Pien Process Engineered Efficiency

POMPALARDA KAVİTASYON ve NPSH HESAPLAMALARI
Hazırlayan: Nuri Ceylan / Makine Mühendisi
Pien Process / www.pienpro.com

Yazar notu: Bu makale endüstriyel işletmelerde çalışan bakım, işletme ve proje mühendislerinin kavitasyonu anlaması ve pratik bir şekilde NPSH hesaplamalarını yapabilmesi amacı ile hazırlanmıştır. Akademik bir çalışma değildir.

Bir sıvı transfer edilirken oluşacak basınç kayıpları, sıvı basıncının buharlaşma basıncının altındaki bir değere ulaşmasına sebep olursa faz değişimi yaşanır ve sıvı içerisinde baloncuk halinde gaz oluşur. Sistem basıncı tekrar yükseldiğinde, baloncuk formundaki gaz sıvı faza döner. Kavitasyon olarak adlandırdığımız bu işlem sırasında gazın sönümlenip sıvı faza geçmesi esnasında gerçekleşen ani hacim kaybı, yüzeylerden parça kopararak mekanik tahribata(parçacık erozyonu) neden olur. Bu esnada aşırı ses ve titreşim gözlemlenir.

Düşük sıcaklıktaki sıvılarda da kavitasyon yaşanma ihtimali vardır. Örnek olarak gemi pervanelerini dikkate alabiliriz. Pervane kanatlarının emiş(arka) kısmında oluşan yüksek basınç kayıpları, görece düşük sıcaklıklardaki deniz(dere) suyunun bile buharlaşmasına neden olabilir. Pervanenin yüksek basınçlı olan kanat ön kısmına hareket eden baloncuklar, burada tekrar sıvı fazına geçerken kavitasyona sebep olur. Pervane kanatçıklarında parçacık erozyonu oluştururlar.

Buhar devrelerinde pek çok noktada kazan besi suyu veya kondens tahliye eden santrifüj pompalar kullanılır. Akışkan sıcaklıkları pek çok sıvı transferi uygulamasına kıyasla çok daha yüksektir. Pompa seçimi, sistem tasarımı ve borulamada gerekli önlemler alınmaz ve uygun hesaplamalar yapılmazsa kavistasyon problemleri sıkça yaşanabilir.

Kavitasyona uğrayan bir pompada mekanik ve yüksek bir ses duyulur. Pompa fan kanatçılarında, gövde ve kapağın yüksek basınç kısımlarında parçacık erozyonuna bağlı yıpranmalar yaşanır. Pompa fanındaki yıpranmalar balans problemlerini tetikler. Aşırı titreşim mekanik salmastra ve rulman arızalarını beraberinde getirir. Pompa, etiket değerindeki performans değerlerinden daha düşük noktalarda çalışır.

Kavitasyon problemi ile karşılaşmamak için sistemin NPSH(Net Positive Suction Head-Net Pozitif Emme Yüksekliği) hesaplanmalıdır.

Temel kural sistem NPSH’inin(NPSHA), pompa NPSH’inden(NPSHR) daha büyük veya eşit olmasıdır.

NPSHA için pompa emiş ağzındaki mutlak basınç diyebiliriz. NPSHR de, bir pompanın kavitasyona uğramadan çalışması için emiş ağzında ihtiyaç duyduğu minimum mutlak basınçtır.

Uygulamalarda emniyetli tarafta kalmak amacı ile -en az olmak kaydı ile-
NPSHA = NPSHR + 0,5 veya
NPSHA / NPSHR = 1,25 kurallarından birine uyulmaya çalışılır.

Bir pompanın NPSHR değeri, üretici firma tarafından verilir. Kullanıcıların hesaplama yapma şansı yoktur. Yüksek sıcaklıktaki sıvıların transferinde düşük NPSHR değerlerine sahip pompaların seçilmesi, problemsiz bir çalışma ömrü için tavsiye edilir.

Mutlak basınçlar arasındaki pozitif fark arttıkça pompa daha problemsiz çalışır. Bu farkın negatif değeri arttıkça mekanik tahribat, ses ve titreşim de artar.

Sistem NPSH’inin(NPSHA) hesaplanması;

Pompa emişindeki mutlak basınç, emiş tankındaki sıvı yüzeyine uygulanan basınç + kinetik enerji +/- hidrostatik yükseklik – emiş hattı sürtünme kayıpları – Akışkan sıcaklığına tekabül eden buharlaşma basıncı şeklinde hesaplanır. Formüle edecek olursak;

