Кавитация в центробежных насосах

Кавитация в центробежных насосах — это гидродинамическое явление, которое зависит от гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. Кавитация в насосоах обычно начинается при падении давления до значения, равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами.

Содержание статьи

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Явление кавитации в насосах происходит следующим образом — зарождение кавитации во многих случаях начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков на участках пограничного слоя обтекаемого тела. После достижения определенного размера эти пузырьки поступают в зону видимой кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, движутся к центру со значительными скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются, и происходит местный гидравлический удар. При этом кинетическая энергия частиц переходит в энергию упругой деформации. Так как деформация жидкости весьма незначительна, то давление повышается на довольно большую величину. Следом за повышением давления возникает обратная волна давления, сопровождающаяся резким падением его и, возможно, повторным вскипанием, а затем снова конденсацией.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь. Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

Кавитация в системе отопления

Любая замкнутая система отопления нуждается в предварительных расчетах для мощности насоса систем водоснабжения и отопления, чтобы быть уверенным, что помещение будет прогреваться максимально равномерно. Чтобы начать расчет насоса отопления, важно определиться с его типом.

Разновидности устройств

Каждый из двух модификаций насосов имеет свои особенности, если прибор с «сухим» ротором обычно более громоздок, то насос с «мокрым» ротором, как правило, компактнее, но ограничен по мощности и не подходит для больших систем. Мокрым ротор называется из-за того, что подвижные части мотора находятся в воде, ей же осуществляется их смазка и охлаждение, что предъявляет некоторые требования по чистоте к перекачиваемой воде.

Циркуляционные насосы в системе отопления

При этом электрические компоненты мотора изолированы от частей, находящихся в воде, разделительным стаканом. Насосы, имеющие «сухой» ротор, охлаждаются воздушным путем, поэтому они чаще всего и более шумные.

Расчет мощности

Оптимальный выбор насоса определяется по графику пересечения кривых напора и расхода воды, значения которых определяются по внутренним характеристикам отопительной системы или водоснабжения. Выбор будет оптимальным, если насос в выбранной рабочей точке будет работать с лучшим КПД, в этом случаем можно считать расчет мощности насоса отопления выполненным верно.

В такой рабочей точке мощность насоса соответствует потреблению энергии отопительной системой. Если рабочая точка выбрана неверно, то установленный по ней насос будет работать плохо, потребляя более высокую мощность, чем это необходимо и, в конечном счёте, может привести к перегрузке и выходу из строя насоса и всей отопительной системы. В таких случаях приходится выбирать новый более мощный насос.

Рабочая точка насоса

Мощность насоса отопления определяется по формуле:

P2(кВт) = (p * Q * H) / 367 * КПД,

здесь p – плотность воды в килограммах на литр, Q – расход воды в кубометрах в час, H – напор воды в метрах.

Расчет производительности по теплу

Производительность насоса по теплу определяется по простой формуле:

Q = S * Qуд / 1000,

здесь Q – производительность в киловаттах, S – площадь отопления в квадратных метрах, Qуд — удельное энергопотребление в ваттах на квадратный метр.

Удельное потребление энергии отличается для разных типов помещений. В обычных многоквартирных домах — около 70 Ватт на квадратный метр, в частных домах индивидуальной застройки оно принимается равным 100 Ватт на квадратный метр.

Расчет подачи воды

Подачу воды следует вычислять по формуле:

здесь V – подача воды в кубометрах в час, 1.16 — характеристика теплоёмкости воды, T – разность температур, обычно 10-20 градусов.

Расчет напора воды

Напор воды рассчитывается по формуле:

H = R * L * ZF / 10000,

здесь H — напор в метрах, R — удельное давление в трубопроводе, характеризующее его сопротивление напору, в Паскалях на метр (типичные значения 100-150 Паскалей на метр), L – метраж самого протяжённого участка трубопровода, ZF – нормализующий коэффициент (2.2 для отопительных систем и 2.6 для систем горячего водоснабжения).

Кавитация в системе отопления

В любом трубопроводе возможно возникновение кавитации. Разница в давлении вследствие, например, вследствие естественного спада давления в точках с разной высотой, трения потоков воды о стенки труб или ротора, на участках трубопровода приводит к кавитации — образованию микроскопических пузырьков из насыщенного пара в зонах с пониженным давлением.

Обычно такие зоны существуют недолго и как только давление повышается до значения, когда образовавшийся насыщенный пар не может существовать в равновесии с жидкостью, микропузырьки схлопываются, порождая микроскопическое подобие взрывов. Сами пузырьки и их схлопывание поодиночке не опасны, но, когда их много, это грозит к разрушениям материала труб, насоса и других узлов системы отопления.

