کاویتاسیون در پمپ ها و روشهای مقابله با آن
در این مقاله برای جواب به این سوال که کاویتاسیون چیست ؟ به بررسی پدیده كاويتاسيون در پمپ ها و روشهای مقابله با آن میپردازیم. لطفا در ادامه با ما همراه باشید.
کاویتاسیون چیست ؟
آب يا هر مايع ديگر،در هر درجه حرارتي ، به ازاء يك فشار معين تبخير ميشود. به عنوان مثال، آب در فشار اتمسفر در كنـار دريـا، در 100 درجـه سانتيگراد و در فشار 2/0 اتمسفر، در 20 درجه سانتيگراد تبخير ميگردد. هرگاه در حين جريان مايع در داخل چرخ يك پمپ، فشار در نقطهاي از فشار تبخير مايع در درجه حرارت مربوطه كمتر شود، حبابهاي بخاري بوجـود ميآيد كه به همراه مايع به نقطهاي ديگر با فشار بالاتر حركت مينمايند. اگر در محل جديد، فشار مايع به اندازه كافي زياد باشـد، حبابهـاي بخـار در اين محل تقطير شده و در نتيجه ذراتي از مايع از مسير اصلي خود منحرف شده و با سرعتهاي فوق العاده زياد به اطـراف و از جملـه پـره هـا برخـورد مينمايند. در چنين مكاني، بسته به شدت برخورد، سطح پرهها خورده شده و متخلخل ميگردد، اين پديده را كاويتاسيون مينامند.
کاویتاسیون در پمپ ها بسيار خطرناک بوده و ممكن است پس از زماني كوتاه چرخ آن از بين برود. لذا بايد از وجود چنين پديدهاي در پمپ جلوگيري گردد. حبابهاي بخار زماني بوجود ميآيند كه فشاراستاتيكي در مايع بقدري كاهش يابد (بعلت تغيير شرايط ورودي) كه بـدون اعمـال حرارت خارجي به فشار بخار در آن مكان خاص برسد. اگر فشار استاتيكي دوباره بيشتر از فشار بخـار شـود حبابهـاي بخـار ناگهان متلاشي ميگردند و حالت انفجار انقباضي رخ ميدهد؛ اگر اين انفجار نـه در داخـل مـايع جـاري بلكـه در ديـواره هدايت كننده جريان رخ دهد؛ منجر به سايش آن ميگردد و با افزايش سـر و صـدا، افـت رانـدمان و كاهش هد پمپ همراه خواهد بود.
علت تخریب :
تحقيقات اخير مشخص كردهاند كه در ابتداي انفجار، حبابهاي بخار متلاشـي شـده و سـپس يـك ميكروجت آب تشكيل ميشود، تصاوير تهيه شده با سـرعت آرام از ايـن پديـده نـشان ميدهنـد در حالتي كه حبابها در مجاورت ديواره باشند، اين ميكروجت آب بسرعت بـا ديـواره برخـورد خواهـد كرد ونتيجه اين پديده يعني شكافهاي ريز ساختاري، روزنه هاي بسيار ريز، شكافها و شيارهاي سطح ديواره، علت مكانيكي تخريب مواد توسط كاويتاسيون شناخته شدهاند. اين نوع تخريب مـاده توسـط مجموعـهاي از واكنـشهاي شيميایي كه با سرعت زياد در حين اعمال اين تنش مكانيكي رخ ميدهند، تشديد ميگردد.
کاویتاسیون در پمپ ها به معنای شكلگيری حبابها در سيال پمپ شده میباشد. اگر اين حبابها در مكش پمـپ تـشكيل شـوند، تمـام مـوارد زيـر همزمـان رخ ميدهند:
- تلفات دبي
- تلفات هد
- افت بازده
- توليد صدا، ارتعاش و آسيب به بسياري از قسمتهاي پمپ به دليل فرو ريختن حفرهها يا حبابها هنگام عبور از نواحي پرفشارتر.
حفره و صدا در کاویتاسیون :
حفرهها به 5 دلیل اصلی شکل میگیرند و غالباً تمام آنها را در طبقهبندی عمومی کاویتاسیون منظور میکنند که کار اشتباهی است، چرا که خـواهیم دید برای تصحیح هر یک از آنها باید علت وقوع و نحوه تثبیتشان را به طور مجزا بررسی کرد. در پمپهای سانتریفوژ، به هنگام ورود مایع به داخل چرخ، به علت افزایش سرعت، فشار بهطور موضعی پایین میآید و در نقطهای نزدیـک بـه دهانـه ورودی چرخ، به حداقل خود میرسد. اگر در این نقطه (نقطه فشار مینیمم)، فشار مایع از فشار تبخیر مایع عبوری از پمپ بیشتر باشد، مـایع در طـول حرکت خود در داخل چرخ همواره در یک فاز باقی مانده و پدیده کاویتاسیون به وجود نخواهد آمد.
