2020.05.25
Kavitacija ir jos išvengimo sąlygos
Šioje žinyno temoje pateikiama informacija:
• Kavitacija. Kas ją sukelia ir kaip jos išvengti? Skaičiavimo pavyzdžiai;
• Rekomenduojamos išcentrinių siurblių montavimo schemos;
• Slėgio nuostoliai;
• Rekomenduojamas įsiurbimo vamzdžio skersmuo priklausomai nuo siurblio įvado skersmens;
• Maksimalaus darbinio slėgio priklausomybė nuo siurbiamo skysčio temperatūros.
KAVITACIJA
Minimaliai leistinas siurblio įsiurbimo aukščio vertes riboja kavitacijos sąlygų atsiradimas.
Kavitãcija (lot. cavitas – tuštuma), dujų, garų arba jų mišinio pulsuojančių burbuliukų susidarymas skystyje ir jų išnykimas. Lemia skysčio vietinio slėgio sumažėjimas: jei kuriame nors skysčio srauto taške slėgis pasidaro mažesnis už skysčio garų slėgį, įvyksta fazinis virsmas – skystis virsta dujomis – ir susidaro dujų burbuliukai.
Siurbimo metu kavitacija – garo burbuliukų susidarymas skystyje, kai lokalus slėgis pasiekia kritinę reikšmę, t.y. kada vietinis slėgis lygus arba truputį mažesnis už prisotintų skysčio garų slėgį. Garo burbuliukai siurbiamo skysčio sraute maišosi ir kai jie pasiekia sritį su aukštesniu slėgiu, įvyksta garo kondensacija. Garo burbuliukai sprogsta ir susidaro slėgio bangos, kurios tiesiogiai veikia į siurblio darbines dalis, kurių medžiagos pastoviai veikiamos tokių cikliškų apkrovų, pradeda patirt plastines deformacijas. Šis reiškinys pasižymi charakteringu triukšmu, susijusiu su atsiradusia kavitacija. Pažeidimai, kuriuos sukelia kavitacija, gali būti lydimi elektrocheminės korozijos ir temperatūros didėjimu, kuriuos sukelia siurblio metalinių dalių plastinė deformacija. Plieno lydiniai ir ypač legiruoto plieno rūšys – tai medžiagos, pasižyminčios aukštu atsparumu temperatūrai ir korozijai. Kavitacijos atsiradimo sąlygų pradžią galima prognozuoti, atliekant minimalaus leistino teigiamo slėgio įsiurbime apskaičiavimą (NPSH).
NPSH nurodo minimalų įsiurbimo linijoje slėgį, kuris užtikrina atitinkamo tipo siurblio veikimą be kavitacijos.
Kad nustatyti statinį skysčio aukštį siurblio įvade hz, kuriam esant siurblys funkcionuos be kavitacijos atsiradimo, turi būti išpildyta sekanti sąlyga:
hp + hz ≥ (NPSHr + 0,5) + hr + hv
• hp – veikiantis skystį absoliutus slėgis, išreikštas vandens stulpo metrais; hp yra atmosferos slėgio ir skysčio tūrio masės (ρ) santykis
• hz – tai siurblio sumontavimo aukščių skirtumas, kuris matuojamas nuo siurblio įvado ašies iki skysčio paviršiaus lygio rezervuare, išreikštas metrais. hz įgyja neigiamą reikšmę, kai viršutinis siurbiamo skysčio lygis yra žemiau siurblio įsiurbimo įvado ašies.
• hr – slėgio nuostoliai, kurie išreikšti metrais įsiurbimo vamzdyne ir armatūroje tokioje, kaip pavyzdžiui: atbulinis vožtuvas, sklendė ir t.t…
• hv – tai prisotintų skysčio garų slėgis, esant darbinei temperatūrai, išreikštas metrais. hv yra garų slėgio (Pv) ir skysčio tūrio masės (ρ) santykis
• 0,5 – atsargos koeficientas
Maksimaliai galimas siurblio įsiurbimo aukštis priklauso nuo atmosferinio slėgio (siurblio sumontavimo aukštis virš jūros lygio) ir skysčio temperatūros. Žemiau pateikta lentelė parodo slėgio nuostolius priklausomai nuo siurbiamo skysčio temperatūros ir slėgio hidraulinius nuostolius priklausomai nuo siurblio sumontavimo aukščio virš jūros lygio.
Siekiant sumažinti slėgio nuostolius kiek tai įmanoma, ypač kai siurbiamas skystis yra žemiau siurblio įsiurbimo ašies 4-5 metrais arba kai siurblys veikia sąlygomis, kai našumas artimas maksimaliam, būtina naudoti įsiurbimo vamzdyną su didesniu skersmeniu nei siurblio įvado skersmuo.
Pagal galimybes siurblys turi būti montuojamas kaip galima arčiau siurbiamo skysčio.
Skaičiavimo pavyzdys.
