Πρακτικοί τρόποι αποφυγής σπηλαίωσης αντλίας

Στο προηγούμενο τεχνικό άρθρο, αναφερθήκαμε στη δημιουργία της σπηλαίωσης, την επίδραση της σπηλαίωσης στην αντλία και τη σημασία της ατμοσφαιρικής πίεσης και της τάσης ατμών, στο φαινόμενο αυτό.

Στο παρόν 2^ο μέρος του τεχνικού άρθρου, εξετάζονται οι συνθήκες λειτουργίας, το NPSHa, το NPSHr και ενδεικτικά αναφέρονται κάποιοι πρακτικοί τρόποι αποφυγής της σπηλαίωσης για αντλίες που εργάζονται με συνθήκες σπηλαίωσης.

Πώς να αποφύγουμε τη σπηλαίωση; Αν υποθέσουμε ότι δεν υπάρχουν αλλαγές στις συνθήκες αναρρόφησης ή στις ιδιότητες του υγρού κατά τη λειτουργία, η σπηλαίωση μπορεί να αποφευχθεί πιο εύκολα κατά το στάδιο του σχεδιασμού. Το κλειδί είναι να κατανοήσουμε την Καθαρή Θετική Πίεση Αναρρόφησης (NPSH) και να την λάβουμε υπόψη καθ' όλη τη διαδικασία σχεδιασμού. Για να κατανοήσουμε ευκολότερα αυτόν τον όρο, είναι χρήσιμο να τον αναλύσουμε:

• Καθαρή αναφέρεται σε αυτό που απομένει μετά την αφαίρεση των απωλειών λόγοι τριβών
• θετική πίεση
• Πίεση Αναρρόφησης αναφέρεται στην πίεση στην είσοδο της αντλίας.

Το NPSH ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της διαθέσιμης πίεσης στην είσοδο της αντλίας και της τάσης ατμών του υγρού. Η πίεση ατμών είναι διαφορετική για διαφορετικά υγρά και ποικίλλει ανάλογα με την πίεση και τη θερμοκρασία.

Διαθέσιμη Καθαρή Θετική Πίεση Αναρρόφησης (NPSHa)

Η διαθέσιμη καθαρή θετική πίεση αναρρόφησης (NPSHa) δεν έχει καμία σχέση με την αντλία. Είναι μια τιμή συστήματος ειδικά για τον σχεδιασμό του συστήματος που εξετάζεται. Το NPSHa είναι η πίεση που διατίθεται στη σύνδεση της φλάντζας αναρρόφησης αντλίας για το εν λόγω σύστημα άντλησης και είναι εντελώς ανεξάρτητη από την αντλία που πρόκειται να εγκατασταθεί εκεί. Είναι η πραγματική διαφορά μεταξύ της πίεσης στη φλάντζα εισόδου της αντλίας και της τάσης ατμών του υγρού για την εγκατάσταση και καθορίζεται από το σχεδιασμό, τη διαμόρφωση και τα σχετικά επίπεδα για την πλευρά αναρρόφησης ενός συγκεκριμένου συστήματος.

NPSHa = P είσοδος αντλίας - πίεση ατμών (m)

Η πίεση που είναι διαθέσιμη στην είσοδο της αντλίας είναι αυτή που παραμένει μετά την αφαίρεση των απωλειών όπως περιγράφονται παραπάνω.

Απαιτούμενη καθαρή θετική πίεση αναρρόφησης (NPSHr)

Η απαιτούμενη καθαρή θετική πίεση αναρρόφησης (NPSHr) είναι ένα χαρακτηριστικό της αντλίας που δεν σχετίζεται με το σύστημα. Όλα τα NPSHr της αντλίας είναι διαφορετικά και οι τιμές μπορούν να ληφθούν από τα τεχνικά στοιχεία του κατασκευαστή της αντλίας.

Το NPSHr ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της πίεσης στην είσοδο της αντλίας και της πίεσης ατμών που απαιτείται για την εν λόγω αντλία. Αυτή η τιμή δεν πρέπει να θεωρείται επαρκής για να διασφαλιστεί ότι δεν θα συμβεί σπηλαίωση, επειδή μετράται κατά τη διάρκεια της δοκιμής όταν η αντλία μόλις αρχίζει να σπηλαίωνει. Η έναρξη της σπηλαίωσης μετράται ως το σημείο στο οποίο η πίεση κατάθλιψης στην αντλία πέφτει κατά 3 τοις εκατό.

Επομένως, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι το NPSHa είναι μεγαλύτερο από το NPSHr και για αυτό, πρέπει να ενσωματωθεί ένα περιθώριο στην εξίσωση.

NPSHa ≥ NPSHr + περιθώριο

Ο χρυσός κανόνας είναι να διασφαλίζεται ότι υπάρχει πάντα αρκετό περιθώριο για την αποφυγή της σπηλαίωσης. Η αξία του περιθωρίου προσδιορίζεται συχνά από τους συμβούλους σχεδιασμού, αλλά οι κατασκευαστές αντλιών μπορούν να προσφέρουν συμβουλές πάνω σε αυτό το θέμα. Συνήθως, αρκεί ένα περιθώριο περίπου 1,5 μέτρων.