پدیده کاویتاسیون، همواره با صداهای منقطع شروع میشود و سپس در صورت ادامه کاهش فشار در دهانه ورودی پمـپ، بـه شـدت ایـن صـداها افـزوده میگردد. صدای کاویتاسیون در پمپها مخصوص و مشخص بوده و شبیه به برخورد گلولههایی به یک سطح فلزی است. همزمان با تولید این صدا پمـپ نیـز به ارتعاش در میآید. در انتها این صداهای منقطع تبدیل به صدایی شدید و دائم میگردد و در همین حال نیز دبی ماشین به شدت کاهش مییابـد و یا قطع میشود. به هنگام بروز پدیده کاویتاسیون، راندمان پمپ نیز کاهش مییابد.
خوردگی در کاویتاسیون :
خوردگیهای شدید فلز توسط کاویتاسیون، در محل به وجود آمدن حبابهای بخار نیست، بلکه هنگامی که این حبابها همراه با جریان بـه نزدیـک محـل خروج از چرخ برسند، در اثر افزایش فشار به یکباره و به شدت تقطیر میشوند. تقطیر ناگهانی حبابهای بخار موجب کوچـک شـدن ناگهـانی فـضای اشغالی توسط بخار میگردد. در این حالت ذراتی از مایع که در همسایگی این ابر بخار قرار گرفتهاند، مجبور به پرکردن این فضای خالی خواهند شـد.
این ذرات، در اثر اختلاف فشار زیاد، سرعتهای فوقالعاده بالا (تا چندین ده متر بر ثانیه) پیدا میکنند. برخورد ذراتی با چنین سرعت و فرکـانس بـالا (بین 20000 تا 250000 هرتز)، بهطور مداوم به سطح چرخ، سبب کندگی فلز و از بین رفتن آن میگردد. در این محل است که خوردگیهای شدید به چشم میخورد
در پمپهایی که در آنها سرعت دورانی یا دبی تولید Q یا درجه حرارت بالا باشد (مانند پمپهای تغذیه دیگ بخار)، پدیده کاویتاسیون حتی در یـک زمان کوتاه میتواند ضایعات شدیدی را موجب شود. فلزات مختلف در مقابل کاویتاسیون مقاومتهای گوناگونی از خود نشان میدهند و بهطور کلی تا به امروز هیچگونه فلـزی یافـت نـشده کـه بتوانـد در مقابل کاویتاسیون در پمپها بهطور کامل مقاومت کند. باید توجه داشت که خوردگی مکانیکی بر اثر کاویتاسیون یا خوردگی بـر اثـر واکـنشهـای شـیمیائی یـا الکتروشیمیایی متفاوت میباشد. مقاومت فلزات در مقابل پدیده کاویتاسیون بستگی به پارامترهای مختلفی از لحاظ نحوه ساخت و تولیـد فلـز، سـطح فلـز، آلیاژهای بکار رفته، یکنواخت بودن فلز در موقع ریختهگری یا عملیات حرارتی و سرانجام درجه مقاومت فلز در مقابل خستگی دارد. پنج دلیل اصلی بروز کاویتاسیون عبارتند از:
- 1) تبخير
- 2) بلعيدن هوا
- 3) بازچرخش داخلي
- 4) اغتشاش جريان
- 5) بدي مسير پره
1) تبخير
از آنجا که خطوط لوله بین منبع تا مکش پمپ باعث ایجاد تلفات میشوند، باید بعد از محاسبه این تلفات، هد را تعیین کـرد. روش دیگـر بیـان ایـن مطلب این است که یک هد مثبت خالص مکش لازم (NPSHR) است تا از تبخیر سیال ممانعت کند. با تفریق هد مثبت خالص مکش موجود (NPSHA) و فشار بخار سیال پمپ شده، عددی به دست میآید که باید برابـر یـا بزرگتـر از هـد مثبـت خالص مکش لازم باشد. برای حل مشکل تبخیر باید هد مکش را افزایش، دمای سیال را تنزل و یا NPSH لازم را کاهش داد که در ایـن قـسمت هر یک بررسی میشوند:
الف) افزايش هد مكش :
- سيال داخل مخزن را افزايش دهيد.
- سطح مخزن را بالا ببريد.
- پمپها را در گودال (سطحی پايينتر از مخزن) بگذاريد.
- تلفات لوله را كاهش دهيد. اين تلفات به دلايل مختلفی اتفاق ميافتند از جمله :
- طراحي سيستم غلط است . اتصالات بسيار زياد و يا قطر لوله بسيار كوچك است .
