NPSH (Net Positive Suction Head) là một khái niệm quan trọng trong vận hành và bảo trì máy bơm ly tâm. Hiểu rõ về NPSH giúp đảm bảo máy bơm hoạt động hiệu quả, ổn định và tránh được các sự cố đáng tiếc. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về NPSH, bao gồm định nghĩa, ý nghĩa, cách tính toán và các biện pháp phòng ngừa sự cố liên quan đến NPSH.
Mục Lục
NPSH là gì? Các khái niệm liên quan
Để hiểu rõ về NPSH, trước tiên cần nắm vững các khái niệm sau:
- NPSH dư (NPSH margin): Khoảng cột áp hút được thiết kế thêm vào để đảm bảo an toàn cho máy bơm.
- NPSHr (Net Positive Suction Head Required): Cột áp hút tối thiểu mà nhà sản xuất yêu cầu để máy bơm hoạt động bình thường, thường được cung cấp bởi nhà sản xuất bơm. Khi cột áp toàn phần giảm xuống 3% do áp suất hút thấp và sự hình thành bong bóng trong lòng bơm.
- NPSHa (Net Positive Suction Head Available): Cột áp hút thực tế của hệ thống bơm, bao gồm áp suất thủy tĩnh + áp suất bề mặt – áp suất bay hơi của chất lỏng – (tổn thất áp suất trên đường ống + van + dụng cụ…).
- Công thức tính NPSH dư: NPSH dư = NPSHa – NPSHr
Một trong những vấn đề thủy lực quan trọng mà người vận hành máy bơm ly tâm cần hiểu rõ là “Cột áp hút thực” (NPSH). Các tài liệu về chủ đề này đôi khi phức tạp và dễ gây nhầm lẫn cho những người mới làm quen.
Hiện tượng xâm thực (Cavitation)
Cách tốt nhất để thảo luận về vấn đề này là xem xét các tình huống cột áp đầu hút thực cho từng ứng dụng máy bơm để xác định xem chất lỏng có bị hóa hơi bên trong bơm hay không.
Sự hóa hơi bên trong bơm được gọi là “Hiện tượng xâm thực” (tạo bong bóng). Hiện tượng xâm thực làm giảm hiệu suất của bơm và có thể gây hư hỏng nghiêm trọng.
Để hiểu rõ quá trình này, cần nhớ rằng chất lỏng sẽ hóa hơi ở nhiệt độ thấp hơn nếu áp suất của nó giảm xuống một mức nhất định. Ví dụ, nước sẽ bốc hơi ở 38°C (100°F) nếu được chứa trong bể chân không với áp suất 28 inch thủy ngân. Áp suất mà tại đó chất lỏng bắt đầu hóa hơi được gọi là “Áp suất hóa hơi”.
Áp suất giảm có thể làm chất lỏng hóa hơi nếu chất lỏng gần với áp suất hóa hơi. Áp suất trên chất lỏng đi vào bơm ly tâm giảm xuống khi nó di chuyển từ mặt bích đầu hút đến điểm nhận năng lượng từ cánh bơm. Do đó, cần so sánh áp suất giảm với áp suất hóa hơi để xác định xem chất lỏng có hóa hơi hay không. Độ chênh lệch giữa áp suất hiện tại của chất lỏng so với áp suất hóa hơi được gọi là “NPSH thực của hệ thống”. Áp suất giảm bên trong bơm là “NPSH yêu cầu”.
So sánh NPSH thực của hệ thống với NPSH yêu cầu. Nếu NPSH thực của hệ thống lớn hơn hoặc bằng NPSH yêu cầu, bơm sẽ không bị xâm thực.
NPSHa (Cột áp đầu hút thực của hệ thống)
Định nghĩa chính xác hơn về NPSH thực của hệ thống là sự chênh lệch giữa tổng cột áp đầu hút và áp suất hóa hơi của chất lỏng, tính bằng đơn vị chiều cao cột chất lỏng, tại mặt bích đầu hút. Có thể đo tổng cột áp đầu hút của bơm và áp suất hóa hơi nhờ nhiệt độ của chất lỏng. Sự chênh lệch giữa hai giá trị này là “NPSH của hệ thống”. Công thức biểu diễn định nghĩa của NPSHa:
hsv = has – hvpa
Trong đó:
- hsv = Áp suất đầu hút thực có sẵn, tính bằng đơn vị chiều cao cột chất lỏng.
- hsa = Tổng cột áp đầu hút, tính bằng đơn vị chiều cao cột chất lỏng.
- hvpa = Áp suất hóa hơi của chất lỏng tại cửa hút, tính bằng đơn vị chiều cao cột chất lỏng.
NPSHr (Áp suất hút yêu cầu của bơm)
NPSH yêu cầu được định nghĩa là sự giảm tổng cột áp khi chất lỏng đi vào bơm.
Hậu quả khi NPSHa không đủ
Nếu NPSH thực của hệ thống nhỏ hơn NPSH yêu cầu của bơm, sẽ xảy ra các vấn đề nghiêm trọng. Cột áp và lưu lượng của máy bơm sẽ giảm rõ rệt, thậm chí máy bơm có thể không hoạt động.
- Hiện tượng:
- Máy bơm có thể bị rung do một phần cánh bơm chuyển tải hơi nước và phần còn lại chuyển tải chất lỏng.
- Cánh bơm bị rỗ, gãy cánh.
