Jednoduše řečeno o kavitační rezervě nebo jak zabránit varu kapaliny uvnitř čerpadla

Úkol čerpání horkých kapalin, stejně jako otázka samonasávací výšky čerpadla před vznikem kavitace (varu), je před námi poměrně často. Proto bylo rozhodnuto velmi jasně a srozumitelně vysvětlit na reálném příkladu označení pojmů a také fyzikální vlastnosti kapalin a plynů skrývajících se pod cizími zkratkami HPSHa a NPSHr. To je důležité, protože pokud zanedbáte výpočet kavitační rezervy v místě instalace čerpadla, kavitace nevyhnutelně povede k nadměrnému opotřebení a selhání čerpadla. Taková porucha není případem záruky a bude mít za následek finanční ztráty. Vážnost je naznačena, můžeme začít!

Musíme začít tím, že téměř každé čerpadlo má určitou kavitační rezervu – tedy výšku sloupce kapaliny, kterou čerpadlo dokáže udržet při čerpání produktu přes sebe. Údaje o kavitační rezervě čerpadla v konkrétním provozním bodě je nutné získat od výrobce. V příkladu, který budeme uvažovat, tedy čerpadlo Argal TMR 16.15 instalované v režimu cirkulace horké kapaliny pracovalo s tlakem 1,5 Bar (údaje převzaty z tlakoměru na tlakovém potrubí).

Nyní se podívejme na výše uvedený tovární plán. Vidíme, že při tlaku 1,5 Bar (15 metrů) dochází k průsečíku s křivkou pracovního výkonu v bodě 16 metrů krychlových. za hodinu, klesáním kolmice, od níž k bodu průsečíku s křivkou kavitační rezervy, vidíme průsečík s ní v bodě rovném 4,3 metru. co to znamená? To znamená, že když čerpadlo pracuje při tlaku 1,5 baru (15 metrů), jeho kapacita je 16 metrů krychlových. za hodinu a rychlost jím procházející kapaliny je dostatečná k tomu, aby podpírala kolonu 4,3 metru vysokou pod čerpadlem. To znamená, že pokud čerpadlo začnete zvedat nad hladinu kapaliny, kterou nasává, pak až do výšky 4,3 metru bude čerpadlo schopno kapalinu nasávat, ale dál už ne. V tomto případě lze místo slova „kavitační rezerva“ použít srozumitelnější slovo „rezerva vakua“. Stejný podtlak, jaký se vytvoří v trubici, kterou vy i já nasáváme zbývající šťávu ze dna sklenice. Abychom totiž mohli nasát kapalinu ze dna sklenice, musíme vytvořit tažnou sílu, což je právě vakuum, které vzniká prouděním kapaliny v pumpě. V našem příkladu se rovná 4,3 metru (0,43 baru se znaménkem mínus, kvůli vakuu).

Právě tato sací síla (síla vakua) je hodnota, kterou je třeba vzít v úvahu pro normální provoz čerpadla, to znamená, že v továrních tabulkách je povinným požadavkem a je označena v mezinárodních normách NHPSr (Net Positive Suction Head Requested – požadovaná hodnota dopravní výšky na sací větvi). To znamená, že aby čerpadlo fungovalo, tlaková výška nesmí být větší než mínus 4,3 metru. Navíc, jako obecné pravidlo pro všechna dynamická odstředivá čerpadla, jejich provozní návod obsahuje požadavek, že musí existovat dodatečná rezerva k NHPSr čerpadla rovnající se alespoň 1 metru. Ukazuje se, že je 5,3 metru. Zapamatujme si toto číslo.

Dále se vraťme k hodině fyziky na střední škole, k části týkající se varu vody – jevu spojeného s uvolňováním plynů rozpuštěných v kapalině. Každá kapalina obsahuje určité množství rozpuštěných plynů, které jsou v ní drženy rovnováhou mezi tlakem těchto plynů, které se snaží uniknout, a tlakem, který je drží uvnitř kapaliny. Když se rovnováha posune a tlak nasycených par překročí tlak na jejich udržení uvnitř kapaliny, dojde k nám všem známému procesu, varu. Tato rovnováha může být narušena buď zahřátím kapaliny, čímž se zvýší tlak nasycené páry, nebo snížením vnějšího tlaku, který drží plyny uvnitř kapaliny. Takže známý příklad ze školy je, že například v horách v nadmořské výšce 6000 metrů se voda vaří o teplotě 81°C, protože atmosférický tlak je v této výšce 353 mm. rtuťový sloupec (0,47 bar), ne 740 mm. rtuťový sloupec (0,98 baru), jako ve známém prostředí středního Ruska. Při atmosférickém tlaku 0,47 bar dosáhne tlak nasycených par této úrovně a při teplotě 81 °C začíná var.

Nyní k našemu pracovnímu příkladu. Čerpadlo bylo nastaveno na cirkulaci horké kapaliny ze spodní části nádrže zpět nahoru. Tlakoměr před čerpadlem ukazoval plnící tlak 1,2 Bar – to je přetlak vytvořený dvěma metry kapaliny nad čerpadlem. Jeden bar je atmosférický a 0,2 bar je sloupec vody. Toto číslo si zapamatujeme. Při tomto tlaku voda vře o teplotě asi 104°C.

Však! I přes přetlak a vstupní tlak 1,2 Bar se voda v čerpadle začala vařit s charakteristickým praskavým zvukem a vibracemi při teplotách výrazně pod 104°C. A tady je proč. V tomto článku jsme vysvětlili původ dvou hlavních čísel. První je kavitační rezerva čerpadla (vakua), rovná se v našem příkladu 5,3 metru, při zohlednění požadované rezervy 1 metr. Druhým je protitlak (tlak) ze sacího potrubí, který je v našem příkladu 1,2 baru (12 metrů).

Zbývá pouze odečíst výtlačnou sílu čerpadla 12 metru od tlaku 5,3 metrů a určit tlak, při kterém kapalina v čerpadle cirkuluje. Ukazuje se, že 12 minus 5,3 se rovná 6,7 metru (0,67 baru nebo 502.54 mm rtuti). Při tlaku 0,67 baru se voda vaří o teplotě asi 88°C. Snadno si spočítáte, že při tlaku 1,1 Bar bude teplota varu vody v čerpadle 84°C.

Náš příklad popisuje reálnou situaci, kdy zakoupená čerpadla z vyztuženého fluoroplastu, určená pro čerpání kapalin s teplotou až 120°C, selhala při čerpání kapaliny o teplotě kolem 86°C z důvodu neopatrné konstrukce hydraulického systému, při které nebyly zohledněny podmínky vedoucí ke kavitaci.

Při práci s horkými kapalinami buďte opatrní!

O fenoménu kavitace a jejích důsledcích si můžete přečíst v článku na našem webu zde:
Pokud bubliny neexplodují nebo proč je kavitace tak nebezpečná?

Artem Emeljanov