Prevalenza netta positiva all'aspirazione (N.P.S.H) e Cavitazione
Questo articolo tratta della Prevalenza Netta Positiva all'Aspirazione (NPSH) e della Cavitazione. Se desideri approfondire le pompe centrifughe, consulta il nostro articolo principale sulle Pompe Centrifughe.
Prevalenza netta positiva all'aspirazione disponibile (NPSHA)
Prevalenza netta positiva all'aspirazione o NPSH è un parametro per determinare se una pompa può operare correttamente con bassa pressione all'ingresso della pompa. Immagina che una pompa sia collegata a un serbatoio di aspirazione con un livello di liquido in calo (Figura 1). Il livello scende fino a coprire appena il tubo di aspirazione e la pompa continua a funzionare normalmente (B). Immagina che il livello possa scendere ulteriormente come se il livello fosse sotto la linea centrale della pompa, come accade quando una pompa sopra il livello del suolo è collegata a un pozzetto (C). Se il livello scende ulteriormente, la pressione all'aspirazione sarebbe inferiore a quella atmosferica. A un certo punto, se il livello continua a scendere, la pompa non sarà più in grado di funzionare come dovrebbe e ci sarà una riduzione del flusso e della pressione di scarico (D). A un certo livello del pozzetto, la pompa inizierà a cavitare.
Figura 1 Condizioni di Aspirazione della Pompa
Nota: una pompa che opera in una configurazione a pozzetto richiederà una valvola di fondo (valvola di non ritorno) per mantenere il liquido nel tubo di aspirazione ed evitare di dover riadescare la pompa quando è ferma.
Pressione Relativa e Assoluta
La quantità di pressione all'aspirazione della pompa è correlata a NPSHA. È comune utilizzare la scala di pressione assoluta (Figura 2). La prevalenza viene convertita in pressione assoluta utilizzando la seguente relazione:
Dove h: prevalenza in piedi o metri
SG: gravità specifica, densità del liquido rispetto all'acqua;
p: pressione in kPa o psi;
h: prevalenza statica in ft o m.
Le scale di pressione relativa e assoluta sono essenzialmente la stessa scala ma sono sfalsate di 14.7 psi (1 bar). Sulla scala imperiale, zero psi sulla scala relativa corrisponde a 14.7 psi sulla scala di pressione assoluta (Figura 2). Poiché i problemi con NPSH si verificano nella regione o pressioni inferiori a quella atmosferica, è utile utilizzare la scala di pressione assoluta.
Figura 2 Scale di Pressione Relativa e Assoluta
Prevalenza Netta Positiva all'Aspirazione Disponibile (NPSHA)
NPSHA è un termine che molte persone trovano difficile da comprendere in parte perché in certi settori NPSHA è raramente un problema e quindi le persone non hanno idea di quale valore dovrebbe avere. Prima di discutere i valori e la definizione esatta di NPSHA, cerchiamo di ottenere una comprensione intuitiva di NPSHA. NPSHA è una misura dell'energia specifica di pressione presente all'aspirazione della pompa. Maggiore è la pressione, maggiore è NPSHA e migliore sarà il funzionamento della pompa.
Prevalenza
Prevalenza è misurata in piedi in Nord America e in metri quasi ovunque. Un valore molto basso di NPSHA sarebbe di 3-4 piedi (1 m). Un valore tipico sarebbe intorno ai 36 piedi (11 m). Iniziamo a preoccuparci intorno ai 20 piedi (6 m). Con preoccuparci intendo che dobbiamo controllare la raccomandazione del produttore per NPSHR (NPSH Required) per quella pompa al nostro specifico tasso di flusso per assicurarci di essere sopra la loro raccomandazione. La formula per NPSHA è una definizione stabilita da quelle organizzazioni che pubblicano standard per le pompe, come l'Hydraulic Institute negli Stati Uniti (http://www.pumps.org/). Per quanto riguarda gli standard europei o di altri paesi, ogni paese ha i propri standard e rimando il lettore a:
https://www.pumpsandsystems.com/understand-european-pump-standards-organizations-processes I produttori membri dell'Hydraulic Institute hanno concordato di seguire questa definizione:
NPSHA = h - hf + ha - hva (1.2)
Dove:
h : la prevalenza statica di aspirazione in piedi o metri;
Ha: la pressione atmosferica in piedi o metri;
Hf: : la perdita di prevalenza per attrito in piedi o metri;
Hva : la pressione di vapore in piedi o metri.
È una definizione molto logica che include tutti i termini che influenzano la pressione all'ugello di aspirazione della pompa:
- La prevalenza statica (h) - positiva o negativa.
- La perdita per attrito (hf) nel tubo di aspirazione (negativa).
- La pressione atmosferica (ha), che è additiva.
- La pressione di vapore (hva) (negativa), che dipende dalla natura del fluido e dalla temperatura (la pressione di vapore sarà discussa più avanti nell'articolo).
Se il serbatoio di aspirazione è pressurizzato, cioè opera sopra la pressione atmosferica, allora la prevalenza di pressione aggiuntiva dovrà essere aggiunta alla prevalenza statica di aspirazione.
