Nettopositieve zuighoogte (N.P.S.H) en Cavitatie
Dit artikel behandelt Nettopositieve Zuighoogte (NPSH) en Cavitatie. Voor meer informatie over centrifugaalpompen, raadpleeg ons hoofdartikel over Centrifugaalpompen.
Nettopositieve zuighoogte beschikbaar (NPSHA)
Nettopositieve zuighoogte of NPSH is een maatstaf om te bepalen of een pomp normaal kan functioneren bij lage druk aan de zuigzijde van de pomp. Stel je voor dat een pomp is aangesloten op een zuigtank met een dalend vloeistofniveau (Figuur 1). Het niveau daalt totdat de vloeistof net de zuigleiding bedekt en de pomp nog steeds normaal functioneert (B). Stel je voor dat het niveau verder zou kunnen dalen alsof het niveau onder de middenlijn van de pomp zou liggen, zoals gebeurt wanneer een bovengrondse pomp is aangesloten op een put (C). Als het niveau verder daalt, zou de druk bij de zuiging lager zijn dan atmosferisch. Op een gegeven moment, als het niveau blijft dalen, zal de pomp niet meer kunnen functioneren zoals het hoort en zal er een vermindering van de stroom en de afvoerdruk zijn (D). Bij een bepaald putniveau zal de pomp beginnen te caviteren.
Figuur 1 Zuigomstandigheden van de pomp
Opmerking: een pomp die in een putconfiguratie werkt, heeft een voetklep (terugslagklep) nodig om de vloeistof in de zuigleiding te houden en te voorkomen dat de pomp opnieuw moet worden aangezogen wanneer deze wordt gestopt.
Relatieve en Absolute Druk
De hoeveelheid druk bij de zuiging van de pomp is gerelateerd aan NPSHA. Het is gebruikelijk om de absolute druk-schaal te gebruiken (Figuur 2). Hoogte wordt omgezet in absolute druk met behulp van de volgende relatie:
Waar h: hoogte in voeten of meter
SG: soortelijke massa, dichtheid van de vloeistof ten opzichte van water;
p: druk in kPa of psi;
h: statische hoogte in ft of m.
De relatieve en absolute drukschaal zijn in wezen dezelfde schaal, maar zijn verschoven met 14,7 psi (1 bar). Op de imperiale schaal komt nul psi op de relatieve schaal overeen met 14,7 psi op de absolute drukschaal (Figuur 2). Omdat de problemen met NPSH zich bevinden in het gebied van drukken onder atmosferisch, is het nuttig om de absolute drukschaal te gebruiken.
Figuur 2 Relatieve en Absolute Drukschaal
Nettopositieve Zuighoogte Beschikbaar (NPSHA)
NPSHA is een term die voor veel mensen moeilijk te begrijpen is, deels omdat in bepaalde industrieën NPSHA zelden een probleem is en mensen daarom geen idee hebben welke waarde het zou moeten hebben. Voordat we waarden en de exacte definitie van NPSHA bespreken, laten we een intuïtief begrip van NPSHA krijgen. NPSHA is een maat voor de drukspecifieke energie aanwezig bij de zuiging van de pomp. Hoe hoger de druk, hoe hoger de NPSHA en hoe beter de pomp zal werken.
