Kavitacija siurblyje: kas tai, kaip ją atpažinti ir kaip apskaičiuoti NPSH

Kas yra kavitacija siurblyje?

Kavitacija - tai reiškinys, kai vanduo siurblio viduje vietomis užverda net būdamas šaltas. Skysčiui patekus į sparnuotės centrą, jo greitis padidėja, o slėgis sumažėja. Jei slėgis nukrenta žemiau skysčio garų slėgio, susidaro garų burbuliukai. Sparnuotė juos nuneša į aukštesnio slėgio zoną, kur jie staigiai subliūkšta.

Kiekvienas burbuliuko subliūškimas sukelia nedidelį slėgio smūgį. Smūgiams kartojantis, atsiranda kavitacinė erozija - netaisyklingos įdubos sparnuotėje, o sunkesniais atvejais ir korpuso kanaluose.

Oro įsiurbimas pro nesandarią jungtį nėra kavitacija, nors požymiai panašūs: triukšmas, pulsuojantis slėgis, mažesnis srautas.

Kaip atpažinti kavitaciją?

Būdingiausias požymis - netolygus garsas, tarsi siurblys siurbtų žvyrą ar smulkius akmenukus. Dažnai jis atsiranda, kai pradedama imti daugiau vandens. Kartu stiprėja siurblio ir vamzdžio vibracija, svyruoja manometro rodyklė, mažėja srautas ir pakėlimo aukštis, nors sistema nepasikeitė. Ilgainiui dėl vibracijos greičiau dėvisi guoliai ir mechaninis sandariklis.

Pirmiausia patikrinkite siurbimo pusę:

• ar vakuumetro rodyklė nesvyruoja ir vakuumas nėra neįprastai didelis;
• ar nepasikeitė vandens lygis šaltinyje ir skysčio temperatūra;
• ar neužsikimšo filtras, siurbimo krepšys arba vamzdis;
• ar siurbimo jungtys nepraleidžia oro.

Išardžius siurblį, kavitacinę eroziją išduoda nelygios, kempinę primenančios duobutės sparnuotės mentėse, dažniausiai netoli jų įėjimo briaunų.

Kodėl siurblyje atsiranda kavitacija?

Visos pagrindinės priežastys veikia vienu iš dviejų būdų: sumažina sistemos tiekiamą slėgio atsargą siurblio įsiurbimo angoje arba pastumia darbo tašką į didesnio srauto sritį, kur siurbliui reikia didesnės atsargos. Todėl vertinkite ne vien siurblį, bet ir visą siurbimo liniją: aukštį, vamzdį, jungtis ir skysčio temperatūrą.

Konkrečiai:

• per didelis siurbimo aukštis;
• aukšta skysčio temperatūra: šiltesnio vandens garų slėgis didesnis;
• per ilgas, per siauras ar užsikimšęs siurbimo vamzdis, per daug alkūnių, vožtuvų ir perėjimų;
• nešvarus filtras, siurbimo krepšys ar atbulinis vožtuvas;
• per mažas slėgis siurblio įsiurbimo angoje uždaroje sistemoje;
• darbas dešinėje Q-H kreivės dalyje, kai slėginės pusės pasipriešinimas per mažas ir srautas per didelis.

Siurbimo vamzdyje rekomenduojama išlaikyti ne didesnį kaip 2 m/s skysčio greitį, o pats vamzdis neturi būti siauresnis už siurblio įsiurbimo angą.

Kas yra NPSH ir kuo skiriasi NPSHr nuo NPSHa?

NPSH (angl. Net Positive Suction Head) - slėgio atsarga siurblio įsiurbimo angoje virš vandens garų slėgio, išreikšta metrais. NPSHr nurodo, kokio NPSH reikia pačiam siurbliui konkrečiame darbo taške. NPSHa parodo, kokį NPSH faktiškai suteikia sistema. Saugiam darbui NPSHa turi aiškiai viršyti NPSHr esant didžiausiam srautui, kuriuo siurblys dirbs.

NPSHr lemia siurblio konstrukcija, ypač pirmoji sparnuotė. Gamintojas jį pateikia kaip kreivę: kuo didesnis srautas, tuo didesnis NPSHr. NPSHa apskaičiuojate Jūs pagal savo siurbimo sąlygas.

Pagal IPRO vertikalių daugiapakopių siurblių instrukciją NPSHa turi bent 0.5 m viršyti NPSHr. Bendra praktika - 0.5-1 m, o kintant vandens lygiui ar temperatūrai - daugiau. Jei NPSHa mažesnis už NPSHr, siurblyje kils kavitacija, kad ir koks geras jis būtų. Todėl pirmiausia apskaičiuokite NPSHa, tik tada rinkitės modelį.

Kaip apskaičiuoti NPSHa?

