خالص ارتفاع مثبت مورد نیاز در قسمت مکش پمپ (NPSHR)
NPSHR را میتوان انرژی پتانسیل مورد نیاز (ارتفاع برحسب متر) در قسمت مکش پمپ مازاد بر فشار بخار مایع در دمای انتقال(برحسب متر) تعریف کرد که امکان بهره برداری از پمپ بدون بروز پدیده کاویتاسیون در آنرا میسر میسازد. NPSHR جزء مشخصههای رفتاری پمپ (یاپروانه) بوده و تابعی از سرعت جریان مایع بدرون پروانه میباشد و مقدار آن تقریباً با مربع دبی پمپ افزایش مییابد.
عوامل دیگری نظیر قطر چشمه پروانه، سطح مقطع مکش پروانه، تعداد تیغههای پروانه، فضای بین تیغهها، قطر شافت، قطر نافی پروانه، سرعت مخصوص پمپ، طراحی مجاری مایع در قسمت مکش پروانه و... نیز برروی NPSHR مؤثر میباشند. در یک تعریف تجربی NPSHR در عمل عبارتاست از افت فشار بین دهانه ورودی پمپ تا لبه خروجی پروانه که اگر مقدار آن از NPSHA تجاوز نماید، مایع بصورت ناگهانی تبخیر شده و در منطقه فشار قوی خواهد ترکید.
با کاهش NPSHA ارتفاع کل پمپ در دبی ثابت تغییری نخواهد کرد ولی در نقطه ای مانند NPSHi، اولین حبابهای بخار در پروانه پمپ تشکیل میشود که اصطلاحاً آن کاویتاسیون مقدماتی یا ابتدائی مینامند. با وجود تشکیل حباب، منحنی مشخصه پمپ و ارتفاع اعمال شده توسط آن تغییر نمیکند. با استمرار کاهش NPSHA، در وضعیت خاصی بلحاظ افزایش میزان حبابهای تشکیل شده، شرایطی بوجود میآید که ارتفاع کل پمپ شروع به کاهش مینماید.
بنابرقرار داد شروع پدیده کاویتاسیون هنگامیاست که مقدار NPSHA در حدی نزول یابد که باعث شود تا ارتفاع کل پمپ به میزان 3 درصد کاهش یابد. مقدار NPSH در این وضعیت را NPSHR (براساس کاهش ارتفاع به میزان 3 در صد) و یا باختصار مینامند.
همانطوری که قبلاً گفته شد، شروع کاویتاسیون در پمپ هنگامیاست که در اثر کاهش NPSHA، ارتفاع پمپ به میزان 3 درصد کاهش یابد. اما واقعیت امردرایناست کهاستناد به تعریف فوق برای شناخت بروز پدیده کاویتاسیون درپمپها کافی نبوده وگاهی اوقات غیرقابل تشخیص میباشد، به نحوی که غالباً، هنگامیاپراتورها ویا تعمیرکاران به وقوع این پدیده نامطلوب در پمپها پی میبرند که پمپ دچارخسارات جبران ناپذیری گردیدهاست. بنابراین لازماست کلیه افرادی که بنحوی باپمپها سروکاردارند، به علائم مشخصه بروزکاویتاسیون درپمپها آشناشده تابه محض مشاهده آنها باانجام یک سری عملیات اصلاحی، مانع ازپیشرفت کاویتاسیون درپمپهاوبروزصدمات شدیددرساختارمکانیکی آن گردند. مهمترین علائم مشخصه بروز کاویتاسیون درپمپهای گریزازمرکزعبارتند از تشکیل حباب در پروانه و پوسته، ایجاد سروصدا، افزایش لرزش، کاهش ارتفاع و دبی و راندمان پمپ، کاهش فشار دهش، لرزش در فشار سنجهای مکش و دهش، خرابی زودرس یاطاقانها، آسیب دیدگی قطعات داخلی پمپ و... .
در شناخت کاویتاسیون اندازه گیری مقدار سروصدا (میزان مطلق آن) لازم نبوده و بلکه تغییر سطح (Level) آن باید معیار تشخیص قرار گیرد. این روش اجازه میدهد تا براساس آن بتوان سیستمهای هشداردهنده را براساس سطح فشار صوتی ناشی از کاویتاسیون برای تشخیص وضعیت هشدار، توقف و یا کنترل پیش بینی کرده و از آن جهت کنترل شرایط یهره برداریاستفاده نمود.
بعلت وجود تفاوتهای اجتناب ناپذیردر تیغهها، دنباله کاویتاسیون در تمامیتیغهها یکسان نمیباشد، در نتیجه جریان مایع در اطراف تیغهها در حال تغییر بوده و همین امر باعث نابالانسی در پروانه گردیده که لرزش پمپ را بدنبال خواهد داشت.
دنباله کاویتاسیون دائماً در حال تغییر بوده و همین امر باعث بروز کاویتاسیون با فرکانس زیاد و در حال تغییر خواهد شد.