Skystis: vanduo, temperatūra 20°C, ρ = 1kg/dm³
Reikalingas našumas: 50 m3/h
Skirtumas įsiurbimo lygyje (įsiurbimo aukštis): 3 m
Siurblio NPSHr reikšmė: 3 m
Vandeniui prie 15°C hv yra Pv/ρ = 0,17 m
eh = Pa/p = 10,33 m
Slėgio nuostoliai hr įsiurbimo vamzdyno ilgio atkarpoje ir vožtuve sudaro 1,5 m.
Suvedame pradines reikšmes į aukščiau nurodytą formulę:
10,33 + (-3) ≥ (3 +0,5) +1,5 +0,17 ir gauname: 7,33 ≥ 5,17
Sąlyga išpildyta. Tai reiškia, kad nurodytų sąlygų atveju siurblys siurbs vandenį iš 3 metrų be kavitacijos požymių atsiradimo.
Kas yra kavitacija kaip fizikinių – cheminių savybių procesas?
Vanduo gamtoje nėra vienalytė ir gryna terpė be priemaišų. Visi skysčiai yra tirpalai, kuriuose yra gana daug priemaišų, daugiausia atmosferos dujų. Iš atmosferos oro vandenyje ištirpsta beveik dvigubai daugiau azoto nei deguonies. Taigi 1 litre vandens 20°С temperatūroje ištirpsta maždaug 665 ml anglies dioksido, o esant temperatūrai 0°С – tris kartus daugiau, t.y. 1995 ml. Prie 0°C temperatūros viename litre vandens galima ištirpinti: He – 10 ml, H2S – 4630 ml.
Padidėjęs slėgis padidina dujų tirpumą. Pavyzdžiui, esant 25 atmosferų (barų) slėgiui, 1 litre vandens ištirpsta 16,3 litro anglies dioksido, o esant 53 atm – 26,9 litro. Sumažinus slėgį, gaunamas atitinkamai priešingas rezultatas. Jei paliksite indą su vandeniu per naktį, ant indo sienelių susidarys dujų burbuliukai. Tai dar aiškiau ir greičiau galima pamatyti stiklinėje su mineraliniu vandeniu. Verdant vandenį, mes taip pat matome burbuliukų susidarymą dujomis ir garais.
Kavitacija (terminė) tam tikra prasme yra tas pats virimo procesas, kurį sukelia ne tik padidėjusi temperatūra (nors tai taip pat yra vienas iš kavitacijos susidarymo veiksnių). Veikiant dviems veiksniams, padidėjus temperatūrai ir sumažėjus slėgiui virš skysčio, vyksta kavitacijos procesas, kurio metu skystis pereina į dujų ir vandens mišinį. Tai ypač svarbu ir dažniausiai pasitaiko siurbimo sistemose, kur neigiamas įsiurbimo slėgis, kitaip tariant kai siurblys yra virš pumpuojamo skysčio lygio. Siurblio darbo ratas įsiurbimo linijoje sukuria vakuumą, kuris, jei trūksta skysčio prie siurblio įleidimo angos (susiaurėjus praėjimui, per didelis vamzdynų alkūnių skaičius ir kt.), sukuria sąlygas skysčio kavitaciniam užvirimui.
Dažnai užduodamas klausimas – kodėl negalima įsiurbti skysčių su aukšta temperatūra? Atsakymas – sumažėjus slėgiui įsiurbimo vamzdyje, didžioji vandens dalis pereina į kitą agregacijos būseną, vadinamąjį vandens ir dujų mišinį (kitaip tariant, kavitacinis verdantis vanduo), kurio iš esmės negalima įsiurbti įprastu vandens siurbliu.
Normaliomis sąlygomis skysčio ir dujų tirpalas yra pusiausvyroje, t.y. slėgis skystyje yra didesnis nei dujų garų slėgis, todėl sistema yra stabili. Tais atvejais, kai sistemoje pažeidžiama ši pusiausvyra ir susidaro kavitacijos burbuliukai.
Panagrinėkime išmetimo kavitacijos susidarymo statinėje sistemoje atvejį. Dažniausiai kavitacija susidaro srityje, esančioje ant siurblio slėgio linijos (išmetimo), tuo atveju, jei ji susiaurėja. T.y. skysčio slėgis po susiaurėjimo sumažėja (pagal Bernulio dėsnį), nes nuostoliai ir kinetinė energija didėja. Sočiųjų garų slėgis tampa didesnis nei vidinis skysčio slėgis, susidarant burbuliukams. Perėjus per siaurąją dalį (tai gali būti šiek tiek atidarytas vožtuvas, vietinis susiaurėjimas ir kt.), srauto greitis mažėja, slėgis didėja, o dujų ir garų burbuliukai sprogsta. Be to, šiuo atveju išsiskirianti energija yra labai didelė, todėl (ypač jei tai atsitinka ant sienelių esančiuose burbuliukuose) įvyksta mikro hidrauliniai smūgiai, kurie pažeidžia sieneles. Tuo pačiu metu, jei nesiimti priemonių, procesas sukels visišką sienelių suardymą. Vibracija ir padidėjęs triukšmas siurblyje ir vamzdžiuose yra pirmieji kavitacijos požymiai.
