Кавитационный запас насоса - формула расчета. Поверхностный насос для воды

Кавитация опасна для дорогостоящего насосного оборудования. Но ее можно избежать, если знать как правильно рассчитать кавитационный запас конкретного насоса.

Что такое кавитация и почему она опасна для насосов

Кавитация - это образование и последующее схлопывание пузырьков в жидкости при понижении давления. В насосе кавитация возникает, когда в некоторых точках давление падает ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. Тогда часть жидкости вскипает с образованием пузырьков пара, которые затем схлопываются в зоне повышенного давления.

Последствия кавитации в насосе:

• Характерный резкий звук при схлопывании пузырьков
• Вибрация корпуса насоса и трубопроводов
• Эрозия деталей насоса из-за ударных волн
• Падение производительности и напора насоса
• Снижение КПД и перегрев насоса

Кавитация часто приводит к преждевременному выходу насосов из строя. Например, при перекачке горячей воды кавитация может разрушить дорогостоящий пластинчатый теплообменник всего за несколько месяцев.

Кавитационный запас насоса - что это такое

Кавитационный запас насоса - это разность между давлением на входе в насос и давлением насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре.

Кавитационный запас обозначают:

• NPSH (Net Positive Suction Head) - чистый положительный напор всасывания
• NPSHA (Net Positive Suction Head Available) - располагаемый кавитационный запас
• NPSHR (Net Positive Suction Head Required) - требуемый кавитационный запас

Единицы измерения кавитационного запаса - метры или доли бар.

Чем больше кавитационный запас насоса, тем меньше вероятность возникновения кавитации. Поэтому при подборе насоса важно учитывать его кавитационный запас для конкретных условий эксплуатации.

Какие факторы влияют на кавитационный запас насоса

На величину кавитационного запаса насоса влияют:

• Тип насоса и размеры рабочего колеса
• Частота вращения вала насоса
• Плотность, вязкость, температура перекачиваемой жидкости
• Длина и диаметр всасывающей линии
• Высота всасывания и уровень жидкости в резервуаре

Например, увеличение частоты вращения вала на 20% снижает кавитационный запас примерно на 40%. А повышение температуры воды с 20 до 80°С уменьшает кавитационный запас почти в 4 раза из-за резкого падения давления насыщенных паров.

Длинная узкая всасывающая линия тоже создает дополнительное сопротивление потоку, снижая кавитационный запас на входе в насос.

Поэтому при выборе насоса следует обязательно учитывать особенности системы, а не только характеристики самого насоса.

Как рассчитать кавитационный запас насоса

Для расчета кавитационного запаса NPSH используют следующую формулу:

NPSH = p_вх - p_{нас.паров} - Δp_всас - Δp_вых

где:

• p_вх - абсолютное давление на входе в насос, Па
• p_{нас.паров} - давление насыщенных паров жидкости при данной температуре, Па
• Δp_всас - потери давления во всасывающем трубопроводе, Па
• Δp_вых - потери давления на выходе из трубопровода, Па

Алгоритм расчета кавитационного запаса:

1. Определить давление и температуру жидкости на входе в насос
2. Рассчитать давление насыщенных паров при этой температуре
3. Рассчитать потери давления во всасывающем трубопроводе
4. Подставить все значения в формулу и получить NPSH
5. Сравнить с требуемым значением NPSHR для данного насоса

Например, для насоса, перекачивающего воду при температуре 60°С, кавитационный запас составит:

NPSH = 101300 Па - 40900 Па - 2000 Па - 1000 Па = 57400 Па или 5,74 м

При NPSHR = 4 м запас по кавитационному запасу составляет 1,74 м, что обеспечит устойчивую работу насоса. Таким образом, зная рабочие параметры системы и насоса, можно предотвратить опасную кавитацию, заранее рассчитав достаточный кавитационный запас.

Как использовать данные о кавитационном запасе при подборе насоса

При выборе насоса важно сопоставить требуемый кавитационный запас насоса NPSHR и располагаемый кавитационный запас системы NPSHA. Значение NPSHR обычно указывается в технических характеристиках насоса. NPSHA рассчитывается для конкретных условий работы по приведенной выше методике.

Чтобы исключить кавитацию, должно выполняться условие:

NPSHA > NPSHR

При этом рекомендуется запас по кавитационному запасу не менее 0,5-1 м.

Если рассчитанный NPSHA меньше требуемого, следует выбрать насос с большим кавитационным запасом или принять меры по увеличению NPSHA системы. Особое внимание кавитационному запасу нужно уделить при перекачке горячих или вязких жидкостей, где риск кавитации выше.

Таким образом, учет кавитационного запаса позволяет подобрать надежный и долговечный насос для конкретных условий эксплуатации.

Как повысить кавитационный запас в существующей системе

Если в работающей системе обнаружена недостаточность кавитационного запаса, можно предпринять следующие меры для его повышения:

• Установить приемный клапан или эжектор для повышения давления на входе
• Оптимизировать геометрию всасывающего трубопровода
• Увеличить диаметр всасывающего трубопровода
• Установить фильтр грубой очистки перед насосом
• Заменить рабочее колесо насоса на более подходящее

Например, установка эжектора на всасывающей линии центробежного насоса позволила поднять давление на входе на 0,5 кгс/см2 и полностью устранить проблему с кавитацией.

