NPSH-Berechnung: Ein Schritt

May 19, 2023

Dies ist der erste Artikel einer fünfteiligen Serie.

In der Welt der Psychologie und insbesondere im Bereich introspektiver Themen wird oft erklärt: „Was man ablehnt, wird bestehen bleiben.“

Sie haben es schon einmal gehört, und jetzt geht es wieder los. Angeblich ist das am meisten missverstandene Konzept in der Pumpenwelt die Netto-Positiv-Saughöhe (NPSH). Ich habe mehrere Artikel zu diesem Thema geschrieben, ebenso wie viele andere Pumpentechniker oder -ingenieure und sogenannte Experten.

Der Name NPSH selbst, ein Akronym, verwirrt die meisten Pump-Neulinge. Das Thema und die erforderlichen Berechnungen verwirren Menschen, die neu in der Branche sind, solche am Rande (Bediener oder Administratoren) und Fachleute, die fälschlicherweise glauben, dass sie das Thema auch nach 25 Jahren in der Branche vollständig verstehen.

Ich schlage vor, dass wir uns über dieses Problem Sorgen machen müssen, da Fehler in Bezug auf die verfügbaren NPSH-Berechnungen (NPSHa) allzu häufig und zu teuer sind, um sie zu korrigieren.

Einer der spaßigsten Teile meiner Position besteht darin, an mehreren Pumpenschulen pro Jahr zu unterrichten und einen Großteil des Kurses dem Thema des Verständnisses des NPSH-Konzepts und der Durchführung der Berechnungen zu widmen. Im Unterrichtsprozess behandle ich die fünf Hauptbeispiele, die Ihnen wahrscheinlich in normalen Industrieanwendungen begegnen werden. Die Beispiele stammen aus Kapitel 1 des „Cameron Hydraulic Data Book“.

Ich werde diese fünf Beispiele zunächst in dieser Kolumne und in den nächsten vier Monaten mit der grundsätzlich optimistischen Absicht erläutern, dass Sie, sobald Sie diese fünf Beispiele und einige Variationen davon kennen, in der Lage sein werden, mit den in der realen Welt vorkommenden Anwendungen umzugehen. Bis Thanksgiving möchten Sie vielleicht alle fünf Spalten als praktische Referenz lesen und ablegen. Als Hintergrund sehen Sie sich bitte noch einmal zwei meiner vorherigen Kolumnen zu diesem Thema an, eine von Pumps & Systems im August 2015 und die andere vom April 2018.

Die positive Nettosaughöhe ist die Gesamtsaughöhe in Fuß Flüssigkeit (oder Metern) abzüglich des Dampfdrucks (in Fuß oder Metern) der gepumpten Flüssigkeit.

Betrachten Sie den Kopf als ein Energieniveau und nicht als einen kraftähnlichen Druck. Alle Werte sind absolut.

NPSHa wird an der Pumpenmittellinie oder am Laufradauge gemessen. Diese beiden Dinge können sich an unterschiedlichen Orten oder Höhen befinden. Stellen Sie sich NPSHa als das verfügbare Energieniveau der Flüssigkeit am Einlass der Pumpe oder am Auge des Laufrads vor. Wenn nicht genügend NPSHa vorhanden ist, verdampft die Flüssigkeit. Verwechseln Sie NPSHa nicht mit Saugdruck. Während der Saugdruck in gewisser Weise eine Komponente der Mischung ist, ist die Geschichte etwas komplexer.

NPSHa ist die NPSH-Menge, die dem System am Auge des Pumpenlaufrads zur Verfügung steht. Dieser NPSHa-Wert ist vollständig von der Flüssigkeit, ihren Eigenschaften, den Umgebungsbedingungen sowie dem Design und der Geometrie des Saugsystems abhängig. Im Wesentlichen geht es bei der Berechnung um das Saugsystem selbst und hat nichts mit der Pumpe zu tun. Diese Berechnung sollte vom Systembesitzer, dem Endbenutzer und/oder seinem Techniker oder Berater durchgeführt werden. Aus Haftungsgründen sind Hersteller in der Regel angehalten, sich nicht an den Berechnungen der Kunden zu beteiligen; Mit der Zeit engagiert sich der Hersteller jedoch immer mehr, vor allem aus Gründen der Erhaltung.

Der erforderliche NPSH-Wert (NPSHr) wird am häufigsten vom Pumpenhersteller durch empirische Methoden und unter Verwendung von Standards und Spezifikationen des Hydraulic Institute (HI) bestimmt. NPSHr-Werte werden normalerweise in den Leistungskurven der Pumpe angegeben.

