「美国JMP学习课堂」开式系统中如何避免水泵气蚀？

第一部分：NPSH、蒸汽压力和温度之间的关系

参与流体泵系统设计或应用的任何人都熟悉NPSH或净正吸头。我们通常将NPSH等同于一个奇异的问题：泵的吸入口是否有足够的压力来确保泵不会气蚀？我们将空化与噪音，效率低下和泵损坏联系在一起。尽管这一切看起来很简单，但实际上比许多人最近一次接触该主题时所理解或记住的要复杂一些。这个简短的系列填补了有关NPSH及其与泵选择相关性的所有空白，因此机械专业人员真正拥有了选择不会气蚀的泵所需的工具。

什么是气蚀？

在我们甚至开始谈论什么是NPSH之前，了解什么是气蚀是很重要的。牢牢把握这种嘈杂，昂贵的现象，将有助于您更好地理解NPSH，以及为什么它是泵设计的关键部分，尤其是在开放式系统中。为什么要开放系统？因为开放系统仅具有大气压力才能使用。

如果泵送水的压力下降到其蒸气压以下，则会形成蒸气囊。基本上，您在所谓的水力系统中正在冒出大量蒸汽。当水的压力随后增加到高于其蒸气压时，这些蒸气气穴将坍塌，从而产生高达100,000 PSI的内爆力。这些强大的内爆会造成许多不良情况，包括：

所需的NPSH：移动目标

是什么导致系统水的蒸气压（水开始沸腾的压力）下降？

许多人没有意识到，所有的离心泵在吸气和排气之间都有内部压降。这就是为什么所有泵制造商都以特定的流速发布其泵所需的NPSH的原因。对于给定的泵曲线，所需的NPSH随流量增加。因此，泵吸入口的压力（即NPSH）必须高于泵吸入（Ps）法兰的压力减去在叶轮叶片入口处泵内部可能出现的最小压力（ Pv）：

所需NPSH = Ps-Pv

当泵内的压力下降到低于蒸汽压时，就会发生气穴现象，从而导致泵内的气穴形成，然后在压力突然升高时爆裂。

泵的内部压降是一个考虑因素。另一个问题与温度和水蒸气压之间的动态关系有关。
您知道85°F的水会沸腾吗？在任何给定温度下，如果施加在水上的压力下降至低于其蒸气压力，则水将开始闪蒸为蒸汽。对于85°F的水，水蒸气压力为-14 PSIG。这意味着，如果将85°F的水压降低到-14 PSIG，它将变成蒸汽！如果压力足够低，您甚至可以将33°F的水变成蒸汽。下图显示了各种温度下水的蒸汽压。

这个故事的寓意是，可用的NPSH（NPSHA）在一定程度上是一个移动的目标。工程师在开放系统上必须非常小心，以确保他们选择的泵可以在所需的NPSH（NPSHR）范围内安全运行。

第二部分：如何确定NPSHA和NPSHR

在我们以前的博客中，我们解释了这种称为“气蚀”的嘈杂，破坏性现象背后的物理现象，这是泵吸入时NPSH太少的结果。今天，我们将对NPSHA（可用净正吸头）和NPSHR（必需净正吸头）进行更深入的研究。

如果您阅读了我们的上一节内容，您可能会惊讶地发现，可用的NPSH在系统之间（有时在系统内部）差异很大。郭鹏学暖通这与压力，温度和水的沸点之间的动态关系有关。这些因素中的任何一个都会影响可用的NPSH数量，因此选择一个在系统给定时间不超过系统需求量的泵非常重要。换句话说，可用的NPSH必须大于泵的所需NPSH。

系统的最低压力将出现在哪里？在叶轮的中心。

泵所需的NPSH随流量增加。另一方面，泵越大，由于叶轮孔越大，泵内部的压降就越小，这意味着NPSHR较低。因此，如果选择两个大小不同的泵以产生完全相同的流量，则在相同流量下，较小的泵将比较大的泵具有更高的NPSHR。

