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 :
Pa = فشار منبع مکش ( Psia )
Pv= فشار بخار مایع پمپ شونده در حداکثر درجه حرارت ممکن ( Psia )
Hs = 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 .
Hf = 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 :
۱- سیال چگالیده بخار ( Condensate )با دبی ۲۰۰ gpm و در درجه حرارت (۹۸٫۸°C) 210 °F
۲- هد ( فشار ) استاتیک برابر ۳ ft است .
۳- فشار اتمسفر برابر ۱۴٫۷ Psi می باشد .
۴- مخزن در سطح دریا و بصورت باز ( Vent ) در نظر گرفته می شود .
۵- لوله مکش به قطر ۳” و بطول ۱ ft و شامل یک زانوئی ۹۰ ° 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 ۸٫۹ فوت در هر ۱۰۰ فوت طول لوله می باشد ( لوله مکش با ظرفیت ۲۰۰ gpm و قطر ۳” )
– برای افت در زانوئی و شیر کشوئی باید طول معادل از یک لوله مستقیم و نو محاسبه و منظور گردد ، که نتیجتا‌ً خواهیم داشت :
Hf = ( ۱٫۰+۲٫۶۲+۳٫۶) x 8.9 ft per 100 ft = 0.64 ft
Hs= 3.0 ft
Pa = Patm + Pgage = ۱۴٫۷ +۰ = ۱۴٫۷ Psia
s.g.= 0.96 at 210 °F
بنابراین پمپی که برای این مثال انتخاب می شود باید دارای NPSHR کمتر از ۳٫۸ 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 ؛
۱- افزایش سطح سیال در مخزن .
۲- بالا بردن مخزن .
۳- افزایش فشار مخزن ( استفاده از سیستمهای بسته / سیستمهای تحت فشار )
۴- قراردادن پمپ داخل گودال ( Pit ) .
۵- 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 . )
۶- 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 . )
۷- عایق بندی مناسب لوله ها .
۸- بکار بردن پمپهای دو مکشه ( که تا ۲۵% مقدار NPSHR را کاهش می دهد . )
۹- بکار بردن پمپها با سرعت دورانی ( rpm ) پائین تر .
۱۰- بکار بردن پمپها با مجرای ورودی ( چشم ) پروانه بزرگتر .
۱۱- 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 ۱۷ با حدود ۵ تا ۷ پره بعنوان یک حد مرزی بین دو محدوده فوق در نظر گرفته می شود .
۱۲- 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 ۱۰ و تعداد پره های پروانه تا حداقل ۴ پره کاهش می یابد .
۱۳- 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 ۵ تا ۱۰ درجه و زاویه پره ۳ تا ۵ درجه بزرگتر است و تعداد پره‌های آن بین ۲ تا ۴ می باشد .
۱۴- جلوگیری از ورود هوا به داخل پمپ .
۱۵- بکار بردن خط بای پس مناسب ( اگر خط بای پس خیلی نزدیک به ورودی پمپ نصب گردد ، باعث افزایش دمای سیال ورودی خواهد شد . )
۱۶- 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 .
۱۷- 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 . )
