Σπηλαίωση: επίδραση στην αντλία, ατμοσφαιρική πίεση & τάση ατμών

Συχνά, η ίδια η αντλία κατηγορείται άδικα. Τα προβλήματα του συστήματος άντλησης, συμπεριλαμβανομένης της σπηλαίωσης, εκδηλώνονται συχνά στην αντλία αλλά σπάνια προκαλούνται από αυτήν. Στην πραγματικότητα, εννέα στα 10 προβλήματα αντλίας δεν προκαλούνται από την ίδια την αντλία αλλά από ζητήματα όπως η σπηλαίωση, ο κακός σχεδιασμός του συστήματος και η έλλειψη συντήρησης.

Πρόσθετα προβλήματα που προκαλούνται από τη σπηλαίωση, όπως οι κραδασμοί, μπορεί να είναι σοβαρά και μπορεί να οδηγήσουν σε μηχανική βλάβη στην αντλία. Τα προβλήματα που σχετίζονται με τη σπηλαίωση έχουν επίσης τη δυνατότητα να μειώσουν τη διάρκεια ζωής της αντλίας από 10-15 χρόνια, σε μόλις δύο χρόνια σε ακραίες περιπτώσεις.

Στο 1^ο μέρος του τεχνικού αυτού άρθρου εξετάζεται η δημιουργία της σπηλαίωσης, η επίδραση της σπηλαίωσης στην αντλία και η σημασία της ατμοσφαιρικής πίεσης και της τάσης ατμών, στο φαινόμενο αυτό. Στο 2^ο μέρος, θα εξετάσουμε τις συνθήκες λειτουργίας, το NPSHa, το NPSHr και ενδεικτικά θα αναφερθούν κάποιοι τρόποι αποφυγής της σπηλαίωσης για αντλίες που εργάζονται με σπηλαίωση.

Ο σκοπός αυτών των τεχνικών άρθρων είναι η ενημέρωση σχετικά με το πώς προκαλείται η σπηλαίωση, η κατανόηση των αιτίων και των βασικών παραμέτρων που οδηγούν στην εμφάνιση της σπηλαίωσης. Η πρόληψη κατά το στάδιο του σχεδιασμού, και η ορθή εγκατάσταση σύμφωνα με τις οδηγίες των κατασκευαστών αντλιών θα διασφαλίσει την απρόσκοπτη λειτουργία της αντλίας και της εγκατάστασης γενικότερα.

Τι είναι η σπηλαίωση;

Η σπηλαίωση μπορεί να έχει σοβαρό αρνητικό αντίκτυπο στη λειτουργία και τη διάρκεια ζωής της αντλίας. Μπορεί να επηρεάσει πολλές πτυχές μιας αντλίας, αλλά είναι συχνά η πτερωτή της αντλίας που επηρεάζεται περισσότερο. Μια σχετικά νέα πτερωτή που έχει υποστεί σπηλαίωση συνήθως μοιάζει σαν να χρησιμοποιείται εδώ και πολλά χρόνια. Το υλικό της πτερωτής μπορεί να διαβρωθεί και μπορεί να καταστραφεί ανεπανόρθωτα. Η σπηλαίωση συμβαίνει όταν το υγρό σε μια αντλία μετατρέπεται σε ατμό σε χαμηλή πίεση. Συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει αρκετή πίεση στην αναρρόφηση της αντλίας ή ανεπαρκής Καθαρή Θετική Πίεση Αναρρόφησης (Net Positive Suction Head available (NPSHa)).

Όταν λαμβάνει χώρα η σπηλαίωση, δημιουργούνται φυσαλίδες αέρα σε χαμηλή πίεση. Καθώς το υγρό περνά από την πλευρά αναρρόφησης της πτερωτής στην πλευρά κατάθλιψης, οι φυσαλίδες σκάνε. Αυτό δημιουργεί ένα κρουστικό κύμα που χτυπά την πτερωτή και δημιουργεί κραδασμούς στην αντλία και μηχανικές βλάβες, οδηγώντας πιθανώς σε πλήρη αστοχία της αντλίας σε κάποιο στάδιο.

