies geschieht am Pumpensaugauge, wenn der Druck niedrig genug ist, um die Flüssigkeit zu verdampfen.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass industrielle Prozesse bei Temperaturen betrieben werden, die nahe oder höher als 120 ^oF sind. Daher, wenn die Temperatur hoch ist und der Druck abnimmt, wenn die Flüssigkeit in die Pumpe eintritt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass Kavitation auftritt, aufgrund des Druckabfalls, der innerhalb der Pumpe erzeugt wird. Wenn Kavitation auftritt oder vermutet wird, sind zwei mögliche Lösungen:

1. Erhöhen Sie den Druck am Pumpeneinlass (Saugseite).
2. Senken Sie die Flüssigkeitstemperatur.

Abbildung 7 Siedende Flüssigkeiten bei niedriger Temperatur

Der Druck, bei dem eine Flüssigkeit verdampft, wird als Dampfdruck bezeichnet und ist immer für eine gegebene Temperatur und für eine bestimmte Flüssigkeit angegeben (siehe Diagramm der Dampfdrucke für verschiedene Flüssigkeiten im Anhang). Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich der Dampfdruck.

Warum ist der Dampfdruck wichtig?

Wenn der Druck im Laufradauge der Pumpe unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt, tritt Kavitation auf. Kavitation beginnt, wenn sich Dampfblasen am Laufradauge aufgrund eines Druckabfalls bilden. Die Blasen bilden sich an der Stelle des niedrigsten Drucks am Pumpeneinlass (siehe Abbildung 5), kurz bevor die Flüssigkeit von den Laufradschaufeln beeinflusst wird. Dann, wenn die Laufradschaufeln beginnen, auf die Blasen mit Druck einzuwirken, implodieren sie schnell. Die Implosion der unzähligen Dampfblasen erzeugt kleine Stoßwellen, die auf die Laufradoberfläche treffen und das Metall abtragen. Im Laufe der Zeit führt die Ansammlung von Lochfraß zu erodierten Bereichen, die schließlich zu einem Laufradversagen führen können.

Abbildung 8 Implosion von Dampfblasen

Das Geräusch der Kavitation ist sehr charakteristisch und ähnelt dem Geräusch von Kies in einem Betonmischer. Sie können dieses Geräusch hören, indem Sie auf diesen Link klicken.

Abbildung 9 zeigt den Schaden, der an einem Propeller im Laufe der Zeit während der Kavitation auftreten kann; der gezeigte Propeller hat aufgrund von Kavitation einen leichten Verschleiß erlitten.

Abbildung 9 Laufrad durch Kavitation beschädigt

Da der Saugbehälterstand überall in Bezug auf das Pumpensaugauge sein kann, ist es nützlich, eine Referenzebene zu verwenden, die unterhalb des Pumpensaugauges und sogar unterhalb des Niveaus eines Sumpfes liegt. Auf diese Weise können wir dieselbe Definition für statische Förderhöhe (h₁ – h_s) verwenden und dennoch den entsprechenden positiven oder negativen Wert für die statische Förderhöhe am Pumpensaugauge erhalten.

NPSHA = h₁-h_s - h_f + h_a - h_va (1.4)

Abbildung 10 Die Komponenten von NPSHA für ober- und unterirdische Saugbehälter

Dies ist die allgemeine Formel für NPSHA basierend auf einer Druckmessung am Pumpensaugauge:

Wo:

g : die Erdbeschleunigung, 32,17 ft/s² in imperialen Einheiten oder 9,81 m/s² in metrischen Einheiten;

p_s : der Saugdruck in psia oder kPaa;

v_s : die Geschwindigkeit am Pumpensaugauge in ft/s oder m/s;

p_a : der atmosphärische Druck in psia oder kPaa;

p_va : der Dampfdruck in psia oder kPaa.

In Teil 2 werden wir betrachten, wie Pumpenhersteller die NPSH-Anforderung (NPSHR) bestimmen.

Bedeutung von NPSH

NPSH ist eine Situation, die viele Designer nie berücksichtigen müssen, da viele Flüssigkeiten wie Wasser oder ähnliche einen niedrigen Dampfdruck haben und die Temperatur niedrig ist, zum Beispiel unter 110 ^oF. Im Fall eines unterirdischen Saugbehälters in Verbindung mit einer oberirdischen Pumpe ist die statische Förderhöhe jedoch gering und NPSHA sollte sorgfältig berücksichtigt werden. Jeder in der Kohlenwasserstoffverarbeitung oder chemischen Industrie muss den verfügbaren NPSH sorgfältig berücksichtigen, da die Eigenschaften von Chemikalien und Kohlenwasserstoffflüssigkeiten im Vergleich zu Wasser erheblich variieren.

Pumpenhersteller werden immer den NPSHA Ihres Pumpensystems anfordern, egal um welchen Fall es sich handelt (es sei denn, Sie fordern eine eingetauchte Pumpe an), als Mittel, um sich vor potenziellen Saugkopfproblemen in Ihrer Anlage zu schützen. Der NPSHA ist das Letzte, was Sie überprüfen, nachdem Sie Ihr Pumpensystem entworfen und Ihre Pumpe ausgewählt haben.  

Abbildung A1 Barometrischer Druck vs. Höhe

Abbildung A2 Dampfdruck für verschiedene Flüssigkeiten

Zusätzliche Ressourcen

https://www.pumpsandsystems.com/topics/understanding-npsh-npsh-definitions

https://en.wikipedia.org/wiki/Net_positive_suction_head

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/centrifugal-pump