1 KAVITACIJA I DOZVOLJENA USISNA VISINA PUMPE Šta je kavitacija? Kavitacija predstavlja hladno isparavanje tečnosti, koje nastaje u presjeku cjevovoda sa najnižim pritiskom odnosno pritiskom koji je manji od pritiska isparavanja tečnosti pri datim uslovima. Ako zbog netačno proračunate visine ili iz nekih drugih razloga, npr. zbog povećanja temperature tečnosti ili protoka ipak dođe do pojave kavitacije na ulazu u pumpu, mjehurovi pare koji tu nastaju dospeće nošeni strujom tečnosti u rotor – kolo pumpe u kome dolazi do povećanja pritiska. Povećanje pritiska izaziva kondenzovanje mjehurova pare, pri čemu nastaju kapljice tečnosti , koje zbog znatno veće gustine tečnosti zauzimaju zapreminu koja je znatno manja od zapremine mjehura. Okolna tečnost zbog toga počinje u trenutku formiranja kapljice da se kreće ka centru mjehura, u kome dolazi do sudara djelića tečnosti i do kratkovremenog ali veoma velikog povećanja pritiska. Talasima pritiska, ovo povećanje pritiska se prenosi kroz tečnost na sve strane, dospjeva do lopatica radnog kola i pri tom izaziva eroziju materijala od koga je radno kolo pumpe napravljeno. Dozvoljena usisna visina pumpe s obzirom na bezkavitacioni rad Posmatraćemo pumpno postrojenje koje se nalazi iznad nivoa tečnosti koja se usisava:
1 1
0-0
Pumpa se nalazi na visini z1 iznad nivoa tečnosti. Presjek 1 – 1 je najpovoljniji za pojavu kavitacije jer je pritisak najniži (zbog usisne visine i gubitaka u cjevovodu). Postavlja se Bernulijeva jednačina za presjeke 0 – 0 i 1 – 1 u cilju određivanja visine usisavanja: p c2 p c2 z0 + 0 + 0 = z1 + 1 + 1 + hw' ρ g 2g ρ g 2g uzevši da je z0=0 i c0=0, slijedi: p0 p c2 = z1 + 1 + 1 + hw' ρg ρ g 2g Iz prethodne jednačine može se izračunati apsulutni pritisak na ulazu u radno kolo pumpe: c12 ' p1 = p0 − ρ g z1 + hw + ÷ 2g
2 Pritisak p1 ne smije biti manji od pritiska isparavanja na temperaturi prepumpavanja tečnosti. U protivnom, dolazi do intenzivnog izdvajanja mjehurića vazduha i ostalih gasova koji se nalaze ne rastvoreni u tečnosti tj. dolazi do ključanja odnosno isparavanja. U tom slučaju pojedini mjehurići se vezuju u kolone i obrazuju kaverne koje narušavaju kontinuitet protoka – nastaje kavitacija. Najvjerovatnije mjesto nastajanja kavitacije je na mjestima protočnih djelova sa najnižim pritiskom tj. na usisnom djelu na ulazu tečnosti u radno kolo pumpe. Usled neravnomjernosti apsulutnih brzina c1 na ulazu radno kolo i različitih vrijednoti relativnih brzina w 1 pri ulazu na lopatice, ovaj proces se može još više pogoršati dopunskim padom pritiska ρg∆h. Uzimajući u obzir dopunski pad napora možemo pisati: p0 p c2 = z1 + 1 + 1 + hw' +Vh ρg ρ g 2g odnosno: p0 p1 c12 ' = − z1 + hw + +Vh ÷ ρg ρg 2g Ako napor koji odgovara pritisku zasićenja kod temperature t ˚C, označimo sa h d može se zaključiti da je uslov za izbjegavanje kavitacije na usisnom djelu pumpe definiše preko nejednakosti p1 p c2 > hd odnosno: 0 − z1 + hw' + 1 +Vh ÷ > hd ρg ρg 2g c12 na ulazu u radno kolo i dopunski pad napora ∆h, obično se izražava kao dio 2g ukupnog napora koji daje pumpa na sledeći način: c12 +Vh = σ p H 2g Veličina σ p naziva se koeficijent kavitacije, a određuje se u zavisnsti od brzohodnosti pumpe ns Brzinski napor
4
4