Hoogte
Hoogte wordt gemeten in voeten in Noord-Amerika en in meters bijna overal elders. Een zeer lage waarde van NPSHA zou 3-4 voet (1 m) zijn. Een typische waarde zou rond de 36 voet (11 m) zijn. We beginnen ons zorgen te maken rond 20 voet (6 m). Met zorgen bedoel ik dat we de aanbeveling van de fabrikant voor NPSHR (NPSH Required) voor die pomp bij onze specifieke debiet moeten controleren om ervoor te zorgen dat we boven hun aanbeveling zitten. De formule voor NPSHA is een definitie die is vastgesteld door die organisaties die pompstandaarden publiceren, zoals het Hydraulic Institute in de VS (http://www.pumps.org/). Wat betreft Europese of andere landstandaarden, elk land heeft zijn eigen standaarden en ik verwijs de lezer naar:
https://www.pumpsandsystems.com/understand-european-pump-standards-organizations-processes De fabrikanten die lid zijn van het Hydraulic Institute hebben ermee ingestemd deze definitie te volgen:
NPSHA = h - hf + ha - hva (1.2)
Waar:
h : de zuig statische hoogte in voeten of meters;
Ha: de atmosferische druk hoogte in voeten of meters;
Hf: : het wrijvingsverlies in voeten of meters;
Hva : de dampdruk hoogte in voeten of meters.
Het is een zeer logische definitie die alle termen omvat die de druk bij de zuigmond van de pomp beïnvloeden:
- De statische hoogte (h) - positief of negatief.
- Het wrijvingsverlies (hf) in de zuigleiding (negatief).
- De atmosferische druk (ha), die additief is.
- De dampdruk (hva) (negatief), die afhankelijk is van de aard van de vloeistof en de temperatuur (dampdruk zal later in het artikel worden besproken).
Als de zuigtank onder druk staat, d.w.z. boven de atmosferische druk werkt, moet de extra drukhoogte worden toegevoegd aan de zuig statische hoogte.
NPSHA = hpr + h - hf + ha - hva (1.3)
(als de zuigtank onder druk staat)
Waar hpr de extra drukhoogte is op het oppervlak van de vloeistof in de zuigtank.
Figuur 3 NPSHA-componenten in pompsystemen
Waarom is atmosferische of barometrische drukhoogte opgenomen in de NPSH-definitie?
Pompsystemen draaien overal op de planeet. Atmosferische druk drukt op het vloeistofoppervlak van de zuigtank en levert energie aan de zuiging van de pomp. Omdat de atmosferische druk echter niet overal hetzelfde is, moeten we deze in onze NPSHA-berekeningen meenemen. Atmosferische druk varieert met de hoogte. Bijvoorbeeld, Johannesburg ligt op 5.200 voet (1.585 m) hoogte met een atmosferische druk van 12 psia (83 kPaa), en Mexico-Stad ligt op 8.500 voet (2.590 m) met 10,8 psig (74,5 kPaa) atmosferische druk. Deze kleine verschillen kunnen significant zijn in sommige kritische toepassingen (zie de bijlage voor gegevens over barometrische druk versus hoogte).
Waarom is atmosferische druk opgenomen in de definitie van een pompsysteem met een onder druk staande zuigtank?
Wanneer de tank voor het eerst onder druk wordt gezet, begint deze bij nul druk of de lokale atmosferische druk. Daarom moeten we nog steeds de lokale atmosferische druk opnemen om rekening te houden met de hoogte van de pomp.
Figuur 4 toont de relatieve grootte van de waarden van de NPSHA-componenten in een typische situatie waar de dampdruk klein is.
Figuur 4 NPSHA – De relatieve grootte van de verschillende NPSHA-parameters
In veel toepassingen is de dampdrukhoogte (hva) klein ten opzichte van andere NPSHA-termen, maar dat is niet altijd het geval. Het wrijvingsverlies (hf) is meestal klein omdat de zuigleiding normaal gesproken kort en royaal van formaat is. De grootste component is meestal de atmosferische druk (ha) (34 voet of 10,4 meter), die wordt toegevoegd aan de zuig statische hoogte, de andere grootste component.
De combinatie van statische hoogte en wrijvingsverlies is een van de belangrijkste componenten van NPSHA. We kunnen deze termen berekenen, of we kunnen de druk bij de zuiging van de pomp meten, wat de effecten van beide waarden zal combineren. Maar eerst een uitweiding om uit te leggen wat de drukmeting die we nemen zal betekenen.
Wat gebeurt er met de stroom en druk binnen de pomp voorbij het meetpunt?
