27/03/2019

NPSH – Czy wszystko jasne?

Kwestie dotyczące nadwyżki ciśnienia ponad ciśnienie wrzenia (NPSH) – bardzo istotne dla uniknięcia uszkodzenia pomp na skutek kawitacji – powinny być znane i zrozumiałe dla użytkowników pomp, a zwłaszcza dla projektantów układów pompowych. W praktyce jednak nie zawsze tak jest.

Problem  kawitacji  wymaga  nieustannej  uwagi, gdyż zjawisko to stanowi bardzo groźny mechanizm  niszczenia  pomp.  Zagadnienie  to,  jak i  nadwyżki  antykawitacyjnej  (NPSH),  jest szeroko opisane w literaturze. Definicję NPSH można znaleźć np. w [1, 2]. Również w czasopiśmie „Pompy Pompownie” publikowane były teksty związane z tym tematem, np. [3, 4, 5]. Zatem jedynie dla przejrzystości znajdzie się tu kilka zdań tytułem wstępu.


Woda znajdująca się w dowolnej temperaturze zacznie wrzeć, jeśli ciśnienie spadnie do ciśnienia wrzenia odpowiadającego tej temperaturze. Można to wy-razić w inny sposób – aby utrzymać wodę w stanie ciekłym, jej ciśnienie musi być wyższe od ciśnienia wrzenia dla aktualnej temperatury. Zależność ciśnienia wrzenia od temperatury pokazana jest na rys. 1.

Rys. 1. Zależność ciśnienia wody od temperatury.

Jeśli ciśnienie na wlocie do pompy spadnie do ci-śnienia wrzenia dla danej temperatury cieczy, to w wodzie pojawią się pęcherzyki pary, które zostaną uniesione przez przepływ do wnętrza pompy. Tam, na skutek wzrostu ciśnienia, pęcherzyki pary zanikają, ale odbywa się to w sposób gwałtowny, drogą implozji, co powoduje niszczenie elementów pompy. Wy-pływa stąd wniosek, że aby uniknąć kawitacji, ciśnie-nie na wlocie do pompy nie może spaść do ciśnienia wrzenia. Podkreślenia wymaga fakt, że jeśli ciśnienie spadnie do ciśnienia wrzenia, to odparowanie nastą-pi w sposób automatyczny, z przyczyn fizycznych. Natomiast praca pompy powoduje, że kawitacja może wystąpić już wtedy, gdy ciśnienie na wlocie do niej jest wyższe od ciśnienia wrzenia. Wynika to z tego, że w obszarze wlotowym pompy występuje lokalny spa-dek ciśnienia, zwany depresją dynamiczną, związany z zawężeniem przekroju na wlocie do wirnika oraz wywoływaną przez wirnik prerotacją. Wobec tego, aby uniknąć kawitacji, należy w króćcu ssawnym pompy zapewnić nadwyżkę ciśnienia ponad ciśnienie wrzenia dla danej temperatury.

Rys. 2. Wpływ nadwyżki antykawitacyjnej na tempo zużycia pompy wg [7].

Nadwyżka ta wyrażana jest w metrach słupa cieczy i określana jako NPSH (Net Positive Suction Head). Jej wartość zależy od konstrukcji pompy. Wymagana nadwyżka antykawitacyjna, wobec trudności w teoretycznym opisie zjawiska, określana jest na drodze pomiarowej zgodnie z metodologią opisaną w normie [6]. Występowanie kawitacji stwierdza się po jej objawach w postaci spad-ku wysokości podnoszenia generowanej przez pompę. Jako umowny punkt graniczny przyjmuje się nadwyżkę antykawitacyjną, przy której obserwuje się 3% spa-dek wysokości podnoszenia w stosunku do pracy pompy bez kawitacji, to znaczy przy ciśnieniu na ssaniu znacznie przewyższającym ciśnienie wrzenia. Tak określona nadwyżka antykawitacyjna nazywana jest NPSH3. Ponieważ przy takiej nadwyżce kawitacja już występuje i już wpływa na parametry pompy, wymagana dla uniknięcia kawitacji nadwyżka, nazywana NPSHr, powinna być wyższa od NPSH3.

