На сегодняшний день насосное оборудование стало неотъемлемой частью нашей повседневной хозяйственной жизни. И если раньше с ним работали узкоспециализированные работники сферы строительства, энергетики и промышленности, то сейчас едва ли найдется домашнее хозяйство без насосов различного назначения, например, в системах водоснабжения, отопления, дренажа.
Поэтому некоторые технические вопросы важны не только для проектирования, строительства и эксплуатации промышленных объектов, но и для понимания на бытовом уровне. Важно это потому, что, не являясь узким техническим специалистом, можно легко поверить советам продавца или соседа дяди Васи и просчитаться, приобретая тот или иной насос для своей системы, а неправильно подобранный насос, как правило, работает очень короткое время и выходит из строя. При этом нужно понимать, что неважно дорогой это насос известной марки или дешевый «китайский» аналог, если не учитывать ограничения по их применению они неминуемо и очень быстро выйдут из строя.
В этой части рассмотрим такой ограничительный параметр, как NPSH (Net Positive Suction Head), что означает конечный положительный напор на входе в насос, при котором насос может работать согласно своей заводской характеристике. Весьма часто встречается ошибочное мнение, что этот параметр показывает, с какой глубины насос может «взять» воду, однако NPSH говорит о принципиально другом условии – обеспечении бескавитационного режима работы насоса. Он определяется для каждого типа насоса индивидуально при стандартных заводских условиях во время испытаний и, по сути, говорит о гидравлическом совершенстве проточной части насоса.
Упрощенно, кавитация (от английского cavity – полость, впадина) – образование множества пузырьков пара в областях локального пониженного давления при неравномерном течении потока жидкости, которые при достижении препятствия или зоны повышенного давления схлопывются, вызывая микро гидроудары. Когда этих пузырьков миллиарды, а воздействие продолжительное, то при работе насоса в таком режиме возникают серьезные проблемы: разрушение рабочего колеса насоса, чрезмерные вибрационные нагрузки на подшипники, существенное снижение рабочих характеристик насоса.
Чтобы выяснить, для чего же нужен NPSH, обратимся к общему уравнению, для большего практического понимания я представлю в виде неравенства:
NPSH ≠ ± L + Pb – (Vp + Hf), где:
L – абсолютный статический напор столба жидкости на входе в насос;
Pb – барометрическое (абсолютное) давление в точке установки насоса;
Vp – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при рабочей температуре;
Hf – гидравлические потери в системе.
Соответственно исходя из объективных законов физики, чем ниже атмосферное (абсолютное) давление на входе в насос, чем выше температура жидкости и чем выше гидравлические потери, тем вероятнее явление кавитации. Поэтому этим неравенством мы сравниваем заводские условия, прописанные в паспорте с нашими реальными условиями на нашем объекте. То есть правая часть неравенства должна быть всегда больше левой, тогда явление кавитации маловероятно.
Рассмотрим конкретный пример: по заводской характеристике (рис.1) рабочая точка насоса соответствует расходу 100 м3/ч и напору 80 м при этом NPSH равен 8м, насос установлен в г. Чита (650 м над уровнем моря), потери в системе 1,5 м, перекачиваем воду с температурой 70 °С. Далее будем рассматривать 2 варианта:
- открытая система: насос забирает воду из открытого резервуара, установленного на высоте 1 м над осью всасывающего патрубка (аналог системы водоснабжения, например, с подпорным баком-накопителем);
- закрытая система: насос качает воду по кругу, манометр на входе в насос показывает давление 3 м (аналог системы отопления).
В первом варианте у нас имеются все компоненты формулы:
NPSH = 8м;
L = 1 м
Pb = 704 мм.рт.ст = 94 кПа= 9,5 м.в.ст (с высотой давление падает);
Vp = 31,2 кПа = 3,2 м
Hf = 1,5 м
Получаем: 8 ≠ 1 + 9,5 – (3,2 + 1,5 );
8 > 5,8
Соответственно в нашей системе при наших условиях кавитация будет и нужно принимать меры: покупать другой насос с меньшим антикавитационным запасом , выше устанавливать бак запаса воды, снижать гидравлические потери, уменьшать температуру воды (с атмосферным давлением мы, к сожалению, ничего не сделаем).
Во втором варианте, поскольку система закрытая и не имеет прямого сообщения с окружающей средой, если манометр показывает 3 м (0,3 бар), то абсолютное давление в трубопроводе будет выше на то же атмосферное давление, поэтому получаем наше неравенство в следующем виде:
8 ≠ 3 + 9,5 – (3,2 + 1,5);
8 > 7,8
Снова мы не проходим по антикавитационному запасу, но поскольку у нас система закрытая, то мы можем добавить давление в систему, поднять его до 13 м (1,3 бар) и тогда выражение примет вид: 8 < 17,8. Теперь с запасом у нас все в порядке и насос будет работать в нормально режиме без кавитации.
Относительно погружных насосов отмечу отдельно, что явление кавитации в них тоже нередкий случай. Она возникает тогда, когда насос забивается, например, мусором или придонным илом. В этом случае значительно растет составляющая неравенства «Hf – гидравлические потери в системе», что ведет правую часть неравенства к минимальным значениям, что говорить о развитии кавитационного режима работы насоса. Выход – просто почистить гидравлическую часть и/или поднять насос выше над грунтом.
Таким образом,
параметр NPSH является сравнительной характеристикой насоса, необходимой для оценки возможности его работы в конкретной гидравлической системе в конкретных эксплуатационных условиях.
Теперь, понимая практический смысл использования паспортной характеристики NPSH, можно легко и быстро оценить возможность безаварийной работы конкретного насоса в заданной системе, а также оценить и выявить риски аварийной работы насоса и принять исчерпывающие и правильные меры для исключения кавитации.