اگر گسترش دنباله کاویتاسیون درحدی باشدکه جریان مایع بطور چشم گیری پخش شود(کاهش ارتفاع)، جریان مایع خروجی از پروانه یکنواخت نبوده و میتواند باعث بروز پدیده جدا شدن در قسمت پائین دستی مجرای هر تیغه گردد. هرچه جریان مایع در اثر کاویتاسیون در پروانه بیشتر پخش شود، مایعی که به گلوئی پوسته پمپ میرسد دارای نوسان بیشتری خواهد بود. فرکانس لرزش در این حالت برابراست با فرکانس دوران ضربدر تعداد تیغههای پروانه. در اینجا ذکر این نکته ضروریاست که بروز کاویتاسیون ابتداء با تشکیل مقادیر جزئی حباب شروع گردیده و در این مرحله فقط قسمتی از پروانه توسط حباب پر خواهد شد که اصطلاحاً آنرا ُ ُکاویتاسیون جزئی ُ ُ مینامند. بعد از گسترش کاویتاسیون، پروانه از حبابهای گاز پر شده و کاویتاسیون حالت کلی را بخود میگیرد. در حالت کاویتاسیون جزئی هرچند که لرزش ناشی ازترکش حبابها در مقایسه با کاویتاسیون کلی کمتر میباشد ولی بخاطر غیر یکنواختی توزیع سیالات (مایع و بخار) در آن، لرزش ناشی از نابالانسی در پروانه زیادتر از کاویتاسیون کلی خواهد بود. به همین خاطر در تحلیل فرآیند کاویتاسیون کاهش لرزش را نباید یک عامل بهبود شرایط عملکرد سیستم (رفع کاویتاسیون) تلقی کرد، بلکه خود میتواند تأئیدی بر پیشرفت و گسترش کاویتاسیون در پمپ باشد.
همانطوری که در شکل 8 مشاهده میشود بروز کاویتاسیون در پمپ باعث انتقال محل تلاقی منحنی مشخصه پمپ با منحنی مشخصه سیستم بسمت چپ (دبی کمتر) شده و نقطه کار دارای ارتفاع، دبی و راندمان کمتری در مقایسه با حالتی که NPSHA در حد کافی میباشد، میگردد.
هر چندکه در منابع علمیاشاره چندانی به تأثیر کاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ تحت شرایط بروز کاویتاسیون نگردیده ولی با بررسی روابط قبل شاید بتوان نتیجه گرفت که با توجه به کاهش همزمان دو پارامتر Q وH در صورت و کاهش راندمان در مخرج کسر نباید انتظار افزایش توان مصرفی را داشته و احتمال کاهش توان مصرفی بیشتری میباشد. ولی در هر حال اظهار نظر قطعی در این زمینه نیازمند تعیین مقادیر Q ، H وη بوده تا براساس آن بتوان نظر قطعی را در زمینه تأثیر کاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ اعلام کرد.
کاهش فشار دهش
با توجه به رابطه زیر میتوان نتیجه گرفت:
بروز پدیده کاویتاسیون ضمن کاهش ارتفاع قابل دسترس، باعث تشکیل حبابهای بخار گردیده که دارای وزن مخصوص کمتری نسبت به فاز مایع میباشند.
آثار تخریبی کاویتاسیون نه در محل تشکیل حبابها و بلکه در نواحی با فشار بالا که در اثر افزایش فشار، حبابها میترکند بوقوع میپیوندد. اگرترکش حبابها در حین جریان مایع بوقوع بپیونددآسیبی به پمپ وارد نمیشود ولی در نزدیکی دیواره قطعات و در اثر پدیده ضربه جت (Jet Impact)، در ابتدای امر فقط سطح قطعه آسیب دیده ولی بمرور زمان در عمق آن نفوذ خواهد کرد. در شکل 10 نقاطی که میتوانند در معرض آسیب دیدگی ناشی از کاویتاسیون قرار گیرند با پیکان نشان داده شدهاست که شامل تیغههای پروانه اندکی دورتر از لبه هدایت کننده و در قسمت پشتی آن، نقاطی که لقی متحرک وجود دارد، قسمت ورودی پروانه جائی که تغییر ناگهانی مسیر جریان بروزمیکند و در تیغههای هدایت کننده بعدی بوقوع میپیوندد.
لازم به ذکراست که در زمان تعمیرات پمپها غالباً مسئولین تعمیرات با خرابیهایی برروی پروانه وپوسته پمپ مواجه میشوند که درابتدای امر به نظرمیرسد ناشی ازبروزپدیده کاویتاسیون میباشد. حا ل آنکه خرابیهای موجودممکناست ناشی ازپدیده خوردگی و یا سایش و یا مجموعه از دو یا سه پدیده فوق باشد. شناخت علت خرابی پروانه و پوسته پمپ و یافتن راه حل مناسب برای برطرف کردن و یا جلوگیری از آن اهمیت بسزائی دارد که در قسمتهای بعدی همین بخش مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
بهر حال ممکناست شرایطی در سیستم انتقال مایع بوجود آید که عملاً شرایط فوق برقرار نبوده و پمپ در معرض کاویتاسیون قرار گیرد. همانطوری که قبلاً گفته شد NPSH (مورد نیاز و قابل دسترس) مقادیر ثابتی نبوده و خود تابعی از دبی جریان در سیستم میباشند.
منحنی تغییرات NPSHA و NPSHR بر حسب دبی، شکلی سهمیگونه دارند. NPSHA با افزایش دبی کاهش یافته (بجهت افزایش از دست رفت ناشی از اصطکاک در سیستم)، در عوض NPSHR با افزایش دبی پمپ کاهش مییابد. در شکل 11 تغییرات NPSHA و NPSHR برحسب دبی نشان داده شدهاست.