- Máy bơm phát ra tiếng ồn lớn như tiếng máy xay đá.
- Nguyên nhân:
- Khi bong bóng vỡ, các bề mặt tiếp xúc sẽ bị va chạm mạnh do sự tràn chất lỏng vào khoảng trống mà bong bóng tạo ra. Sự va chạm này làm bong ra các mảnh kim loại nhỏ và gây mài mòn bề mặt.
- Sự mài mòn không xảy ra ở điểm áp suất thấp nhất khi bong bóng hình thành, mà là ở dòng chảy phía sau bong bóng.
- Khi chất lỏng tăng tốc để lấp đầy khoảng trống do bong bóng để lại, năng lượng bị tiêu hao. Đây là một tổn thất làm giảm cột áp và gây ra hiện tượng xâm thực.
- Tổn thất lưu lượng là do bơm cả hơi nước và chất lỏng thay vì chỉ chất lỏng. Ví dụ, ở 21°C (70°F), thể tích của nước tăng lên 54.000 lần khi bốc hơi, do đó, chỉ một lượng xâm thực nhỏ cũng làm giảm đáng kể lưu lượng.
Tính toán NPSHa
- Công thức tính NPSHa:
NPSHa = hsv
hsv = Ha – Hv – hs – hfsuc – B
Trong đó:
- Ha: Atmospheric pressure (m): Áp suất khí quyển
- Hv: Pump water saturated vapor pressure (m) : Áp suất hơi bão hòa của nước
- hs: Suction actual head (m): Chiều cao hút thực tế
- hfsuc: Suction pipe loss head (m): Tổn thất áp suất trên đường ống hút
- B: Safety factor (0.5met): Hệ số an toàn
- Xác định NPSHr: Tham khảo đường cong đặc tính bơm để xác định.
- Đánh giá tình trạng xâm thực:
hsv >= Hsv: Tình trạng tốt
hsv < Hsv: Xảy ra xâm thực
Công thức tính toán NPSHa chi tiết
NPSHa = Pa + Hs – Hfs – Pvp
Trong đó:
- Pa = Áp suất tuyệt đối trên bề mặt chất lỏng (bar, a)
- Hs = Cột áp hút thủy tĩnh (m). Lưu ý: Hs có thể là số dương (+) hoặc số âm (-) tùy thuộc vào vị trí đặt bơm so với hố bơm.
- Hfs = Tổn thất áp suất trên đường ống hút (m)
- Pvp = Áp suất bay hơi của chất lỏng (bar, a). Đối với chất lỏng có nhiệt độ thấp, áp suất bay hơi có thể bỏ qua (cho bằng 0).
Ví dụ minh họa
Ví dụ 1:
Bơm nước ở nhiệt độ 50 °C (122 °F) với các thông số sau:
- Pa = 1 bar = 10 m
- hs = 3.5 m
- hfs = 1.5 m
- Pvp = 0.12 bar a = 1.2 m
- NPSHr = 3.0 m (do nhà sản xuất cung cấp)
Tính NPSHa:
NPSHa = Pa + hs – hfs – Pvp = 10 + 3.5 – 1.5 – 1.2 = 10.8 m
Vì NPSHa (10.8m) > NPSHr (3.0m), bơm không bị xâm thực.
Ví dụ 2:
Bơm nước ở nhiệt độ 75 °C (167 °F) với các thông số sau:
- Pa = 0.5 bar = 5 m
- hs = 1.5 m
- hfs = 1.0 m
- Pvp = 0.39 bar a = 3.9 m
- NPSHr = 3.0 m (do nhà sản xuất cung cấp)
Tính NPSHa:
NPSHa = Pa + hs – hfs – Pvp = 5 + 1.5 – 1.0 – 3.9 = 1.6 m
Vì NPSHa (1.6m) < NPSHr (3.0m), bơm sẽ bị xâm thực.
Ví dụ 3:
Bơm dung dịch đường gluco ở nhiệt độ 50 °C (122 °F) với các thông số sau:
- Pa = 1 bar = 10 m
- hs = 1.5 m
- hfs = 9.0 m
- Pvp = 0 m (giả sử không đáng kể)
- NPSHr = 3.0 m (do nhà sản xuất cung cấp)
Tính NPSHa:
NPSHa = Pa + hs – hfs – Pvp = 10 + 1.5 – 9.0 – 0 = 2.5 m
Vì NPSHa (2.5m) < NPSHr (3.0m), bơm sẽ bị xâm thực.
Các biện pháp phòng ngừa hiện tượng xâm thực
Để tránh hiện tượng tạo bọt khí trong máy bơm ly tâm, cần thực hiện các biện pháp sau:
- Giảm thiểu tổn thất áp suất: Sử dụng đường ống ngắn nhất có thể, tăng đường kính ống, hạn chế các khúc cua và phụ kiện.
- Tăng cột áp thủy tĩnh: Thiết kế để cột áp thủy tĩnh cao nhất có thể.
- Hạ nhiệt độ bơm: Lưu ý rằng việc giảm nhiệt độ có thể làm tăng độ nhớt của chất lỏng, từ đó làm tăng tổn thất áp suất.
Trên đây là phương pháp tính toán NPSHa cơ bản. Để tính toán chính xác hơn, cần hiểu rõ phương pháp tính tổn thất áp suất trên đường ống, áp suất bay hơi của chất lỏng và các yếu tố khác như cột áp gia tốc.
Chúc bạn thành công!