逐步计算NPSHA

来源:荣格

发布时间:2019年5月13日下午 04:05:49

如何让一个看似复杂的问题,变得简单而高效,并有助于泵技术人员、工程师和企业提高效率?  
在心理学中,特别是涉及到内省问题时,有种说法:“你抵制什么,什么就会持续下去。”
 
以前听过的,还会再次听到。据称,在泵的世界,被误解最多的概念是净正吸入压头(NPSH)。有很多泵技术人员、工程师及所谓的专家写了很多此类文章。
逐步计算NPSHA
NPSH这个缩写,其名称本身让大多数泵的新手产生了混淆。它所关注的主题、所需的计算让众多行业新手、外围人士(运营商或管理者)和专业人士感到困惑,甚至在业内工作25年之久后,还错误地相信,他们完全理解NPSH意味着什么。
 
建议大家对这个问题予以重视,因为有效汽蚀余量(NPSHA)的计算出错非常频繁,纠正起来也很昂贵。
 
由于作者每年都会在几所泵学校教书,课程内容相当部分在于帮助学生理解NPSH的概念以及如何完成计算。在教学过程中,作者会介绍在正常的行业应用中可能遇到的五个主要问题。这些实例改编自“Cameron Hydraulic Data Book”的第1章。
 
作者会逐步介绍这5个实例,希望帮助读者通过学习,掌握这几个实际案例以及现实中可能碰到的类似的问题。
 
NPSH、NPSHa及NPSHr的定义
净正吸入压头是以英尺(或米)为单位的总吸入压头,减去被泵送液体的蒸汽压力(以英尺或米为单位)。把压头想象成能量等级,而不是像压力一样的力。所有值均为绝对值。
 
NPSHa在泵中心线或叶轮孔处测量。两者可以在不同的地方或高度测量。把NPSHa看作是泵入口或叶轮孔处液体的可用能量水平。如果没有足够的NPSHa,液体会闪蒸成蒸汽。不要将NPSHa与吸入压力混淆。虽然吸入压力在某种程度上是混合物的一个组成部分,但更为复杂。
 
NPSHa是系统在泵叶轮孔处所具有的NPSH水平。该NPSHa值完全是液体及其特性、环境条件以及吸入系统设计和几何结构的函数。本质而言,计算与吸入系统本身有关,应由系统所有者、最终用户和/或其工程师或顾问完成,与泵无关。出于责任方面的原因,制造商通常不参与客户的计算。但随着时间的推移,制造商会更多参与其中,以提供维护保养支持。
 
所需净正吸入压头(NPSHr)通常由泵制造商参照经验方法、液压协会(HI)的标准和规范确定。NPSHr值通常报告在泵的性能曲线上。
 
注意,NPSHr和NPSH3本质上是相同的。在给定的压头和流量工作点,由于NPSH不足,泵已经出现轻微的气蚀现象,压头下降了3%,而流量固定在某个值上。
 
NPSH余量是指NPSHa值超过NPSHr的水平。有一些建议或适当余量的指南认为余量越高越好。更多信息请见ANSI/HI 9.6.1-2012部分关于本话题的内容。
 
NPSHa:公式还是数字?
公式可以被视作我们的“朋友”,因为一旦知道了正确的公式,就可以简单地按照公式的要求填上相应的数据、条件,完成数学步骤,并得出正确的答案。如果不喜欢公式,也许应该研究一下图1,看看在用公式之前发生了什么。                          
逐步计算NPSHA                 
在图1中,有一个处于环境温度(68华氏度,比重为1.0)、承受大气压的清水罐。此处的水箱和泵系统的高度接近海平面。水箱中水位顶面高于泵中心线10英尺,称之为“灌注吸入”,因为液体来源于泵叶轮的上方。从水箱到泵吸入口有尺寸合适的管道,带有一只弯管和一只全开的隔离阀。假设水位在10英尺处保持不变,但现实中需要为更糟的情况计算NPSHA,因为水位很可能在较低处。
 
在这一点上,根据图中给出的信息,可以得到除了摩擦压头外所有计算NPSHa所需的数据。在第一个实例中,将计算摩擦压头以使问题简单化。忽略速度水头,因为它的值通常很小。
 
在后续的实例中,将讨论摩擦压头的计算方法,并计算和演示速度水头会对结果产生怎样的影响。
 
要计算NPSHa值,需要知道:
 
§  液体表面上方或液体表面的绝对压力;
 
