Кавитация является одной из основных причин выхода из строя жидкостно-кольцевых вакуумных насосов. Понимание того, что такое кавитация, при каких условиях она образуется и как ее предотвратить, является важным понятием для любого, кто работает с этим типом насосов.
Что такое кавитация?
Кавитация - это образование и разрушение паровых пузырьков в рабочей жидкости.
Поскольку рабочая жидкость подвергается воздействию областей более низкого давления в насосе, часть этой жидкости, если позволяют условия, испарится, образуя пузырьки пара или пустоты. Когда рабочее колесо перемещается к областям более высокого давления в насосе, эти пустоты быстро рассеиваются и создают нагрузку на внутренние поверхности насоса. Процесс повторяется по мере вращения крыльчатки. Циклическое действие образования и разрушения паровых карманов в конечном итоге приведет к повреждению внутренних элементов насоса.
Повреждения, вызванные кавитацией, являются уникальными по сравнению с другими механизмами разрушения. Они часто локализуются на концах крыльчатки и вдоль отверстий насоса. Повреждения часто напоминают углубления и участки, где металл подвергся эрозии, как показано на рисунке ниже.
Из-за чего происходит кавитация в жидкостно-кольцевом вакуумном насосе?
Рабочая жидкость, используемая в одном из этих насосов, должна быть подвергнута определенному набору условий, чтобы насос начал кавитировать. Наиболее распространенной рабочей жидкостью, используемой в этих насосах, является вода, хотя существуют насосы, специально разработанные для использования масел или других жидкостей. Если используется система рециркуляции рабочей жидкости, при оценке кавитации необходимо использовать давление паров полученной смеси.
В приведенном ниже примере я буду ссылаться на насосы, которые используют воду в качестве рабочей жидкости. Для того чтобы водяное кольцо испарилось внутри насоса, его необходимо подвергнуть воздействию правильных условий. Вода будет иметь точку кипения, и эта точка кипения будет варьироваться в зависимости от двух факторов: давления и температуры. Давление всасывания, создаваемое водокольцевым насосом, регулируется всасывающей нагрузкой насоса.
Температура водяного кольца регулируется температурой подачи и расходом рабочей жидкости насоса. Если давление всасывания насоса ниже, чем соответствующая точка кипения воды при температуре нагнетания насоса, то рабочая вода будет вспыхивать внутри насоса, вызывая кавитацию. В водокольцевом насосе технологическая и сервисная жидкость сливаются в одном месте - в сливном патрубке насоса. Измерение температуры на выпускном патрубке насоса даст вам самую высокую или наихудшую температуру рабочей жидкости.
Зная давление всасывания насоса и температуру рабочей жидкости на входе и выходе, можно затем определить, является ли насос кавитационным. Определяя давление пара при температуре на выходе насоса и применяя коэффициент запаса прочности, можно рассчитать разрежение, при котором насос будет кавитировать, см. пример ниже.
Пример расчета кавитации
- Измеренная температура подачи технической воды = 27￮С -
получено на линии подачи рабочей жидкости
- Измеренная температура рабочей воды на выходе = 31￮С -
получено в соединении для слива рабочей/сервисной жидкости водокольцевого насоса
- Рассчитанное повышение температуры рабочей жидкости = 89-81=8￮С -
разница между температурой подачи и температурой нагнетания
- Давление паров воды при температуре на выходе 31￮С= 4666 Па
- Примем коэффициент безопасности:
4666 Па + 666 Па = 5332 Па
При текущих условиях эксплуатации жидкости насосу угрожает кавитация, если рабочее разрежение насоса превышает 5332 Па.
P.S. Нагрузка насоса может меняться с течением времени, что влияет на давление всасывания насоса. Температура подачи рабочей жидкости также может изменяться с течением времени, что влияет на температуру кипения рабочей жидкости. Если приведенный выше расчет выполнен при самой низкой нагрузке (самое высокое давление всасывания) и в самый жаркий месяц года (самая теплая температура подачи рабочей жидкости), это должно обеспечить надлежащую защиту насоса от кавитации.
Если насос опускается ниже точки испарения рабочей жидкости, а большее количество или более холодная рабочая жидкость недоступна, тогда вам нужно подойти к проблеме с другой точки зрения. В этом случае всасывающей нагрузкой на насос можно управлять с помощью отвода воздуха, если позволяет технологический процесс, или рециркуляционной линии, которая будет возвращать процесс от нагнетания обратно к всасыванию насоса. Регулируя нагрузку, вы можете регулировать давление всасывания насоса, повышая давление всасывания для предотвращения кавитации.
Устранение и предотвращение кавитации в жидкостно-кольцевом вакуумном насосе
Если водокольцевой вакуумный насос работает в течение длительного времени в состоянии кавитации, это вызовет шум, вибрацию и даже повреждение. На этапе выбора, при определении давления всасывания и температуры воды вакуумного насоса, старайтесь избегать диапазона давлений, в котором вакуумный насос подвержен кавитации, то есть избегайте работы вакуумного насоса в критической степени вакуума или в области критического давления выхлопных газов. Следует избегать использования водокольцевого вакуумного насоса для работы в состоянии кавитации, насколько это возможно. Могут быть приняты следующие методы:
1. Уменьшите температуру воды
Из-за повышения температуры охлаждающей воды вакуумного насоса энергия откачки будет значительно снижена, а температура герметизирующей воды вакуумного насоса должна быть ниже температуры насыщения, соответствующей давлению выхлопных газов, в противном случае вакуум будет ухудшаться и кавитация рабочего колеса вакуумного насоса будет повреждена. Таким образом, температура воды может быть снижена для предотвращения кавитации.
2. Введение неконденсирующегося газа
Для вакуумного насоса, оснащенного трубкой для защиты от кавитации, пузырьки, образующиеся в процессе кавитации, разрушаются в процессе сжатия. Введение неконденсирующегося газа с высоким давлением извне может своевременно заполнить пространство, вызванное разрывом пузырьков, что может значительно уменьшить повреждение вакуумного насоса от кавитации и уменьшить шум и вибрацию.
Некоторые вакуумные насосы имеют связь с защитой от кавитации, например, при работе под предельным давлением открытие соединения с трубой защиты от кавитации (или соединение с пароводяным сепаратором) может устранить кавитационный звук и защитить вакуумный насос при условии максимального эффекта всасывания.
3. Используйте жидкость с низким содержанием насыщенных паров в качестве рабочей жидкости
При замене рабочей жидкости с исходной воды на трансформаторное масло предельная степень разрежения рабочей жидкости увеличивается из-за более низкого давления насыщенных паров масла. При извлечении загрязненного газа и некоторых особых условиях работы в качестве рабочей жидкости вакуумного насоса могут также использоваться другие жидкости (метанол, этанол, ксилол, анилин, ацетон и другие органические растворители с низкой вязкостью). Предельная степень вакуума определяется давлением насыщенных паров рабочей жидкости.
Вакуумный насос с масляным кольцом может работать при температуре 20 ~ 90 ℃, поэтому его нелегко конденсировать из-за высокой температуры масла при откачке водяного пара и других газов, поэтому масло насоса сложно эмульгировать, что увеличивает срок службы масла насоса. При использовании органического растворителя в качестве рабочей жидкости следует обратить внимание на взрывозащищенность двигателя и коррозию вакуумного насоса и его уплотнений.
В заключении
Кавитация жидкостно-кольцевого вакуумного насоса является распространенной неисправностью вакуумного насоса. Правильный выбор методов предотвращения кавитации позволит уменьшить кавитацию вакуумного насоса, что продлит срок службы насоса.