קוויטציה היא היווצרות בועות אדים בצד היניקה של המשאבה והתמוטטותן האלימה במאיץ. היא מכרסמת מתכת, מורידה ספיקה ועומד, גורמת לרעש ולרעידות, ובסוף הורסת את המשאבה.
כדי למנוע אותה משווים שני גדלים: NPSH זמין (מה שהמערכת מספקת בצד היניקה) מול NPSH נדרש (מה שהמשאבה דורשת). הכלל פשוט: NPSHa > NPSHr, ועם שולי ביטחון. כל הפרק הזה הוא איך לחשב את שני הגדלים האלה ואיך לשמור מרווח בריא ביניהם.
מה זו קוויטציה ולמה היא מסוכנת
נוזל רותח לא רק כשמחממים אותו. הוא רותח גם כשמורידים לו את הלחץ. זו נקודת המפתח של הפרק כולו.
בכניסה למאיץ הנוזל מואץ, והלחץ המקומי שלו צונח. אם הלחץ יורד עד לחץ האדים (vapor pressure) של המים בטמפרטורה הנתונה, המים מתאדים בתוך המשאבה ונוצרות בועות אדים זעירות. מילימטרים ספורים אחר כך, כשהנוזל נכנס לאזור הלחץ הגבוה של גוף המשאבה, הבועות קורסות בבת אחת. כל קריסה כזו היא פיצוץ זעיר ששולח גל הלם ומזרק נוזל במהירות אדירה אל פני המתכת.
מיליוני קריסות בשנייה יוצרות בלאי שנראה כמו ספוג, בעיקר על גב להבי המאיץ. זו שחיקת קוויטציה (cavitation erosion). מעבר לנזק המכני, שכבת הבועות חוסמת את מעבר הנוזל, ולכן הספיקה והעומד צונחים והנצילות יורדת. בשטח מזהים קוויטציה לפי רעש אופייני, כאילו המשאבה שואבת חצץ.
- NPSH · Net Positive Suction Head
- "עומד יניקה חיובי נטו". כמה אנרגיית לחץ נשארת לנוזל בכניסה למשאבה מעל לחץ האדים שלו. נמדד במטרים של עמוד מים. זה המדד שקובע אם תהיה קוויטציה.
- לחץ אדים · vapor pressure (pv)
- הלחץ שבו הנוזל מתחיל לרתוח בטמפרטורה נתונה. עולה מהר עם הטמפרטורה. למים קרים הוא זניח, למים חמים הוא משמעותי.
שני הגדלים: NPSH זמין מול NPSH נדרש
הסיפור כולו הוא תחרות בין שני מספרים, שניהם במטרים.
NPSH נדרש (NPSHr) · תכונה של המשאבה
זה גודל שהיצרן מודד ומפרסם בעקום. הוא אומר כמה עודף עומד המשאבה חייבת לקבל בכניסה כדי לא לקוות. NPSHr עולה עם הספיקה, ולכן הוא מצויר כעקום עולה מתחת לעקום ה-H-Q. ככל שמזרימים יותר, המשאבה רעבה ליותר עודף עומד.
NPSH זמין (NPSHa) · תכונה של המערכת
זה מה שהמתקן שלך מספק בפועל בכניסה למשאבה, וזה מה שאתה כמתכנן או מנהל אחזקה שולט בו. הוא נקבע מהלחץ האטמוספרי, מגובה המים ביחס למשאבה, מאיבודי החיכוך בצנרת היניקה, ומלחץ האדים של הנוזל.
איבודי החיכוך בצד היניקה גדלים עם ריבוע הספיקה (h_f ∝ Q²). לכן ככל שמזרימים יותר, NPSHa יורד בדיוק כש-NPSHr עולה. שני העקומים נעים זה לקראת זה, וזו הסיבה שקוויטציה מופיעה דווקא בספיקות גבוהות.
תחנת שאיבה בגובה פני הים שואבת מים ממאגר פתוח. המשאבה ניצבת מעל מפלס המים (יניקה). נבדוק אם יש סכנת קוויטציה בנקודת העבודה.