Кавитационный нагрев воды

Для минимизации кавитации следует по возможности обеспечить ровное давление на всех участках системы и чем выше это давление, тем лучше. Понижение температуры перекачиваемой воды уменьшает вероятность кавитационных явлений. Также очевидно, что насосы с меньшим числом оборотов будут создавать меньше кавитации, что тоже нужно учитывать при выборе насоса.

Верно осуществленный расчет насоса отопления и правильно подобранный насос гарантируют эффективность функционирования систем отопления и водоснабжения.

Если вы не уверены в возможности самостоятельно рассчитать характеристики нужного насоса отопительной системы, то лучше предоставить это профессионалам. Специалист произведёт все необходимые расчёты, поможет вам в выборе лучшего насоса и установит его.

Автоматическое регулирование

Моторы насосов потребляют значительное количество энергии и, с учетом их непрерывной работы в течении больших промежутков времени, такое их энергопотребление может стать заметной статьёй в расходах на содержание дома.

Насосы с автоматической регулировкой потребляемой электроэнергии станут хорошим выбором. Такие устройства могут сократить потребление электричества на 50%.

Использование современных эффективных насосов позволит сократить расходы электроэнергии на 80%. Система автоматической подстройки мощности поможет снизить расходы на работу в то время, когда нет необходимости в полной нагрузке отопительной системы.

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КАВИТАЦИИ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ

Гаврилова Татьяна Олеговна

Химик-технолог ООО «СМК-2»

аспирант 1 курса МГТУ им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

THE ANALYSIS OF FEATURES OF OCCURRENCE OF A CAVITATION IN WATER SUPPLY AND HEATING SYSTEMS

Tatyana Gavrilova

graduate of Magnitogorsk state technical university of G.I. Nosova

АННОТАЦИЯ

В статьеанализируются причины и условия возникновения кавитации, ее последствия в системах водоснабжения и отопления, а также предлагаются способы, как устранения кавитационных явлений, так и использования положительных свойств кавитации.

ABSTRACT

In article the reasons and conditions of occurrence of a cavitation, its consequences in water-supply and heating systems are analyzed, as well as ways of elimination of the cavitational phenomena, and also the use of positive properties of a cavitation are offered.

Ключевые слова: кавитация; системы отопления и водоснаб­жения; коэффициент полезного действия; насосное оборудование.

Keywords: a cavitation; heating and water-supply systems; efficiency; the pump equipment.

Исследованием явления кавитации ученые занимаются уже достаточно длительное время. Различные авторы выделяют отдельные причины этого явления. Под кавитацией понимают образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных водяным паром и/или газом. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости (если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости). Причинами этого явления может являться:

· увеличение местной скорости жидкости;

· прохождение акустической волны большой интенсивности;

· локальное уменьшение давления ниже давления парообразо­вания перекачиваемой жидкости на входе рабочего колеса;

· изменение давления в системе при резком изменении температуры жидкости (при пуске отопительных систем).

В результате чего происходит снижение мощности (напора), неравномерная подача, снижение КПД, возникновение шумов и разрушение элементов насосного и запорного оборудования. Пер­выми признаками этого процесса являются шумы или повреждения на выходе рабочего колеса.

Фактически, увеличение скорости потока жидкости, снижение давления на входе и резкое повышение температуры перекачиваемой жидкости являются основными причинами кавитации. Отсюда, можно сделать вывод, что кавитация характерна не только для напорных систем водоснабжения, но и для отопительных систем в момент их пуска. Признаком кавитации в отопительных системах являются так называемые «щелчки» и характерные стуки в трубах при пуске отопительной системы. Это явление также наблюдается в системах горячего водоснабжения с использованием местных нагревательных котлов (когда жидкость нагревается периодически, неравномерно по времени).

Кроме того, многие исследователи считают, что кавитация может возникать при изменении характера потока жидкости с ламинарного на турбулентный режим.

Явление кавитации, несмотря на более чем вековой период изучения, в некоторых своих проявлениях еще не предсказуемо. Параметры инженерных сооружений и гидравлических устройств (гидротурбины, судовые движители, насосы, перемешивающие устройства, технологические установки), изучаются на специальных стендах, вызывающих кавитационные явления.

Вместе с тем, явления кавитации сопровождаются резким повышением температуры жидкости и ускорением химических реакций, протекающих в транспортируемой жидкости. Эти явления используются в тепловых кавитационных генераторах и в системах очистки сточных вод.

В зависимости от внешних условий, существуют различные варианты схлопывания кавитационного пузырька. На наш взгляд, более достоверной является схема несимметричного схлопывания пузырька с образованием микроструи жидкости. Эти микроструи обладают высокой скоростью, а значит и ударной силой. В водных растворах кавитация сопровождается повышением давления и темпе­ратуры в зонах схлопывания пузырьков.

