Чистая положительная высота всасывания - Net positive suction head

Эта статья посвящена чистому положительному напору на всасывании. Резьбу муфты пожарного шланга см. Глоссарий противопожарного оборудования § N.

В гидравлический схема, чистый положительный напор всасывания (NPSH) может относиться к одной из двух величин при анализе кавитация:

1. Доступный NPSH (NPSH_А): мера того, насколько близко жидкость в данной точке мигающий, и так к кавитации. Технически это абсолютный напор за вычетом давления пара жидкости.
2. Требуемый NPSH (NPSH_р): значение напора на стороне всасывания (например, на входе насоса), необходимое для предотвращения кавитации жидкости (предоставляется производителем).

NPSH особенно актуален внутри центробежные насосы и турбины, которые являются частями гидравлической системы, наиболее уязвимыми для кавитации. В случае кавитации коэффициент трения из крыльчатка количество лопастей резко возрастет - возможно, поток полностью остановится - а продолжительное воздействие приведет к повреждению крыльчатки.

NPSH в насосе

Простая гидравлическая насосная схема. Точка O - это свободная поверхность всасывания, а точка i - вход рабочего колеса.

В насосе кавитация сначала возникает на входе в рабочее колесо.^[1] Обозначая вход через я, NPSH_А на данный момент определяется как:

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$

куда ${\displaystyle p_{i}}$ это абсолютное давление на входе, ${\displaystyle V_{i}}$ - средняя скорость на входе, ${\displaystyle \rho }$ плотность жидкости, ${\displaystyle g}$ ускорение свободного падения и ${\displaystyle p_{v}}$ это давление газа жидкости. Обратите внимание, что он эквивалентен сумме статического и динамического напора, то есть напора застоя, из которого вычитается напор, соответствующий равновесному давлению пара, то есть «чистый положительный напор на всасывании».

Применяя первый закон термодинамики для контрольных объемов, охватывающих свободную поверхность всасывания 0 и вход насоса я, в предположении, что кинетическая энергия при 0 пренебрежимо мало, что жидкость невязкий, и что плотность жидкости постоянна:

${\displaystyle {\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}={\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}+z_{i}+h_{f}}$

Использование приведенного выше приложения Бернулли для исключения терминов скорости и местного давления в определении NPSH_А:

${\displaystyle {\text{Net Positive Suction Head}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{i}-z_{0})-h_{f}}$

Это стандартное выражение для доступного NPSH на данный момент. Кавитация произойдет в точке я когда доступный NPSH меньше NPSH, необходимого для предотвращения кавитации (NPSH_р). Для простых импеллерных систем, NPSH_р можно получить теоретически,^[2] но очень часто это определяется опытным путем.^[1] Примечание NPSH_Аи NPSH_р выражаются в абсолютных единицах и обычно выражаются в «м» или «футах», а не в «фунтах на квадратный дюйм».

Экспериментально NPSH_р часто определяется как NPSH₃, точка, в которой напор насоса уменьшается на 3% при заданном расходе из-за снижения гидравлических характеристик. В многоступенчатых насосах это ограничено падением напора первой ступени до 3%.^[3]

NPSH в турбине

Расчет NPSH в реакционная турбина отличается от расчета NPSH в насосе, потому что точка, в которой сначала возникает кавитация, находится в другом месте. В реакционной турбине кавитация сначала возникает на выходе из рабочего колеса, на входе в вытяжной трубы.^[4] Обозначив вход в вытяжную трубу как е, NPSH_А определяется так же, как и для насосов:

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$^[1]

Применение Принцип Бернулли от входа в вытяжную трубу е на нижнюю свободную поверхность 0, в предположении, что кинетическая энергия при 0 незначительно, жидкость невязкая и плотность жидкости постоянна:

${\displaystyle {\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}}$

Использование приведенного выше приложения Бернулли для исключения терминов скорости и местного давления в определении NPSH_А:

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}}$

Отметим, что в турбинах незначительные потери на трение (${\displaystyle h_{f}}$) уменьшают эффект кавитации - в отличие от того, что происходит в насосах.

Рекомендации по проектированию NPSH

Давление газа сильно зависит от температуры, следовательно, и NPSH_р и NPSH_А. Центробежные насосы особенно уязвимы, особенно при перекачивании нагретого раствора вблизи давления пара, тогда как поршневые насосы на них меньше влияет кавитация, так как они лучше могут перекачивать двухфазный поток (смесь газа и жидкости), однако результирующая скорость потока насоса будет уменьшена из-за того, что газ объемно вытесняет непропорциональную долю жидкости. Тщательная конструкция требуется для перекачки высокотемпературных жидкостей с помощью центробежного насоса, когда жидкость близка к точке кипения.

Сильный коллапс кавитационного пузыря создает ударную волну, которая может отделить материал от внутренних компонентов насоса (обычно переднего края крыльчатки) и создает шум, который часто называют «перекачкой гравия». Кроме того, неизбежное усиление вибрации может вызвать другие механические неисправности насоса и связанного с ним оборудования.