برای غلبه بر کاویتاسیون میتوان از روشهای زیراستفاده کرد:
افزایش NPSHA
کاهش NPSHR
افزایش مقاومت مکانیکی قطعات پمپ در مقابل کاویتاسیون
روشهای افزایش NPSHA
NPSHA جزء مشخصههای سیستم و مایع مورد پمپاژ میباشد. بنابر این جهت افزایش آن باید در شرایط طراحی و بهره برداری از سیستم و مشخصههای فیزیکی مایع مورد انتقال تجدید نظر بعمل آورد. بنا بر تعریف NPSHA از رابطه زیر و در دهانه مکش پمپ محاسبه میشود:
ارتفاع سرعتی + ارتفاع معادل فشار بخار مایع - ارتفاعاستاتیکی مکش = NPSHA
ارتفاع معادل از دست رفت انرژی در قسمت مکش - اختلاف ارتفاع مایع تا منبع مکش
رابطه فوق را میتوان بصورت زیر خلاصه نمود:
که در آن:
بار فشار مطلق در منبع مکش
بار فشار بخارمایع در دمای پمپاژ
متر بر ثانیه سرعت مایع در دهانه مکش پمپ
=
متر اختلاف ارتفاع سطح مایع تا دهانه مکش پمپ Z=
متر جمع از دست رفت انرژی در لوله مکش
وزن مخصوص مایع SG =
تذکر: اگر سطح مایع از دهانه مکش پمپ بالاتر باشد (Head)، علامت Z مثبت بوده و اگر از دهانه مکش پمپ پائینتر باشد ، علامت Z منفی خواهد بود. در حالتی که مایع و دهانه مکش پمپ در یک سطح قرار دارند Z=0 میباشد. جهت افزایش NPSHA لازماست که در روابط مقادیر مثبت افزایش داده شده و یا مقادیر با علامت منفی کاهش داده شود. افزایش NPSHA موجب افزایش هزینههای ثابت (هزینههای لوله کشی)در سیستم میگردد. .
در صورتاستفاده از مبدل حرارتی از آنجائی که عبور مایع مورد انتقال از درون مبدل حرارتی خود باعث کاهش فشار مایع در قسمت مکش پمپ میشود که چندان مطلوب نمیباشد. بنابراین مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود که افت فشار مایع بهنگام عبور از آن حتی الامکان کم بوده و در حدی باشد که نتایج حاصل از کاهش دمای مایع را که منجر به کاهش فشار بخار آن میشود خنثی نسازد.
تزریق مایع سرد به مایع مورد انتقال حتی در مقادیر کم میتواند نتایج بسیار مطلوبی را در پی داشته و به همین خاطر در اکثر موارد برای کاهش فشار بخار مایع از این روشاستفاده میشود. در سیستمیکه برای انتقال آب گرم (با دمای 163? ( طراحی شدهاست، تزریق آب با دمای 79? به میزان 4 درصد باعث افزایش NPSHA به میزان 20 فوت (6. 1 متر) میشود. در شکل 12 نحوه تزریق مایع سرد به قسمت مکش پمپ نشان داده شدهاست.
کاهش دبی پمپ
کاهش طول مسیر مکش
کاهش تعداد اتصالات
افزایش قطر لوله مکش
(افزایش NPSHA) باقی میگذارد. از دست ارتفاع در سیستمهای لوله کشی با مربع دبی جریان (و یا بعبارت صحیحیتر با Q^1.85) رابطه مستقیم دارد. از سوی دیگر کاهش دبی موجب کاهش NPSHR نیز خواهد شد.
همانطوری که مشاهده میشود، با کاهش دبی، فاصله NPSHA از NPSHR زیادتر شده و عملکرد پمپ در جهت بهره برداری با شرایط امنتر هدایت میشود. برای کاهش دبی پمپ میتوان از روشهای مختلفی نظیر تغییر سرعت دورانی، ایجاد مقاومت در قسمت مکش و یا ایجاد مقاومت در مسیر دهش (استفاده از شیر کنترل دبی) و... استفاده کرد.
ایجاد مقاومت در قسمت مکش هرچند که باعث کاهش دبی جریان در لوله مکش میگردد ولی باتوجه به اینکه خود باعث افزایش افت فشار در لوله مکش میشود روش منطقی نبوده و به هیچ وجه توصیه نمیشود. تغییر سرعت دورانی جهت کاهش دبی پمپ در صورت قابلیت اجراء روش مطمئنی میباشد. ایجاد خفگی در مسیر دهش پمپ جهت کاهش دبی روش ساده ای بوده و لذا جهت حل مقطعی مشکل بروز کاویتاسیون میتوان آنرا بهترین روش دانست.
البته کاهش دبی خود عوارض جدیدی را بدنبال داشته که عمدهترین آن بروز جریان گردشی در قسمت مکش پمپ میباشد، لذا نباید این روش را بعنوان یک راه حل قطعی تلقی نمود.
کاهش طول مسیر مکش از طریق نزدیک کردن پمپ به منبع مکش هرچند که روی ارتفاع کل مورد نیاز در سیستم تأثیری نمیگذارد ولی باعث کاهش ازدست رفت انرژی در لوله مکش و افزایش NPSHA میگردد. به همین خاطر در طراحی سیستم لوله کشی بویژه در مواردی که احتمال بروز کاویتاسیون زیاد میباشد اکیداً توصیه میشود که پمپ در نزدیکترین محل نسبت به منبع مکش نصب گردد. تأثیر طول مسیر برروی افت فشار یک رابطه خطی بوده و لذا میزان ازدست رفت انرژی در لوله مکش با کم کردن طول آن بطور خطی کاهش مییابد.
افزایش قطر لوله و سایر اتصالات موجود در لوله مکش تأثیر زیادی برروی کاهش ازدست رفت انرژی باقی میگذارد. بطوری که مثلاً با 2 برابر کردن قطر لوله مکش، میزان افت انرژی در آن حدود 32 برابرکاهش مییابد.
در اکثر سیستمهای انتقال حتی در مواردی که احتمال بروز کاویتاسیون کم میباشد توصیه میشود که لوله مکش حدود یک تا دو اندازه (Size)، از لوله دهش بزرگتر در نظر گرفته شود. با کاهش تعداد اتصالات وحذف قطعات غیر ضروری در مسیر مکش میتوان NPSHA را افزایش داد. مثلاً باید از پیچ وخم دادن غیر ضروری مسیر مکش خودداری کرد و یا در مواقعی که منبع مکش در پائینتر از دهانه ورودی پمپ قرار دارد نیازی به نصب شیر تعمیراتی در لوله مکش نمیباشد.