При транспортировке технической воды в зоне возникновения кавитации изменяются физико-химические свойства воды, значительно увеличивается pH, температура и химическая активность воды. Внутри кавитационных пузырьков, в зависимости от конкретного состава оборотной воды, кроме водяного пара, могут образовываться и сероводород, водород, углекислый газ и др.

Возникающая при кавитации гидравлическая эрозия значительно усиливается химической эрозией, что приводит к повреждению повер­хностей турбин, насосов, элементов запорной арматуры. Масштабы повреждений, вызванные кавитацией, могут быть разными — от точечной поверхностной эрозии до катастрофического выхода из строя больших конструкций.

Существенное увеличение гидродинамического сопротивления при кавитации вызывает снижение коэффициента полезного действия гидравлического оборудования. Тем не менее, считается, что тепловые кавитационные генераторы, разрабатываемые в последние годы, обладают достаточно высоким КПД, близким к единице. До сих пор, однако, не существует единой методики определения КПД таких установок.

Кавитационная энергия вызывает ударные волны, которые вызывают вибрацию, распространяющаяся на рабочее колесо насоса, вала, уплотнения, подшипники, повышая их износ. Для насосов применяется величина кавитационногозапаса ∆h_тр. Это — то мини­мальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей в насос, сохраняется состояние собственно жидкости. Величину ∆h_тр и кривую зависимости ∆h_тр от подачи/напора должен предоставлять производитель насоса.

Насос необходимо подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтобы он располагал в зоне своей работы тем допустимым кавитационным запасом ∆h_доп, величина которого была бы выше ∆h_тр [2]. Можно сказать, что ∆h_доп — потенциальная энергия жидкости у всасывающего отверстия насоса:

где H_a — атмосферное давление;

H_s — статический напор (положительный или отрицательный), определяемый как разность уровней между свободной поверхностью жидкости и осью насоса;

H_vp — давлениепаров перекачиваемой жидкости, зависящее от температуры;

H_f — потери на трение во всасывающей линии;

H_i — потери в пространстве между горловиной и головкой рабочего колеса насоса.

На наш взгляд, кавитационный запас ∆h_доп должен быть учтен и при расчете КПД тепловых кавитационных генераторов.

Кроме того, для оборотного цикла промышленных предприятий и отопительных систем, по нашему мнению, значение ∆h_доп, в зависимости от качества транспортируемой воды (pH, температуры, плотности и химического состава),требует корректировки.

Общий принцип устранения кавитации при работе насоса: «на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе». Этого можно достичь следующими способами:

· заменить диаметр всасывающего патрубка на больший;

· переместить насос ближе к питающему резервуару, но не ближе 5—10 диаметров всасывающей трубы;

· понизить сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями, удалением обратного клапана;

· если всасывающая труба имеет повороты, уменьшить их количество и/или увеличить радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);

· увеличить давление на всасывающей стороне насоса повы­шением уровня в питающем резервуаре, либо снижением оси установки насоса, либо использованием бустерного насоса [1].

В тоже время, некоторые свойства кавитации в системах отопления можно использовать как полезные: для повышения температуры теплоносителя, а также для сопутствующей очистки сточных вод, которые при определенных условиях могут быть использованы в отопительных системах.

Список литературы:

1.Голяк С.А., Серова Т.О. Особенности возникновения кавитации в насосном оборудовании систем промышленного водоснабжения и отопления // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Теплогазоснабжение: состояние, проблемы, перспективы». Оренбург, 16—17 ноября 2011 г. С. 13—16.

2.Иванов А.Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. — Л., 1980. 237 с.

Страницы

четверг, 3 марта 2011 г.

Кавитация.

Кавитация — это образование пузырьков газа в результате понижения давления до уровня давления парообразования жидкости при данной температуре. Если проще – при понижении давления температура кипения жидкости понижается, при повышении давления температура кипения повышается. Первое используется в холодильнике — второе в скороварке.

Так вот, кавитация приводит к снижению производительности насоса (его напора и КПД), увеличению шума и более быстрому выходу его из строя.
Изза схлопывания пузырьков газа с низким давлением в нагнетающей линии насоса (области высокого давления) происходят микроскопические колебания «взрывы» которые могут повредить гидравлическую систему.

Важным параметром циркуляционного насоса является его всасывающая способность выражаемая в минимальном давлении на всасывающем патрубке, т.е. давление при котором не будет возникать кавитация. На эти параметры влияют тип рабочего колеса насоса, частота вращения рабочего колеса, температура рабочей жидкости и АТМОСФЕРНОЕ давление.
А также правильный подбор диаметров трубопроводов!

Способами предотвращения кавитации являются :
Грамотный подбор диаметров трубопроводов.
Повышение статического давления.
Понижение температуры перекачиваемой жидкости.
Выбор насоса с меньшим значением постоянного гидростатического напора на всасывающей линии.