Co je kavitace čerpadla a jak jí předcházet

Jedním z vážných problémů, které vznikají při použití uzavíracích a regulačních ventilů, je výskyt kavitace. Tento efekt je zvláště výrazný při použití regulátorů, které snižují tlak „po sobě“.

kavitace – jedná se o lokální narušení kontinuity proudění s tvorbou parních a plynových bublin (dutin), způsobené lokálním poklesem tlaku v proudění

Kavitaci se také říká „studený“ var.

Představte si, že na části potrubí je instalován regulátor tlaku, který snižuje tlak „po sobě“, jakékoli další armatury, které zužují průtokový úsek, nebo konstrukčně provedené zúžení potrubí. Když proud prochází těmito oblastmi, jeho rychlost se nevyhnutelně zvýší.

Ke zvýšení rychlosti dochází díky zákonu zachování hmoty: za stejnou dobu projde každým úsekem potrubí stejné množství vody. Aby zúžením prošlo stejné množství vody, musí se proudění pohybovat rychleji. Současně dvojnásobné zúžení průtokové plochy vede ke čtyřnásobnému zvýšení rychlosti proudění.

Z tohoto důvodu specialisté z SPC PromVodOchistka nedoporučují používat regulátor o více než dvě velikosti menší, než je průměr potrubí, na kterém je regulátor namontován.

Zvýšení rychlosti znamená zvýšení kinetické energie proudění. Na základě zákona zachování energie se tato nemůže objevit z „ničeho“. Zvýšení kinetické energie tedy nevyhnutelně způsobí pokles potenciální energie a roli potenciální energie v proudění vody hraje tlak.

Všechny regulátory tlaku fungují na principu zákona zachování energie.

Jakmile se tlak při svém poklesu přiblíží tlaku nasycených par, začne rychlé uvolňování plynů rozpuštěných ve vodě se současným odpařováním. Dojde k tzv. „studenému varu“, popř KAVITACE.

Rýže. 1. Důsledky kavitace

Rýže. 2. Důsledky kavitace

Rýže. 3. Důsledky kavitace

Bubliny vzniklé při kavitaci vedou k postupné destrukci stěn potrubí (regulátoru)

Nebezpečí je toto. Bublinky vzniklé při kavitaci nejsou ty „obrovské“ vzduchové bubliny, které vidíme, když se voda vaří v konvici – jsou to mikroskopické bublinky ≈10 -5 cm a takových bublinek je hodně.

Bubliny zachycené v proudění se řítí ze zúžené části do široké části potrubí, kde klesá jejich rychlost a zvyšuje se tlak vyvíjený na bubliny. Zvýšení tlaku povede ke kondenzaci páry, rozpuštění plynů ve vodě, tedy ke zmizení bublin. Zdálo by se, že je vše v pořádku, ale bubliny nejen začnou mizet, ale začnou praskat. Předpokládá se, že při kolapsu bubliny je směs páry a plynu v ní obsažená adiabaticky (aniž by měla čas na výměnu tepla s okolím) stlačena na tlak 105 Pa (300 atmosfér) a zahřátá na teploty asi 9000 °C.

Představte si miliony/miliardy těchto „nebezpečných“ bublin, které začínají praskat poblíž stěn potrubí nebo regulátoru. Každá klapka nevyhnutelně zanechá stopu na stěně a postupně ji ztenčuje, což následně povede ke zničení regulátoru/potrubí.

Specialisté NPC PromVodOchistka se setkali s případy nesprávného výběru regulátorů, kdy byl do 250 měsíců po zahájení provozu z důvodu silné kavitace zničen regulátor tlaku z vysokopevnostní litiny Du-2 mm.

Kromě toho kavitace způsobuje další negativní jevy:

• charakteristický šum v celém frekvenčním rozsahu a silný akustický signál na frekvenci (hladina zvuku může přesáhnout 80 dB);
• urychlení některých chemických reakcí a iniciace jiných;
• intenzivní mikroproudy a rázové vlny, které mohou míchat vrstvy kapaliny a vést k silným vibracím.

Vyrovnat se s kavitací vám pomůže pouze dobře promyšlený akční plán.