Figuur 5 toont dat de druk aanzienlijk daalt wanneer de vloeistof het waaiervan oog van de pomp binnentreedt. Dit gebeurt om verschillende redenen:
- Snelheid neemt toe naarmate de vloeistof het oog nadert, omdat het stroomgebied toeneemt, wat een afname van de druk veroorzaakt (Principe van Bernoulli),
- Wrijving vermindert de druk.
- Stroomturbulentie vermindert de druk verder.
Figuur 5 Drukvariatie op verschillende punten langs het vloeistofpad
Het is mogelijk dat de lokale druk laag genoeg kan zijn om de vloeistof te laten koken, of flitsen, bij het “Lage Druk Punt” (D).
Zal de vloeistof koken bij lage druk?
Er zijn twee manieren om een vloeistof te koken. Een manier is om de temperatuur te verhogen terwijl de druk constant blijft totdat de temperatuur hoog genoeg is om dampbellen te produceren. In Figuur 6 is dit wat er gebeurt als je een punt in de vloeistoffase neemt en je horizontaal beweegt (dat wil zeggen bij constante druk) door de temperatuur te verhogen. Uiteindelijk bereik je de verdamplijn van de specifieke vloeistof en begint de vloeistof te koken, of dampbellen te produceren. We doen hetzelfde elke dag als we water in een pot koken. Om meer te leren over de relatie tussen volume en temperatuur bij constante druk, zie Wet van Charles.
Figuur 6 Dampdruk v Temperatuur
De andere manier om een vloeistof te koken is door de druk te verlagen. Als je de temperatuur constant houdt en de druk verlaagt, zal de vloeistof koken zoals weergegeven in de verticale stippellijn in Figuur 6. In Figuur 6 is dit wat er gebeurt als je een punt in de vloeistoffase neemt en je verticaal beweegt (dat wil zeggen bij constante temperatuur) door de druk te verlagen. Nogmaals, als je de verdamplijn van de specifieke vloeistof bereikt, begint de vloeistof te koken of dampbellen te produceren. En natuurlijk kun je de dampdruklijn overschrijden door de druk te verlagen en de temperatuur tegelijkertijd te verhogen. Om meer te leren over de relatie tussen volume en druk bij constante temperatuur, zie Wet van Boyle.
Als de pot bedekt was en je had een bron van vacuüm (zie Figuur 7), dan zou je door de druk in de pot te verlagen het water bij een lagere temperatuur kunnen laten koken. Wanneer de druk 7,5 psia (52 kPaa) of (14,7 – 7,5 = 7,2) of 7,2 psi (50 kPa) minder is dan de atmosferische druk, zal het water koken bij een temperatuur van 180 °F (82 °C) en wanneer de druk 1,5 psia (10,3 kPaa) is, zal het water koken bij 120 °F (49 °C). Dit is wat er gebeurt bij de zuiging van de pomp wanneer de druk laag genoeg is om de vloeistof te laten koken of te verdampen.
Het is niet ongebruikelijk dat industriële processen werken bij temperaturen die dicht bij of hoger zijn dan 120 oF. Daarom, als de temperatuur hoog is en de druk afneemt wanneer de vloeistof de pomp binnentreedt, zal dit de kans op cavitatie vergroten vanwege de drukverlaging die binnen de pomp wordt geproduceerd. Als cavitatie optreedt of wordt vermoed, zijn er twee mogelijke oplossingen:
- Verhoog de druk bij de inlaat van de pomp (zuigzijde).
- Verlaag de vloeistoftemperatuur.
Figuur 7 Koken van vloeistoffen bij lage temperatuur
De druk waarbij een vloeistof verdampt, staat bekend als de dampdruk en wordt altijd gespecificeerd voor een bepaalde temperatuur en voor een specifieke vloeistof (zie een grafiek van dampdrukken voor verschillende vloeistoffen in de bijlage). Als de temperatuur verandert, verandert de dampdruk.
