" اهمیت NPSH و راههای مقابله با پدیده کاویتاسیون "

" اهمیت  NPSH  و راههای مقابله با پدیده کاویتاسیون "

در این مقاله ضمن بررسی دقیق و جامع پدیده کاویتاسیون ‌، روشهائی عملی و کاربردی جهت جلوگیری از بروز این پدیده و همچنین اهمیت NPSH  در انتخاب پمپها و ملاحظاتی که از زمان طراحی پمپ تا زمان بهره برداری از آن ،‌ باید مدنظر قرارداد ،‌ ارائه میگردد .

هنگامیکه مایع به درون چشم پروانه ( مجرای ورود به پروانه ) یک پمپ سانتریفیوژ وارد می شود ،‌ فشارش کاهش می یابد . اگر فشار مطلق در مقطع چشم پروانه از فشار بخار مایع در همان درجه حرارت کاری پائین تر آید ،‌ در آن نقطه شروع به جوشیدن کرده و بطور برق آسا تبدیل به بخار می شود . وقتی این حبابهای بخار همراه مایع در امتداد پره های پروانه بحرکت در می آیند ‌، فشار رفته رفته افزایش یافته و این حبابها ترکیده و مجددا‌ً به مایع تبدیل می شوند . این پدپده تشـکیـل و از بیــن رفتــن حـبابـهای بـخـار اصـطلاحاً‌ کاویــتاسیــون ( حفره زایی ) نامیده می شود . بطور کلی تشکیل و از بین رفتن تعداد زیادی حباب بر روی یک سطح آزاد ،‌ آنرا در معرض تنش شدید موضعی قرار می دهد که به نظر می رسد بر اثر پدپده خستگی صدمه می بیند . کاویتاسیون در پمپها اثرات بسیار نامطلوبی دارد که از آن جمله می توان به ایحاد سرو صدای غیر طبیعی ناشی از ضربات هیدرولیکی و ایجاد لرزش در پمپها ،‌ کاهش راندمان پمپ ،‌ نوسانی شدن دبی خروجی ،‌ افت فشار در پمپ ‌، صدمات مکانیکی و خوردگی سایشی بر روی سطوح و قطعات داخلی پمپ از جمله پوسته ،‌ پروانه و آب بندها ،‌ اشاره کرد .

NPSH  ( ارتفاع مثبت خالص مکش ) نقش مهم و اساسی را در انتخاب پمپهایی که درجه حرارت مایع ورودی به آنها بالاست ،‌ ایفا می کند . در واقع یک سیال زمانی تبخیر خواهد شدکه فشار آن خیلی کاهش و یا دمای آن خیلی افزایش یابد و NPSH  به حداقل میزان فشاری اطلاق می گردد که برای جلوگیری از پدیده کاویتاسیون ،‌ مورد نیاز است .به منظور ممانعت از بروز پدیده کاویتاسیون ،‌ فشار سیستم می بایست همواره در تمامی مراحل مکش ‌، ورود به پروانه و تخلیه ‌، بالاتر از فشار بخار مایع در درجه حرارت کاری باشد .

در تمامی پمپهای سانتریفیوژ می بایست حداقل فشار مورد نیاز در قسمت ورودی پمپ که برای جلوگیری از تبخیر شدن سیال ( کاویتاسیون ) لازم می باشد ،‌ تعیین گردد که این فشار مکش به مشخصات طراحی پمپ بستگی دارد و مقدار آن توسط سازنده بر روی منحنی عملکرد پمپ ارائه می شود که به آن NPSHR ( ارتفاع مثبت خالص مکش مورد نیاز ) گویند . NPSHA  ( ارتفاع مثبت خالص مکش موجود ) مقدار فشار مکشی است که عملاً‌ در سیستم موجود است و مقدار آن تابع شرایط سیستم پمپاژ است که می بایست همواره مقدار آن از NPSHR  بالاتر باشد .

یک تعریف ساده از  NPSHA  بصورت رابطه زیر بیان می شود :

NPSHA=Atmospheric Pressure + Static Suction Head + Pressure Head – Vapor Pressure – Losses in the piping, Valves and fittings.

NPSHA  را می توان از فرمول زیر برحسب فوت محاسبه کرد :

P_a = فشار منبع مکش ( Psia )

P_v= فشار بخار مایع پمپ شونده در حداکثر درجه حرارت ممکن ( Psia )

H_s = فشار حاصل از ارتفاع سیال قبل از ورود به دهانه مکش پمپ ( ft )  . این مقدار در صورتیکه مخزن مکش در ارتقاعی پائین از پمپ قرار گیرد ،‌ منفی خواهد بود .

H_f = تلفات ناشی از اصطکاک در لوله مکش بازاء دبی مورد نیاز ( ft ) .

s.g. = وزن مخصوص مایع پمپ شونده .

روابط زیر نیز برای تبدیل فشار به هد سیال مورد استفاده قرار می گیرند :

-          Inches of mercury x 1.133 / s.g.= feet of liquid

-          Millimeters of mercury / ( 22.4x s.g. ) = feet of liquid

-          Pounds per square Inch x 2.31/ s.g. = feet of liquid

حال به مثالی برای محاسبه  NPSHA  می پردازیم :

مفروضات :

1-     سیال چگالیده بخار ( Condensate )با دبی 200 gpm  و در درجه حرارت (98.8°C) 210 °F 

2-     هد ( فشار ) استاتیک برابر 3 ft  است .

