Кавитация насоса чиллера: расчёт NPSH и высоты всасывания

Кавитация насоса чиллера начинается, когда давление на входе в колесо падает ниже давления паров воды: располагаемый кавитационный запас NPSH_a становится меньше требуемого NPSH_r из каталога насоса. Калькулятор считает NPSH_a по температуре воды, высоте уровня над насосом, потерям во всасывающей линии и высоте площадки над уровнем моря, сравнивает его с NPSH_r и показывает, на сколько ещё можно поднять насос.

Расчёт NPSH и запаса по кавитации

Чиллер, кВт Вода в баке, °C

Уровень над насосом, м Потери на всасывании, м

NPSH насоса, м Высота над морем, м

Выносной конденсатор

Запас 7,0 м: кавитации нет.

NPSH располагаемый

10,0

м

Атмосфера, м

10,15

Пары воды, м

0,14

Запас к NPSH насоса, м

7,0

Макс. подъём насоса, м

5,5

Подобрать чиллер на 50,0 кВт

Подбор модели откроется на сайте производителя xiron.ru

Оборудование не укладывается в калькулятор? Опишите задачу словами — ассистент посчитает нагрузку и подберёт чиллер

Что охлаждаете, сколько и при какой температуре Посчитать и подобрать

Когда нужен этот расчёт

• Насос выше бака. Открытый бак стоит в приямке или на полу, а насос — на раме чиллера или на антресоли: каждый метр подъёма отнимает метр запаса.
• Горячая вода. При 60 °C давление паров отнимает 2 м, при 80 °C — 5 м: контур охлаждения масла или рубашек с водой выше 50 °C проверяют всегда.
• Длинная всасывающая линия с фильтром. Сетчатый фильтр, обратный клапан и десяток метров трубы малого диаметра съедают 2–4 м ещё до входа в насос.
• Площадка в горах. На 2000 м атмосфера даёт 8,1 м вместо 10,3 м: насос, который внизу работал с запасом, наверху «трещит».
• Насос «трещит» и напор упал. Расчёт отделяет кавитацию от забитого фильтра и сухого хода — признаки по отдельности разобраны в справочнике об авариях насоса чиллера.

Что такое NPSH и чем он отличается от напора?

NPSH (net positive suction head, кавитационный запас) — это запас давления на входе в насос над давлением насыщенных паров жидкости, выраженный в метрах столба этой жидкости. Напор насоса показывает, насколько насос поднимает давление, а NPSH — хватит ли давления на всасывании, чтобы вода не вскипела в колесе до того, как насос начнёт её сжимать.

Величин две. NPSH_r (required, требуемый) — свойство насоса: его дают по каталогу в виде кривой от расхода, обычно 1–4 м для насосов гидромодулей и 4–8 м для крупных консольных машин на правом краю характеристики. NPSH_a (available, располагаемый) — свойство системы: атмосферное давление плюс высота уровня над насосом минус потери на всасывании и давление паров. Насос работает без кавитации, когда NPSH_a больше NPSH_r с запасом не меньше 0,5 м, лучше 1 м.

Формула

NPSH_a = H_атм + z − h_f − H_п

H_атм = p_атм × 1000 / (ρ × g), H_п = p_п × 1000 / (ρ × g)

Запас = NPSH_a − NPSH_r ≥ 0,5 м

• NPSH_a — располагаемый кавитационный запас на входе в насос, м столба воды.
• H_атм — атмосферное давление в метрах столба воды; p_атм — атмосферное давление, кПа, по стандартной атмосфере для высоты площадки: 101,3 кПа на уровне моря, 89,9 кПа на 1000 м.
• z — высота уровня воды в баке над осью насоса, м; если уровень ниже насоса, z отрицательная. В закрытом контуре с расширительным баком к z прибавляют его давление: 1 бар = 10,2 м.
• h_f — потери напора во всасывающей линии, м: труба, фильтр, клапан, отводы. Для короткой линии гидромодуля с сетчатым фильтром 0,5–1,5 м, для длинной — считают по справочнику о гидравлическом расчёте контура.
• H_п — давление насыщенных паров воды p_п, кПа, в метрах столба воды; ρ — плотность воды, кг/м³; g = 9,81 м/с².
• NPSH_r — требуемый кавитационный запас по каталогу насоса при рабочем расходе, м.