Τι προκαλεί τη σπηλαίωση;

Η σπηλαίωση συμβαίνει σε μια αντλία όταν η θερμοκρασία και η πίεση του υγρού στην αναρρόφηση της πτερωτής είναι ίσες με την πίεση ατμών. Μπορεί να συμβεί σε χαμηλές πιέσεις και κανονικές θερμοκρασίες λειτουργίας. Τοπικά, έχει ως αποτέλεσμα το υγρό να μετατρέπεται σε ατμό και να δημιουργεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, οι οποίες μπορούν να φτάσουν περίπου τα 10.000K και 1GN/m2. Καθώς το νερό εισέρχεται στην αντλία, σχηματίζονται φυσαλίδες. Οι φυσαλίδες στη συνέχεια προσκολλώνται στα πτερύγια της πτερωτής και καθώς η πίεση στην αντλία αυξάνεται, αυτές οι φυσαλίδες καταρρέουν με τη μορφή ενδόρηξης - εξίσου βίαιη με μια έκρηξη.

Εικόνες 1 & 2: Αποτελέσματα σπηλαίωσης σε χυτοσιδηρές πτερωτές αντλιών

Η ενδόρηξη προκαλεί κρουστικά κύματα τα οποία ταξιδεύουν μέσα στο υγρό και χτυπούν την πτερωτή προκαλώντας απόξεση υλικού ή και τμηματικό σπάσιμο που σταδιακά οδηγεί και απώλεια της ζυγοστάθμισης της πτερωτής και συνεπώς σε μηχανική βλάβη.

Η επίδραση της σπηλαίωσης σε μια αντλία

Η σπηλαίωση προκαλεί υποβάθμιση της απόδοσης της αντλίας, μηχανική βλάβη, θόρυβο και κραδασμούς που μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε αστοχία της αντλίας. Οι κραδασμοί είναι ένα κοινό σύμπτωμα της σπηλαίωσης και πολλές φορές το πρώτο σημάδι ενός προβλήματος. Οι κραδασμοί προκαλούν προβλήματα σε πολλά εξαρτήματα της αντλίας, συμπεριλαμβανομένων του άξονα, των ρουλεμάν και των στεγανοποιήσεων.

Εικόνες 3 & 4: Ζημιά λόγω σπηλαίωσης σε μια πτερωτή με τμήματα αποκομμένα και σοβαρή μηχανική βλάβη.

Τι είναι η τάση ατμών;

Σε έναν συγκεκριμένο συνδυασμό πίεσης και θερμοκρασίας, ο οποίος είναι διαφορετικός για διαφορετικά υγρά, τα μόρια του υγρού μετατρέπονται σε ατμό. Ένα καθημερινό παράδειγμα είναι μια κατσαρόλα με νερό στο μάτι της κουζίνας. Όταν βράσει στους 100°C, σχηματίζονται φυσαλίδες ατμοσφαιρικής πίεσης στον πάτο της κατσαρόλας και ανεβαίνει ο ατμός. Αυτό σημαίνει ότι έχει επιτευχθεί η πίεση ατμών και η θερμοκρασία και το νερό θα αρχίσει να βράζει. Η τάση ατμών, ορίζεται ως η πίεση στην οποία τα υγρά μόρια θα μετατραπούν σε ατμό (βλ. Εικόνα 1). Πρέπει να σημειωθεί ότι η τάση ατμών για όλα τα υγρά ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε ότι η τάση ατμών και η θερμοκρασία συνδέονται. Ένα μισογεμάτο μπουκάλι νερό που υποβάλλεται σε μερικό κενό, θα αρχίσει να βράζει χωρίς την προσθήκη θερμότητας.

