Уявіть собі ситуацію – ви купуєте новий насос для будинку або виробництва. Встановлюєте його, вмикаєте, а він працює дивно: шумить, вібрує, подає менше води ніж потрібно. Знаєте що? Швидше за все проблема в неправильному розрахунку кавітаційного запасу.
Кавітаційний запас насоса – це запас тиску, який не дає утворюватися бульбашкам пари в рідині. Коли цього запасу мало, насос починає кип’ятити воду прямо всередині себе. Бульбашки лопаються і руйнують деталі. Насос швидко ламається, а разом з ним виходить з ладу і вся система, наприклад, чилер.
Насправді кавітаційний запас насоса розрахунок не такий складний, як здається. Головне зрозуміти основи і знати трохи фізики. А ще врахувати кілька важливих моментів при установці.
Що таке кавітаційний запас і навіщо його рахувати
Кавітація – це коли рідина закипає при звичайній температурі. Відбувається це через низький тиск. Вода починає кипіти не при 100 градусах, а набагато раніше, якщо тиск впаде.
У насосі є місце, де тиск найнижчий. Це вхід у робоче колесо. Якщо тиску там не вистачає, вода перетворюється на пару і утворюються бульбашки. Вони рухаються далі, потрапляють у зону високого тиску і різко схлопуються. При цьому виникають удари, які руйнують метал.
До речі, звучить це як дріб або тріск. Якщо ваш насос видає такі звуки – у вас кавітація. І це погано.
Читайте також що таке кавітація в насосах
Кавітаційний запас показує, наскільки тиск на вході в насос більший за тиск насичених парів рідини. Чим більший цей запас, тим далі насос від кавітації.
Є два види кавітаційного запасу: NPSHr (потрібний (який потрібен насосу), NPSHa – доступний (який є в системі). NPSHr вказує виробник насоса, а NPSHa потрібно розрахувати самому.
Кавітаційний запас насоса – формула для розрахунку
Формула кавітаційного запасу насоса виглядає так:
NPSHa = (Pa – Pv)/(ρ × g) + Hs – Hf
Насправді все просто:
- Pa – атмосферний тиск (зазвичай 10,3 метра водяного стовпа);
- Pv – тиск парів рідини при робочій температурі;
- ρ – щільність рідини (для води 1000 кг/м³);
- g – прискорення вільного падіння (9,81 м/с²);
- Hs – висота від рівня рідини до насоса (зі знаком плюс, якщо насос вище);
- Hf – втрати тиску в трубах на всмоктуванні.
Ось приклад: у вас є насос, який качає воду температурою 60°C. Насос стоїть на 2 метри вище рівня води в баку. Втрати в трубах 1 метр. Тиск парів води при 60°C дорівнює 2 метри водяного стовпа. Підставляємо в формулу:
NPSHa = (10,3 – 2) + 2 – 1 = 9,3 метра
Якщо виробник вказав NPSHr = 4 метри, то запас є. Насос буде працювати нормально.
Практичний розрахунок кавітаційного запасу насоса
А тепер розберемо розрахунок кавітаційного запасу покроково. Візьмемо реальний приклад з життя. Припустимо, ви ставите насос для поливу в теплиці. Вода нагрівається до 40°C, насос встановлений на висоті 3 метри від рівня води. Всмоктуюча труба довжиною 10 метрів, діаметром 100 мм. Швидкість води в трубі 2 м/с.
Крок 1: визначаємо атмосферний тиск. На рівні моря Pa = 10,3 м. Якщо ви в горах, потрібно відняти по 1 метру на кожні 1000 метрів висоти.
Крок 2: знаходимо тиск парів. При 40°C тиск парів води Pv = 0,75 м водяного стовпа. Ці дані є в довідниках або в інтернеті.
Крок 3: рахуємо геометричну висоту. Насос вище води на 3 метри, значить Hs = +3 м. Якби насос стояв нижче рівня води, було б зі знаком мінус.
Крок 4: розраховуємо втрати в трубах. Для цього потрібна формула: Hf = λ × (L/D) × (v²/2g)
- λ – коефіцієнт тертя (для сталевих труб приблизно 0,03)
- L – довжина труби (10 м)
- D – діаметр труби (0,1 м)
- v – швидкість води (2 м/с)
Hf = 0,03 × (10/0,1) × (4/19,6) = 0,03 × 100 × 0,2 = 0,6 м
Крок 5: підставляємо все в формулу NPSHa = (10,3 – 0,75) + 3 – 0,6 = 11,95 м
Виходить хороший запас. Більшість побутових насосів вимагають NPSHr від 2 до 6 метрів.
Що впливає на кавітаційний запас
Температура рідини – головний ворог кавітаційного запасу. Чим гарячіша вода, тим вищий тиск парів. І тим менше залишається запасу.