Waarom is dampdruk belangrijk?
Als de druk in het waaiervan van de pomp onder de dampdruk van de vloeistof daalt, zal cavitatie optreden. Cavitatie begint als dampbellen zich vormen bij het waaiervan van de pomp vanwege een drukdaling. De bellen vormen zich op de positie van de laagste druk bij de inlaat van de pomp (zie Figuur 5), net voordat de vloeistof wordt beïnvloed door de waaierbladen. Vervolgens, wanneer de waaierbladen beginnen in te werken op de bellen met druk, imploderen ze snel. De implosie van de talloze dampbellen produceert kleine schokgolven die het oppervlak van de waaier raken en het metaal wegvreten. Na verloop van tijd creëert de opeenhoping van putjes geërodeerde gebieden die uiteindelijk kunnen leiden tot een waaierfalen.
Figuur 8 Implosie van dampbellen
Het geluid van cavitatie is zeer kenmerkend en lijkt op het geluid van grind in een betonmixer. U kunt dit geluid horen door op deze link te klikken.
Figuur 9 toont de schade die kan optreden aan een propeller na verloop van tijd tijdens cavitatie; de getoonde propeller heeft milde erosie opgelopen door cavitatie.
Figuur 9 Waaier beschadigd door cavitatie
Omdat het niveau van de zuigtank overal kan zijn ten opzichte van de zuiging van de pomp, is het nuttig om een referentievlak te gebruiken dat onder de zuiging van de pomp ligt en zelfs onder het niveau van een put. Op deze manier kunnen we dezelfde definitie gebruiken voor statische hoogte (h1 – hs) en toch de juiste positieve of negatieve waarde krijgen voor statische hoogte bij de zuiging van de pomp.
NPSHA = h1-hs - hf + ha - hva (1.4)
Figuur 10 De componenten van NPSHA voor boven- en ondergrondse zuigtanks
Dit is de algemene formule voor NPSHA op basis van een drukmeting bij de zuiging van de pomp:
Waar:
g : de versnelling door de zwaartekracht, 32,17 ft/s2 in imperiale eenheden of 9,81 m/s2 in metrische eenheden;
ps : de zuigdruk in psia of kPaa;
vs : de snelheid bij de zuiging van de pomp in ft/s of m/s;
pa : de atmosferische druk in psia of kPaa;
pva : de dampdruk in psia of kPaa.
In deel 2 zullen we bekijken hoe pompfabrikanten de NPSH-vereiste (NPSHR) bepalen.
Belang van NPSH
NPSH is een situatie waar veel ontwerpers nooit mee te maken zullen krijgen, omdat veel vloeistoffen zoals water of vergelijkbare vloeistoffen een lage dampdruk hebben en de temperatuur laag is, bijvoorbeeld onder 110 oF. In het geval van een ondergrondse zuigtank in combinatie met een bovengrondse pomp is de statische hoogte echter laag en moet NPSHA zorgvuldig worden overwogen. Iedereen in de koolwaterstofverwerking of chemische industrieën zal de beschikbare NPSH zorgvuldig moeten overwegen, aangezien de eigenschappen van chemicaliën en koolwaterstofvloeistoffen aanzienlijk variëren in vergelijking met water.
Pompfabrikanten zullen altijd de NPSHA van uw pompsysteem vragen, ongeacht het geval (tenzij u een ondergedompelde pomp aanvraagt) als een middel om zichzelf te beschermen tegen mogelijke zuigkopproblemen in uw fabriek. De NPSHA is het laatste dat u controleert na het ontwerpen van uw pompsysteem en het selecteren van uw pomp.
Figuur A1 Barometrische druk v Hoogte
Figuur A2 Dampdruk voor verschillende vloeistoffen
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Introductie tot Centrifugaalpompen
Hoe Werken Meertraps Centrifugaalpompen
Aanvullende Bronnen
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