NPSH

I en hydraulisk krets kan netto positiv sugehøyde (NPSH) referere til en av følgende parametere i analysen av kavitasjon:

1. Tilgjengelig NPSH (NPSH_A): Et mål på hvor nær væsken på et gitt tidspunkt er å koke, og dermed også kavitere.
2. Påkrevd NPSH (NPSH_R): Trykket på et spesifikt punkt (for eks. i pumpeinnløpet) som er nødvendig for å hindre kavitasjon.

NPSH er særlig relevant inne i pumper og turbiner, som er den delen av et hydraulisk system som er mest utsatt for kavitasjon. Hvis det oppstår kavitasjon vil friksjonen til impellerbladene øke drastisk – kanskje nok til å stoppe væskestrømmen helt – og over tid vil det ødelegge impelleren.

NPSH i en pumpe

En hydraulisk krets

I en pumpe vil kavitasjon først inntreffe i innløpet til impelleren (løpehjulet). Hvis vi angir innløpet som i, kan NPSH_A for dette punktet defineres som :

$NPSH_{A}=\left({\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}$

Ved å anvende Bernoulli-prinsippet fra sugesidens overflate 0 til pumpeinnløpet i, og utgå fra at bevegelsesenergien ved 0 er neglisjerbar, at væsken ikke er viskøs og at væskens tetthet er konstant:

${\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}={\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}+z_{i}+h_{f}$

Bruker vi ovenforstående eksempel på Bernoulli kan vi eliminere hastigheten og de lokale trykkene i definisjonen av NPSH_A:

$NPSH_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{i}-z_{0})-h_{f}$

Dette er standarduttrykket for tilgjengelig NPSH i et gitt punkt. Kavitasjon vil inntreffe ved punkt i når tilgjengelig NPSH er lavere enn den NPSH som er nødvendig for å hindre kavitasjon(NPSH_R). For enkle impeller-systemer kan NPSH_R beregnes teoretisk, men svært ofte bestemmes det ved praktiske forsøk. Legg merke til at NPSH_A er en absoluttenhet og at den vanligvis benevnes «m abs» og ikke «bar a».

NPSH i en turbin

Beregningen av NPSH i en turbin er forskjellig fra beregningen av NPSH i en pumpe, fordi punktet der kavitasjon først vil oppstå befinner seg et annet sted. I en turbin vil kavitasjonen først opptre ved utløpet fra impelleren, ved inngangen til utløpsrøret.. Hvis vi betegner inngangen på utløpsrøret e så er NPSH_A definert på samme måte som for pumper:

$NPSH_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}$

Ved å anvende Bernoulli-prinsippet fra inngangen på utløpet e til den lavere frie overflaten 0, og utgå fra at bevegelsesenergien ved 0 er neglisjerbar, at væsken er viskøs og at væskens tetthet er konstant:

${\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}$

Bruker vi ovenforstående eksempel på Bernoulli kan vi eliminere hastigheten og de lokale trykkene i definisjonen av NPSH_A:

$NPSH_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}$

Legg merke til at små tap ($h_{f}$) vil redusere effekten av kavitasjon - det motsatte av hva som skjer i pumper.

NPSH-vurderinger

Damptrykk i svært avhengig av temperatur, og følgelig gjelder det samme for både NPSH_R og NPSH_A. Sentrifugalpumper er særlig utsatt og spesielt når de pumper væsker med en temperatur som nærmer seg kokepunktet.

Fortrengningspumper er mindre utsatt for kavitasjon, siden de er bedre i stand til å pumpe to-fase strømmer (blanding av væske og gass). Imidlertid vil den resulterende strømningsmengden minke, fordi gassen volumetrisk fortrenger en større mengde væske.

Kavitasjonsboblenes voldsomme implosjoner skaper sjokkbølger som kan slå løs materiale fra pumpens innvendige komponenter (gjerne kantene på impelleren) og støy som ofte beskrives som å «pumpe grus». I tillegg kan den uunngåelige økningen av vibrasjoner forårsake andre mekaniske skader på pumpen og tilhørende utstyr.

Forholdet til andre kavitasjonsparametere

NPSH opptrer i en rekke andre kavitasjons-relaterte parametere. Sugehøyde koeffisienten er et dimensjonsløst mål på NPSH:

$C_{NPSH}={\frac {gNPSH}{n^{2}D^{2}}}$

Der $n$ er vinkelhastigheten (i rad/s) for akslingen og $D$ er impellerdiametern. Thoma-kavitasjonstallet er definert som:

$\sigma ={\frac {NPSH}{H}}$

Der $H$ er løftehøyden over pumpen.

Noen NPSH eksempler

Tilgjengelig netto sugehøyde (NPSH_A) må ligge minst 0,6 meter over påkrevd netto sugehøyde (NPSH_R) og det anbefales en positiv differanse på minst 1,5 meter for at en pumpe skal fungere godt.

Eksemplene nedenfor forutsetter at vi befinner oss ved havoverflaten.

Eksempel 1: En tank med væskenivå 2 meter over pumpas innløp, pluss det atmosfæriske trykket på 10 meter, minus et 2 meters friksjonstap fram til pumpe (i rør og ventiler), minus verdien fra NPSH_R-kurven, la oss si 2,5 meter, for en valgt pumpe, gir oss et NPSH_A på 7,5 meter. Siden tilgjengelig NPSH_A er tre ganger større enn påkrevd NPSH_R vil denne pumpen passe bra – forutsatt at alle andre parametere også stemmer.

Husk at endringer i mengde vil endre avlesningen av fabrikantens NPSH_R-kurve. Jo mindre mengde, jo lavere NPSHR og motsatt andre veien.

Å pumpe opp fra en brønn vil skape negativ NPSH. Husk bare at det atmosfæriske trykket ved havoverflaten er 10 meter. Dette hjelper oss, siden det gir væsken en ekstra «dytt» inn i pumpens innløp.

Eksempel 2: En brønn med normalnivå 5 meter under innløpet, minus 2 meter friksjonstap fram til pumpa minus verdien fra NPSH_R-kurven, la oss si 2,4 meter, for en valgt pumpe, gir oss et foreløpig NPSHA på -9,4 meter, men i tillegg kommer det atmosfæriske trykket på 10 meter. Vi har altså en positiv NPSH_A på 0,6 meter. NPSH_A må være minst 0,6m over NPSH_R så dette bør gå så vidt. La oss så si at brønnen i eksempel 2 inneholder vann på 70 °C.

Eksempel 3: En brønn med normalnivå 5 meter under innløpet, minus 2 meter friksjonstap fram til pumpa minus verdien fra NPSH_R-kurven, la oss si 2,4 meter, for en valgt pumpe, minus et temperaturtap på 3 meter. Selv med det atmosfæriske trykket på 10 meter får vi nå en negativ NPSH_A på -2,4 meter, og pumpa vil kavitere og bli skadet.

Løsningen i et slikt tilfelle vil være å senke pumpa ned i brønnen.

Tilgjengelig netto sugehøyde (NPSH_A) kommer på toppe av pumpas angitte løftehøyde. Hvis tilgjengelig netto sugehøyde (NPSH_A) er 100 meter og pumpa har en maksimal løftehøyde på 80 meter, vil den faktisk levere en løftehøyde på 180 meter. Dette fenomenet utnytter fabrikantene i byggingen av flertrinnspumper (pumper med mer enn et løpehjul). Hvert ekstra løpehjul øker trykket fra forrige løpehjul og hever løftehøyden. Spesielle pumper kan ha over hundre trinn.