Beachten Sie, dass NPSHr und NPSH3 im Wesentlichen dasselbe sind. Beim gegebenen Betriebspunkt von Förderhöhe und Durchfluss kavitiert die Pumpe bereits leicht aufgrund unzureichender NPSH und die entwickelte Förderhöhe ist um 3 Prozent gesunken, während die Durchflussrate auf einem bestimmten Wert fixiert ist.

Die NPSH-Marge gibt an, um wie viel der NPSHa-Wert den NPSHr übersteigt. Es gibt Richtlinien für empfohlene oder richtige Ränder, und ich sage, je höher der Rand, desto besser. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in ANSI/HI 9.6.1-2012.

Ich betrachte Formeln gerne als meine „Freunde“, denn sobald ich die richtige Formel kenne, kann ich einfach die Werte für die Begriffe oder Komponenten in der Formel eingeben, die mathematischen Schritte ausführen und die richtige Antwort finden. Im College bezeichneten wir diesen Vorgang als „Plug and Chug“. Einige Freunde haben mir erzählt, dass ich 50 Prozent meines Publikums verliere, sobald ich im Unterricht oder in meinen Artikeln auf eine Formel verweise! Für diejenigen unter Ihnen, die Formeln hassen und lahmlegen, sollten Sie sich vielleicht ein paar Augenblicke lang Bild 1 ansehen und sehen, was dort vor sich geht, bevor wir uns der Formel nähern.

In Bild 1 haben wir einen Tank mit klarem Wasser bei Umgebungstemperatur (68 F, was auch bedeutet, dass das spezifische Gewicht 1,0 beträgt) und der gegenüber Atmosphärendruck offen ist. Dabei befinden sich Tank und Pumpensystem auf einer Höhe nahe dem Meeresspiegel. Die Oberkante des Wasserspiegels im Tank liegt 10 Fuß über der Mittellinie der Pumpe. Wir nennen dies eine „überflutete Ansaugung“, da sich die Flüssigkeitsquelle oberhalb des Pumpenlaufrads befindet. Es gibt ausreichend dimensionierte Rohrleitungen vom Tank zur Pumpenansaugung mit einem Winkelstück und einem vollständig geöffneten Absperrventil. Wir gehen für das Beispiel davon aus, dass der Wasserstand konstant bei 10 Fuß bleibt, aber in der realen Welt möchten Sie den NPSHa für den schlechteren Zustand berechnen, der wahrscheinlich auf einem niedrigeren Niveau liegen wird.

Zu diesem Zeitpunkt verfügen Sie allein mit den Informationen, die ich Ihnen aus der Abbildung gegeben habe, über alle Daten, die Sie zur Berechnung des NPSHa benötigen, mit Ausnahme der Reibungshöhe. Für dieses erste Beispiel werde ich die Reibungshöhe berechnen, um das Problem einfach zu halten. Wir werden die Geschwindigkeitshöhe ignorieren, da der Wert normalerweise klein ist.

In zukünftigen Beispielen werden wir die Berechnungsmethoden für die Reibungshöhe besprechen, und ich werde auch berechnen und zeigen, wie die Geschwindigkeitshöhe das Ergebnis beeinflussen kann oder nicht.

Um NPSHa zu berechnen, müssen Sie Folgendes wissen:

Zurück zur Formel (ja, ich habe sie in den Artikel eingefügt).

Wie bereits erwähnt, verfügen Sie über die Informationen, um diese vier Komponenten mit reellen Zahlen zu füllen und die Berechnung zur Bestimmung des NPSHa abzuschließen.

Die erste Komponente in der Gleichung (ha) stellt den Wert für den absoluten Druck über dem offenen Wassertank dar. Zuvor wurde angegeben, dass sich das System auf Meereshöhe befindet.

Die Flüssigkeit im offenen Tank unterliegt dem atmosphärischen Druck. Auf Meereshöhe kann davon ausgegangen werden, dass der atmosphärische Druck etwa 14,7 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) oder 0 psi Überdruck (psig) beträgt.

Beachten Sie, dass Schwankungen des atmosphärischen Drucks den NPSHa-Wert beeinflussen können und werden.

Jetzt müssen Sie nur noch den Luftdruck von Psia in Fuß Kopf umrechnen. Multiplizieren Sie 14,7 mit 2,31 und das Ergebnis ist 33,957 Fuß, abgerundet auf 34 Fuß. Der Wert für die erste Komponente in der Gleichung beträgt 34 ​​Fuß.

Wir werden die Auswirkungen größerer Höhen und Vakuum in späteren Artikeln behandeln.