Το NPSHa είναι ένα χαρακτηριστικό του σχεδιασμού του συστήματος που μπορεί να ελεγχθεί. Θα πρέπει να καταβληθεί κάθε προσπάθεια στο στάδιο του σχεδιασμού για να διασφαλιστεί ότι υπάρχει επαρκές NPSHa σε ένα σύστημα. Οι συνέπειες αν δεν τηρηθεί αυτό μπορεί να αποδειχθούν δαπανηρές και ενοχλητικές.

Κατανοώντας τη σπηλαίωση

Σχήμα 1. Απεικόνιση διατομής αναρρόφησης αντλίας & σωλήνας αναρρόφησης

Το σχήμα 1 απεικονίζει μια διατομή ενός τεμαχίου σωλήνα αναρρόφησης και της πτερωτής στην αντλία. Προσδιορίζει πέντε (5) θέσεις. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το υγρό ρέει μέσω της αντλίας από τις θέσεις 1 έως 5, είναι προφανές ότι αυτό ισοδυναμεί με ένα σύστημα συνεχούς ροής και ο ρυθμός παροχής σε κάθε θέση από 1 έως 5 πρέπει να είναι σταθερός.

Εξ ορισμού, επειδή υπάρχει μεγάλη διατομή στη θέση 1, κατεβαίνοντας σε μια πολύ μικρή περιοχή διατομής, η ταχύτητα είναι πολύ μεγαλύτερη στο μάτι της πτερωτής (θέση 3) από ότι στον σωλήνα αναρρόφησης (θέση 1).

Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα (θέση 3), η πίεση μειώνεται και καθώς μειώνεται η ταχύτητα, η πίεση αυξάνεται. Ιδανικά λοιπόν, θέλουμε το νερό να εισέλθει στην αντλία με όσο το δυνατόν χαμηλότερη ταχύτητα, έτσι ώστε να έχει γραμμική ροή και όχι τυρβώδη. Αυτό θα διασφαλίσει σωστή συνθήκη αναρρόφησης στην αντλία αλλά παράλληλα θα πρέπει επίσης να υπάρχει η απαιτούμενη διαθέσιμη προπίεση (NPSHa).

Παραδείγματα μέσω γραφημάτων συνθηκών δημιουργίας σπηλαίωσης

Το γράφημα 1 δείχνει την πίεση σε διαφορετικές θέσεις εντός της αντλίας. Δείχνει ότι η πίεση μέσω της πτερωτής πέφτει και στη συνέχεια ανακάμπτει καθώς φεύγει από την αντλία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η διάμετρος του ματιού της πτερωτής είναι μικρή σε σύγκριση με τον σωλήνα αναρρόφησης και η πτερωτή της αντλίας προσθέτει ενέργεια στο υγρό, αυξάνοντας έτσι την πίεσή του.

Γράφημα 1. Μεταβολή της πίεσης εντός της αντλίας (σε συνδυασμό με το Σχήμα 1.)

Στην περίπτωση της κόκκινης γραμμής πίεσης ατμών, η καμπύλη κόβει τη γραμμή που σημαίνει ότι στη θέση που φαίνεται, η πίεση θα είναι χαμηλότερη από την πίεση ατμών του υγρού. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα, στο οποίο είναι εγκατεστημένη η αντλία, δεν παρέχει επαρκές NPSHa και εξ ορισμού θα προκύψει σπηλαίωση.

Γράφημα 2. Μεταβολή της πίεσης εντός της αντλίας (σε συνδυασμό με το Σχήμα 1.)

Αντιθέτως, για την κόκκινη γραμμή πίεσης ατμών στο Γράφημα 2, η καμπύλη δεν κόβει τη γραμμή σε κανένα σημείο. Αυτό δείχνει ότι υπάρχει επαρκής NPSHa και η πίεση δεν θα πέσει κάτω από την τάση ατμών του υγρού. Αυτό το σύστημα έχει σχεδιαστεί σωστά και η σπηλαίωση δε θα συμβεί.

Αποφυγή σπηλαίωσης

Όπως συζητήθηκε παραπάνω, είναι κρίσιμο να διασφαλιστεί ότι υπάρχει επαρκής NPSHa ώστε το υγρό να παραμένει πάνω από την πίεση ατμών. Η δοκιμή σπηλαίωσης της αντλίας που πραγματοποιείται από τον κατασκευαστή προσδιορίζει το NPSHr για κάθε αντλία. Κατά τη φάση σχεδιασμού, ο κατασκευαστής θα μπορεί να παρέχει τη γραφική παράσταση του NPSHr για οποιεσδήποτε αντλίες εξετάζονται.