اتصالات براساس کیفیت طراحی و ساختمان آنها دارای از دست رفت انرژی مختلفی میباشند، مثلاً از دست رفت انرژی در زانوئی شعاع بلند در مقایسه با زانوئی استاندارد بسیار کمتر بوده، و یا افت فشار در هنگام عبور مایع از درون شیر کشوئی (Gate Valve) چندین برابر کمتر از شیر توپی (Globe Valve) میباشد. به همین خاطر در انتخاب اتصالات برای نصب در قسمت مکش پمپها باید سعی شود از اتصالاتیاستفاده شود که از دست رفت انرژی در آن در حداقل ممکن باشد.
پمپهای تقویتی عموماً پمپهای با سرعت و ارتفاع کم و از نوع یک مرحله ای با NPSHR کم میباشند که با افزایش جزئی فشار مایع، NPSHA در دهانه مکش پمپ اصلی را افزایش میدهند.
بررسی وضعیت شروع پدیده کاویتاسیون در پمپها
تا زمانی که NPSHA در حدی باشد که پمپ را از بروز پدیده کاویتاسیون مصون نگهدارد، مقدار آن نمیتواند بر عملکرد هیدرولیکی پمپ تأثیر بگذارد، یا بعبارت دیگر ارتفاع قابل دسترس توسط پمپ مقداری ثابت و مستقل از NPSHA خواهد بود (شکل 6).با کاهش NPSHA ارتفاع کل پمپ در دبی ثابت تغییری نخواهد کرد ولی در نقطه ای مانند NPSHi، اولین حبابهای بخار در پروانه پمپ تشکیل میشود که اصطلاحاً آن کاویتاسیون مقدماتی یا ابتدائی مینامند. با وجود تشکیل حباب، منحنی مشخصه پمپ و ارتفاع اعمال شده توسط آن تغییر نمیکند. با استمرار کاهش NPSHA، در وضعیت خاصی بلحاظ افزایش میزان حبابهای تشکیل شده، شرایطی بوجود میآید که ارتفاع کل پمپ شروع به کاهش مینماید.
علائم بروز کاویتاسیون در پمپهای گریزازمرکز
پدیده کاویتاسیون همانند هر عارضه دیگری دارای نشانهها و علائمیبوده که بکمک آن میتوان بروز پدیده کاویتاسیون در پمپ را شناسائی کرده و سپس براساس دستورالعملهائی که در ادامه این بخش ارائه خواهد شد، تصمیم مناسب جهت غلبه بر آن اتخاذ نمود.همانطوری که قبلاً گفته شد، شروع کاویتاسیون در پمپ هنگامیاست که در اثر کاهش NPSHA، ارتفاع پمپ به میزان 3 درصد کاهش یابد. اما واقعیت امردرایناست کهاستناد به تعریف فوق برای شناخت بروز پدیده کاویتاسیون درپمپها کافی نبوده وگاهی اوقات غیرقابل تشخیص میباشد، به نحوی که غالباً، هنگامیاپراتورها ویا تعمیرکاران به وقوع این پدیده نامطلوب در پمپها پی میبرند که پمپ دچارخسارات جبران ناپذیری گردیدهاست. بنابراین لازماست کلیه افرادی که بنحوی باپمپها سروکاردارند، به علائم مشخصه بروزکاویتاسیون درپمپها آشناشده تابه محض مشاهده آنها باانجام یک سری عملیات اصلاحی، مانع ازپیشرفت کاویتاسیون درپمپهاوبروزصدمات شدیددرساختارمکانیکی آن گردند. مهمترین علائم مشخصه بروز کاویتاسیون درپمپهای گریزازمرکزعبارتند از تشکیل حباب در پروانه و پوسته، ایجاد سروصدا، افزایش لرزش، کاهش ارتفاع و دبی و راندمان پمپ، کاهش فشار دهش، لرزش در فشار سنجهای مکش و دهش، خرابی زودرس یاطاقانها، آسیب دیدگی قطعات داخلی پمپ و... .
تشکیل حباب
همانطوری که قبلاً اشاره شده، بروز پدیده کاویتاسیون با تشکیل حبابهای بخار شروع میشود. برای این منظور میتوان از تجهیزاتی که قادر به نشان دادن شرایط داخلی پمپ نظیرEndoscope میباشد، استفاده کرد.سروصدا
تشکیل حباب وترکش آنها در اثر پدیده کاویتاسیون همواره با بروز سروصدای غیر عادی (صدائی نظیر عبور ماسه از درون پوسته پمپ) توأم خواهد بود.در شناخت کاویتاسیون اندازه گیری مقدار سروصدا (میزان مطلق آن) لازم نبوده و بلکه تغییر سطح (Level) آن باید معیار تشخیص قرار گیرد. این روش اجازه میدهد تا براساس آن بتوان سیستمهای هشداردهنده را براساس سطح فشار صوتی ناشی از کاویتاسیون برای تشخیص وضعیت هشدار، توقف و یا کنترل پیش بینی کرده و از آن جهت کنترل شرایط یهره برداریاستفاده نمود.
لرزش
لرزشی که در زمان بروز کاویتاسیون در پمپ پدید میآید ناشی از سه پدیده زیر میباشد:بعلت وجود تفاوتهای اجتناب ناپذیردر تیغهها، دنباله کاویتاسیون در تمامیتیغهها یکسان نمیباشد، در نتیجه جریان مایع در اطراف تیغهها در حال تغییر بوده و همین امر باعث نابالانسی در پروانه گردیده که لرزش پمپ را بدنبال خواهد داشت.