Brak jest jednoznacznej metodologii dla określenia NPSHr w oparciu o zmierzoną NPSH3. W [1] po-daje się zalecenie, aby NPSHr było 1.2 do 1.4 razy wyższe od zmierzonej nadwyżki NPSH3. Charaktery-styki NPSHr (Q), publikowane przez producentów pomp, podają, jaka nadwyżka antykawitacyjna, we-dług producenta, wymagana jest dla uniknięcia kawitacji. O ile te wartości są wyższe od zmierzonych, NPSH 3% zależy od tego, na ile ostrożne podejście przyjmuje dany producent.

 NPSH w praktyce

Powyższe informacje, bardzo istotne dla uniknięcia uszkodzenia pomp na skutek kawitacji, powinny być znane i zrozumiałe dla użytkowników pomp, a zwłaszcza dla projektantów układów pompowych. W praktyce jednak nie zawsze tak jest. W wielu zapytaniach ofertowych, stanowiących podstawę wyboru pompy do danego zastosowania, warunki ssania nie są w ogóle określone. Zdarza się, że użytkownik pomp, lub – co gorsza – projektant, nie potrafi prawidłowo określić NPSHav dostępnego w danym układzie pompowym. Dla przykładu podaje się NPSHav bez precyzyjnego określenia wysokości, na jakiej wartość ta jest wyliczona, a z samej definicji wynika, że wartość nadwyżki maleje wraz ze wzrostem wysokości.

Jako kryterium dla bezkawitacyjnej pracy pompy tradycyjnie podawano warunek:

 NPSHav > NPSHr + x,   (1)

przy czym zalecano, aby wartość x wynosiła co najmniej 1 m.

W ostatnim czasie często spotyka się inne sformułowanie tego kryterium:

NPSHav > y NPSHr,   (2)

a wymagana wartość wielokrotności y wynosi za-zwyczaj od 1.5 do 3.

Żaden z tych warunków nie powinien być stosowany bez przemyślenia.

Książka [7] zawiera informacje zebrane na pod-stawie doświadczeń z eksploatacji wielu tysięcy pomp pracujących w przemyśle petrochemicznym. Na rys. 2 pokazano wpływ, jaki wielokrotność y występująca w kryterium (2) wywiera na okres międzyremontowy pomp. Współczynnik niezawodności na pionowej osi jest definiowany jako stosunek okresu pracy bez awa-rii do 48 miesięcy. Jak widać, doświadczenie z eksplo-atacji wskazuje, że okres bezawaryjnej pracy wyraźnie rośnie ze wzrostem stosunku NPSHav/NPSHr. Można to wytłumaczyć tym, że podawana przez producentów pomp wymagana nadwyżka antykawitacyjna NPSHr, oparta o zmierzone wartości NPSH3, zapewnia to, że kawitacja nie ma dostrzegalnego wpływu na parametry pompy, lecz nie gwarantuje, że kawitacja w ogóle nie występuje.

Wniosek stąd taki, że praca pompy przy niewielkiej nadwyżce x wg kryterium (1), dającej niewielką wielokrotność y wg kryterium (2), pomimo braku objawów w postaci obniżki parametrów, może odbywać się przy istnieniu cząstkowej kawitacji skutkującej przyspieszonym zużyciem elementów układu przepływowego. Z drugiej strony, jeśli wymagane NPSHr pompy jest niskie, to nawet spełnienie kryterium (2) przy znacznej wielokrotności y (np. y = 2) może dawać w rezultacie niewielką nadwyżkę bez-względną x nieeliminującą całkowicie kawitacji.

Zdaniem autora bezpieczna praktyka powinna dążyć do spełnienia obu kryteriów (1) i (2), jednocześnie z odpowiednimi wartościami x oraz y, np. x > 2 i y > 1.5. Dla pomp cechujących się niskimi wartościami NPSHr łatwiejsze do spełnienia jest kryterium (2), więc należy zapewnić, aby jednocześnie istniała wystarczająco wysoka nadwyżka x wg kryterium (1). Analogicznie, dla pomp o wyższych NPSHr łatwiejsze do spełnienia jest kryterium (1), więc należy zapewnić, aby jednocześnie istniała wystarczająco wysoka wielokrotność x wg kryterium (2).