确定NPSHA

有哪些因素影响可用的NPSH？有四个：

例：

假设我们有一个开放式通风冷却塔，位置便利，位于海平面，静态高度为23.1。我们抽取的水为180°F，在海平面上的蒸汽压为-7 psig。

海平面上的23.1英尺水柱等于10 psig，这是我们位于泵吸入口的压力表的读数，因为：

[（23.1ft./2.31ft/psi）x 1SG（海平面水的比重）= 10psi ]

那就是我们在泵的吸力上有多少NPSH。但是，由于在180度海平面上水的蒸气压为-7 psi，因此我们还有7 psi的额外工作压力。只要我们将水保持在-7 psi以上，水就不会沸腾，因此泵也不会空化。因此，我们的总NPSHA为17 psi。

所需的NPSH呢？我们怎么知道那是什么？

所需的NPSH（NPSHR）与您选择的泵有关。每个泵都有特定的NPSH要求，该要求基于泵吸入口和叶轮眼之间的压降。通常，可以在特定型号的泵曲线上找到此信息。只需记住，您的泵在曲线右侧运行的越远，所需的NPSH就会越高。

第三部分：为什么泵吸入压力和温度至关重要？

您如何确定所选的泵不会在您设计的系统中空化？到目前为止，应该很清楚，这种确定性是分析以下变量的问题：

?可用的吸入法兰压力–泵吸入口处的压力表读数是多少？

?您正在考虑的泵所需的NPSH。请记住，此信息可从泵制造商处获得，通常可在泵曲线的底部找到。泵所需的NPSH等于泵吸入口与叶轮眼之间的压降量。

?您所抽水的温度。

?特定海拔高度的水的沸点。海拔越高，沸点越低，泵更容易发生气蚀。

因此，基于我们的系统处于海平面的假设，让我们来看一些简单的示例，在这种情况下，水的沸点在0 psig下为212°F。为什么知道那么重要？因为它告诉我们，如果温度有可能达到212°F，我们不能让水降至0 psig以下。

例子1

我们正在设计一个系统，该系统需要从位于泵上方的敞开式水箱中抽取212°F的水。我们已经测量了自热水箱表面的垂直高度，并且知道它比泵吸入口高23.1英尺。在我们的泵的吸入口处，郭鹏学暖通压力转化为10 psi。换句话说，这就是我们将在泵吸入口处的压力表上获得的读数。我们可用的NPSH为10 psig（垂直静态高度）减去0 psig（212°F下的水的蒸汽压）。最后，我们正在研究要求的NPSH为4 psi的泵。

该泵的内部压力是多少？答案是6 psi，因为我们必须从可用的NPSH中减去所需的NPSH。剩下的6 psi是一个正压力，它将使水在泵中不沸腾。

竖起大拇指选择泵。我们不会气蚀！

例子2

现在，我们要削减成本，因此我们考虑使用较小的泵。它具有较高的NPSH（NPSHR）要求，因为在所有其他条件相同的情况下，对于给定的工作点，较小的泵始终比较大的泵具有较高的NPSHR。在这种情况下，我们要求的NPSH为12 psi。这给我们带来了-2 psi的负内部压力。这很麻烦，因为我们知道必须保持高于0 psi的压力才能消除发生气蚀的机会。如果我们的水温为212°F，则不可避免会发生气蚀。最好寻找另一台泵–或更换在现有系统上误用的泵。

请记住，计算可用的NPSH时，水温越低，水蒸气压越低。对于冷却塔应用，水在85°F时的蒸气压为-14 psi。如果在上例中泵送的温度是85°F而不是212°F，则可用的NPSH为24 PSI！由于温度在可用的NPSH中起着重要的作用，因此大多数NPSH问题很可能发生在蒸汽冷凝系统或泵位于储罐上方的开放式系统中。这也总是提醒您一定要为开放系统泵指定复合压力表。您需要能够确定对泵吸入的确切压力，正压或负压。

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