NPSHa skaičiavimas parodo, kiek slėgio atsargos lieka skysčiui pasiekus siurblį. Atviroje talpoje pradedama nuo atmosferos slėgio (apie 10.2 m vandens stulpo), tuomet atimami siurbimo aukštis, siurbimo vamzdžio nuostoliai ir vandens garų slėgis. Jei vanduo stovi aukščiau įsiurbimo angos, jo aukštis pridedamas. Rezultatą lyginkite su NPSHr ir 0.5 m atsarga.

NPSHa = 10.2 - siurbimo aukštis - Hf - Hv; saugu, kai NPSHa ≥ NPSHr + 0.5 m.

Čia 10.2 m atitinka instrukcijoje naudojamą 1 bar atmosferos slėgį, Hf - siurbimo vamzdžio nuostoliai, Hv - vandens garų slėgis. Uždaroje sistemoje vietoj atmosferos slėgio imamas absoliutusis sistemos slėgis: manometro rodmuo ir dar apie 1 bar. Lietuvai 1 bar tinka kaip vidutinė reikšmė, bet kai atsarga maža, orientaciškai imkite 9.6 m: aukštesnėse vietovėse ir esant giliam ciklonui slėgis mažesnis.

Pavyzdys: CVI 10, vanduo iš atviros talpos

Skaičiuojame vertikaliam daugiapakopiam siurbliui CVI 10. Jis priklauso IPRO - profesionaliai linijai verslui ir pramonei. Sąlygos: atmosferos slėgis 10.2 m, NPSHr pagal gamintojo kreivę, siurbimo vamzdis 8 m ilgio DN50, t. y. dydžiu platesnis už siurblio DN40 jungtį. Apskaičiuoti tiesaus vamzdžio nuostoliai esant 10 m³/h - apie 0.5 m, esant 14 m³/h - apie 0.9 m. Tokio pat ilgio DN40 vamzdyje esant 10 m³/h greitis būtų 2.2 m/s, o nuostoliai - apie 1.4 m. Siurbimo krepšys su atbuliniu vožtuvu ir alkūnės prideda dar nuostolių, kartais daugiau nei pats vamzdis.

Lentelės reikšmės apskaičiuotos orientaciškai, tik su tiesaus vamzdžio nuostoliais. Kavitaciją čia sukelia ne vien gylis ar temperatūra, o karštas vanduo kartu su dideliu siurbimo aukščiu (C) arba srautas kreivės gale (D). Tam pačiam siurbliui, vamzdžiui ir 10 m³/h srautui esant 90 °C gamintojo formulė duoda orientaciškai 0 m siurbimo aukštį: vanduo turi stovėti ne žemiau įsiurbimo angos.

Kaip skaityti NPSH kreivę siurblio techninėje kortelėje?

NPSH kreivė rodo, kiek slėgio atsargos siurbliui reikia esant kiekvienam srautui. Pirmiausia nustatykite didžiausią realų sistemos srautą. Nuo šios reikšmės srauto ašyje eikite aukštyn iki NPSH kreivės ir perskaitykite NPSHr metrais. Pridėkite bent 0.5 m atsargą ir sumą palyginkite su apskaičiuotu NPSHa. Vardinis taškas netinka, jei sistema gali dirbti didesniu srautu.

IPRO CVI techninėje kortelėje NPSH kreivė yra apatiniame grafike, su ta pačia srauto ašimi kaip Q-H kreivės. Kortelę atversite CVI 10 puslapio skiltyje "Kreivės": CVI 10 grafikai yra 13 puslapyje. Pagal gamintojo kreivę NPSHr yra orientaciškai 0.4 m esant beveik nuliniam srautui, 2.1 m ties 10 m³/h ir 4.4 m ties 14 m³/h.

MCI kortelėje NPSH kreivė nubrėžta pačiame Q-H grafike, su skale dešinėje: MCI 8 modelių, pvz., MCI 8-20, NPSHr pagal gamintojo kreivę orientaciškai kyla nuo 0.4 m iki 2.3 m ties 10 m³/h.

Visų CVI šeimų NPSHr didžiausio naudingumo srityje orientaciškai siekia 1-3 m, o dešiniajame gale, kur kreivė staigiai kyla, net 2-6 m. Pakopų skaičius didina pakėlimo aukštį, bet ne NPSHr: visai šeimai galioja viena NPSH kreivė. Visas CVI šeimas rasite puslapyje Vertikalūs daugiapakopiai siurbliai.

Kodėl paviršinis siurblys siurbia tik iš 7-8 m gylio?