- נמיר את הלחץ האטמוספרי ולחץ האדים למטרים (כבר נתון): p_atm = 10.33 m, p_v = 0.32 m
- נציב בנוסחה 15.1 עם H_s שלילי (יניקה): NPSHa = 10.33 − 0.32 − 3.0 − 0.7
- נקבל את ה-NPSH הזמין: NPSHa = 6.31 m
- נשווה ל-NPSH הנדרש ונחשב מרווח ויחס: margin = 6.31 − 4.5 = 1.81 m ; ratio = 6.31 / 4.5 = 1.40
אבל מה קורה בקיץ? נניח שהמים מתחממים ל-60°C (למשל במערכת קירור). מטבלה 15.1, p_v(60°C) = 2.03 m. נחזור על החישוב:
כעת היחס הוא רק 4.60 / 4.5 = 1.02. המרווח התכווץ ל-0.10 m בלבד. סכנת קוויטציה ממשית. אותו מתקן בדיוק, רק טמפרטורה גבוהה יותר, וכבר על הגבול.
הלקח: טמפרטורת הנוזל היא לא פרט שולי. כל עליית טמפרטורה מורידה את NPSHa. תכנון שמתעלם ממנה עלול לעבוד בחורף ולקוות בקיץ.
| T (°C) | pv (kPa) | pv (m) | T (°C) | pv (kPa) | pv (m) |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 0.87 | 0.09 | 50 | 12.35 | 1.26 |
| 10 | 1.23 | 0.13 | 60 | 19.95 | 2.03 |
| 15 | 1.71 | 0.17 | 70 | 31.20 | 3.18 |
| 20 | 2.34 | 0.24 | 80 | 47.39 | 4.83 |
| 25 | 3.17 | 0.32 | 90 | 70.14 | 7.15 |
| 30 | 4.25 | 0.43 | 100 | 101.33 | 10.33 |
| 40 | 7.38 | 0.75 | המרה: m = kPa ÷ 9.81 | ||
הלחץ האטמוספרי יורד עם הגובה, בערך 0.12 m לכל 100 m. תחנה ברמות הגולן או בהרי ירושלים בגובה 700 m מקבלת רק כ-9.5 m לחץ אטמוספרי במקום 10.33. זה מוריד את NPSHa בכ-0.8 m עוד לפני כל חישוב אחר. בתכנון בגובה, אל תשתמש ב-10.33.
איפה מופיעה הקוויטציה: מפגש שני העקומים
הדרך הטובה ביותר להבין סכנת קוויטציה היא לצייר את שני העקומים על אותו גרף מול הספיקה. NPSHr עולה, NPSHa יורד. כל עוד הזמין מעל הנדרש, המשאבה בריאה. נקודת החיתוך היא קו הגבול.
שולי ביטחון, מספר תומא ומהירות סגולית של יניקה
לעמוד בדיוק על הקו NPSHa = NPSHr זה לא מספיק. NPSHr של היצרן מוגדר בדרך כלל בנקודת ירידה של 3% בעומד (NPSH₃), כלומר קוויטציה כבר התחילה במידה מסוימת. לכן עובדים תמיד עם מרווח.
- רעש כמו חצץ או כדורים שמתגלגלים בתוך המשאבה. הסימן הקלאסי.
- ספיקה ועומד שצונחים פתאום, או מד לחץ שרועד.
- גומות ובלאי ספוגי על גב להבי המאיץ כשפותחים את המשאבה.
- החמרה בקיץ או כשמפלס המקור יורד. שניהם מורידים את NPSHa.
- רעידות מוגברות בתדרים גבוהים. ראה פרק 24, ניטור מצב ורעידות.
איך מגדילים NPSHa בשטח
עקום ה-NPSHr נקרא יחד עם שאר עקומות המאפיין בפרק 13. השפעת חוקי הדמיות על NPSHr (NPSHr ∝ n²) בפרק 14. בחירת משאבה עם בדיקת NPSH כשלב חובה בפרק 17. אבחון קוויטציה דרך רעידות בפרק 24.