Najważniejszy wniosek, jaki wypływa z wykresu, jak na rys. 2, dotyczy jednak podejścia do projektowania układów pompowych, a do doboru pomp w szczególności. Jeśli w trakcie projektowania stwierdzimy, że dostępne NPSHav jest niskie (np. na poziomie poniżej 3 m), to nie należy ograniczyć się do poszukiwania pompy o odpowiednio niskim NPSHr, gdyż nawet jeśli kryteria (1) i (2) formalnie będą spełnione, ale z niewielkimi wartościami x i y, to nie będzie gwarancji, że nie występuje kawitacja; co praw-da niewpływająca w sposób wyraźny na parametry pompy, lecz powodująca jej przyspieszone uszkodzenie. W takiej sytuacji przede wszystkim należałoby się zastanowić nad zwiększeniem NPSHav dostępnej w układzie. Przykładem takiego postępowania jest stosowanie jako pomp kondensatu w blokach energetycznych pomp o specjalnej konstrukcji, pionowych i zagłębionych w studzience celem zapewnienia wyższego ciśnienia na wlocie do pierwszego wirnika. Podobne zabiegi można realizować dla pomp o innym zastosowaniu. Można, dla przykładu, umieścić wyżej zbiornik ssawny lub zabudować pompę na niższym poziomie. Nawet jeśli prowadzi to do zwiększenia na-kładów na roboty budowlane, to w rezultacie daje zwiększenie okresu międzyremontowego w stosunku do pompy pracującej przy niskim NPSHav.

Kolejnym uproszczeniem spotykanym przy doborze pomp jest sprawdzanie warunku ssania wg kryterium (1) lub (2) jedynie w podstawowym punkcie pracy, podczas gdy pompa pracuje przy zmiennej wydajności. Wymagana nadwyżka NPSHr silnie rośnie przy oddalaniu się od punktu optymalnego zarówno w stronę wyższych, jak i niższych wydajności, co związane jest z pojawianiem się przed wlotem do wirnika przepływów recyrkulacyjnych powodujących zmiany ciśnienia w obszarze dolotowym. Zatem, jeśli pompa pracować ma przy zmiennych parametrach, jej właściwości ssawne muszą być sprawdzone przy każdej spodziewanej kombinacji parametrów. Warto dodać, że stosowane dla poprawy właściwości ssawnych pomp wstępne wirniki antykawitacyjne, tzw. inducery, w wielu przypadkach poprawiają NPSHr w okolicach punktu nominalnego, lecz nawet pogarszają właściwo-ści ssawne przy pracy z dala od niego.

Ponieważ rosnącą popularność zyskuje regulacja przez zmianę prędkości obrotowej, kluczowe znaczenie dla zapewnienia pracy bez kawitacji ma informacja na temat tego, jak zmienia się charakterystyka NPSHr (Q)  ze zmianą prędkości obrotowej. O ile teoretyczne przeliczanie charakterystyki H(Q) przy zmianie obrotów daje zazwyczaj wyniki wystarczająco dokładne dla praktyki, to podobne przeliczanie charakterystyki NPSHr (Q) budzi poważne wątpliwości. Norma [6] do-puszcza przeliczanie NPSHr ze względu na zmianę prędkości obrotowej w zależności od stosunku prędkości obrotowych podniesionego do pewnej potęgi. Norma stwierdza jednak, że wykładnik potęgowy stosowany w takich przeliczeniach, w zależności od typu pompy, może się wahać w zakresie od 1 do 3. W takiej sytuacji, zdaniem autora, opieranie się na przeliczeniach charakterystyki NPSHr (Q) zmierzonej dla jednej prędkości obrotowej nie gwarantuje uniknięcia kawitacji i dla pewności wskazane są pomiary tej charakterystyki dla różnych prędkości obrotowych.

Rys. 3. Wpływ „energii ssania” na tempo zużycia pompy wg [7].