Teoriškai atmosferos slėgis vandenį į siurblį galėtų pakelti tik apie 10.2 m (1 bar), tačiau realioje sistemoje dalį šios atsargos sunaudoja vandens garų slėgis, vamzdžio nuostoliai ir siurblio NPSHr. Todėl paviršinio siurblio praktinė riba yra mažesnė ir skaičiuojama pagal visą siurbimo liniją, o ne vien vertikalų gylį.

IBO paviršinių siurblių techninėse kortelėse vietoj NPSH kreivės nurodomas siurbimo aukštis: savisiurbiam daugiapakopiam MH siurbliui - iki 8 m, vienpakopiam CPM siurbliui - 7 m. Mūsų vertinimu, šios ribos galioja šaltam vandeniui: kuo vanduo šiltesnis, tuo jos mažesnės. Paleistas savisiurbis MH siurblys pats pašalina likusį orą iš siurbimo linijos, bet giliau nesiurbia, o prieš paleidimą ir jį, ir vamzdį reikia užpildyti vandeniu.

IBO paviršinių siurblių ir hidroforų instrukcijoje 8 m apima visą siurbimo liniją: kiekvienas vertikalus metras skaičiuojamas kaip 1 m, o kiekvienas 1" vamzdžio metras dar prideda 0.15 m. Instrukcijos pavyzdys: vanduo 5 m gylyje, siurblys 10 m nuo šulinio, 5 + (5 + 10) × 0.15 = 7.25 m. Mūsų skaičiavimu, 0.15 m atitinka nedidelį, apie 3 m³/h, srautą, o esant 6 m³/h, 1" vamzdžio nuostoliai siekia apie 0.5 m kiekvienam metrui. Didesniam srautui rinkitės platesnį vamzdį: instrukcija pataria 1¼".

Kai šaltinis gilesnis, naudojamas panardinamas siurblys: jo sparnuotė dirba po vandeniu, todėl siurbimo aukščio nėra.

Ką pakeisti, kad kavitacija dingtų?

Reikia padidinti NPSHa arba grąžinti siurblį į mažesnio srauto darbo sritį. Didžiausią poveikį paprastai daro mažesnis siurbimo aukštis ir mažesni siurbimo vamzdžio nuostoliai. Galingesnis siurblys toje pačioje siurbimo linijoje problemos neišsprendžia: jis paprastai duoda didesnį srautą, o šis didina ir NPSHr, ir vamzdžio nuostolius.

Priemonės, pradedant nuo veiksmingiausių:

1. Statykite siurblį žemiau arba vandens lygį laikykite aukščiau; veiksmingiausia, kai vanduo į siurblį priteka savitaka (E atvejis).
2. Sutrumpinkite siurbimo vamzdį ir naudokite platesnį, su mažiau alkūnių, vožtuvų ir perėjimų, be aukštesnių vietų, kuriose kauptųsi oras.
3. Išvalykite siurbimo krepšį, atbulinį vožtuvą ir siurbimo vamzdį.
4. Užsandarinkite visas siurbimo pusės jungtis.
5. Jei procesas leidžia, mažinkite skysčio temperatūrą.
6. Uždaroje sistemoje padidinkite slėgį siurblio įsiurbimo angoje.
7. Grąžinkite darbo tašką iš dešinės kreivės dalies, pavyzdžiui, pridarydami sklendę slėginėje pusėje. Siurbimo pusėje sklendės nepridarykite: tai kavitaciją tik sustiprina.
8. Rinkitės siurblį, kurio NPSHr Jums reikalingam srautui mažesnis, arba panardinamą siurblį.

Kada šio skaičiavimo neužtenka?

Pateiktas skaičiavimas skirtas orientuotis, kai siurbiamas vanduo. Jis nepakeičia projektuotojo skaičiavimo projektui ar pirkimui, katilo maitinimo ar kondensato linijai, kurioje vanduo arti virimo temperatūros, ar kitam skysčiui nei vanduo. Tokiais atvejais vertinamos ir skysčio savybės, visa armatūra, slėgio svyravimai bei tikrasis darbo taškas.

Pagal gamintojo duomenis CVI siurbliai skirti skysčiui iki 90 °C, MH - iki 35 °C. MCI ir CPM techninėse kortelėse nurodyta atitinkamai 70 °C ir 60 °C, o jų instrukcijose - 35 °C, todėl laikykitės mažesnės ribos. Karštesniam skysčiui reikia kito siurblio, ne tik geresnės siurbimo linijos.

Siurblys taip pat neturi dirbti mažesniu srautu nei gamintojo nurodytas mažiausias, nes perkaista. IPRO instrukcijos gedimų lentelėje triukšmo priežastimi, be kavitacijos, nurodomas ir besitrinantis velenas, o nepastovaus srauto - ir oro įsiurbimas. Todėl pirmiausia patikrinkite siurbimo pusę, bet nelaikykite kiekvieno garso kavitacijos požymiu.