NPSHA = Ps + Pc +/- He – Hf – Pvp

NPSHA : Pompa emiş ağzındaki mutlak basınç (m)
Ps : Emiş tankı sıvı yüzeyindeki mutlak basınç (m)
Ps= P/?*g, P: basınç(Pa), ?: Özgül ağırlık(kg/m3), g: Yer çekimi ivmesi 9,81(m/s2)
(Deniz seviyesinde, atmosfer basıncı genel olarak 10 mss kabul edilir.)
Pc : Kinetik enerji; Pc= v2/2g,
v: Pompa emiş ağzında akışkan hızı (m/s), g: Yer çekimi ivmesi(m/s2)
Pek çok uygulamada Pc çok küçük bir değer çıktığı için göz ardı edilir.
He : Emme hattındaki hidrostatik basınç (m)
Emme tankında olabilecek minimum su seviyesi ile pompa ekseni arasındaki mesafedir. Sıvı
seviyesi pompa ekseninden yukarıda ise +, daha alt seviyede ise – olarak formülde kullanılır.
Hf : Emme hattı sürtünme kayıpları (m)
Hf, akışkan debisi, seçilen boru malzemesinin iç yüzey pürüzlülük değeri, boru iç çapı ve
pompa emiş hattında kullanılan vana ve boru bağlantı elemanlarına bağlı olarak hesaplanır.
Pvp : Akışkanın, çalışma sıcaklığındaki buharlaşma mutlak basıncı (m)
Pvp= Pv/?*g, Pv: Buharlaşma basıncı(Pa), ?: Özgül ağırlık(kg/m3), g: Yer çekimi ivmesi
9,81(m/s2)

Su için buharlaşma basıncı(Pv) hesaplanması;
Pv= 10A-B/(C+T)
T: oC cinsinden su sıcaklığı, A, B, C ve D Antoine sabitleridir.
0-100 oC sıcaklıklar arasında A=8,07131, B=1730,63, C= 233,426 olarak alınır.
100 oC üzerinde A= 8.14019, B=1810.94 ve C= 244.485 kabul edilir.
Antonie sabitleri ile yapılan hesaplamadan çıkan sonuç mmHg birimindedir. Pascal birimine çevrilmelidir. 760 mmHg = 101324,72 Pa = 10,332 mss = 1,01325 bar

Kavitasyon riskini azaltmak için yapılabilecek çalışmalar;
• Akışkan sıcaklığının düşürülmesi
• Pompa emme hattında basınç kayıplarının minimize edilmesi
• Emiş tankındaki sıvı yüksekliğinin arttırılması
• Emiş tankının pompa eksenine göre daha yüksek koda çıkartılması
• Emiş tankının basınçlandırılması
• Düşük NPSHR değerine sahip pompaların tercih edilmesi

Örnek 1;
Aşağıdaki uygulama için NPSHA değerini hesaplayalım ve görev için seçilen, NPSHR değeri 4 m olan bir pompanın kavitasyona uygunluğunu kontrol edelim.

Atmosfere açık bir tanktan emiş yapan pompamız,
40 oC sıcaklıktaki suyu transfer etmektedir.
Tank sıvı yüzeyindeki mutlak basıncın 10 mss olduğu
kabul edilmektedir. Tanktaki minimum su seviyesi ile
pompa ekseni arasındaki kod farkı 2 metredir.
Minimum su seviyesi pompa ekseni üzerindedir.
Pompa emiş ağzında su hızı 1 m/s’dir. Emme hattındaki
sürtünme kayıpları 1 mss olarak hesaplanmıştır.

Pa= 10 m
Pc= 12 /(2*9,81) = 0,05 m
He= 2 m(+) (Emme tankı su seviyesi pompa ekseni üzerinde)
Hf= 1 m
Pv= 10 8,07131-1730,63/(233,426+40) = 55,1928 mmHg = 0,75 mss
NPSHA= Ps + Pc +/- He – Hf – Pvp
NPSHA= 10 + 0,05 + 2 – 1 – 0,75
NPSHA= 10,3 m
NPSHA (10,3) > NPSHR + 0,5 (4,5)
Pompa kavitasyon problemi olmadan performans gösterecektir.

Örnek 2;
Aşağıdaki uygulama için NPSHA değerini hesaplayalım ve görev için seçilen, NPSHR değeri 3 m olan bir pompanın kavitasyona uygunluğunu kontrol edelim.
Atmosfere açık kondens tankından emiş yapan bir pompa,
90 oC sıcaklıktaki suyu buhar kazanına transfer etmektedir.
Tank sıvı yüzeyindeki mutlak basıncın 10 mss olduğu
kabul edilmektedir. Tanktaki minimum su seviyesi ile
pompa ekseni arasındaki kod farkı 1 metredir.
Minimum su seviyesi pompa ekseni üzerindedir.
Pompa emiş ağzında su hızı 1 m/s’dir. Emme hattındaki
sürtünme kayıpları 1 mss olarak hesaplanmıştır.

Pa= 10 m
Pc= 12 /(2*9,81) = 0,05 m
He= 1 m(+) (Emme tankı su seviyesi pompa ekseni üzerinde)
Hf= 1 m
Pv= 10 8,07131-1730,63/(233,426+90) = 525,2664 mmHg = 7,14 mss
NPSHA= Ps + Pc +/- He – Hf – Pvp
NPSHA= 10 + 0,05 + 1 – 1 – 7,14
NPSHA= 2,91 m
NPSHA(2,91) < NPSHR + 0,5 (3,5)
Pompa kavitasyona uğrayacaktır. !!!

Pien Process& Engineering - Head Office

Adres       : Petrol İş Mah. Villa Sok. No.23/11 34862 Kartal-Istanbul / Turkey
Telefon    : +90 216 627 09 97
Mobile 1  : +90 532 320 78 80
Mobile 2  : +90 541 647 22 53
E-mail      : pien@pienpro.com