Pagrindinės silpnosios hidraulinių sistemų vietos – susiaurėjimai, kur staigus skysčio srauto greičio pokytis (vožtuvai, čiaupai, sklendės) ir siurblių darbo ratai. Jie tampa dar labiau pažeidžiami, esant didesniam jų paviršiaus šiurkštumui.
Siurblio kavitacijos rezervo apskaičiavimas sistemos projektavimo etape
Norint apskaičiuoti pakankamą sistemos kavitacijos rezervą, būtina apskaičiuoti H – maksimaliai galimą įsiurbimo aukštį konkrečiam siurbliui prie atitinkamo našumo ir sąlygų.
H = Pb* 10,2 – NPSH – Hf – Hv – Hs, kur
• Hf – nuostoliai įsiurbimo linijoje vandens stulpo metrais (m);
• Hv – skysčio sočiųjų garų slėgis darbinėje temperatūroje (m);
• Hs – atsargos riba, kurią nustato konstruktoriai – 0,5 m;
• Pb – slėgis virš skysčio – atviroje sistemoje tai yra atmosferos slėgis, maždaug lygus 10,2 m. (Pb* 10,2)
• N.P.S.H. (Net Positive Suction Head) – sąlyginis hidraulinis slėgis (kavitacijos rezervas). NPSH nurodo minimalų įsiurbimo linijoje slėgį, kuris užtikrina atitinkamo tipo siurblio veikimą be kavitacijos. Jis matuojamas skysčio stulpo metrais siurblio įsiurbime – įvade. Sąlygiškai, tai yra jėgų santykio balanso patikrinimas siurblio įsiurbime. Fizinė šio parametro reikšmė yra tokia: ar skystis garuos ir užvirs prie esamo slėgio siurblio įsiurbimo angoje (kavitacijos efektas), ar siurblys veiks normaliai be kavitacijos ir įsiurbiamo skysčio srauto pertrūkio.
Formulės H = Pb * 10,2 – NPSH – Hf – Hv – Hs fizinė prasmė yra ta, kad esant maksimaliems siurblio veikimo parametrams, vakuumas jo įsiurbimo antgalyje neviršytų prisotinto skysčio garų slėgio darbinėje temperatūroje, t.y. kad sistema turėtų pakankamą priešslėgį, užtikrinantį siurblio darbą be kavitacijos.
Iš čia matyti sprendimo būdai, siekiant sumažinti kavitacijos kilimo tikimybę:
– pakeisti įsiurbimo vamzdžio skersmenį į didesnį – nuostolių (Hf) sumažinimui;
– perkelti siurblį kuo arčiau pumpuojamo skysčio įsiurbimo vietos – nuostolių (Hf) sumažinimui;
– vamzdžio su glotnesnių vidinių sienelių paviršiumi naudojimas, alkūnių, posūkių, sklendžių, vožtuvų skaičiaus sumažinimas – nuostolių (Hf) sumažinimui;
– siurbimo vakuumo sumažinimas, keičiant siurblio montavimo aukštį (mažinant) – padidinimui (Pb);
– sumažinus skysčio temperatūrą – sumažėja (Hv);
– sumažinus siurblio našumą, mažinant apsisukimų skaičių – sumažėja (NPSH);
Taip pat ypatingai svarbu, kad faktinis siurblio darbo taškas būtų kuo arčiau jo aukščiausio efektyvumo taško. Daugiau apie tai rasite šioje žinyno temoje.
Visos šios priemonės leis sumažinti kavitacijos kilimo galimybę siurblyje ir užtikrinti ilgalaikį ir saugų siurblio darbą.
IŠCENTRINIŲ SIURBLIŲ MONTAVIMO SCHEMOS, SLĖGIO NUOSTOLIŲ ĮVERTINIMO LENTELĖS
Pastaba
- Įsiurbimo vamzdžio skersmuo turi būti didesnis už siurblio įsiurbimo angos matmenis (rekomenduotini matmenys pateikti žemiau esančioje lentelėje)
Pastabos
– Aukščiau pateikti duomenys skirti glotniems vamzdžiams, kurie pagaminti iš ketaus.
– Bendram hidraulinių nuostolių įvertinimui reikšmės turi būti padaugintos iš koeficientų (priklausomai nuo naudojamų vamzdžių medžiagos):
• 0,8 – naujiems laminuotiems plieniniams vamzdžiams;
• 1,25 – plieniniams vamzdžiams, kurie paveikti korozijos;
• 0,7 – vamzdžiams iš aliuminio;
• 0,65 – PVC vamzdžiams;
• 1,25 – cementiniams vamzdžiams.
Q – našumas, l/s
v – vandens tekėjimo greitis, m/s
d – vamzdžio skersmuo, mm
h – slėgio nuostoliai išreikšti vandens stulpo metrais, m
Žemiau pateiktose žinyno temose rasite atsakymus į tai, kurios siurblių gamyboje naudojamos medžiagos yra labiau atsparios kavitacijos poveikiui:
Konstrukcinių medžiagų parinkimo įtaka faktinei siurblio kainai ir patikimumui