Кавитационный запас поверхностных насосов

Поверхностные насосы часто применяются для перекачки воды из открытых водоемов, колодцев, технических емкостей. Их конструкция обладает рядом особенностей, влияющих на кавитационный запас:

• Большая скорость вращения рабочего колеса
• Небольшой диаметр рабочего колеса
• Консольное рабочее колесо со стороны всаса

Эти факторы снижают кавитационный запас поверхностных насосов. Поэтому при их выборе особенно важно учитывать требования к кавитационному запасу.

Кавитационный запас поверхностного насоса для воды

При перекачке воды кавитационным запасом нельзя пренебрегать даже для поверхностных насосов.

Например, в насосе марки Grundfos SQ расход 16 л/с и напор 7 м требует кавитационного запаса 3 м. А насос Pedrollo PKM 60 при напоре 15 м имеет NPSHR около 4 м.

При подаче воды из открытого водоема кавитационный запас системы равен:

NPSHA = 10 м (атм. давление) - 0 м (давление пара) - 1,5 м (потери) = 8,5 м

Этого достаточно для устойчивой работы насоса Pedrollo PKM 60.

Таким образом, даже для поверхностного насоса воды следует выбирать модель с запасом по кавитационному запасу.

Диагностика кавитации в работающем насосе

Чтобы вовремя обнаружить кавитацию в работающем насосе, нужно:

• Отслеживать уровни вибрации и шума
• Анализировать показания датчиков давления
• Периодически осматривать состояние деталей насоса

Резкий металлический звук, вибрация корпуса, следы эрозии на рабочем колесе - все это признаки развивающейся кавитации.

Своевременное обнаружение проблемы позволит устранить причину, например, повысив давление на всасывании, и предотвратить серьезные повреждения насоса.

Профилактика кавитации в насосе

Чтобы предупредить возникновение кавитации, необходимо:

• Регулярно контролировать давление и температуру жидкости на входе
• Не допускать попадания воздуха во всасывающую линию
• Следить за чистотой всасывающих фильтров
• Периодически проверять техническое состояние насоса

Кроме того, при эксплуатации насоса нельзя допускать сильного снижения уровня жидкости в источнике и превышения рекомендуемой подачи.

Соблюдение этих мер позволит обеспечить стабильную и долговечную работу насоса без кавитации.

Влияние допустимого кавитационного запаса на выбор насоса

При подборе насоса очень важно учитывать допустимый кавитационный запас. Этот показатель определяет минимально необходимое давление на входе в насос, при котором не возникнет кавитация.

Значение допустимого кавитационного запаса NPSHR указывается производителем в технических характеристиках насоса. Чем ниже этот показатель, тем шире диапазон условий, в которых насос можно использовать без риска кавитации.

Поэтому при прочих равных параметрах следует выбирать насосы с более низким значением NPSHR. Это обеспечит запас прочности и снизит вероятность возникновения проблем при эксплуатации.

Влияние режима работы насоса на кавитационный запас

Помимо конструктивных особенностей, на кавитационный запас насоса существенно влияет его режим работы. При повышении подачи насоса динамическая составляющая давления на входе возрастает. Это приводит к снижению кавитационного запаса.

Поэтому при высоких подачах, близких к максимальным, кавитация может возникнуть даже при давлениях, безопасных в номинальном режиме. Для предотвращения кавитации во всем диапазоне режимов работы насоса при его выборе нужно ориентироваться на значение NPSHR для максимальной подачи.

Выбор насоса с учетом кавитационного запаса

При выборе насоса для конкретных условий эксплуатации алгоритм действий следующий:

1. Определить требуемые рабочие параметры насоса - подачу, напор, частоту вращения
2. Рассчитать доступный кавитационный запас системы NPSHA
3. Подобрать несколько моделей насосов с подходящими характеристиками
4. Сравнить NPSHR насосов с расчетным NPSHA системы
5. Выбрать насос с запасом NPSHA-NPSHR не менее 0,5-1 м

Такой подход гарантирует надежную работу насоса без кавитации.

Профилактика кавитации при эксплуатации

Чтобы избежать возникновения кавитации при работе насоса, рекомендуется:

• Периодически измерять давление на входе в насос
• Контролировать температуру перекачиваемой жидкости
• Не допускать снижения уровня жидкости ниже допустимого
• Производить чистку фильтров на всасывающей линии
• Отслеживать вибрацию и шум при работе насоса

Соблюдение этих мер позволит заблаговременно обнаружить ухудшение кавитационного запаса и принять меры для его восстановления.

Заключение

Кавитационный запас - важный показатель, определяющий надежность работы насоса. В статье подробно объясняется, что такое кавитационный запас насоса, как его рассчитать и учитывать при подборе оборудования. Приводятся практические рекомендации по предотвращению опасной кавитации при эксплуатации насосов, в частности поверхностных насосов для воды. Изложены способы повышения кавитационного запаса в существующих системах.