Grundprinzipien von Kreiselpumpen: Kavitation
Arten der Kavitation in Kreiselpumpen
Um Kavitation in Kreiselpumpen zu reduzieren oder zu verhindern, ist es wichtig, die verschiedenen Arten von Kavitation zu verstehen, die auftreten können. Zu diesen Typen gehören:
1. Verdampfungskavitation. Auch bekannt als „typische Kavitation“ oder „Net-Positive-Saugkopf-Defizienz-Kavitation (NPSHa)“ ist dies die häufigste Art der Kavitation. Die Kreiselpumpe erhöht die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, wenn sie durch die Laufradlöcher gesaugt wird. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit entspricht einer Verringerung des Flüssigkeitsdrucks. Die Druckreduzierung kann dazu führen, dass ein Teil der Flüssigkeit kocht (verdampft) und Dampfblasen bildet, die beim Erreichen des Hochdruckbereichs heftig zusammenfallen und eine winzige Stoßwelle erzeugen.
2. Turbulente Kavitation. Teile wie Bögen, Ventile, Filter usw. im Rohrleitungssystem sind möglicherweise nicht für das Volumen oder die Art der gepumpten Flüssigkeit geeignet, was zu Wirbelströmen, Turbulenzen und Druckunterschieden in der gesamten Flüssigkeit führen kann. Wenn diese Phänomene am Eingang der Pumpe auftreten, wird das Innere der Pumpe direkt erodiert oder die Flüssigkeit verdampft.
3. Blattsyndrom-Kavitation. Diese Art der Kavitation, auch „Blade-Through-Syndrom“ genannt, tritt auf, wenn der Laufraddurchmesser zu groß ist oder die Innenbeschichtung des Pumpengehäuses zu dick ist bzw. der Innendurchmesser des Pumpengehäuses zu klein ist. Eine oder beide dieser Bedingungen verringern den Raum (Spiel) im Pumpengehäuse unter ein akzeptables Maß. Eine Verringerung des Spiels im Pumpengehäuse führt zu einer Erhöhung der Flüssigkeitsdurchflussrate und damit zu einer Druckreduzierung. Ein verringerter Druck kann dazu führen, dass die Flüssigkeit verdampft und Kavitationsblasen entstehen.
4. Interne Rezirkulationskavitation. Wenn die Pumpe nicht in der Lage ist, die Flüssigkeit mit der gewünschten Durchflussrate abzugeben, führt sie dazu, dass ein Teil oder die gesamte Flüssigkeit um das Laufrad herum zirkuliert. Die rezirkulierte Flüssigkeit strömt durch Bereiche mit niedrigem und hohem Druck, was zu Hitze, hoher Geschwindigkeit und der Bildung von Verdampfungsblasen führt. Eine häufige Ursache für die interne Rezirkulation ist der Betrieb der Pumpe bei geschlossenem Pumpenauslassventil (oder bei niedriger Durchflussrate).
5. Luftporenbildung mit Kavitation. Durch ein defektes Ventil oder einen losen Anschluss kann Luft in die Pumpe gesaugt werden. Im Inneren der Pumpe strömt die Luft mit der Flüssigkeit. Durch die Bewegung von Flüssigkeit und Luft können Blasen entstehen, die „explodieren“, wenn sie dem erhöhten Druck des Pumpenlaufrads ausgesetzt werden.
Faktoren, die Kavitation verursachen
NPSH, NPSHa und NPSHr
NPSH ist ein Schlüsselfaktor zur Vermeidung von Kavitation in Kreiselpumpen. NPSH ist die Differenz zwischen dem tatsächlichen Saugdruck und dem Flüssigkeitsdampfdruck, gemessen am Pumpeneinlass. Der NPSH-Wert muss hoch sein, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit in der Pumpe verdampft. NPSHa ist der tatsächliche NPSH unter Pumpenbetriebsbedingungen. Die erforderliche positive Nettosaughöhe (NPSHr) ist die vom Pumpenhersteller angegebene Mindest-NPSH zur Vermeidung von Kavitation. NPSHa ist eine Funktion der Installations- und Betriebsdetails der Saugleitung und der Pumpe. NPSHr ist eine Funktion des Pumpendesigns und sein Wert wird durch Pumpentests bestimmt. NPSHr gibt die verfügbare Förderhöhe unter Testbedingungen an und berücksichtigt in der Regel einen Abfall der Pumpenförderhöhe um 3 % (bei mehrstufigen Pumpen die Förderhöhe des Laufrads) als Grundlage für die Kavitationserkennung. NPSHa sollte immer größer als NPSHr sein, um Kavitation zu vermeiden.