Рекомендуємо прочитати що таке кавітаційний запас насоса
Подивіться на цю таблицю:
| Температура води | Тиск парів | Втрата NPSHa |
| 20°C | 0,24 м | – |
| 40°C | 0,75 м | 0,5 м |
| 60°C | 2,0 м | 1,8 м |
| 80°C | 4,8 м | 4,6 м |
| 90°C | 7,1 м | 6,9 м |
Бачите? При нагріванні до 90°C запас зменшується майже на 7 метрів! Ось чому насоси для гарячої води ставлять якомога нижче.
Висота установки насоса теж важлива. Кожен метр підйому відбирає метр запасу. Тому насоси для глибоких колодязів часто ставлять прямо у воду.
Втрати в трубах залежать від їх діаметра і довжини. Чим тонша труба, тим більші втрати. Чим довша – тим теж більше. А ще впливають повороти, клапани, фільтри.
Ось просте правило: робіть всмоктуючу трубу короткою і товстою. Уникайте зайвих поворотів і звужень.
Розрахунок кавітаційного запасу для різних насосів
Відцентрові насоси – найпоширеніші. Для них кавітаційний запас насоса розрахунок робиться за стандартною формулою. Але є нюанси: у відцентрових насосів NPSHr зростає зі збільшенням подачі. Якщо насос працює на максимумі, йому потрібно більше запасу. Виробники зазвичай вказують NPSHr для номінального режиму.
Поршневі насоси вимагають більше уваги, оскільки у них пульсуючий потік. Під час всмоктування тиск різко падає. Тому до розрахункового запасу додають ще 50%.
Гвинтові насоси менш вимогливі. Вони створюють рівномірний потік без пульсацій. NPSHr у них зазвичай невеликий – 1-3 метри.
Погружні насоси працюють в особливих умовах. Вони знаходяться під водою, тому геометрична висота всмоктування від’ємна. Це великий плюс для кавітаційного запасу.
Ознаки недостачі кавітаційного запасу
Як зрозуміти, що розрахунок кавітаційного запасу насоса був неправильним? Насос сам підкаже.
Перша ознака – шум. Кавітуючий насос тріщить, як дріб по металу. Звук може бути постійним або з’являтися періодично.
Друга ознака – вібрація. Насос починає трястися сильніше звичайного. Вібрація передається на труби і кріплення.
Третя ознака – падіння подачі. Насос качає менше води, ніж повинен за паспортом. Напір теж може впасти.
Четверта ознака – швидкий знос. Робоче колесо покривається раковинами і виразками. Підшипники виходять з ладу раніше терміну.
До речі, кавітація не завжди постійна. Вона може з’являтися тільки при певних режимах роботи. Наприклад, коли насос працює на максимальній подачі.
Особливості розрахунку для гарячих рідин
Гарячі рідини – особливий випадок. Тут розрахунок кавітаційного запасу насоса стає критично важливим.
При температурі 80-90°C тиск парів води досягає 5-7 метрів. Це означає, що атмосферний тиск “з’їдається” наполовину. Залишається мало місця для маневру.
Для гарячих систем діють особливі правила: насос ставлять якомога нижче, всмоктуючу трубу утеплюють, щоб рідина не остигала, роблять запас по NPSHa не менше 2-3 метрів зверх потрібного, використовують насоси з низьким NPSHr.
А ще важливо пам’ятати про теплове розширення. Гарячі труби подовжуються і це може створити додаткові напруження і перешкоди для потоку.
Практичні поради з розрахунку кавітаційного запасу
Існує кілька корисних порад, які допоможуть уникнути помилок при розрахунку кавітаційного запасу.
Завжди беріть запас. Якщо розрахунок показує, що NPSHa дорівнює NPSHr, цього мало. Потрібен запас мінімум 20-30%, а краще більше.
Враховуйте найгірший випадок. Рахуйте для максимальної температури і мінімального рівня рідини, тобто, для найважчого режиму роботи.
Не забувайте про висоту. Якщо ви в горах, атмосферний тиск менший. На висоті 1000 метрів він падає на метр водяного стовпа.
Перевіряйте дані виробника. NPSHr вказують для води при 20°C. Для інших рідин може знадобитися поправка.
Враховуйте старіння системи. З часом труби заростають, клапани зношуються. Втрати зростають. Закладайте запас на майбутнє.
І остання порада. Якщо сумніваєтесь у розрахунках, краще звернутися до спеціаліста. Помилка може дорого коштувати.
Розрахунок кавітаційного запасу насоса – важливе завдання. Від цього залежить надійність роботи всієї системи. Але нічого надскладного в цьому немає. Головне – правильно застосувати формулу кавітаційного запасу насоса. Також – врахувати температуру рідини, висоту установки, втрати в трубах. І не забути про запас безпеки.