Wątpliwości

W tym punkcie autor chciałby się podzielić wątpliwościami jakie osobiście posiada co do omawianej na wstępie do niniejszego tekstu metodologii stosowanej do zapobiegania kawitacji. W żadnym  wypadku nie oznacza to jej kwestionowania lub podważania, a jedynie chęć zwrócenie uwagi na określone, dyskusyjne kwestie. Pierwsza wątpliwość dotyczy obliczeń NPSH przy pracy na wodzie gorącej. Zgodnie z normą [6] dopuszczalne (i najczęściej stosowane) są pomiary NPSHr (Q) na zimnej wodzie. Norma stwierdza jednak, że prognozowanie na tej podstawie właściwości ssawnych pompy na wodzie gorącej nie jest w pełni możliwe. Pomimo tego, wyniki uzyskane na wodzie zimnej stosuje się do wody gorącej. Jak stwierdzono, NPSH wyrażane jest w metrach słupa cieczy, co oznacza, że występują różnice  w NPSH wyrażonym w paskalach ze względu na zmianę gęstości z temperaturą. Konkretnie, jeśli w wyniku badań na wodzie zimnej stwierdzono, że dla uniknięcia kawitacji wymagana jest określona nadwyżka w metrach, to jeśli takiej samej nadwyżki w metrach  wymagać będziemy dla wody gorącej to wymagana nadwyżka w paskalach będzie niższa dla wody gorącej niż dla wody zimnej ze względu na niższą gęstość wody gorącej. Taki sposób  przenoszenia wyników z wody zimnej na wodę gorącą można uzasadnić tym, wymagana nadwyżka ponad ciśnienie wrzenia wynika, jak wspomniano wyżej, z lokalnego wzrostu prędkości w obszarze wlotu do wirnika, co powoduje spadek ciśnienia proporcjonalny do wartości ρ v2 (gęstość razy kwadrat prędkości). Jeśli zatem przyjąć, że pole prędkości przed wirnikiem przy pracy na wodzie zimnej jest takie samo jak przy pracy na wodzie gorącej to depresja dynamiczna na wodzie gorącej wyrażona w paskalach jest niższa ze względu na niższą gęstość, a zatem wymagana nadwyżka antykawitacyjna w metrach może być  odpowiednio niższa. Tym niemniej, zdaniem autora, dla bezpieczeństwa należałoby rozważyć przenoszenie wyników pomiarów NPSH z wody zimnej na wodę gorącą nie w metrach lecz w paskalach, co by skutkowało zwiększeniem dla wody gorącej NPSHr w metrach.

Kolejna wątpliwość wiąże się z zamieszczonym w [7], również opartym o doświadczenia z eksploatacji wielu tysięcy pomp, wykresem na rys. 3.

Na osi pionowej występuje tu współczynnik niezawodności zdefiniowany identycznie jak dla wykresu na rys. 2. Natomiast na osi poziomej występuje tu „Energia ssania” (suction energy) definiowana jako:

Energia ssania  = D  n  ρ  S,                                                                  (3)

gdzie:

D – średnica wlotu do wirnika,

n – prędkość obrotowa,

ρ –gęstość cieczy,

S = n  Q0.5  / (NPSHr ) 0.75.

