Тиск насиченої пари деяких рідин

Рідина	Тиск насиченої пари , кПа, при температурі, °С
	0	20	40	60	80	100
Вода	0,6	2,4	7,5	20,2	48,2	103
Бензин	---	16,3	33,2	55,8	103	---
Гас	---	3,3	5,8	7,5	12,1	20,3
Спирт	---	8	20	49,3	92	---
Нафта	---	7,8	13,7	37,2	85,3	---

Для подальших пояснень необхідно ввести ще одне поняття.

Кавітаційним запасом називається надлишок повного напору рідини у вхідному патрубку насоса над напором, створеним тиском насиченої пари:

Атмосферний тиск на різних висотах

Висота над рівнем моря ,м	0	100	200	300	400	500	600
Атмосферний тиск, , кПа	103	102	101	99	98	97	96
, м	800	1000	1500	2000	3000	50000
, кПа	94	92	86	81	72	57

Коли тиск рідини буде рівним тиску насиченої пари, виникне кавітація. Кавітаційний запас , при якому починається кавітація, називається критичним. Цей запас витрачається на швидкісний напір .

У відцентрових насосах прийнято розрізняти два критичних режиму кавітації - перший і другий.

Перший критичний режим відповідає моменту початку кавітації в насосі. На кавітаційних кривих цей режим характеризується початком пониження напору.

Другий критичний режим відповідає моменту зриву роботи насоса. На кавітаційних кривих цей режим характеризується початком різкого падіння контрольованого параметра.

Слід зазначити умовність визначення кавітаційних режимів роботи насосів, в основу якого покладено лише одна з численних шкідливих проявів кавітації, а саме її вплив на енергетичні параметри, зокрема, на напір насоса.

Результати численних досліджень, в тому числі і проводилися в МІСД ім. У В. Куйбишева за участю автора, з великою очевидністю показують, що сильно розвинута кавітація спостерігається в елементах проточної частини насоса задовго до першого критичного режиму. Не надаючи впливу на зовнішні характеристики

насоса, вона в той же час викликає посилення шуму і вібрації, а також представляє серйозну небезпеку з точки зору кавітаційної ерозії.

Крім того, перший і другий режими характеризують граничні умови і, отже, заздалегідь виключаються з розгляду всі лежать між ними режими роботи з частково розвилася кавітацією, в той час як багато хто з них можуть бути або економічно виправданими, або неминучими при певних умовах експлуатації. Однак розробка іншої, більш детальною, класифікації кавітаційних режимів роботи насосів в даний час неможлива через відсутність надійних, оперативних методів виявлення і кількісної оцінки ступеня розвитку кавітації.

Теоретичний аналіз і результати експериментальних досліджень потоку в між лопатевих каналах дозволяють представити картину течії рідини в робочому колесі при різних режимах роботи відцентрового насоса і достатніх для запобігання кавітації значеннях тиску на вході.

При малих подачах, область робочого колеса біля вхідних кромок лопатей лише частково зайнята активним потоком, що рухається уздовж напірної поверхні лопаті до виходу з робочого колеса. Велика частина її, прилегла до переднього диска, заповнена потоком, що рухаються в зворотному напрямку. Сильно закручений у бік обертання робочого колеса зворотний потік поступово розмивається основним потоком і захоплюється знову в робоче колесо Утвориться, при цьому вихрова зона не бере участь у витраті рідини через робоче колесо .

Зі збільшенням подачі (при постійній частоті обертання) ширина активного потоку, що надходить на лопаті робочого колеса, збільшується, а розміри вихровий зони відповідно зменшуються. При подачах, близьких до оптимальної, практично всі перетин міжлопотевого каналу зайнято потоком рідини, лише у вихідних кромок лопатей з обох сторін можуть бути невеликі застійні зони .

При подачах, що перевищують оптимальну, незважаючи на те, що міжлопотевий канал по всій висоті зайнятий активним потоком, потік відривається від лицьової поверхні лопаті, що призводить до зменшення його перетину на виході з робочого колеса і збільшенню середнього значення відносної швидкості, наслідком чого є зменшення напору.