Связь с другими параметрами кавитации

NPSH появляется в ряде других параметров, связанных с кавитацией. Коэффициент напора всасывания составляет безразмерный измерение NPSH:

${\displaystyle C_{\text{NPSH}}={\frac {g\cdot {\text{NPSH}}}{n^{2}D^{2}}}}$

Где ${\displaystyle n}$ - угловая скорость (в рад / с) вала турбомашины, а ${\displaystyle D}$ диаметр рабочего колеса турбомашины. Число кавитации Тома определяется как:

${\displaystyle \sigma ={\frac {\text{NPSH}}{H}}}$

Где ${\displaystyle H}$ это голова поперёк турбомашины.

Некоторые общие примеры NPSH

(на уровне моря).

Пример №1: Бак с уровнем жидкости на 2 метра выше всасывания насоса, плюс атмосферное давление 10 метров, минус 2 метра потеря на трение в насос (скажем, для потерь в трубе и клапане), за вычетом NPSH_р кривая (скажем, 2,5 метра) предварительно спроектированного насоса (см. кривую производителя) = NPSH_А (в наличии) 7,5 метров. (не забывая про расход). Это в 3 раза больше необходимого NPSH. Этот насос будет работать хорошо, пока все остальные параметры верны.

Помните, что режим положительного или отрицательного потока изменит показание NPSH производителя насоса._р изгиб. Чем ниже расход, тем ниже NPSH._р, наоборот.

Подъем скважины также создаст отрицательный NPSH; однако помните, что атмосферное давление на уровне моря 10 метров! Это помогает нам, поскольку дает нам дополнительный импульс или «толчок» к забору насоса. (Помните, что у вас есть только 10 метров атмосферного давления в качестве бонуса и не более того!).

Пример № 2: Скважина или ствол с рабочим уровнем на 5 метров ниже забора, минус 2-метровые потери на трение в насосе (потери в трубе), минус NPSH_р кривая (скажем, 2,4 метра) предварительно спроектированного насоса = NPSH_А (в наличии) (минус) -9,4 метра. Добавление атмосферного давления в 10 метров дает положительный NPSH._А 0,6 метра. Минимальное требование - 0,6 метра выше NPSH._р), поэтому насос должен подниматься из колодца.

Используя ситуацию из примера 2 выше, но откачивая воду с температурой 70 градусов Цельсия (158F) из горячего источника, создавая отрицательный NPSH, получаем следующее:

Пример № 3: Скважина или ствол, работающий при температуре 70 градусов Цельсия (158F) с рабочим уровнем на 5 метров ниже всасывания, минус 2-метровые потери на трение в насосе (потери в трубе), минус NPSH_р кривая (скажем, 2,4 метра) предварительно спроектированного насоса за вычетом потери температуры 3 метра / 10 футов = NPSH_А (в наличии) (минус) -12,4 метра. Добавляем атмосферное давление 10 метров и получаем отрицательный NPSH_А осталось -2,4 метра.

Помня, что минимальное требование - на 600 мм выше NPSH._р поэтому этот насос не сможет перекачивать жидкость с температурой 70 градусов по Цельсию, он будет кавитационным, потеряет производительность и вызовет повреждение. Для эффективной работы насос должен быть закопан в землю на глубину 2,4 метра плюс требуемые минимум 600 мм, общая глубина ямы составляет 3 метра. (3,5 метра для полной безопасности).

Минимум 600 мм (0,06 бар) и рекомендуемый 1,5 метра (0,15 бар). бар ) напор «Выше», чем NPSH_р Требуемое производителем значение давления необходимо для правильной работы насоса.

Если большой насос был установлен неправильно с неправильным NPSH, это может привести к серьезным повреждениям._р стоимость, и это может привести к очень дорогому ремонту насоса или установки.

Проблемы с NPSH можно решить, изменив NPSH._р или переустановив насос.

Если NPSH_А Если, скажем, 10 бар, то используемый вами насос будет подавать ровно на 10 бар больше по всей рабочей кривой насоса, чем указанная рабочая кривая.

Пример: насос с макс. напор 8 бар (80 метров) будет фактически работать при 18 бар, если NPSH_А составляет 10 бар.

то есть: 8 бар (характеристика насоса) плюс 10 бар NPSH_А = 18 бар.

Этот явление это то, что производители используют при разработке многоступенчатый насосы (насосы с более чем одним рабочим колесом). Каждое многослойное рабочее колесо усиливает последующее рабочее колесо, чтобы поднять напор. Некоторые насосы могут иметь до 150 ступеней и более для повышения напора до сотен метров.

Рекомендации

1. Фрэнк М. Уайт Механика жидкости, 7-е изд., С. 771
2. Пареш Гирдхар, Окто Мониш, Практичные центробежные насосы, п. 68
3. «Добро пожаловать в Гидравлический институт». Архивировано из оригинал 23 марта 2010 г.
4. «Кавитация в реакционных турбинах». Архивировано из оригинал 10 марта 2016 г.