Luftporenbildung und ihre Rolle bei der Kavitation
Wenn Luft in die Saugleitung der Pumpe gelangt, kommt es zu Lufteinschlüssen, was zu einem erhöhten Kavitationsrisiko führt. Dies kann durch unsachgemäße Befüllung der Pumpe, Undichtigkeiten in der Saugleitung sowie Wirbel- oder turbulente Strömungen in der Saugleitung verursacht werden. Die Luft in der Flüssigkeit bildet kleine Bläschen, die unter Druckbedingungen in der Pumpe zum Kavitationsprozess beitragen oder ihn verstärken können. Die Reduzierung des Lufteinschlusses ist der Schlüssel zur Minimierung des Kavitationsrisikos. Dies kann erreicht werden, indem die Mindestanforderungen an das Eintauchen eingehalten, eine ordnungsgemäße Abdichtung der Rohrverbindungen sichergestellt, ein ausreichender NPSHa aufrechterhalten und Turbulenzen am Pumpeneinlass vermieden werden.
Analyse von Pumpen- und Systemkurven im Zusammenhang mit dem Kavitationsrisiko
Die Analyse der Pumpen- und Systemkurven ist ein wichtiges Instrument zum Verständnis und zur Reduzierung des Kavitationsrisikos. Die Schnittpunkte zwischen den Pumpen- und Systemkurven veranschaulichen die Leistung von Durchfluss, Förderhöhe und Effizienz der Pumpe unter verschiedenen Systembedingungen. Durch die Analyse der Pumpen- und Systemkurven kann der Bediener den optimalen Betriebsbereich der Pumpe bestimmen und Bereiche vermeiden, die bekanntermaßen Kavitation verursachen. Zu diesen Bereichen gehören Situationen, in denen die Durchflussrate sehr hoch oder die Saughöhe sehr niedrig ist. Besonderes Augenmerk sollte auf den minimalen Fließpunkt gelegt werden, da der Betrieb unterhalb dieser Rate die Gefahr von Kavitation stark erhöht. Die richtige Verwendung von Pumpenkurven hilft bei Entscheidungen über die Pumpenauswahl, die Betriebsgeschwindigkeit und die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen zur Minimierung der Kavitation in Kreiselpumpen.
Strategien zur Reduzierung der Kavitation
Erhöhen Sie NPSHa, um Kavitation zu verhindern
Zur Vermeidung von Kavitation ist es wichtig sicherzustellen, dass NPSHa größer als NPSHr ist. Dies kann erfolgen durch:
1. Reduzieren Sie die Höhe der Pumpe relativ zum Saugbehälter/Tank. Kann den Füllstand im Saugbehälter/Becken erhöhen oder die Einbauhöhe der Pumpe verringern. Dadurch erhöht sich der NPSHa am Pumpeneinlass.
2. Erhöhen Sie den Durchmesser des Saugrohrs. Dadurch wird die Flüssigkeitsgeschwindigkeit bei konstanter Durchflussrate verringert, wodurch die Saughöhenverluste für Rohre und Formstücke verringert werden.
3. Reduzieren Sie den Druckverlust des Zubehörs. Reduzieren Sie die Anzahl der Anschlüsse an der Saugleitung der Pumpe. Verwenden Sie Zubehör wie Bögen mit großem Radius, Ventile mit vollem Durchmesser und Rohre zur Reduzierung der Konizität, um den durch Rohrverbindungen verursachten Verlust der Saughöhe zu reduzieren.
4. Vermeiden Sie nach Möglichkeit die Installation von Filtern und Filtern in der Saugleitung der Pumpe, da diese normalerweise Kavitation in der Kreiselpumpe verursachen. Wenn dies nicht vermieden werden kann, stellen Sie sicher, dass der Filter und der Filter in der Saugleitung der Pumpe regelmäßig überprüft und gereinigt werden.
5. Kühlen Sie die gepumpte Flüssigkeit ab, um ihren Dampfdruck zu reduzieren.
Erfahren Sie mehr über den NPSH-Spielraum zur Vermeidung von Kavitation
Die NPSH-Marge ist die Differenz zwischen NPSHa und NPSHr. Eine große NPSH-Marge verringert das Kavitationsrisiko, da sie einen Sicherheitsfaktor bietet, der verhindert, dass NPSHa aufgrund von Schwankungen der Betriebsbedingungen unter den normalen Betriebswert fällt. Zu den Faktoren, die die NPSH-Marge beeinflussen, gehören Flüssigkeitseigenschaften, Pumpengeschwindigkeit und Saugbedingungen. Ingenieure müssen diesen Spielraum während der Entwurfs- und Betriebsplanungsphase berechnen und maximieren, um eine zuverlässige Pumpenleistung sicherzustellen und das Kavitationsrisiko zu minimieren. Regelmäßige Überwachung und Anpassung auf der Grundlage von Echtzeit-Betriebsdaten tragen dazu bei, eine effektive NPSH-Marge aufrechtzuerhalten.