دنباله کاویتاسیون دائماً در حال تغییر بوده و همین امر باعث بروز کاویتاسیون با فرکانس زیاد و در حال تغییر خواهد شد.
اگر گسترش دنباله کاویتاسیون درحدی باشدکه جریان مایع بطور چشم گیری پخش شود(کاهش ارتفاع)، جریان مایع خروجی از پروانه یکنواخت نبوده و میتواند باعث بروز پدیده جدا شدن در قسمت پائین دستی مجرای هر تیغه گردد. هرچه جریان مایع در اثر کاویتاسیون در پروانه بیشتر پخش شود، مایعی که به گلوئی پوسته پمپ میرسد دارای نوسان بیشتری خواهد بود. فرکانس لرزش در این حالت برابراست با فرکانس دوران ضربدر تعداد تیغههای پروانه. در اینجا ذکر این نکته ضروریاست که بروز کاویتاسیون ابتداء با تشکیل مقادیر جزئی حباب شروع گردیده و در این مرحله فقط قسمتی از پروانه توسط حباب پر خواهد شد که اصطلاحاً آنرا ُ ُکاویتاسیون جزئی ُ ُ مینامند. بعد از گسترش کاویتاسیون، پروانه از حبابهای گاز پر شده و کاویتاسیون حالت کلی را بخود میگیرد. در حالت کاویتاسیون جزئی هرچند که لرزش ناشی ازترکش حبابها در مقایسه با کاویتاسیون کلی کمتر میباشد ولی بخاطر غیر یکنواختی توزیع سیالات (مایع و بخار) در آن، لرزش ناشی از نابالانسی در پروانه زیادتر از کاویتاسیون کلی خواهد بود. به همین خاطر در تحلیل فرآیند کاویتاسیون کاهش لرزش را نباید یک عامل بهبود شرایط عملکرد سیستم (رفع کاویتاسیون) تلقی کرد، بلکه خود میتواند تأئیدی بر پیشرفت و گسترش کاویتاسیون در پمپ باشد.
کاهش ارتفاع قابل دسترس، دبی و راندمان پمپ
در مواردی که NPSHA درحدی باشد که پمپ دچار کاویتاسیون نگردد، نقطه کار پمپ، محل تلاقی منحنی مشخصه سیستم با منحنی مشخصه پمپ خواهد بود. عدم بروز کاویتاسیون باعث ثبات منحنی مشخصه پمپ گردیده و لذا ارتفاع قابل دسترس، دبی وراندمان پمپ مقادیر قابل قبول را خواهند داشت. ولی در شرایط بروز کاویتاسیون، منحنی مشخصه پمپ دچار تغییرات نامطلوبی گشته و قادر به اعمال ارتفاع همانند شرایط عادی نخواهد بود و همین امر باعث کاهش ارتفاع قابل دسترس، دبی و راندمان پمپ خواهد شد (شکل 7).همانطوری که در شکل 8 مشاهده میشود بروز کاویتاسیون در پمپ باعث انتقال محل تلاقی منحنی مشخصه پمپ با منحنی مشخصه سیستم بسمت چپ (دبی کمتر) شده و نقطه کار دارای ارتفاع، دبی و راندمان کمتری در مقایسه با حالتی که NPSHA در حد کافی میباشد، میگردد.
هر چندکه در منابع علمیاشاره چندانی به تأثیر کاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ تحت شرایط بروز کاویتاسیون نگردیده ولی با بررسی روابط قبل شاید بتوان نتیجه گرفت که با توجه به کاهش همزمان دو پارامتر Q وH در صورت و کاهش راندمان در مخرج کسر نباید انتظار افزایش توان مصرفی را داشته و احتمال کاهش توان مصرفی بیشتری میباشد. ولی در هر حال اظهار نظر قطعی در این زمینه نیازمند تعیین مقادیر Q ، H وη بوده تا براساس آن بتوان نظر قطعی را در زمینه تأثیر کاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ اعلام کرد.
کاهش فشار دهش
با توجه به رابطه زیر میتوان نتیجه گرفت:
بروز پدیده کاویتاسیون ضمن کاهش ارتفاع قابل دسترس، باعث تشکیل حبابهای بخار گردیده که دارای وزن مخصوص کمتری نسبت به فاز مایع میباشند.