Давление паров посчитано по формуле Бака, плотность — по аппроксимации Келла; обе точны до третьего знака в диапазоне 0–100 °C. Для растворов гликоля давление паров ниже, а плотность выше, чем у воды, поэтому расчёт по воде идёт в запас; что меняется в контуре при переходе на гликоль, разобрано в расчёте концентрации гликоля.

Пример расчёта

Чиллер на 50 кВт с открытым баком, вода 12 °C, уровень в баке на 1 м выше оси насоса, потери во всасывающей линии с фильтром 1 м, NPSH_r насоса 3 м, площадка на высоте 150 м над уровнем моря.

1. Атмосферное давление на 150 м: p_атм = 99,536 кПа; плотность воды при 12 °C ρ = 999,53 кг/м³. H_атм = 99,536 × 1000 / (999,53 × 9,81) = 10,1547 м, округлённо 10,15 м.
2. Давление паров при 12 °C: p_п = 1,4024 кПа. H_п = 1,4024 × 1000 / (999,53 × 9,81) = 0,1431 м, округлённо 0,14 м.
3. Располагаемый запас: NPSH_a = 10,1547 + 1 − 1 − 0,1431 = 10,0116 м, округлённо 10,0 м.
4. Запас над требуемым: 10,0116 − 3 = 7,0116 м, округлённо 7,0 м — больше 0,5 м, кавитации нет.
5. Предельный подъём насоса над уровнем при том же запасе 0,5 м: 10,1547 − 1 − 0,1431 − 3 − 0,5 = 5,5116 м, округлённо 5,5 м. Выше этого насос ставить нельзя.

Тот же насос на воде 60 °C теряет ещё 1,9 м, а с забитым фильтром (потери 3 м вместо 1 м) — ещё 2 м: запас сжимается до 3,1 м. Расход и напор для этого контура считают в расчёте насоса для чиллера, высоту бака и его объём — в расчёте объёма буферного бака.

Типовые ошибки

• Ставить насос выше открытого бака. Насос на антресоли над баком в приямке теряет 3–4 м запаса на подъёме и ещё столько же на длинной линии; при любом нагреве воды он кавитирует. В гидромодуле бак стоит над насосом — так устроен гидромодуль чиллера.
• Дросселировать всасывание. Задвижка на входе, прикрытая «чтобы уменьшить расход», превращает насос в кавитирующий: регулируют всегда на нагнетании, порядок — в справочнике о балансировке контура.
• Брать NPSH_r с левого края кривой. В каталоге NPSH_r растёт с расходом: при расходе в полтора раза выше расчётного он может удвоиться. Берут значение при фактическом расходе, а при замене насоса на аналог сверяют и эту кривую — справочник о замене насоса чиллера.
• Забыть фильтр. Чистый сетчатый фильтр отнимает 0,3–0,5 м, забитый наполовину — 2–3 м; реле протока срабатывает позже, чем начинается кавитация, поэтому перепад на фильтре контролируют манометрами.

Вопросы и ответы

Как рассчитать NPSH насоса чиллера?

Располагаемый NPSH равен атмосферному давлению в метрах столба воды плюс высота уровня над осью насоса минус потери во всасывающей линии и давление паров воды: при уровне на 1 м выше насоса, потерях 1 м, воде 12 °C и площадке на 150 м это 10,15 + 1 − 1 − 0,14 = 10,0 м. Запас над NPSH насоса должен быть не меньше 0,5 м.

На сколько можно поднять насос над уровнем воды?

Насос можно поднять над уровнем на высоту, равную атмосферному давлению минус потери на всасывании, давление паров, NPSH насоса и запас 0,5 м: при воде 12 °C, потерях 1 м и NPSH насоса 3 м это около 5,5 м. При воде 60 °C предел уменьшается ещё на 2 м, при 80 °C — на 5 м.

Почему насос чиллера трещит?

Насос трещит из-за кавитации: пузырьки пара вскипают на входе в колесо и схлопываются в нём, разрушая металл. Причины — насос выше бака, горячая вода, забитый фильтр на всасывании или прикрытая задвижка на входе; расчёт запаса показывает, какая из них отняла нужные метры.