NPSHA = hpr + h - hf + ha - hva (1.3)
(se il serbatoio di aspirazione è pressurizzato)
Dove hpr è la prevalenza di pressione aggiuntiva sulla superficie del liquido nel serbatoio di aspirazione.
Figura 3 Componenti NPSHA nei Sistemi di Pompe
Perché la pressione atmosferica o barometrica è inclusa nella definizione di NPSH?
I sistemi di pompe funzionano ovunque sul pianeta. La pressione atmosferica preme sulla superficie del liquido nel serbatoio di aspirazione fornendo energia all'aspirazione della pompa. Tuttavia, poiché la pressione atmosferica non è la stessa ovunque, dobbiamo considerarla nei nostri calcoli di NPSHA. La pressione atmosferica varia con l'altitudine. Ad esempio, Johannesburg si trova a 5.200 piedi (1.585 m) di altitudine con una pressione atmosferica di 12 psia (83 kPaa), e Città del Messico si trova a 8.500 piedi (2.590 m) con 10.8 psig (74.5 kPaa) di pressione atmosferica. Queste piccole differenze possono essere significative in alcune applicazioni critiche (vedi l'appendice per i dati sulla pressione barometrica rispetto all'altitudine).
Perché la pressione atmosferica è inclusa nella definizione di un sistema di pompe con un serbatoio di aspirazione pressurizzato?
Quando il serbatoio viene pressurizzato per la prima volta, inizierà a zero pressione o alla pressione atmosferica locale. Pertanto, dobbiamo ancora includere la pressione atmosferica locale per tenere conto dell'altitudine della pompa.
La Figura 4 mostra la dimensione relativa dei valori dei componenti NPSHA in una situazione tipica in cui la pressione di vapore è piccola.
Figura 4 NPSHA – La Dimensione Relativa dei Vari Parametri NPSHA
In molte applicazioni la prevalenza di pressione di vapore (hva) è piccola rispetto ad altri termini NPSHA, ma non è sempre così. La perdita per attrito (hf) è solitamente piccola perché la linea di aspirazione è normalmente corta e di dimensioni generose. Il componente più grande è tipicamente la pressione atmosferica (ha) (34 piedi o 10.4 metri), che viene aggiunta alla prevalenza statica di aspirazione, l'altro componente più grande.
La combinazione di prevalenza statica e perdita per attrito è uno dei componenti principali di NPSHA. Possiamo calcolare questi termini, oppure possiamo misurare la pressione all'aspirazione della pompa, che combinerà gli effetti di entrambi i valori. Ma prima una digressione per spiegare cosa significherà la misurazione della pressione che prendiamo.
Cosa succede al flusso e alla pressione all'interno della pompa oltre il punto di misurazione?
La Figura 5 mostra che la pressione diminuisce considerevolmente quando il fluido entra nell'occhio della girante della pompa. Questo accade per diversi motivi:
- Velocità poiché il fluido si avvicina all'occhio aumenta, poiché l'area di flusso aumenta, il che provoca una diminuzione della pressione (principio di Bernoulli),
- Attrito diminuisce la pressione.
- Turbulenza del flusso riduce ulteriormente la pressione.
Figura 5 Variazione della Pressione in Diversi Punti Lungo il Percorso del Liquido
È possibile che la pressione locale possa essere abbastanza bassa da far bollire il liquido, o vaporizzare, al “Punto di Bassa Pressione” (D).
Il liquido bollirà a bassa pressione?
Ci sono due modi per far bollire un liquido. Un modo è aumentare la temperatura mantenendo costante la pressione fino a quando la temperatura è abbastanza alta da produrre bolle di vapore. Nella Figura 6, questo è ciò che accade se prendi un punto nella fase liquida e ti muovi orizzontalmente (cioè a pressione costante) aumentando la temperatura. Alla fine raggiungi la linea di vaporizzazione del particolare fluido e il fluido inizia a bollire, o produrre bolle di vapore. Facciamo la stessa cosa ogni giorno quando facciamo bollire l'acqua in una pentola. Per saperne di più sulla relazione tra volume e temperatura a pressione costante, consulta Legge di Charles.
Figura 6 Pressione di Vapore v Temperatura
L'altro modo per far bollire un liquido è abbassare la pressione. Se mantieni costante la temperatura e abbassi la pressione, il liquido bollirà come mostrato nella linea tratteggiata verticale nella Figura 6. Nella Figura 6, questo è ciò che accade se prendi un punto nella fase liquida e ti muovi verticalmente (cioè a temperatura costante) diminuendo la pressione. Ancora una volta, quando raggiungi la linea di vaporizzazione del particolare fluido, il fluido inizia a bollire o produrre bolle di vapore. E naturalmente, puoi attraversare la linea di pressione di vapore diminuendo la pressione e aumentando la temperatura contemporaneamente. Per saperne di più sulla relazione tra volume e pressione a temperatura costante, consulta Legge di Boyle.