نوسان شدید عقربه فشار سنجهای مکش و دهش
درمواردی که پمپ دچارپدیده کاویتاسیون میگردد، فاقد رفتار یکنواخت وپایدارخواهد شد. یکی ازمهمترین ناهماهگنی رفتاری آن نوسان شدید درفشار مکش و دهش بوده که بصورت نوسان شدید در عقربههای فشارسنجهای مکش ودهش میتوان آنرامشاهده کرد.خرابی زودرس یاطاقانها
پمپهای گریزازمرکز غالباً دارای دونوع یاطاقان میباشند که یکی از آنها برای بار شعاعی بوده ودیگری برای تحمل بار محوری میباشد. بروز پدیده کاویتاسیون درپمپها موجب تغییرات شدید بارهای وارده بریاطاقانها گردیده وهمین تغییرات شدید بار وارده، موجب تغییرات شدید در بردار نیروهای وارده بریاطاقان ها خواهد شد که نهایتا باعث کاهش عمر مفید و خرابی زودرس یاطاقان ها می شود.بروز صدمات وخرابی درپروانه وپوسته یک پمپ
تشکیل حباب در هنگام بروز پدیده کاویتاسیون درداخل پروانه پمپ غالباً درقسمت فشارضعیف تیغه پروانه صورت پذیرفته وبدیهیاست هنگامیکه این حبابها به مناطقی بافشار زیادمیرسند، وارد شدن فشاربراین حبابها موجب ترکیدن آنها خواهد شد.ترکیدن حبابها همواره باآزادشدن مقدارزیادی انرژی توأم بوده که همان انرژی نهان تبخیر مایع میباشد که در زمان تبخیر، به مایع داده شدهاست. انرژی آزادشده، بر روی سطوحی که حباب ها برروی آن میترکندنیرو واردکرده ومیتواندباعث کنده شدن ذرات فلز از بدنه پروانه وپوسته گردد. کنده شدن فلز از بدنه پروانه را اصطلاحاً جوش زدن مینامند (شکل 9).آثار تخریبی کاویتاسیون نه در محل تشکیل حبابها و بلکه در نواحی با فشار بالا که در اثر افزایش فشار، حبابها میترکند بوقوع میپیوندد. اگرترکش حبابها در حین جریان مایع بوقوع بپیونددآسیبی به پمپ وارد نمیشود ولی در نزدیکی دیواره قطعات و در اثر پدیده ضربه جت (Jet Impact)، در ابتدای امر فقط سطح قطعه آسیب دیده ولی بمرور زمان در عمق آن نفوذ خواهد کرد. در شکل 10 نقاطی که میتوانند در معرض آسیب دیدگی ناشی از کاویتاسیون قرار گیرند با پیکان نشان داده شدهاست که شامل تیغههای پروانه اندکی دورتر از لبه هدایت کننده و در قسمت پشتی آن، نقاطی که لقی متحرک وجود دارد، قسمت ورودی پروانه جائی که تغییر ناگهانی مسیر جریان بروزمیکند و در تیغههای هدایت کننده بعدی بوقوع میپیوندد.
لازم به ذکراست که در زمان تعمیرات پمپها غالباً مسئولین تعمیرات با خرابیهایی برروی پروانه وپوسته پمپ مواجه میشوند که درابتدای امر به نظرمیرسد ناشی ازبروزپدیده کاویتاسیون میباشد. حا ل آنکه خرابیهای موجودممکناست ناشی ازپدیده خوردگی و یا سایش و یا مجموعه از دو یا سه پدیده فوق باشد. شناخت علت خرابی پروانه و پوسته پمپ و یافتن راه حل مناسب برای برطرف کردن و یا جلوگیری از آن اهمیت بسزائی دارد که در قسمتهای بعدی همین بخش مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
روش های غلبه بر کاویتاسیون
پدیده کاویتاسیون هنگامیدر پمپهای گریزازمرکز بوقوع میپیوندد که شرایط قسمت مکش (فشار مایع) در حد مطلوب نبوده، بنحوی که مایع قبل از ورود بداخل پروانه (و درمواردی حتی درقسمتهای ابتدائی پروانه) به بخار تبدیل نشود. لذا جهت جلوگیری از بروز این پدیده لازماست که شرایط مایع در دهانه ورودی پمپ در حدی باشد که مایع مورد انتقال در طول عبور از مسیر مکش تا قسمت خروجی پروانه بصورت بخار تبدیل نشود. برای این منظور از نظر تئوریک کافیاست که NPSHA از NPSHR پمپ در دبی بهره برداری بیشتر باشد. اکثر سازندگان پمپهای گریزازمرکز توصیه میکنند که جهت اطمینان از بروز پدیده کاویتاسیون بهتراست که NPSHA حداقل 0. 5 متراز NPSHR بیشتر باشد در بعضی از مراجع توصیه شدهاست که NPSHA برای آب حدود 20 در صد و برای هیدروکربورها حداقل 10 درصد از NPSHR بیشتر بوده ولی مقدار اختلاف نباید از 0. 5 متر کمتر باشد:بهر حال ممکناست شرایطی در سیستم انتقال مایع بوجود آید که عملاً شرایط فوق برقرار نبوده و پمپ در معرض کاویتاسیون قرار گیرد. همانطوری که قبلاً گفته شد NPSH (مورد نیاز و قابل دسترس) مقادیر ثابتی نبوده و خود تابعی از دبی جریان در سیستم میباشند.
منحنی تغییرات NPSHA و NPSHR بر حسب دبی، شکلی سهمیگونه دارند. NPSHA با افزایش دبی کاهش یافته (بجهت افزایش از دست رفت ناشی از اصطکاک در سیستم)، در عوض NPSHR با افزایش دبی پمپ کاهش مییابد. در شکل 11 تغییرات NPSHA و NPSHR برحسب دبی نشان داده شدهاست.
برای غلبه بر کاویتاسیون میتوان از روشهای زیراستفاده کرد:
افزایش NPSHA
کاهش NPSHR
افزایش مقاومت مکانیکی قطعات پمپ در مقابل کاویتاسیون
روشهای افزایش NPSHA
NPSHA جزء مشخصههای سیستم و مایع مورد پمپاژ میباشد. بنابر این جهت افزایش آن باید در شرایط طراحی و بهره برداری از سیستم و مشخصههای فیزیکی مایع مورد انتقال تجدید نظر بعمل آورد. بنا بر تعریف NPSHA از رابطه زیر و در دهانه مکش پمپ محاسبه میشود:
ارتفاع سرعتی + ارتفاع معادل فشار بخار مایع - ارتفاعاستاتیکی مکش = NPSHA
ارتفاع معادل از دست رفت انرژی در قسمت مکش - اختلاف ارتفاع مایع تا منبع مکش
رابطه فوق را میتوان بصورت زیر خلاصه نمود:
که در آن:
بار فشار مطلق در منبع مکش
بار فشار بخارمایع در دمای پمپاژ
متر بر ثانیه سرعت مایع در دهانه مکش پمپ
=
متر اختلاف ارتفاع سطح مایع تا دهانه مکش پمپ Z=
متر جمع از دست رفت انرژی در لوله مکش
وزن مخصوص مایع SG =
تذکر: اگر سطح مایع از دهانه مکش پمپ بالاتر باشد (Head)، علامت Z مثبت بوده و اگر از دهانه مکش پمپ پائینتر باشد ، علامت Z منفی خواهد بود. در حالتی که مایع و دهانه مکش پمپ در یک سطح قرار دارند Z=0 میباشد. جهت افزایش NPSHA لازماست که در روابط مقادیر مثبت افزایش داده شده و یا مقادیر با علامت منفی کاهش داده شود. افزایش NPSHA موجب افزایش هزینههای ثابت (هزینههای لوله کشی)در سیستم میگردد. .
