Zjawisko określane mianem kawitacji towarzyszy przepływowi cieczy poprzez różne urządzenia, jak na przykład zawory czy pompy. Kawitacja związana jest z lokalnym tworzeniem się pęcherzyków pary cieczy, a następnie – na skutek wzrostu ciśnienia – ponownym przechodzeniem w stan ciekły.

Aby zrozumieć zjawisko kawitacji, dobrze jest cofnąć się do ławy szkolnej i przypomnieć sobie wykres równowagi ciecz-para (rysunek 1).

Gawronek204-1

By przeprowadzić ciecz w stan parowy, mamy dwie możliwości: albo zwiększamy temperaturę aż do przekroczenia linii granicznej, albo obniżamy ciśnienie. W tym wypadku również przekroczymy granicę pomiędzy fazą ciekłą i parową. Obniżenie ciśnienia wody w pompie, prowadzące do wystąpienia pary, jest właśnie kawitacją. Czynniki odpowiedzialne za kawitację to wartość ciśnienia napływu i temperatura pompowanej wody. W tym duecie temperatura określa ciśnienie parowania wody i poza jeszcze innymi czynnikami wyznacza wymagane, minimalne ciśnienie przed pompą.

W wypadku pomp wirowych zjawisko kawitacji występuje w części pompy, gdzie ciśnienie jest najniższe. Miejsce to określamy jako oko wirnika i zlokalizowane jest ono przy wlocie wody do wirnika.

Rysunek 2 ilustruje zmiany ciśnienia w pompie od króćca wlotowego aż do tłocznego. Jeżeli przy przepływie wody przez pompę ciśnienie nie spadnie poniżej ciśnienia parowania wody w określonej temperaturze, wtedy zjawisko kawitacji nie wystąpi. Często zdarza się jednak, że spadek ciśnienia na odcinku od króćca ssawnego do oka wirnika jest na tyle duży, a ciśnienie wlotowe na tyle niskie, że nastąpi jego obniżenie poniżej ciśnienia parowania. Wtedy mamy do czynienia z kawitacją.

Gawronek204-2

Problem tworzenia się pęcherzyków pary w pompie to niestety dopiero początek kłopotów. Ciśnienie wody przepływającej przez wirnik zwiększa się. W efekcie pęcherzyki pary poddane wysokiemu ciśnieniu implodują i przechodzą w ciecz. Zjawisku temu towarzyszy wydzielanie ogromnej energii działającej destrukcyjnie na elementy konstrukcyjne pompy, w szczególności na wirnik, które powoduje znaczące ubytki materiału – rysunek 3. Miejsca tworzenia się i zanikania pęcherzyków pary pokazuje rysunek 4.

Gawronek204-3

Gawronek204-4

Ubytki materiału wirnika to nie jedyne negatywne skutki kawitacji. Kolejne to obniżenie parametrów pompy (zmiana charakterystyki pompy), nadmierne wibracje powodujące uszkodzenia łożysk i uszczelnienia wału, wreszcie – zwiększony hałas podczas pracy.

Chcąc zabezpieczyć się przed wystąpieniem negatywnych skutków kawitacji, należy przede wszystkim zapewnić minimalne ciśnienie na króćcu ssawnym pompy, gwarantujące, że ciśnienie w korpusie pompy nie spadnie poniżej ciśnienia parowania wody dla określonej temperatury. Obliczenie minimalnego wymaganego ciśnienia względnego (mierzonego manometrem) wymaga zastosowania prostego wzoru:

Hs = NPSHR – Ha + Hvp + Hm [mH2O],

Hs – minimalne ciśnienie napływu [mH2O],

Hm – margines bezpieczeństwa – min. 0,5 mH2O,

Hvp – ciśnienie parowania dla określonej temperatury wody,

Ha – ciśnienie atmosferyczne [mH2O] (ok. 10,2 mH2O),

NPSHR – wymagana nadwyżka antykawitacyjna (net positive suction head required) [m H2O].

Wartość NPSHR podawana jest przez producenta pompy w formie wykresu. NPSH definiowana jest jako spadek ciśnienia w pompie na odcinku od wlotu do oka wirnika, przy czym warto zauważyć, że wartość NPSH rośnie wraz ze zwiększającym się przepływem (rysunek 5). Im wyższa wartość NPSHR, tym wyższe ciśnienie napływu musimy zapewnić.

Gawronek204-5

Z kolei ciśnienie parowania wody dla określonej temperatury możemy odczytać z publikowanych nomogramów. Przykładowo ciśnienie parowania wody w temperaturze 90oC wynosi 0,7011 bara, czyli ok. 7 mH2O.

Po obliczeniu wymaganego ciśnienia napływu możemy odczytać rzeczywistą wartość ciśnienia na króćcu ssawnym pompy. Powinna być wyższa lub równa obliczonemu ciśnieniu wymaganemu.

W wypadku pomp obiegowych bezdławnicowych bardzo często producenci podają wymagane ciśnienie na ssaniu w odniesieniu do kilku wybranych temperatur.

W praktyce projektowej używa się również pojęcia dostępnej nadwyżki antykawitacyjnej – NPSHA (net positive suction head available – ang.). NPSHA jest to wyliczona wartość ciśnienia na króćcu ssawnym pompy, jaka jest dostępna w określonej instalacji. NPSHA uwzględnia geometryczną wysokość napływu, straty na rurociągu ssawnym i ciśnienie parowania w temperaturze pompowanej wody. Wyliczona wartość NPSHA powinna być większa lub równa wartości NPSHR.

Problemy z kawitacją występują najczęściej w przypadku pompowania wody gorącej. Należy wówczas określić wymagane ciśnienie napływu. Jeżeli okaże się, że rzeczywiste ciśnienie na ssaniu pompy jest niższe od wymaganego, mamy do wyboru następujące możliwości:

* obniżyć temperaturę pompowanej wody,

* podwyższyć ciśnienie systemowe lub geometryczną wysokość napływu,

* zmniejszyć przepływ przez pompę, obniżając w ten sposób NPSHR,

* dobrać pompę o niższym NPSHR.

Eksploatacja kawitującej pompy doprowadzi do jej poważnego uszkodzenia oraz spowoduje obniżenie wysokości podnoszenia i wydajności pompy, przez co nie osiągnie ona wymaganych parametrów.

Ryszard Gawronek

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij