Простыми словами о кавитационном запасе или как не допустить закипания жидкости внутри насоса

Задача по перекачиванию горячих жидкостей, а также вопрос высоты самовсасывания насоса до появления кавитации (закипания) ставится перед нами достаточно часто. Поэтому было принято решение предельно ясно и доходчиво на реальном примере объяснить обозначение терминов, а также физических свойств жидкостей и газов, скрывающихся под иностранными сокращениями HPSHa и NPSHr. Это важно, так как если пренебречь расчётом кавитационного запасом в точке установки насоса, то кавитация неизбежно приведёт к чрезмерному износу и выходу из строя насоса. Такая поломка не является гарантийным случаем и повлечёт к финансовым потерям. Серьёзность обозначена, приступаем!

Начать нужно с того, что практически у каждого насоса есть определённый кавитационный запас - то есть высота столба жидкости, который насос может удерживать, перекачивавая продукт через себя. Данные по кавитационному запасу насоса в той или иной рабочей точке необходимо получить на заводе-изготовителе. Так, в примере, который мы будем рассматривать, насос Argal TMR 16.15, будучи установленным в режиме циркуляции горячей жидкости, работал с давлением 1,5 Бар (данные взяты с манометра на напорной магистрали).

Теперь обратимся к заводскому графику, представленному выше. Мы видим, что при давлении 1,5 Бара (15 метров) пересечение с рабочей кривой производительности происходит в точке 16 м. куб. в час, опуская перпендикуляр от которой до точки пересечения с кривой кавитационного запаса видим пересечение с ней в точке равной 4,3 метра. Что это значит? Это значит, что при работе насоса с давлением напора 1,5 бара (15 метров) его производительность составляет 16 м. куб. в час, а скорости проходящей через него жидкости достаточно для того, чтобы удерживать столб высотой 4,3 метра ниже насоса. То есть если начать поднимать насос вверх над уровнем жидкости, которую он всасывает, то вплоть до высоты 4,3 метра насос жидкость всасывать в себя сможет, а дальше - нет. В качестве слова "кавитационный запас" в данном случае можно использовать более понятное слово разряжение. То самое разряжение, которое создаётся в трубочке, через которую мы с вами втягиваем остатки сока со дна стакана. Ведь чтобы втянуть жидкость со дна стакана нам нужно создать втягивающее усилие, это и есть то самое разряжение, которое создаётся потоком жидкости в насосе. В нашем примере оно равно 4,3 метра (0,43 Бар со знаком минус, потому что разряжение).

Это самое втягивающее усилие (сила разряжения) является величиной, которую необходимо учитывать для нормальной работы насоса, то есть в заводских графиках она носит характер обязательного требования и обозначается в международных стандартах NHPSr (Net Positive Suction Head Requested - требуемое значение подпора на всасывающем патрубке). Это означает, что для работы насоса требуется, чтобы подпор был не более минус 4,3 метра. Более того, по общему правилу для всех динамических центробежных насосов в инструкциях по их эксплуатации содержится требование, что необходимо иметь дополнительный запас к NHPSr насоса равный не менее чем 1 метр. Получаетя 5,3 метра. Запомним эту цифру.

Далее вернёмся на урок физики средней школы, к разделу, связанному с закипанием воды - явлением, связанным с высвобождением из жидкости растворённых в ней газов. В любой жидкости растворено некоторое количество газов, которые удерживаются в ней балансом между давлением этих газов, стремящихся вырваться наружу, и давлением, удерживающим их внутри жидкости. Когда баланс смещается и давление насыщенных паров превышает давление на их удержание внутри жидкости, происходит всем нам известный процесс кипения. Баланс этот можно нарушить или нагревом жидкости, увеличив тем самым давление насышенных паров, или уменьшением внешнего давления, удерживающего газы внутри жидкости. Так, общеизвестен пример со школьной скамьи, что в горах, например, на высоте 6000 метров, вода закипает при температуре 81°С, потому что атмосферное давление на этой высоте равно 353 мм. ртутного столба (0,47 Бар), а не 740 мм. ртутного столба (0,98 Бар), как в привычной нам обстановке средней полосы России. В условиях атмосферного давления 0,47 Бар давление насышенных паров достигает этой отметки и начинается кипение при температуре 81°С.

Далее к нашему рабочему примеру. Насос был установлен на циркуляцию горячей жидкости со дна ёмкости обратно в её верхнюю часть. На манометре перед насосом давление подпора показывало 1,2 Бар - это положительное давление созданное двумя метрами жидкости над насосом. Один Бар - атмосферное и 0,2 Бар - это столб воды. Запомним эту цифру. При таком давлении закипание воды происходит при температуре около 104°С.

Однако! Несмотря на положительный подпор и давление на входе равное 1,2 Бар, вода в насосе начинала закипать с характерным треском и вибрацией при температурах значительно ниже 104°С. И вот почему. В статье мы объяснили происхождение двух основных цифр. Первая - кавитационный запас насоса (разряжение), равное в нашем примере 5,3 метра, с учётом требуемого запаса в 1 метр. Вторая - это подпор (давление) со стороны всасывающей магистрали, равное в нашем примере 1,2 бар (12 метров).

Осталось всего лишь вычесть из подпора 12 метров силу разряжения насоса 5,3 метра, чтобы установить с каким давлением жидкость циркулирует в насосе. Получается 12 минус 5,3 равно 6,7 метра (0,67 бара или 502.54 мм.ртутного столба). При давлении 0,67 бара закипание воды наступает при температуре около 88°С. Несложно посчитать, что при подпоре в 1,1 Бар температура закипания воды в насосе составит 84°С.

Наш пример описывает реальную жизненную ситуацию, когда приобретённые насосы из армированного фторопласта, рассчитанного на перекачивание жидкостей с температурой до 120°С вышли из строя, перекачивая жидкость с температурой в районе 86°С из-за небрежного проектирования гидравлической системы, в ходе которого не были взяты в рассчёт условия, приведшие к кавитации.

Просим Вас быть внимательнее при работе с горячими жидкостями!

О самом явлении кавитации и её последствиях можно почитать в статье на нашем сайте тут:
Если не взрываются пузырьки или чем так опасна кавитация?

Артём Емельянов