روشهای غلبه بر کاویتاسیون از طریق افزایش NPSHA
همانطوری که قبلاً اشاره شد، جهت افزایش NPSHA لازماست که در رابطه مقادیر منفی را کاهش و یا مقادیر مثبت را افزایش داد. برای این منظور میتوان از روشهای زیراستفاده کرد:افزایش فشار در منبع مکش
این روش برای مواردی که پمپ مایع مورد انتقال را ازمخزنی بسته دریافت میکند قابل اجراء میباشد. افزایش فشار منبع مکش میتواند با تزریق گاز به بالای سطح مایع و افزایش فشار مایع موجود در منبع بطور مستقیم صورت پذیرد. گاز مورداستفاده باید سازگاری لازم را با مایع مورد انتقال داشته باشد. در شرایط عادی غالباً از هوا و در شرایط خاص (ضرورت خنثی بودن گاز مورداستفاده) عموماً از ازت استفاده میشود.کاهش فشار بخار مایع از طریق سرد کردن آن
همانطوری که دربالا اشاره شد، فشار بخار مایعات تابعی از دمای آن بوده و با افزایش درجه حرارت افزایش مییابد (و بالعکس). در مواقعی که امکان کاهش درجه حرارت مایع موردانتقال مجازباشد، بااستفاده از مبدل حرارتی و یا تزریق مایع سرد به قسمت مکش پمپ میتوان درجه حرارت مایع و در نتیجه فشار بخار آنرا کاهش داد.در صورتاستفاده از مبدل حرارتی از آنجائی که عبور مایع مورد انتقال از درون مبدل حرارتی خود باعث کاهش فشار مایع در قسمت مکش پمپ میشود که چندان مطلوب نمیباشد. بنابراین مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود که افت فشار مایع بهنگام عبور از آن حتی الامکان کم بوده و در حدی باشد که نتایج حاصل از کاهش دمای مایع را که منجر به کاهش فشار بخار آن میشود خنثی نسازد.
تزریق مایع سرد به مایع مورد انتقال حتی در مقادیر کم میتواند نتایج بسیار مطلوبی را در پی داشته و به همین خاطر در اکثر موارد برای کاهش فشار بخار مایع از این روشاستفاده میشود. در سیستمیکه برای انتقال آب گرم (با دمای 163? ( طراحی شدهاست، تزریق آب با دمای 79? به میزان 4 درصد باعث افزایش NPSHA به میزان 20 فوت (6. 1 متر) میشود. در شکل 12 نحوه تزریق مایع سرد به قسمت مکش پمپ نشان داده شدهاست.
بالا بردن سطح مایع در منبع مکش
شاید در نظر اول بالا بردن سطح مایع در منبع مکش جهت افزایش NPSHA راه حل ساده ای بنظر برسد ولی در خیلی از موارد این امر تقریباً غیر ممکن میباشد. مثلاً اگر پمپ برای انتقال آب از رودخانه و یا دریاچه بکارگرفته شود و یا هزینه بالا بردن منبع مکش زیاد باشد، امکان اجراء این دستورالعمل تقریباً غیر ممکن خواهد بود. با این وجود در مواردی که این اقدام عملی باشد، افزایش جزئی ارتفاع سطح مایع ضمن حل مشکل کاویتاسیون این امکآنرا مهیا میسازد تا بتوان ازپمپ ارزانتر وباراندمان بیشتراستفاده کرد که در نهایت منجر به کاهش هزینه خرید، هزینههای بهره برداری (مصرف انرژی) و تعمیرات خواهد شد.پائین بردن پمپ
در اکثر موارد پائین بردن پمپ و کاهش میزان مکش و یا افزایش ارتفاع آسانتر از بالابردن سطح مایع میباشد. نتایج حاصل از این اقدام همانند حالت قبل خواهد بود. یک روش جایگزین و مشابه آناستفاده از پمپهای عمودی که پروانه آن در قسمت زیرین پمپ و پائینتر از سطح زمین قرار دارد میباشد. مشکل این روش در روانکاری یاطاقانهای پمپ خواهد بود. باید بررسی شود که آیا مایع مورد انتقال قابلیت روانکاری مطلوب یاطاقانها را دارا میباشد یا خیر؟ امروزه با پیشرفتهائی که در طراحی و انتخاب مواد اولیه یاطاقانها حاصل شدهاست مشکل روانکاری یاطاقانها تقریباً حل شدهاست. با این وجود نباید انتظار داشت که عمر مفید یاطاقانها حتی هنگامیکه باروغن ویا گریس روانکاری میشوند در حد عمر پمپ باشد. در هر حال این روش موجب افزایش میزان تعمیرات مورد نیاز برای پمپ میگردد.کاهش ازدست رفت انرژی در لوله مکش
جریان مایع از منبع مکش تا دهانه چشمه پروانه همواره با از دست رفت انرژی (افت فشار)توام میباشد. بنابراین هر اقدامیدر زمینه کاهش افت فشار ناشی از عبور مایع از درون لوله و اتصالات موجود در مسیر مکش پمپ میتواند در افزایش NPSHA مؤثر واقع گردد که عمدهترین آنها عبارتند از:کاهش دبی پمپ
کاهش طول مسیر مکش
کاهش تعداد اتصالات
افزایش قطر لوله مکش
استفاده از اتصالات با از دست رفت انرژی کمتر
هریک از اقدامات فوق تأثیری جداگانه در کاهش از دست رفت انرژی در لوله مکش(افزایش NPSHA) باقی میگذارد. از دست ارتفاع در سیستمهای لوله کشی با مربع دبی جریان (و یا بعبارت صحیحیتر با Q^1.85) رابطه مستقیم دارد. از سوی دیگر کاهش دبی موجب کاهش NPSHR نیز خواهد شد.