Pominiemy w tym miejscu interpretację fizyczną tak określonej wielkości. Należy natomiast zwrócić uwagę, że zaprezentowane w formie powyższego wykresu dane doświadczalne wskazują, że współczynnik niezawodności maleje ze wzrostem „energii ssania”, co oznacza że tempo uszkadzania pomp wzrasta gdy maleje NPSHr. Mówiąc potocznie pompy o niższym wymaganym NPSHr , czyli o lepszych właściwościach ssawnych, szybciej ulegają zniszczeniu na skutek kawitacji, co na pierwszy rzut oka wydaje się nielogiczne. Zdaniem autora, ta sprzeczność daje się wytłumaczyć na dwa sposoby. Po pierwsze, jeśli na etapie doboru pomp dla uniknięcia kawitacji stosowano wyłącznie  kryterium (2) przy niskich wartościach y, to dla pomp o niskich NPSHr uzyskano niskie wartości bezwzględne różnicy pomiędzy NPSHav a NPSHr wyrażone w metrach, nie zapewniające całkowitej eliminacji kawitacji. Drugie możliwe wytłumaczenie wymaga przypomnienia, że wartość NPSHr wyznaczana jest w oparciu o zmierzone NPSH3 na podstawie stwierdzonego spadku parametrów pompy. Można zatem, przynajmniej teoretycznie, wyrazić przypuszczenie, że niskie NPSHr  nie musi wskazywać na to to, że konstrukcja pompy pozwala uniknąć kawitacji, tylko na to, że pompa o tej konstrukcji pomimo występującej kawitacji nie traci parametrów lub dokładniej, przy pracy w kawitacji traci je w mniejszym stopniu niż inne pompy. To by oznaczało, że pomiar właściwości ssawnych oparty o 3% spadek wysokości podnoszenia nie w każdym przypadku jest odpowiedni dla oceny czy kawitacja występuje czy nie. Stwierdzenie, że nie wystąpił 3 % spadek wysokości podnoszenia, ściśle rzecz biorąc oznacza tylko tyle, że spadek taki nie wystąpił, a nie musi świadczyć o braku kawitacji. Nie można bowiem zakładać, że dla każdej konstrukcji pompy związek pomiędzy intensywnością kawitacji, a spadkiem wysokości podnoszenia jest taki sam. Gdyby przypuszczenie to było słuszne, to do oceny właściwości ssawnych pomp zamiast metod opartych o pomiar spadku wysokości podnoszenia należałoby raczej stosować metody akustyczne oparte o pomiar natężenia hałasu kawitacyjnego występującego przy charakterystycznych częstotliwościach.

Podsumowanie i zalecenia

Na etapie doboru pomp konieczne jest sprawdzenie warunków ssania. W tym celu wskazane jest posługiwanie się zarówno kryterium (1) jak i (2) i wybór występujących w tych kryteriach wartości liczbowych x oraz y odpowiednich dla wartości NPSHr . Sprawdzenie warunków ssania powinno być przeprowadzone dla każdej spodziewanej kombinacji parametrów, a nie jedynie dla nominalnego punktu pracy.

Przy posługiwaniu się charakterystykami NPSHr podanymi przez producenta wskazane jest ustalenie jaki nadmiar w stosunku do zmierzonego NPSH3 został zastosowany.

Przy regulacji przez zmianę prędkości obrotowej zalecane jest posługiwanie się charakterystykami NPSHr (Q) zmierzonymi dla różnych prędkości obrotowych gdyż przeliczenia teoretyczne nie gwarantują dokładności.

Jeśli dostępne NPSHav w układzie jest niskie, to praktyka polegająca na poszukiwaniu pompy o niskim NPSHr spełniającym formalnie kryteria (1) i (2) nie jest w pełni bezpieczna gdyż nie wyklucza częściowej kawitacji nie objawiającej się spadkiem parametrów pompy lecz powodującym jej przyspieszone zużycie. Wskazane jest poszukiwanie możliwości zwiększenia NPSHav .

dr inż. Grzegorz Pakuła


Literatura

  1. P. Świtalski, W. Jędral, Akademia techniki pompowej, ZPBiP CEDOS, Wrocław, 2014
  2. NPSH for rotodynamic pumps: a referance guide, European Association of Pump Manufacturers, Elsevier, Oxford, 1999
  3. P. Świtalski, M. Wojtyna, Kawitacja I NPSH w Leksykonie Techniki  Pompowej, Pompy Pompownie, Nr 4(127), listopad 2007, str 29-32.
  4. M. Pryciak, Kawitacja w pompach wirowych…skutki powszechnie znane … przyczyny wręcz przeciwnie, Pompy Pompownie, Nr 4(131), listopad 2008, str 56.
  5. M. Sedlar, P. Zima, T. Pozdrisek, Analiza przepływu kawitacyjnego w pompach, Pompy Pompownie, Nr 2(133), maj 2009, str 40-43.
  6. Norma PN-EN ISO 9906:2012, Pompy wirowe – Badania odbiorcze parametrów hydraulicznych. Klasy dokładności 1,2 i3.
  7. Bloch H.P., Budris A.R., Pump User’s Handbook – Life Extension, wyd. 4, The Fairmont Press Inc., 2014

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Możesz użyć następujących tagów oraz atrybutów HTML-a: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>