При зниженому тиску на вході в насос кавітація в проточній частині робочого колеса відбувається на всіх режимах роботи з подачею, що значно відрізняється від оптимальної. При дуже малих подачах кавітаційні міхури, виникаючи в товщі активного потоку, збільшують кілька його перетинів, зменшуючи тим самим розміри вихрової зони. Зі збільшенням подачі кількість кавітаційних бульбашок зменшується, протягом стабілізується, однак можливе утворення невеликої стійкої кавітаційної зони вздовж вхідної кромки лопаті з тильної сторони.

Зовнішні прояви кавітації на цих режимах обмежуються шумом, рівень якого поступово знижується зі збільшенням подачі.

Як відомо, із збільшенням подачі до значення, при якому необхідний кавітаційний запас перевищить дійсний, в насосі виникне кавітація, а подальше зростання подачі призведе до зриву його роботи.

Примітним в аналізовані дослідах є те, що в міру збільшення температури води цей зрив настає при все більш високих значеннях подачі Єдиним поясненням цьому явищу може бути те, що підвищення температури перекачуваної води, поряд зі збільшенням тиску насичених парів, викликає-зменшення мінімально допустимого значення необхідного кавітаційного запасу.

Критичний кавітаційний запас визначають під час кавітаційних випробовувань. На рис. 3 показана кавітаційна характеристика насоса, тобто залежність напору, потужності і ККД від кавітаційного запасу при сталій частоті обертання робочого колеса і подачі. Початку зменшення напору і ККД відповідає перший критичний кавітаційний запас . Одночасно споживана потужність насоса збільшується. На початку кавітації на поверхні лопаті виникають невеличкі пухирці пари (рис. 4, а). При подальшому розвитку кавітації, коли , на лопаті пухирці пари збільшують­ся, деякі з них з’єднуються в каверну, яка займає частину довжини лопаті (рис. 4, б). Другий критичний кавітаційний запас настає, коли каверна пари займає всю довжину лопаті. Тоді відбувається різкий зрив подачі, напору, ККД і потужності. Це вже стадія повністю розвинутої кавітації. Робота насоса на цій стадії супроводжується інтенсивною механічною ерозією, швидким руйнуванням робочого колеса і тому недопустима.

Робота насоса між першим і другим критичними кавітаційними запасами можлива на невеликий час.

Рис.3 Кавітаційна характеристика Рис.4 Види кавітації

Щоб режим роботи насоса не опинився в зоні кавітації через мож­ливу неточність врахування різних факторів в розрахунку, допускний кавітаційний запас повинен бути на 10...30% більший від критичного. Звичайно за такий запас приймають перший критичний. В деяких тихохідних відцентрових насосах перший критичний кавітаційний запас не відчувається. Тоді за критичний запас приймають другий і більше значення перевищування допускного запасу. Отже, допускний кавітаційний запас

На основі обробки чисельних дослідних даних С.С. Руднєв запро­понував формулу для визначення критичного кавітаційного запасу:

де С - кавітаційний коефіцієнт швидкохідності. С = 600...700 для насосів з поганими кавітаційними властивостями, для звичайних насосів С = 800…1000, для насосів з підвищеними кавітаційними властивостями С більше 1200.

У формулі (3.40) має розмірність м, n– хв.^-1, Q–м³/с.

Для насосів з двостороннім входом при визначенні подачутреба брати в два рази меншу від подачі насоса. Тому і критичний кавітаційний запас буде меншим, ніж для насоса з одностороннім входом.

Одним з важливих параметрів насосної установки є висота всмоктування (див. рис. 1)яку можна записати наступним чином:

В насосних установках водо та теплопостачання і водовідведення тиск найчастіше дорівнює атмосферному.

Зі зменшенням висота всмокту­вання збільшується, тому доцільно приймати як можна менше значення допустимого кавітаційного запасу.