n 3 10 n Q 3 σp = = 10 q ÷ ÷ H C ÷ C Gdje je C koeficijent brzohodnosti, za • ns = 50 – 80 ⇒ C = 600 – 800 • ns = 80 – 150 ⇒ C = 800 – 1000 • za pumpe sa povećanim kavitacionim osobinama C = 1300 – 3000 Uzimajući u obzir koeficijent kavitacije možemo izračunati visinu na koju treba postaviti pumpno postrojenje: p z1 < 0 − ( hd + hw' + σ p H ) ρg Kritična visina je p z1kr = 0 − ( hd + hw' + σ p H ) , ρg a njeno prekoračenje izaziva pojavu kavitacije, pa se ta visina često naziva i kritična visina usisavanja. U praksi se dešavaju slučajevi da je z1<0 pa se pumpa mora postaviti ispod nivoa tečnosti. Najčešće se to izvodi tako da se pumpa postavi u prizemlju objekta a rezervoar na gornje etaže. Npr. ako bi imali pumpanje vode iz otvorenog rezervoara onda bi maksimalna visina usisavanja iznosila oko 10 m (p0=1 bar i ρ=1000kg/m3). Pri razmatranju radnog procesa na usisu pumpe uvodi se pojam o dozvoljenoj kavitacionoj rezervi ∆hdoz , tj suvišak nad punim naporom tečnosti. Taj suvišak napora treba da otkloni mogućnost pojave kavitacije, te kavitaciona rezerva iznosi:
3 p c Vhdoz = 1 + ÷− hd ρ g 2g Granična visina z1 za postavljanje pumpe može da se približno odredi prema jednačini: p ( z1 ) doz = 0 − hd − hw' − ϕ Vhdoz , ρg gdje je φ stepen sigurnosti i kreće se od 1,15 do 1,30. 2 1
Zaključak Izbjegavanje kavitacionih pojava ima vrlo veliki značaj, jer se vrlo negativno odražava na rad pumpe, čvrstoću njenih elemenata i površina koje su okrenute protočnom dijelu pumpe. Na usisnom djelu pumpe na ulazu u radno kolo centrifugalne pumpe u uslovima kavitacije obrazuju se mjehurići pare ispunjeni vazduhom i ostalim gasovima. Strujom tečnosti oni se prenose kroz protočni trakt pumpe u oblasti sa višim pritiskom koji znatno prevazilazi tačku isparavanja tečnosti. Usled toga javlja se trenutna kondenzacija pare brzim nestajanjem mjehurića. Pri tome čestice tečnosti velikom brzinom teže ka centru mjehurića, udarajući pri tome i u metalne površine dijelova pumpe. U tom proceu javljaju se tačkasta žarišta sa vrlo visokim pritiscima (100 i više MPa). Metal slabi razgrađuje se i puca. Ovaj proces se naziva kavitaciona erozija koja se dalje pospješuje brzim razvijanjem hemijske erozije, jer je zaštitni površinski sloj metala narušen. Radno kolo pumpe se za samo nekoliko sati rada praćenog kavitacijom može oštetiti u toj mjeri da postane potpuno neupotrebljivo. Ako se mjehurić u momentu njegove kondenzacije nalazi na površini koja ograničava strujanje npr. na lopatici rotora udar se vrši na tu površinu i izaziva lokalno razaranje metala pod nazivom piting. Ispitivanja su pokazala da kavitaciju prate termički i elektrohemijski procesi koji suštinski utiču na razaranje protočnog trakta pumpi. Karakter pitinga zavisi od materijala od kog je pumpa izrađena. Tako npr dijelovi od livenog gvožđa su slabo otporni na piting te daju sunđerastu strukturu sa veoma neravnom površinom i uskim kanalićima koji prodiru duboko u metal slabeći tako njegovu čvrstoću. Kod visoko opterećenih pumpi dijelovi se izrađuju od legiranih čelika kod kojih se piting manifestuje u obliku glatkih kao izglodanih kanalića i udubina. Ne postoje materijali apsulutno otporni na djelovanje kavitacije, ali čelici legirani niklom i hromom pokazuju najveću otpornost dejstvu kavitacije. Pored erozije metala pri kavitaciji dolazi i do narušavanja normalnih hidrauličkih uslova rada pumpe kao i pogoršanja tehničko ekonomskih pokazatelja njenog rada. Smanjuje se protok pumpe dolazi do oscilacija pritiska (pulsacija) što uzrokuje značajno smanjenje SKD. Formiranje mjehurova pare i njihova kondenzacija u uslovima kavitacije mogu se ponavljati sa vrlo velikom frekvencijom što izaziva vibracije, šumove i buku. Nije dozvoljen rad pumpe na kritičnoj visini usisavanja jer mala promjena temperature ili vanjskog pritiska može dovesti do kavitacije. Visina koja garantuje rad pumpe u bezkavitacionom režimu kod različitih protoka daje se u karakteristikama pumpe – dijagrami u katalozima proizvođača pumpi. Očigledno je prema tome da se kavitacija mora izbjeći po svaku cijenu, a to se postiže preciznim proračunom usisne visine pumpe.
Radno kolo centrifugalne pumpe oštećeno kavitacijom