3-     فشار اتمسفر برابر 14.7 Psi  می باشد .

4-     مخزن در سطح دریا و بصورت باز ( Vent )  در نظر گرفته می شود .

5-     لوله مکش به قطر 3"  و بطول 1 ft  و شامل یک زانوئی 90 °  و یک شیر کشوئی

 ( Gate Valve )  می باشد .

با استفاده از جداول و نمودارهای مربوطه ؛

-        افت ناشی از اصطکاک و زبری جداره یک لوله آهنی معادل 8.9  فوت در هر 100  فوت طول لوله می باشد ( لوله مکش با ظرفیت  200 gpm  و قطر 3"  )

-        برای افت در زانوئی و شیر کشوئی باید طول معادل از یک لوله مستقیم و نو محاسبه و منظور گردد ،‌ که نتیجتا‌ً خواهیم داشت :

H_f = ( 1.0+2.62+3.6) x 8.9 ft per 100 ft = 0.64 ft

H_s= 3.0 ft

P_a = P_atm + P_gage = 14.7 +0 = 14.7 Psia

s.g.= 0.96 at 210 °F

P_v= 14.1 Psia at 210°F

بنابراین پمپی که برای این مثال انتخاب می شود باید دارای NPSHR  کمتر از 3.8 ft  باشد تا از بروز پدپده کاویتاسیون ممانعت بعمل آید .

به منظور ممانعت از بروز کاویتاسیون باید یا  NPSHA  را افزایش داد و یا NPSHR  را کاهش داد و برای این منظور راهکارهای مختلفی وجود دارد که از جمله می توان به موارد ذیل اشاره کرد ؛

1-     افزایش سطح سیال در مخزن .

2-     بالا بردن مخزن .

3-     افزایش فشار مخزن ( استفاده از سیستمهای بسته / سیستمهای تحت فشار )

4-     قراردادن پمپ داخل گودال ( Pit ) .

5-     کاهش افتهای ناشی از لوله کشی و اتصالات ( که می توان با طراحی دقیق سیستم لوله کشی ،‌ بکار بردن حداقل اتصالات ‌، طراحی مناسب قطر لوله ها و غیره ،‌ افتهای مربوطه را به حداقل رسانید . )

6-      تزریق مقدار کمی سیال خنک کننده به ورودی پمپ ( به منظور کمتر شدن فشار بخار ،‌ می توان سیال را از درون یک خنک کننده یا فلاش تانک عبور داد . )

7-     عایق بندی مناسب لوله ها .

8-     بکار بردن پمپهای دو مکشه ( که تا 25%  مقدار  NPSHR  را کاهش می دهد . )

9-     بکار بردن پمپها با سرعت دورانی ( rpm )  پائین تر .

10-  بکار بردن پمپها با مجرای ورودی ( چشم ) پروانه بزرگتر .

11-  زاویه جریان ورودی به زاویه ای اطلاق می شود که تحت آن جریان سیال وارد پروانه می شود . هر چند این زاویه بزرگتر باشد بازده بیشتر است و هر چه این زاویه کوچکتر باشد ،‌ NPSHR  پائین تر است . به همین دلیل زاویه جریان درجه  17  با حدود 5   تا 7  پره بعنوان یک حد مرزی بین دو محدوده فوق در نظر گرفته می شود .

12- در هر پمپ هر چه مقدار سرعت مخصوص مکش کمتر باشد ،‌ مقدار NPSHR  بالاتر خواهد بود . در مواردیکه NPSHR  پائین حائر اهمیت است ،‌ مقادیر سرعت مخصوص مکش بسیار افزایش می یابد که به منظور دستیابی به چنین مقادیر بالائی زاویه جریان تا کمتر از درجه 10 و تعداد پره های پروانه تا حداقل 4   پره کاهش می یابد .

13- به منظور کاهش بیشتر NPSHR  و به تبع آن افزایش بیشتر سرعت مخصوص مکش ‌، یک پروانه جریان محوری یا یک راه انداز ( Inducer)  در جلوی پروانه سانتریفیوژ بکار گرفته می شود . زاویه  جریان این پروانه ثانویه 5 تا 10  درجه و زاویه پره 3 تا 5 درجه بزرگتر است و تعداد پره‌های آن بین 2 تا 4 می باشد .

14- جلوگیری از ورود هوا به داخل پمپ .

15- بکار بردن خط بای پس مناسب ( اگر خط بای پس خیلی نزدیک به ورودی پمپ نصب گردد ،‌ باعث افزایش دمای سیال ورودی خواهد شد . )

16- جلوگیری از اغتشاش ( Turbulence )  جریان سیال و فراهم نمودن شرایط عبور سیال در یک سرعت ثابت با استفاده از طول مناسب از لوله صاف ( ده برابر قطر ورودی ) مابین قسمت ورودی پمپ تا اولین اتصال .

17- بکارگیری چندین پمپ کوچکتر بجای استفاده از یک پمپ بزرگ ( هر قدر ظرفیت پمپ  افزایش یابد مقدار NPSHR  نیز افزایش خواهد یافت و دلیل آن افزایش سرعت سیال می باشد چرا که می دانیم ،‌ هر وقت سرعت سیال افزایش یابد فشار یا هد کاهش خواهد یافت . )