Δημιουργία καμπύλης NPSHr

Η καμπύλη NPSHr της αντλίας λαμβάνεται μέσω μιας δοκιμής με την εκκίνηση της αντλίας και τη λειτουργία της σε μια δεδομένη πίεση και παροχή. Η πίεση και η παροχή μετρούνται καθώς και η πίεση αναρρόφησης. Στη συνέχεια, η αναρρόφηση προς την αντλία στραγγαλίζεται, προσομοιώνοντας μια μείωση του NPSHa έως ότου η πίεση της αντλίας πέσει κατά 3 τοις εκατό. Σε αυτό το σημείο, η πίεση αναρρόφησης καταγράφεται μαζί με τον ρυθμό παροχής και αυτό γίνεται ένα σημείο στην καμπύλη NPSHr Q-H. Η δοκιμή επαναλαμβάνεται για διαφορετικούς ρυθμούς παροχής και πιέσεις έως ότου ληφθούν επαρκείς μετρήσεις για τη γραφική παράσταση μιας καμπύλης NPSHr.

Πρακτικοί τρόποι αποφυγής σπηλαίωσης

Σε περίπτωση που η σπηλαίωση της αντλίας είναι πρόβλημα σε μια υπάρχουσα εγκατάσταση, υπάρχουν γενικά μερικοί πρακτικοί τρόποι που μπορούν να ακολουθηθούν για την επίλυση του προβλήματος.

Αρχικά μπορούμε να αυξήσουμε το NPSHa στην αντλία. Οι διαθέσιμες επιλογές για την αύξηση του NPSHa θα εξαρτηθούν από τη φύση του εν λόγω συστήματος. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει την τοποθέτηση μεγαλύτερης διαμέτρου σωλήνωσης, αύξηση της πίεσης στο άκρο αναρρόφησης της αντλίας ή τη μείωση των απωλειών τριβής στις σωληνώσεις ή τα επιμέρους εξαρτήματα, για να διατεθεί περισσότερη πίεση στην αντλία. Η αύξηση της πίεσης τροφοδοσίας μπορεί να επιτευχθεί ανυψώνοντας τη στατική πίεση της εγκατάστασης μέσω της αύξησης της πίεσης του αερίου στο δοχείο διαστολής. Η θερμοκρασία του νερού επίσης είναι ένας σημαντικός παράγοντας, αλλά συνήθως δεν υπάρχει περιθώριο μεταβολής της θερμοκρασίας για λειτουργικούς λόγους αλλά και για λόγους θερμικής άνεσης.

Επιπλέον των ανωτέρω, ένας τρόπος για την επίλυση της σπηλαίωσης της αντλίας σε μια υπάρχουσα εγκατάσταση είναι η αντικατάσταση των αντλιών που υπόκεινται σε σπηλαίωση με αντλίες που έχουν χαμηλότερο NPSHr ή την εγκατάσταση παράλληλης άντλησης χρησιμοποιώντας πολλαπλές αντλίες. Η μεταβολή των στροφών της αντλίας είναι επίσης ένας πρακτικός τρόπος – όπου φυσικά αυτό είναι αποδεκτό και εντός των ορίων που επιτρέπει το σύστημα – καθώς με αυτό τον τρόπο θα μεταβληθεί η χαρακτηριστική καμπύλη της αντλίας και θα ισορροπήσει καλύτερα με την χαρακτηριστική καμπύλη του συστήματος. Πέραν αυτών των τρόπων, σε ακραίες περιπτώσεις ίσως χρειαστεί να γίνει τριμάρισμα της πτερωτής, αλλά σε αυτή τη περίπτωση θα πρέπει να γίνει υπολογισμός της νέας διαμέτρου της πτερωτής από μηχανολόγο και το σημαντικότερο είναι να ληφθεί υπόψη η περίσσεια ισχύος του ηλεκτροκινητήρα της αντλίας.

Συμπέρασμα

Κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού, η τιμή του NPSHa (η οποία είναι ανεξάρτητη από την αντλία που θα επιλεγεί) μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί. Το NPSHa μπορεί στη συνέχεια να συγκριθεί με το NPSHr για τους τύπους αντλιών που θα επιλεγούν. Εάν δεν υπάρχει επαρκές NPSHa, είναι πολύ πιο εύκολο να κάνουμε αλλαγές κατά τη φάση σχεδίασης του συστήματος, παρά μετά την κατασκευή.

Σε πολλές περιπτώσεις οι παραπάνω ενδεικτικοί πρακτικοί τρόποι για την επίλυση της σπηλαίωσης μπορεί να μην είναι βιώσιμοι και σε όλες τις περιπτώσεις μπορεί να συνεπάγονται σημαντικό κόστος και διακοπή της λειτουργίας της εγκατάστασης για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Ο καλός σχεδιασμός για την αποφυγή της σπηλαίωσης είναι πάντα η καλύτερη επιλογή.

Άρθρο του κ. Ξενοφώντα Δαμιανού, Knowledge Manager, Idator S.A.