- خط لوله تركيده است .
- مواد جامد بر روی جدارههای لوله تشكيل شده است.
- لوله مكش توسط يك ماشين سنگين زير گرفته شده و تركيده است.
- صافي توری لوله مسدود شده است .
- هواگيرها ممكن است در هوای سرد يخ بزنند؛ مطمئن شويد كه هواگير مخزن باز است و مسدود نيست.
- چيزی داخل لوله گير كرده كه ممكن است همانجا به وجود آمده و يا طي آخرين باز كردن سيستم از آن خارج و تميز نشده باشد. مثلاً احتمال دارد شير يكطرفه بشكند و نشيمنگاه آن در داخل لوله گير كند.
- جداره لوله يا اتصال خورده شده است.
- پمپی بزرگتر نصب شده و سيستم موجود به خاطر دبی افزايش يافته، تلفات بسيار زيادی دارد.
- به جای شير كشويی از شير سوپاپی استفاده شده است.
- پوششهای گرمايی يخزده و لوله تركيده است.
- واشری داخل لوله گير كرده است.
- سرعت پمپ افزايش يافته است.
- يک پمپ كمكی نصب كنيد.
- مخزن را پرفشار كنيد.
ب) پايين آوردن دمای سيال :
- تزريق مقدار كمی از سيال خنکكاری به مكش پمپ ، اغلب قابل اجرا است .
- لوله كشي را از تابش آفتاب ايزوله كنيد.
- نسبت به خطوط باز چرخش رانش دقت كنيد، چرا كه میتوانند باعث گرم شدن سيال مكش شوند.
ج) كاهش NPSH لازم :
- از پمپ دو مكشه استفاده كنيد. اين كار میتواند NPSHR را تا 27% كاهش داده و يا در بعضی موارد به شما اجازه دهد كه سرعت پمـپ را تا 41% افزايش دهيد.
- از پمپی با سرعت پايينتر استفاده كنيد.
- از پمپی با دهانه بزرگتر چشم پروانه استفاده كنيد.
- در صورت امكان اينديوسر نصب كنيد، چرا كه میتواند NPSHR را تا حد 50% كاهش دهد.
- از چند پمپ كوچكتر استفاده كنيد. سه پمپ با نصف دبی ارزانتر از پمپی بزرگتر به علاوه يدكی آن خواهند بود، ضمن اين كه انرژی كمتـری
هم مصرف میكنند.
یک قانون کلی سرانگشتی این است که آب داغ و هیدروکربنهای عاری از گاز میتوانند از 50% NPSH لازم برای آب سرد نرمال یـا (3m (10ft، هر کدام که کوچکتر است، استفاده کنند.
2) بلعيدن هوا
پمپ سانتريفوژ میتواند 0.5% حجمي هوا را پمپاژ كند و در ۶٪ هوا، نتايج میتوانند خطرناک باشند. هوا از راههای مختلف وارد سيستم میشود كـه عبارتند از :
- كاسه نمد
- شيرهاي روي خط لوله آب
- نشتي فلنجها
- گردابه سيال
- نصب خط فرعي بايپس بسيار نزديك به مكش
هر دو مورد تبخیر و بلعیدن هوا روی پمپ تأثیر یکسانی میگذارند. حبابها هنگامی که از چشم پروانه به سمت قـسمتهای پرفـشار روانـه میروند، متلاشی میشوند. بلعیدن هوا به ندرت باعث آسیب به پروانه یا پوسته میشود. اثر اصلی بلعیدن هوا تلفات دبی میباشد. اگر چه بلعیدن هوا و تبخیر هر دو اتفاق میافتند، اما راهحلهای جداگانهای دارند. بلعیدن هوا به شدت تبخیر نبوده و به ندرت باعث آسـیب رسـاندن میشود، اما دبی پمپ را کاهش میدهد.
3) باز چرخش داخلی
این وضعیت بر روی لبه ورودی پروانه قابل مشاهده است و معمولاً در نوک رانش که به سمت مکش بر میگردد، ایجاد میشود. باز چرخش داخلـی ممکن است در چشم مکش پمپ نیز پدیدار شود. چنانچه از اسمش پیداست، سیال بازچرخش میکند و سرعتش افزایش مییاد تا تبخیر شود و سپس در محیط فشار بالا فرو میریزد. ایـن موضـوع همیشه در پمپهای با NPSH پایین ایجاد مشکل میکند. برای جلوگیری از این مشکل، واژه «سرعت مخصوص مکش» تعریف میشود تا شـما را در تعیین این که چگونه پمپ نزدیک بهترین نقطه بازدهی (BEP) کار کند، راهنمایی نماید. محدوده عددی سرعت مخصوص مکش بین 3000 تا 20000 است. سرعت مخصوص مکش پمپهای آب باید بـین 3000 تـا 12000 باشـد. رابطـه سرعت مخصوص مکش پمپ به صورت زیر است:
- Ns : سرعت مخصوص مكش
- N : سرعت پمپ
- Q : دبي پمپ بر حسب گالن بر دقيقه يا ليتر بر ثانيه براي بزرگترين قطر پروانه در نقطه BEP
- H : ارتفاع مثبت خالص مكش لازم در N
راهنما :
- در پمپهای دو مکشه، چون چشم پروانه دوتاست، دبی تقسیم بر 2 میشود.
