Υδραυλική

Παλινδρομικές Αντλίες Θετικής Εκτόπισης

Καθαρό Θετικό Ύψος Αναρρόφησης (NPSH)

 

Κάθε αντλία για να λειτουργεί σωστά πρέπει το υγρό στην αντλία να καταφθάνει με μια ελάχιστη πίεση – «μανομετρική» πίεση, ώστε η κοιλότητα στην αντλία να είναι πάντα γεμάτη με υγρό. Προφανώς η πίεση στο κοίλωμα της αντλίας δεν πρέπει να γίνει μικρότερη από την τάση ατμών του υγρού στη θερμοκρασία λειτουργίας της αντλίας, γιατί σε διαφορετική περίπτωση, το υγρό «βράζει» και οι παραγόμενοι ατμοί δημιουργούν φαινόμενα σπηλαίωσης (cavitation) με αποτέλεσμα την δυσλειτουργία της αντλίας – η αντλία να λειτουργεί στο «κενό», δηλαδή, να μην αντλεί (“vapor lock ”), να κάνει θόρυβο, να ζεσταίνεται υπερβολικά ή ακόμα και να καταστραφεί.

 

Ο κάθε κατασκευαστής αντλιών, λοιπόν, προσδιορίζει με πειραματισμό, την ελάχιστη πίεση του υγρού στο κοίλωμα της αντλίας, ώστε η αντλία να λειτουργεί κανονικά. Αυτή η ελάχιστη πίεση είναι το απαιτούμενο καθαρό θετικό ύψος αναρρόφησηςNet Positive Suction Head Required( NPSHr) για την αντλία.

 

Σε αντίθεση με τις φυγοκεντρικές αντλίες οι οποίες λειτουργούν σε μόνιμες συνθήκες, οι παλινδρομικές αντλίες θετικής εκτόπισης – μετρητικές επιταχύνουν και επιβραδύνουν το υγρό σε κάθε εμβολισμό του εμβόλου. Λόγω δε των εσωτερικών αντιστάσεων, για παράδειγμα, λόγω της παραμόρφωσης του διαφράγματος πολυμερικού ή μεταλλικού ή λόγω ανοιγοκλεισίματος των εσωτερικών (σφαιρικών συνήθως) βαλβίδων εισόδου - εξόδου, ο κατασκευαστής ορίζει και μια δεύτερη παράμετρο για τη σωστή λειτουργία της αντλίας: το ελάχιστο απαιτούμενο ύψος αναρρόφησηςMinimum Suction Head Required (MSHr).

 

Ο σχεδιασμός μιας υδραυλικής εγκατάστασης και η επιλογή της κατάλληλης αντλίας επιβάλλουν να ικανοποιούνται οι παρακάτω δύο συνθήκες:

 

1.      Το διαθέσιμο καθαρό θετικό ύψος αναρρόφησης της υδραυλικής εγκατάστασης – Net Positive Suction Head Available (NPSHa) όχι μικρότερο από το απαιτούμενο καθαρό θετικό ύψος αναρρόφησης – Net Positive Suction Head Required (NPSHr) της αντλίας.

 

2.      Το ελάχιστο διαθέσιμο ύψος αναρρόφησης της υδραυλικής εγκατάστασης – Minimum Suction Head Available (MSHa) όχι μικρότερο από το ελάχιστο ύψος αναρρόφησης – Minimum Suction Head Required (MSHr) της αντλίας.

 

ή σε μαθηματική γλώσσα:

 

1.

NPSHa ≥ NPSHr

2.

MSHa ≥ MSHr

 

 

 

Υπολογισμός NPSHa και MSHa Μιας Υδραυλικής Εγκατάστασης

 

Το διαθέσιμο ύψος αναρρόφησης της αντλίας σε μια υδραυλική εγκατάσταση SHa είναι:

 

 

όπου Pa είναι η πίεση που ασκείται στην στάθμη του υγρού στη δεξαμενή τροφοδοσίας – συνήθως η ατμοσφαιρική πίεση ή η πίεση της ατμόσφαιρας της δεξαμενής αν είναι κλειστή, Ph η υψομετρική διαφορά μεταξύ της στάθμης του υγρού στη δεξαμενή τροφοδοσίας και του επιπέδου της αντλίας και Pt η συνολική απώλεια πίεσης στον αγωγό αναρρόφησης.

 

Η συνολική απώλεια πίεσης Pt στον αγωγό αναρρόφησης είναι το άθροισμα των αδρανειακών απωλειών Pi και των απωλειών λόγω τριβής του υγρού Pf:

 

 

Προφανώς το ελάχιστο ύψος αναρρόφησης MSHa της υδραυλικής εγκατάστασης είναι:

 

 

Από τη μαθηματική ανάλυση των απωλειών πίεσης σε μια παλινδρομική θετικής εκτόπισης – μετρητική αντλία προκύπτει ότι:

 

 

και αντικαθιστώντας στην πιο πάνω εξίσωση παίρνουμε:

 

 

Επειδή:

 

 

όπου Pv η τάση ατμών του υγρού στη θερμοκρασία λειτουργίας της αντλίας.

 

Συνεπώς:

 

 

Παρατηρήστε ότι τα χαρακτηριστικά MSHr και NPSHr του κατασκευαστή δηλώνουν, μεταξύ άλλων, και το πλέον πτητικότερο υγρό που μπορεί να αντλεί από την αντλία.

 

Από τη μαθηματική ανάλυση των απωλειών πίεσης σε μια παλινδρομική θετικής εκτόπισης – μετρητική αντλία προκύπτει επίσης, ότι:

 

 

για τις αδρανειακές απώλειες Pi, σε Pa. Η ταχύτητα του υγρού u σε m s-1, το μήκος (όχι το ισοδύναμο) του αγωγού αναρρόφησης L σε m, το ειδικό βάρος του υγρού G και η ταχύτητα της αντλίας Ν σε εμβολισμούς min-1 (strokes min-1 – spm).

 

και

 

 

για τις απώλειες τριβών Pf σε Pa. Η ταχύτητα του υγρού u σε m s-1, το μήκος (όχι το ισοδύναμο) του αγωγού αναρρόφησης L σε m, το (δυναμικό) ιξώδες του υγρού μ σε cp και η διάμετρος του αγωγού D σε cm.

 

Συνεπώς:

 

 

Επιπλέον, από τη μαθηματική ανάλυση των απωλειών πίεσης σε μια παλινδρομική θετικής εκτόπισης – μετρητική αντλία προκύπτει ότι για υγρά με χαμηλό ιξώδες (μικρότερο από 50 cp) οι απώλειες τριβών είναι μικρές σε σχέση με τις αδρανειακές απώλειες:

 

ιξώδες < 50 cp

 

Συνεπώς, αν το ιξώδες του υγρού είναι μικρότερο από 50 cp, τότε το NPSHa προσεγγίζεται από τη σχέση:

 

 

και το MSHa από τη σχέση:

 

 

 

Παραδείγματα

 

 


 

Σόλων Ζαρκανίτης, PhD
Σπάτα 13/2/2010