З рівняння висоти всмоктування випливає, що з ростом тиску насиченої пари, який відбувається під впливом збільшення температури рідини, висота всмоктування зменшується. При температурі води, більшій, ніж 60...80°C, ця висота може стати від’ємною. Це означає, що для попередження кавітації насос треба встановлювати нижче від рівня рідини в резервуарі на певній висоті. Таке розташування насоса називається установкою під залив. Описані обставини мають місце в системах центрального водяного опалення.

Оскільки кавітація дуже шкідлива для насоса, заходи для її попередження можна встановити. Тиск на вході в насос не повинен бути меншим за тиск насиче­ної пари. Для цього доцільно зменшити: висоту всмоктування , швидкість рідини на вході в насос, втрати напору у всмоктува­льній лінії. Використання якомога більшого діаметра всмоктувальної лінії забезпечить найменші втрати напору і зменшить швидкість .

Необхідно також зменшувати критичний кавітаційний запас. Це можливо при використанні робочого колеса з підвищеними кавітаційними властивостями, у яких кавітаційний коефіцієнт швидкохідності має більші значення.

На рис.5 показано робоче колесо відцентрового насоса з під­вищеними кавітаційними властивостями за рахунок збільшення вхід­ного діаметра та ширини лопаті.

Рис. 5 Робоче колесо з підвищеними кавітаційними властивостями

Збільшення ширини лопаті має бі­льший вплив, ніж вхідний діаметр, ос­кільки при цьому ККД зменшується дуже мало. У такого колеса коефіці­єнт C доходить до 2300.

Дуже ефективна установка на вході насоса осьового колеса, яке під­вищує тиск перед відцентровим ко­лесом. Для покращення кавітаційних якостей самого осьового колеса збільшують його зовнішній діаметр і зменшують товщину вхідної кромки лопаті. коефіцієнт Cтакого насоса доходить до 3000...5000.

Допускний кавітаційний запас введений в характеристику насоса в графічній та табличній формі (рис. 3.56, табл. 4.1, 4.3, 4.6). Такі характеристики наведені в каталогах та в документації, якими завод-виготовлювач комплектує свої вироби -

насоси. Робоча частина

Рис. 6 Характеристика насоса К-150-125-250

Рис. 7 Характеристика насоса Д-500-65

Під час проектування установки необхідно визначити і такий її параметр, як кавітаційний запас:

де - висота від осі насоса до рівня рідини в приймальному резервуарі. Знак “плюс” використовується при розташуванні насоса вище рівня рідини, тоді - висота всмоктування. Знак “ мінус ” вживається при установці насоса нижче рівня рідини, тоді - підпір.

Для забезпечення без кавітаційної роботи повинна виконуватись нерівність:

Значення допускного кавітаційного запасу визначають з харак­теристики насоса.

Під час роботи насоса контролюють тиск на вході вакуумметром. Цьому тискові відповідає так звана вакуумметрична висота всмоктування , яка

є дуже важливим параметром насоса. В деяких характеристиках насосів замість допускного кавітаційного запасу приведені значення допускної вакуумметричної висоти всмоктування (рис. 7).

Види кавітації:

• Усмоктувальна кавітація відбувається, коли робота насоса в режимі всмоктування відбувається під низьким тиском (високе вакуумне умова), де рідина перетворюється на пару всередині відцентрового насоса. Цей пар переноситься на нагнітальну бік насоса, де вакуум більше не виявляється і знову стискається до рідинного стану під впливом нагнітального тиску. Це стиснення відбувається миттєво і робить вплив на лицьову поверхню гідротурбін. У гідротурбін, які працюють під впливом умов всмоктуючої кавітації, виявляють нестачу на лицьовій поверхні великих шматків матеріалу, що веде до передчасного виходу з ладу насосів.

• Нагнітальна кавітація відбувається при надзвичайно високому нагнітальному тиску насоса. Нагнітальна кавітація зазвичай з'являється в насосі, який працює при відхиленні на 10% від свого ККД. Висока нагнітальні тиск викликає циркуляцію рідини усередині насоса замість того, щоб видавати потрібний об'єм витрата.