- سعی کنید پمپهای با سرعت مخصوص مکش کمتر از 8500 (5200 متریک) خریداری نمایید و از مقادیر بـالای 12000 (8000 متریـک) بـه استثنای شرایط خاص صرف نظر کنید.
- مخلوط هیدروکربنها و آب داغ در 9000 تا 12000 (5500 تا 7300 متریک) یا بالاتر، احتمالاً میتوانند کارکرد رضایت بخشی داشته باشند.
- سرعت مخصوص بالا نشان میدهد که چشم پروانه بزرگتر از حد طبیعی است و بازده ممکن است برای فـراهم آوردن NPSHR پـایین بـه خطر افتد.
- مقادیر بالاتر سرعت مخصوص ممکن است به طراحی خاصی نیاز داشته باشد و همراه با مقداری کاویتاسیون کار کند.
- عموماً پمپی که ۵۰٪ زیر نقطه بهترین بازده (BEP) کار میکند، کمتر قابل اطمینان است.
در پمپهای با پروانه باز، معمولاً میتوان با تنظیم لقی پروانه طبق مشخصات سازنده مشکلات را تصحیح کـرد. پمپهای بـا پروانـه بـسته مـشکلات بیشتری دارند و به نظر میرسد که بهترین راه حل کاربردی این باشد که با سازنده تماس گرفته و درخواست شود تا در مورد طراحی پروانه و تغییرات ممکن در طراحی آن یا لقیهای رینگ سایشی بررسی کند.
4) اغتشاش
بهتر است سیال داخل لوله دارای سرعتی ثابت باشد. خوردگی یا انسداد میتواند سرعت سیال را تغییر دهد و با تغییر سرعت سـیال فـشا ر نیـز تغییـر میکند. طراحی خوب لولهکشی شامل مورد زیر است :
- فاصله بین مکش پمپ و اولین زانویی، 10 برابر قطر لوله باشد.
- در چیدن چندتایی پمپها، ترجیح داده میشود که برای هر پمپ محدوده مجزایی وجود داشته باشد تا مکش یک پمپ با دیگری تلاقی نکنـد و اگر عملی نباشد، تعداد از پمپها را میتوان در یک مخزن بزرگ تکی به گونهای نصب نمود که:
- پمپها در امتداد خطی عمودی بر ورودی جریان قرار گیرند.
- فاصله بین محور پمپها باید دست کم دو برابر قطر مکش باشد.
- دبی هر پمپ باید کمتر از gpm 15000 باشد.
- فاصله بین لقی دیواره پشت پروانه تا محور پمپ باید حداقل 75/0 قطر مکش باشد.
- حداقل غوطهوری باید مطابق با جداول 1 و 2 باشد.
5) بدی مسير پره
توجه داشته باشید که آسیب وارده به لبه پروانه، از نزدیکی زیاد آن به دماغه پمپ (حلزونی) ناشی میشود. در صورتی که لقی (فاصله بین لبه پروانـه و دماغه حلزونی) بسیار کوچک باشد، سرعت افزایش و فشار کاهش مییابد و در نتیجه تبخیر موضعی به وجود میآید. حبابها بلافاصله بعد از دماغـه متلاشی میشوند و در آن حوالی آسیبهای وارده به حلزونی مشاهده خواهند شد. برای دیدن آسیبها، به نور چراغ قوه و آینه نیاز است، مگر ایـنکـه به بیرون از حلزونی نیز رخنه کرده باشند.
آسیبها به مرکز پروانه محدود میشوند و بر روی لفافها گسترش نمییابند. اگر شما حداقل گشادی بین لبه پروانه و دماغـه را 4% قطـر پروانـه بـرای پروانههای با اندازه کوچک (کمتر از ”14 یا 355mm) و 6% در پروانههای با اندازه بزرگتر (بزرگتر از ”14 یا 355mm) در نظر بگیرید، میتوانید ایـن مشکل را رفع کنید.
از اینکه ما را با مقاله کاویتاسیون چیست همرایی کردید از شما سپاسگذاریم.
منابع :
- ماهنامه صنعت تاسيسات
- نشريه تخصصي مكانيزم