Jak byste se tedy měli vypořádat s kavitací?

• Nedovolte, aby se kapalina příliš zahřála, protože při jejím zahřívání se zvyšuje tlak nasycených par a snižuje se rozpustnost plynů.
• Nedovolte, aby se kapalina nasytila ​​plyny. Nainstalujte odvzdušňovací ventily (například DOROT) na požadovaná místa podél potrubí.

Rýže. 5. Kinetický vzduchový ventil DAV-MS-K	Rýže. 6. Automatický vzduchový ventil DAV-PA

• Vyhněte se silné kontaminaci kapaliny, protože pevné částice jsou koncentrátory pro tvorbu bublinek páry a plynu.
• Výroba potrubí a regulátorů z materiálů odolných proti opotřebení, např. nerezové oceli.
• Instalace speciálních vložek do regulačních ventilů, jako je tomu u ventilů DOROT, vyrobených z materiálů odolných proti opotřebení a usměrňující proudění bublin tak, aby bubliny odrážely od stěn.

Společnost OOO NPC PromVodOchistka nabízí ventily DOROT s širokou škálou charakteristik: modely různých řad mají různé materiály tělesa, typy ovládání ventilů, průměr připojení, maximální průtoky a standardní velikosti. Celou řadu produktů si můžete prohlédnout na webu control-valves.ru

Kavitace čerpadla je velmi nebezpečný fyzikální jev, který může rychle vést k poškození hydraulických prvků čerpadla, jakož i instalačních a spojovacích komunikací připojených k čerpadlu.

Kavitaci lze popsat jako rychlý fázový přechod z kapaliny na plyn se současným vytvořením částečného vakua v důsledku pevného tělesa pohybujícího se vysokou rychlostí (v tomto případě by se jednalo o oběžné kolo nebo kolo čerpadla). Vznik tlakového rozdílu je spojen se základním principem činnosti odstředivého čerpadla.

Odstředivá čerpadla čerpají plyny a kapaliny vytvářením tlakového rozdílu na obou stranách oběžného kola. Při provozu čerpadla může pokles tlaku na sací straně dosáhnout takové hodnoty, že kapalina dosáhne bodu varu a začne se vypařovat a tento proces vede ke vzniku bublin a kavitaci.

Příčiny kavitace

Abychom lépe porozuměli fenoménu kavitace, který se vyskytuje v čerpadle, a abychom určili, za jakých podmínek může nastat, je nutné prodiskutovat několik dalších aspektů tvorby kavitačních bublin. Hlavním a základním konceptem je zde tlak nasycení kapaliny.

Každá čerpaná kapalina má v závislosti na svém typu a teplotě určitý saturační tlak – to je hodnota tlaku, při které se čerpané médium začne odpařovat nebo vařit. Vroucí nebo vypařující se kapalina vytváří vzduchové bubliny, které se mohou zhroutit (samodestruktivně, vytvořit vakuové oblasti) v důsledku rychlé rotace rotoru.

Vybuchující bubliny v kapalině ničí hydraulické prvky čerpadla a jednotky a mohou způsobit důlkovou korozi nebo jiné vady materiálu, ze kterého je jednotka vyrobena. Při dosažení saturačního tlaku dané kapaliny dochází v čerpadle ke kavitaci.

Vzhledem k relativně nízkým průtokům v objemových čerpadlech dochází ke kavitaci méně často než u odstředivých čerpadel. Existují však oblasti, zejména u objemových čerpadel s rotačním pohybem pracovního prvku, kde dochází k významným rychlostem proudění, což způsobuje výrazné poklesy tlaku, které přispívají ke vzniku kavitace.

Jsou to mezery mezi zuby u zubových čerpadel a mezery mezi vačkami, mezi skříní a vačkami u vačkových čerpadel, tedy všude tam, kde jsou sekce s rozdílnými tlaky (na sací a výtlačné straně) spojeny mezerami, které jsou nutné z důvodu mechaniky čerpadla.

Podmínky příznivé pro kavitaci

Nyní stojí za zvážení, kdy může při provozu čerpadla dojít ke kavitaci. Zde stojí za zmínku dva parametry, které jsou velmi důležité ve fázi návrhu a při výběru čerpadla pro instalaci. Mluvíme o hodnotách tlaku NPSH a NPSHA.