Halten Sie den minimalen Pumpendurchfluss ein
Um die Kavitation zu reduzieren, muss sichergestellt werden, dass die Kreiselpumpe über der angegebenen Mindestdurchflussrate läuft. Kreiselpumpen, die unterhalb ihres optimalen Durchflussbereichs (zulässiger Arbeitsbereich) betrieben werden, erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Niederdruckzonen, die Kavitation hervorrufen können. Jede Kreiselpumpe verfügt über eine Pumpenkennlinie, die die erforderliche Mindestfördermenge angibt, um Betriebsstörungen wie Kavitation vorzubeugen. Dieser Mindestdurchfluss kann mithilfe von Durchflusskontrollmethoden wie Bypassleitungen, Regelventilen oder Pumpen mit variabler Drehzahl aufrechterhalten werden. Dies ist besonders wichtig während der Anlauf- oder Abschaltphase, wenn sich der Bedarf an der Pumpe ändert.
Überlegungen zur Laufradkonstruktion zur Reduzierung der Kavitation
Die Gestaltung des Laufrads spielt eine wichtige Rolle dabei, ob die Kreiselpumpe zur Kavitation neigt. Ein Laufrad mit weniger und größeren Schaufeln neigt dazu, die Flüssigkeit weniger zu beschleunigen, wodurch das Kavitationsrisiko verringert wird. Darüber hinaus tragen Laufräder mit großen Einlassdurchmessern oder konischen Schaufeln dazu bei, den Flüssigkeitsfluss gleichmäßiger zu steuern und Turbulenzen und Blasenbildung zu minimieren. Die Lebensdauer von Laufrädern und Pumpen kann durch den Einsatz kavitationsbeständiger Materialien verlängert werden.
Verwenden Sie Antikavitationsgeräte
Geräte zur Kavitationsverhinderung, wie z. B. Durchflusskontrollzubehör oder Kavitationsunterdrückungsauskleidungen, können Kavitation wirksam reduzieren. Die Aufgabe dieser Geräte besteht darin, die Fluiddynamik rund um das Laufrad zu steuern, für eine stabilere Strömung zu sorgen und Turbulenzen und Niederdruckbereiche, die Kavitation verursachen, zu reduzieren. Strömungsgleichrichter können verwendet werden, um die Wirbel in der Flüssigkeit zu reduzieren und die Bedingungen am Pumpeneinlass zu verbessern. Die Kavitationsunterdrückungsauskleidung bricht die Blase, bevor sie implodiert, und schützt so das Laufrad und das Pumpengehäuse vor Beschädigungen.
Es ist wichtig, die Pumpe richtig zu dimensionieren, um Kavitation zu verhindern
Die Auswahl des richtigen Pumpentyps und die Angabe der richtigen Größe für eine bestimmte Anwendung sind entscheidend für die Vermeidung von Kavitation. Überdimensionierte Pumpen arbeiten möglicherweise bei niedrigeren Durchflussraten weniger effizient, was zu einem erhöhten Kavitationsrisiko führt, während unterdimensionierte Pumpen möglicherweise härter arbeiten müssen, um den Durchflussanforderungen gerecht zu werden, was ebenfalls die Wahrscheinlichkeit von Kavitation erhöht. Die richtige Pumpenauswahl umfasst eine detaillierte Analyse der maximalen, normalen und minimalen Durchflussanforderungen, der Flüssigkeitseigenschaften und des Systemlayouts, um sicherzustellen, dass die Pumpe innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs arbeitet. Eine genaue Auswahl verhindert Kavitation und verbessert die Effizienz und Zuverlässigkeit der Pumpe während ihres gesamten Lebenszyklus. Kavitation in Kreiselpumpen kann die Effizienz beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen, indem wichtige Komponenten beschädigt werden. Durch die Umsetzung der besprochenen Strategien, wie z. B. die Optimierung des Pumpendesigns und der Pumpenauswahl, die Aufrechterhaltung angemessener Durchflussraten und die Gewährleistung angemessener NPSH-Margen, wird das Kavitationsrisiko erheblich verringert. Regelmäßige Überwachung und Wartung stellen sicher, dass die Pumpe unter optimalen Bedingungen arbeitet und erhöhen so die Lebensdauer und Zuverlässigkeit verschiedener Anwendungen. Durch proaktive Maßnahmen können Anlagen ihre Leistung verbessern und kostspielige Schäden und Gefahren durch Kavitation vermeiden.