همانطوری که مشاهده میشود، با کاهش دبی، فاصله NPSHA از NPSHR زیادتر شده و عملکرد پمپ در جهت بهره برداری با شرایط امنتر هدایت میشود. برای کاهش دبی پمپ میتوان از روشهای مختلفی نظیر تغییر سرعت دورانی، ایجاد مقاومت در قسمت مکش و یا ایجاد مقاومت در مسیر دهش (استفاده از شیر کنترل دبی) و... استفاده کرد.
ایجاد مقاومت در قسمت مکش هرچند که باعث کاهش دبی جریان در لوله مکش میگردد ولی باتوجه به اینکه خود باعث افزایش افت فشار در لوله مکش میشود روش منطقی نبوده و به هیچ وجه توصیه نمیشود. تغییر سرعت دورانی جهت کاهش دبی پمپ در صورت قابلیت اجراء روش مطمئنی میباشد. ایجاد خفگی در مسیر دهش پمپ جهت کاهش دبی روش ساده ای بوده و لذا جهت حل مقطعی مشکل بروز کاویتاسیون میتوان آنرا بهترین روش دانست.
البته کاهش دبی خود عوارض جدیدی را بدنبال داشته که عمدهترین آن بروز جریان گردشی در قسمت مکش پمپ میباشد، لذا نباید این روش را بعنوان یک راه حل قطعی تلقی نمود.
کاهش طول مسیر مکش از طریق نزدیک کردن پمپ به منبع مکش هرچند که روی ارتفاع کل مورد نیاز در سیستم تأثیری نمیگذارد ولی باعث کاهش ازدست رفت انرژی در لوله مکش و افزایش NPSHA میگردد. به همین خاطر در طراحی سیستم لوله کشی بویژه در مواردی که احتمال بروز کاویتاسیون زیاد میباشد اکیداً توصیه میشود که پمپ در نزدیکترین محل نسبت به منبع مکش نصب گردد. تأثیر طول مسیر برروی افت فشار یک رابطه خطی بوده و لذا میزان ازدست رفت انرژی در لوله مکش با کم کردن طول آن بطور خطی کاهش مییابد.
افزایش قطر لوله و سایر اتصالات موجود در لوله مکش تأثیر زیادی برروی کاهش ازدست رفت انرژی باقی میگذارد. بطوری که مثلاً با 2 برابر کردن قطر لوله مکش، میزان افت انرژی در آن حدود 32 برابرکاهش مییابد.
در اکثر سیستمهای انتقال حتی در مواردی که احتمال بروز کاویتاسیون کم میباشد توصیه میشود که لوله مکش حدود یک تا دو اندازه (Size)، از لوله دهش بزرگتر در نظر گرفته شود. با کاهش تعداد اتصالات وحذف قطعات غیر ضروری در مسیر مکش میتوان NPSHA را افزایش داد. مثلاً باید از پیچ وخم دادن غیر ضروری مسیر مکش خودداری کرد و یا در مواقعی که منبع مکش در پائینتر از دهانه ورودی پمپ قرار دارد نیازی به نصب شیر تعمیراتی در لوله مکش نمیباشد.
اتصالات براساس کیفیت طراحی و ساختمان آنها دارای از دست رفت انرژی مختلفی میباشند، مثلاً از دست رفت انرژی در زانوئی شعاع بلند در مقایسه با زانوئی استاندارد بسیار کمتر بوده، و یا افت فشار در هنگام عبور مایع از درون شیر کشوئی (Gate Valve) چندین برابر کمتر از شیر توپی (Globe Valve) میباشد. به همین خاطر در انتخاب اتصالات برای نصب در قسمت مکش پمپها باید سعی شود از اتصالاتیاستفاده شود که از دست رفت انرژی در آن در حداقل ممکن باشد.
و: استفاده از پمپ تقویتی (Booster Pump) درقسمت مکش
این روش بویژه برای مواردی که پمپ اصلی برای اعمال ارتفاع (فشار) زیاد طراحی شدهاست بسیار مؤثر میباشد، چرا که اجازه میدهد تا پمپ اصلی با سرعت بیشتری کارکرده و همین امر ضمن کاهش قیمت پمپ اصلی، موجب افزایش راندمان، کاهش تعداد مراحل و افزایش قابلیت اعتماد در سیستم میگردد.پمپهای تقویتی عموماً پمپهای با سرعت و ارتفاع کم و از نوع یک مرحله ای با NPSHR کم میباشند که با افزایش جزئی فشار مایع، NPSHA در دهانه مکش پمپ اصلی را افزایش میدهند.
تاریخ : پنج شنبه 95/1/26 | 5:47 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()