§  静压头,即从水面顶部到泵叶轮孔(如果相同,则为泵中心线)的垂直距离;
 
§  泵送液体的蒸汽压力,可根据温度轻松计算,且比较容易找出该值;
 
§  摩擦压头,已计算过,本例建议设为3.2英尺;
 
§  速度水头,通常可以忽略不计,为简单起见,先跳过,在本系列后面的文章中予以讨论。
 
 速度水头通常可以忽略不计,为简单起见,先跳过,在本系列后面的文章中予以讨论。
 
 
计算灌注吸入的NPSHa
 
1.对于使用公制的读者来说,这些部件也可以米为单位,但单位要保持一致;
 
2.蒸汽压和摩擦总是负值,因此总是不利的;
 
3.绝对压力可以为零,但根据定义不能为负;
 
4.假设液体源头位于在泵的下方而不是上方,在“提升”的情况下,如果液位低于泵的吸入口(而不是“灌注”的情况),则静态高度为负值(该情况称为“提升”),方程式中的这个数据您不利;
 
5.不需要关心泵或系统的排放侧,以便进行NPSHa的计算;
 
6.综上所述,NPSHa公式中的大多数组成部分都对您不利。现在开始理解为什么吸入源需要升高、淹没、在大气中敞开和/或在较低温度下用液体加压。
 
 
计算公式:
NPSHa=绝对压力-绝对蒸汽压力+静水压头-摩擦压头,或者NPSHa=A-V+S-F或NPSHa=ha-hvpa+hst-hf。
 
PSHa=34-0.783+10-3.2=40.017英尺,或四舍五入为40英尺。式中,绝对压力= ha,绝对蒸汽压力= hvpa,静水压头= hst,摩擦压头= hf,单位为英尺。
 
如前所述,我们拥有实际数据填充公式中四个部分的信息,完成计算,确定NPSHa。
 
方程中的第一个变量(ha)表示敞口水箱上方的绝对压力值。上面已提到过,该系统处于海平面位置。
 
敞口水箱中的液体受大气压力影响。在海平面位置,可以假定大气压力接近14.7磅/平方英寸的绝对压力(psia),或0磅/平方英寸(psig)。注意,大气压力的变化会影响NPSHa值。
 
现在只需把大气压从psia换算成英尺压头。将14.7乘以2.31,结果是33.957英尺,四舍五入为34英尺。方程中第一个变量的值为34英尺。
 
方程式中的第二个变量是hvpa,也即在给定温度68 F下液体的蒸汽压力。要得到蒸汽压力值,只需在参考书“Cameron Hydraulic Data Book”(《卡麦隆液压数据手册》)中查找。该值(饱和蒸汽绝对压力)通常以psia为单位,将直接随温度而变化,液体类型不同,hvpa也不同。
 
查找得到的值应为0.33889 psia。将该数字乘以2.31,将压头转换为以英尺为单位。所得值为0.7828英尺。四舍五入到0.783英尺。现在方程中的第二个值是:0.783英尺。
 
方程中的第三个变量是静压头(hst)。这是从液体表面到泵中心线(叶轮孔)的垂直距离。记住要测量最坏的情况(最低期望水平)。本例标明的静态高度为10英尺,不需要转换,因为已经使用了正确的单位。现在,方程中第三个变量的值已经计算出来,为10英尺。
 
方程式中的第四个变量为(hf)是管道中的摩擦损失,之前提供的值为3.2英尺。现在已经有了四个计算值的答案。
 
请注意,给定的3.2英尺的摩擦系数是液体特性、流速、管道(吸入系统)材料和几何结构的函数。简单而言,对于给定的液体流速,会因管道长度、弯管、阀门、水箱出口损失(从大到小的过渡段)和泵的入口损失(从管道到泵喷嘴的直径变化)而产生摩擦损失。
 
最后还要记住,并没有讨论公式中的第五个变量,即速度水头(hvel)。在适当设计的系统(牛顿液体在非泥浆工况)中,速度水头的值通常小于1英尺。
 
速度水头部分的值为正值。现在有四个所需的值来填充进公式,并计算出NPSHA的答案。
 
所有单位均以英尺为单位。压力为绝对值。请仔细阅读本例,看看是否能得到相同或相似的值。
 
作者: Jim Elsey ,机械工程师, Summit Pump Inc.总经理, Maddog Pump ConsultantsLLC负责人。

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