Hodnota NPSH není nic jiného než požadovaný sací tlak čerpadla na ochranu proti kavitaci. Jinými slovy, toto je minimální tlak, který musí být zajištěn, aby se médium „vtlačilo“ do čerpadla.

NPSHA je hodnota tlaku, která zohledňuje tzv. bezpečnostní rozpětí, které je definováno jako minimálně 0,5 m nad hodnotou NPSH.

Aniž bychom se pouštěli do složitých matematických výpočtů, abychom zabránili kavitaci v čerpadle, musíme mít v sacím potrubí čerpadla odpovídající tlak, aby jeho hodnota převyšovala hodnotu NPSH čerpadla.

Pamatujte však, že hodnota NPSH se liší v závislosti na provozních podmínkách a samotné instalaci. Požadovaný sací tlak je ovlivněn faktory, jako jsou otáčky čerpadla, průměr a délka sacího potrubí nebo geometrický rozdíl mezi čerpadlem a zdrojem čerpané kapaliny.

Příznaky kavitace v čerpadle

Jak poznat, že čerpadlo kavituje? Pokud čerpadlo čerpá vroucí kapalinu, kavitace se projevuje několika specifickými příznaky. Typicky se jedná o vibrace jak čerpadla, tak instalace, ve které je instalováno, způsobené praskajícími vzduchovými bublinami.

Kromě toho je během provozu slyšet poměrně specifický hluk (připomínající narážení kamenů do kovu). Po demontáži je vidět viditelné poškození konstrukčních prvků korozí, zejména rotoru.

Když čerpadlo pracuje v kavitačním režimu, může být také pozorován pokles provozních parametrů čerpadla a motor může spotřebovávat mnohem vyšší proudy než při jmenovitém provozu. To může mít za následek poškození hydraulického systému, což může mít za následek netěsnosti čerpadla.

Jak zabránit kavitaci?

Při instalaci nového čerpadla dbejte na výběr zařízení podle druhu čerpaného média, jeho teploty, charakteru instalace a případně umístění zdroje sání média. Sací potrubí musí být vyrobeno v souladu s doporučeními výrobce při zachování vhodné délky a průměru.

Pokud u stávajícího čerpadla dochází ke kavitaci, první věcí, kterou musíte udělat, je změnit podmínky sání čerpadla. Pokud je instalován uzavírací ventil, lze jej přiškrtit, čímž se sníží průtok do čerpadla a zároveň se zvýší sací tlak.

Dalším řešením může být zvětšení průměru sacího potrubí, což povede ke snížení průtokových ztrát nebo zmenšení vzdálenosti čerpadla od zdroje příjmu média. Další a bezpečnou metodou je také snížení rychlosti čerpadla, aby se omezil průtok a okrajové podmínky NPSH na sací straně.

Kavitaci je konstrukčně zabráněno:

• dřívější vstup tekutiny do mezilopatkových kanálů, kde tlak roste s maximálním pohybem vstupních hran lopatek směrem ke vstupu do oběžného kola. To vyžaduje dát jim prostorové zakřivení;
• nastavení počáteční rotace média ve směru rotace rotoru snižuje riziko kavitace;
• použití materiálů, které jsou odolné proti destruktivním účinkům kavitace, např. bronz, ocel, slitiny obsahující Cr a Ni, sklo, porcelán (kavitaci nejméně odolává litina);
• udržování hladkosti povrchů ve styku s kapalinou, navíc zpevněné povrchovou úpravou, jako je válcování, kování atd.;
• zpevnění povrchu nitridací, nauhličením a kalením.

Kavitaci lze rychle zabránit:

• nastavení čerpadel na minimální možnou sací výšku;
• provoz při výkonu blízkém jmenovitému (kavitace nastává, když se produktivita nadměrně zvyšuje nebo snižuje);
• ochrana proti zvýšení teploty kapaliny;
• ochrana proti zvýšení otáček čerpadla;
• zavedením určitého množství vzduchu do oblasti, kde se tvoří bublinky páry.