Se la pentola fosse coperta e avessi una fonte di vuoto (vedi Figura 7), allora abbassando la pressione nella pentola saresti in grado di far bollire l'acqua a una temperatura inferiore. Quando la pressione è 7.5 psia (52 kPaa) o (14.7 – 7.5 = 7.2) o 7.2 psi (50 kPa) inferiore alla pressione atmosferica l'acqua bollirà a una temperatura di 180 °F (82 °C) e quando la pressione è 1.5 psia (10.3 kPaa) l'acqua bollirà a 120 °F (49 °C). Questo è ciò che accade all'aspirazione della pompa quando la pressione è abbastanza bassa da far vaporizzare il liquido.
Non è insolito che i processi industriali operino a temperature che sono vicine o superiori a 120 oF. Pertanto, se la temperatura è alta e la pressione si riduce quando il fluido entra nella pompa, aumenterà la probabilità che si verifichi cavitazione a causa della riduzione di pressione prodotta all'interno della pompa. Se la cavitazione si verifica o è sospettata, due possibili soluzioni sono:
- Aumentare la pressione all'ingresso della pompa (lato aspirazione).
- Ridurre la temperatura del fluido.
Figura 7 Liquidi in Ebollizione a Bassa Temperatura
La pressione alla quale un liquido vaporizza è conosciuta come pressione di vapore ed è sempre specificata per una data temperatura e per un liquido specifico (vedi un grafico delle pressioni di vapore per vari liquidi nell'appendice). Se la temperatura cambia, la pressione di vapore cambia.
Perché la pressione di vapore è importante?
Se la pressione nell'occhio della girante della pompa scende sotto la pressione di vapore del liquido, si verificherà cavitazione. La cavitazione inizia quando si formano bolle di vapore all'occhio della girante a causa di un calo di pressione. Le bolle si formano nella posizione di pressione più bassa all'ingresso della pompa (vedi Figura 5), che è appena prima che il fluido venga agito dalle alette della girante. Poi, quando le alette della girante iniziano ad agire sulle bolle con pressione, esse implodono rapidamente. L'implosione delle innumerevoli bolle di vapore produce piccole onde d'urto che impattano sulla superficie della girante e corrodono il metallo. Nel tempo, l'accumulo di corrosione crea aree erose che possono eventualmente portare a un guasto della girante.
Figura 8 Implosione delle Bolle di Vapore
Il suono della cavitazione è molto caratteristico e ricorda il suono di ghiaia in un miscelatore di calcestruzzo. Puoi ascoltare questo suono cliccando su questo link.
La Figura 9 mostra il danno che può verificarsi a un propulsore nel tempo durante la cavitazione; il propulsore mostrato ha subito una lieve erosione a causa della cavitazione.
Figura 9 Girante Danneggiata dalla Cavitazione
Poiché il livello del serbatoio di aspirazione può essere ovunque rispetto all'aspirazione della pompa, è utile utilizzare un piano di riferimento che sia sotto l'aspirazione della pompa e anche sotto il livello di un pozzetto. In questo modo possiamo utilizzare la stessa definizione per prevalenza statica (h1 – hs) e ottenere comunque il valore positivo o negativo appropriato per la prevalenza statica all'aspirazione della pompa.
NPSHA = h1-hs - hf + ha - hva (1.4)
Figura 10 I componenti di NPSHA per Serbatoi di Aspirazione Sopra e Sotto il Suolo
Questa è la formula generale per NPSHA basata su una misurazione della pressione all'aspirazione della pompa:
Dove:
g : l'accelerazione dovuta alla gravità, 32.17 ft/s2 in unità imperiali o 9.81 m/s2 in unità metriche;
ps : la pressione di aspirazione in psia o kPaa;
vs : la velocità all'aspirazione della pompa in ft/s o m/s;
pa : la pressione atmosferica in psia o kPaa;
pva : la pressione di vapore in psia o kPaa.
Nella parte 2, considereremo come i produttori di pompe determinano il requisito di NPSH (NPSHR).
Importanza di NPSH
NPSH è una situazione che molti progettisti non dovranno mai considerare perché molti liquidi come l'acqua o simili hanno una bassa pressione di vapore e la temperatura è bassa, ad esempio sotto i 110 oF. Tuttavia, nel caso di un serbatoio di aspirazione sotto il livello del suolo in combinazione con una pompa sopra il livello del suolo, la prevalenza statica è bassa e NPSHA dovrebbe essere considerata attentamente. Chiunque nel settore della lavorazione degli idrocarburi o delle industrie chimiche dovrà considerare attentamente la NPSH disponibile, poiché le proprietà dei prodotti chimici e dei liquidi di idrocarburi variano notevolmente rispetto all'acqua.
I produttori di pompe richiederanno sempre la NPSHA del tuo sistema di pompe indipendentemente dal caso (a meno che tu non stia richiedendo una pompa sommersa) come mezzo per proteggersi da potenziali problemi di aspirazione nella tua pianta. La NPSHA è l'ultima cosa che controllerai dopo aver progettato il tuo sistema di pompe e selezionato la tua pompa.
Figura A1 Pressione Barometrica v Altitudine
Figura A2 Pressione di Vapore per Vari Liquidi
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Risorse Aggiuntive
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