Εικόνα 5: Σταθερή πίεση που επενεργεί στο υγρό (ατμοσφαιρική πίεση)

Ιδιότητες νερού σε διαφορετικές θερμοκρασίες

Ρυθμίζοντας την πίεση στην οποία υπόκειται το νερό μπορεί να αλλάξει η τάση ατμών του και τελικά να βράσει σε θερμοκρασία δωματίου. Ο πίνακας 1 απεικονίζει έναν πίνακα θερμοκρασιών από 5 έως 100°C με διακυμάνσεις στην τάση ατμών, την πυκνότητα και το ειδικό βάρος για το νερό.

Πίνακας 1 

Στους 5°C, η πυκνότητα είναι 999,9, την οποία ένας μηχανικός θα στρογγυλοποιήσει στο 1000. Το ειδικό βάρος είναι 0,9999 ή 1. Στο κάτω μέρος του πίνακα μπορεί κανείς να δει ότι στους 100°C η πυκνότητα έχει αλλάξει σε περίπου 958, και το ειδικό βάρος, έχει αλλάξει από 1 σε περίπου 0,96.

Η μεταβλητότητα της τάσης ατμών

Για οποιονδήποτε συνδυασμό πίεσης και θερμοκρασίας στο Γράφημα 1, το νερό θα αρχίσει να βράζει και θα μετατραπεί σε ατμό.

Γράφημα 1. Σημεία βρασμού υγρών αναλόγως της ατμοσφαιρικής πίεσης

Στους 100°C η τάση ατμών είναι 101325 N/m2, που είναι ατμοσφαιρική πίεση. Με τη σπηλαίωση πρέπει κανείς να αντιμετωπίζει απόλυτες πιέσεις. Ρυθμίζοντας τη θερμοκρασία και την πίεση, είναι δυνατό να βράσει το νερό σε διαφορετικά σημεία.

Η επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης

Στην επιφάνεια της θάλασσας – όπου και είναι το σημείο αναφοράς για την ατμοσφαιρική πίεση – η πίεση έχει τιμή ίση με 1.013mbar (~1 bar). Σε αυτή τη πίεση, το νερό θα αρχίσει να βράζει στους 100°C. Άλλα υγρά όπως το εξάνιο, ο τετραχλωράνθρακας, το πεντάνιο και το βουτάνιο είναι πολύ διαφορετικά και θα βράσουν σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από το νερό. Το βουτάνιο, για παράδειγμα, θα αρχίσει να βράζει σε αρνητικές θερμοκρασίες. Η πίεση εξαρτάται από το υψόμετρο. Για παράδειγμα, σε υψόμετρο 1300 μέτρων, η τάση ατμών του νερού θα είναι τόση, όπου θα αρχίσει να βράζει περίπου στους 80°C. Σε ακόμα μεγαλύτερα υψόμετρα, η τάση ατμών του νερού θα είναι σε ακόμα χαμηλότερη τιμή και συνεπώς το σημείο βρασμού θα είναι σε ακόμα χαμηλότερο σημείο. Αν και είναι απίθανο να εγκατασταθούν αντλίες στις κορυφές των βουνών, μπορούν να τοποθετηθούν αντλίες σε διάφορες τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο με μεγάλα υψόμετρα. Σε τέτοια μέρη είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η μεταβολή της τάσης ατμών για τη συγκεκριμένη τοποθεσία, καθώς έχει άμεση σύνδεση με το NPSH.

Συμπέρασμα

Η σπηλαίωση μπορεί να έχει σοβαρό αρνητικό αντίκτυπο στη λειτουργία και τη διάρκεια ζωής της αντλίας. Προκαλεί υποβάθμιση της απόδοσης της αντλίας, μηχανική βλάβη, θόρυβο και κραδασμούς που μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε αστοχία της αντλίας. Η ατμοσφαιρική πίεση, η θερμοκρασία και η μεταβλητότητα της πίεσης ατμών επηρεάζουν το NPSH που παίζει καθοριστικό ρόλο στην ικανότητα της αντλίας να εργαστεί και να αποδώσει το έργο της απροβλημάτιστα.

Ο καλός σχεδιασμός για την αποφυγή της σπηλαίωσης είναι πάντα η καλύτερη επιλογή.

Ξενοφώντας Δαμιανός | Knowledge Manager

Idator