Die zweite Komponente in der Gleichung ist hvpa oder der Dampfdruck der Flüssigkeit bei dieser gegebenen Temperatur von 68 F. Um den Dampfdruckwert zu erhalten, schlagen Sie ihn einfach in einem Nachschlagewerk wie dem „Cameron Hydraulic Data Book“ nach. Der Wert (Absolutdruck des gesättigten Dampfes) wird normalerweise in Einheiten von Psia angegeben, variiert direkt mit der Temperatur und ist auch für jede Flüssigkeitsart unterschiedlich.

Der Wert, den Sie bei Ihrer Suche erhalten sollten, ist 0,33889 psia. Multiplizieren Sie diese Zahl mit 2,31, um sie in Kopf in Fußeinheiten umzuwandeln. Sie erhalten den Wert 0,7828 Fuß. Wir runden auf 0,783 Fuß ab. Sie haben jetzt den zweiten Wert in der Gleichung: 0,783 Fuß.

Die dritte Komponente in der Gleichung ist die statische Förderhöhe (hst). Hierbei handelt es sich um eine vertikale Messung von der Flüssigkeitsoberfläche bis zur Mittellinie der Pumpe (Laufradauge). Denken Sie daran, den schlimmsten Fall (niedrigster erwarteter Wert) zu berücksichtigen. In unserem Beispiel wurde eine statische Höhe von 10 Fuß angegeben. Es ist keine Umrechnung erforderlich, da es bereits in den richtigen Einheiten vorliegt. Sie haben jetzt den Wert für die dritte Komponente in der Gleichung: 10 Fuß.

Die vierte Komponente (hf) in der Gleichung ist der Reibungsverlust in der Rohrleitung, den ich zuvor mit einem Wert von 3,2 Fuß angegeben habe. Sie haben jetzt alle vier Werte, um die Antwort zu finden.

Beachten Sie, dass der angegebene Reibungsfaktor von 3,2 Fuß von den Flüssigkeitseigenschaften, der Durchflussrate sowie den Materialien und der Geometrie des Rohrs (Saugsystems) abhängt. Sie sollten in einfachen Worten verstehen, dass es bei einer gegebenen Flüssigkeitsdurchflussrate zu Reibungsverlusten für die Rohrlänge, den Winkel, das Ventil, den Austrittsverlust aus dem Tank (Übergang von groß nach klein) und den Eintrittsverlust in die Pumpe kommt ( (Änderung der Durchmesser vom Rohr zum Pumpenstutzen). Wir werden uns in den späteren Beispielen in den kommenden Monaten mit einigen Grundlagen der Rohrreibung befassen.

Denken Sie zum Schluss daran, dass wir den fünften Faktor in der Formel, nämlich die Geschwindigkeitshöhe (hvel), nicht berücksichtigen. In einem richtig ausgelegten System (mit Newtonschen Flüssigkeiten in einer Nicht-Schlamm-Anwendung) liegt der Wert der Geschwindigkeitshöhe typischerweise unter 1 Fuß.

Der Wert für die Geschwindigkeitshöhenkomponente ist positiv.

Im Moment verfügen wir über die vier Werte, die zum Ausfüllen der Komponenten und zum Berechnen der Antwort für NPSHa erforderlich sind.

Alle Einheiten sind in Fuß angegeben. Die Drücke sind in absoluten Werten angegeben.

Bitte gehen Sie das Beispiel durch, um zu sehen, ob Sie den gleichen oder einen ähnlichen Wert erhalten.

Nächsten Monat werden wir den NPSHa für einen Aufzugszustand berechnen. Lesen Sie es hier.

In späteren Ausgaben werden wir uns mit den Auswirkungen großer Höhen, heißer Flüssigkeiten, Kohlenwasserstoffe und unter Druck stehender Saugtanks befassen. Wir werden uns auch mit den Saugbedingungen unter Vakuum befassen.

VerweiseCameron Hydraulic Data Book, 16. Auflage

Weitere Artikel in der Rubrik „Häufige Pumpfehler“ finden Sie hier.

Jim Elsey ist ein Maschinenbauingenieur, der sich seit 47 Jahren auf die Konstruktion und Anwendung rotierender Geräte für das Militär und mehrere große Erstausrüster in den meisten Industriemärkten der Welt konzentriert. Elsey ist aktives Mitglied der American Society of Mechanical Engineers, der National Association of Corrosion Engineers und der American Society for Metals. Er ist General Manager von Summit Pump Inc. und Geschäftsführer von MaDDog Pump Consultants LLC. Elsey kann unter [email protected] erreicht werden.