کاویتاسیون و NPSH

NPSH یا هد مکش مثبت خالص، احتمالا بارزترین مفهوم هیدرولیک پمپ است که به درستی درک نشده است. درک این مفهوم بسیار مهم است، زیرا مسائل NPSH جزو شایع ترین علل پمپ ها بوده و اغلب نیز به اشتباه برای مشکلاتی کاملا غیر مرتبط با آنها مقصر شناخته میشوند. در هنگام استفاده از پمپ های سانترفیوژ برای پیش بینی احتمال وقوع کاویتاسیون که چه از نظر هیدرولیکی و چه میکانیکی دارای تاثیرات مخربی بر روی پمپ است، پارامتر NPSH باید مورد بررسی قرار گیرد.

پدیده کاویتاسیون هنگامی رخ میدهد که حباب های بخار شکل گرفته و همراه با پروانه حرکت کنند (آنچه موجب شکل گیری حباب بخار در وهله اول میشود، اندکی بعد مورد بحث قرار میگیرد) با حرکت حباب های بخار در طول پره پروانه، فشار اطراف حباب ها شروع به افزایش میکند.

هنگامیکه به نقطه ای برسیم که در آن فشار درونی آن باشد حباب متلاشی میشود این نوع فروپاشی بصورت خارجی رخ نمیدهد، بلکه در داخل آن اتفاق می افتد. لازم به ذکر است که فروپاشی حباب بصورت تکی اتفاق نمی افتد، بلکه توسط فروپاشی صدها حباب دیگر در نقطه ای بر روی هر پره ی پروانه احاطه شده است.

پدیده شکل گیری و فروپاشی این حباب های بخار که به نام کاویتاسیون شناخته میشود. دارای اثرات متعددی بر روی یک پمپ سانتریفیوژ میباشد. اول اینکه فروپاشی حباب صدای متمایز و مشخص ایجاد میکند که به شکل صدای ترق تروق، ترکیدن، تق تق کردن و یا صدایی شبیه به پمپاژ شدن شن و ماسه توسط پمپ توصیف میشود. این امر میتواند در جایی که افراد مشغول بکار هستند و پمپ دارای مشکل کاویتاسیون نیز در آن جا کار میکند، مزاحمت هایی ایجاد کند. این علائم فیزیکی معمولا کمترین دغدغه ی ناشی از کاویتاسیون بوده و نگرانی به مراتب بیشتری در مورد اثر کاویتاسیون بر عملکرد هیدرولیکی و یکپارچگی میکانیکی پمپ وجود دارد. اثر هیدرولیکی کاویتاسیون بر روی پمپ به شکلی است که باعث افت عملکرد پمپ از منحنی عملکردی مورد انتظار آن شده و از آن به نقطه ی جدایش یاد میشود. شکل یک اثر بسیار مهمتر کاویتاسیون، آسیب میکانیکی است که میتواند به علت ارتعاش بیش از حد در پمپ رخ دهد. علت این ارتعاش به بارگذرای نامتوازن پروانه (که در اثر گذر ترکیب مایع و بخار از میان آن و ایجاد موج شوک محلی براثر فروپاشی هر حباب رخ میدهد)، بر میگردد.

موج های شوک میتوانند به شکل فیزیکی به پروانه آسیب وارد کرده و موجب حذف و جدایی ماده از سطح پروانه شوند. میزان ماده جدا شده از روی سطح پروانه، با توجه به میزان کاویتاسیون و ماده پروانه متغیر است. اگر پروانه از مواد پایه – آهن مانند آهن نرم ساخته شده باشد، جداسازی مواد از سطح پروانه به دلیل ترکیبی از خوردگی مواد آهن در اثر آب (پمپ شونده) و اثر فرساینده ی امواج شوک کاویتاسیون اتفاق می افتد. اگر مواد تشکیل دهنده پروانه در مقابل خوردگی مقاوم تر بوده ولی نرم تر از آن باشند (برای مثال برنز معمولی)، آسیب وارده توسط کاویتاسیون، مشابه عملیات چکش زنی میباشد که در آن قطعه ای از برنز نسبتا نرم بارها و بارها با  چکش ضربه ای تویی شکل کوچکی ضربه میخورد. موادی مانند فولاد ضد زنگ۳۶۱ با مقاومت فوق العاده در برابر خوردگی و توانایی سخت کاری شدن تحت شرایط چکش زنی، مقاومت بهتری در برابر کنده شدن فلز در اثر کاویتاسیون از خود نشان میدهند.

در هر صورت، اگر جدایش ماده رخ دهد، روند آن تا زمانیکه پمپ دچار کاویتاسیون است، ادامه مییابد در این شرایط، حفره هایی به مرور بر روی پره های پروانه ایجاد شده و در شرایط وخیم نیز حذف ماده میتواند تا جایی ادامه یابد که حتی سوراخی کاملا خورده شده را بر روی یک پره ی پروانه ایجاد کند. حذف ماده از سطح پروانه داری اثر مشهودی بر بالانس دینامیکی اجزای چرخان است. نتیجه دقیقا مشابه حالتی است که چرخ خودرو از نظر دینامیکی کاملا بالانس نشده و یا یکی از وزنه های تعادلی خود را از دست داده باشد که ارتعاش و لرزش بیش از اندازه را به دنبال دارد. توجه به این نکته بسیار حائز اهمیت است که لرزش بیش از اندازه ی ناشی از کاویتاسیون میتواند حتی در شرایط که جداشدن ماده از پروانه رخ  ندهد نیز، اتفاق بیفتد. همانطورکه قبلا نیز اشاره شد، بارگذاری نامتوازن پروانه و موج شوک محلی نیز به همان نسبت جداشدن ماده از سطح پروانه، بر ارتعاش ناشی از کاویتاسیون تاثیرگذار میباشند. لرزش بیش از اندازه ناشی از کاویتاسیون، اغلب خرابی نشت بند و یا یاتاقان های پمپ میشود. این حالت، محتمل ترین شکل خرابی ناشی از وقوع کاویتاسیون در پمپ است. به این دلیل است که مفاهیم NPSH و کاویتاسیون باید بدرستی توسط طراح سیستم و کاربرد پمپ درک شوند.

پرسشی که در این است که چه عاملی باعث تشکیل حباب های بخار در همان وهله ی اول میشوند. چرا که اگر این عوامل وجود نداشته باشند، کاویتاسیون نیز فرصتی برای رخ دادن ندارد. برای شخصی که هرگز ترمودینامیک نخوانده است، بدیهی ترین راه برای ایجاد حباب های بخار بالا بردن دمای مایع است. با این حال، این مورد آن چیزی نیست که در هنگام کاویتاسیون در پمپ رخ میدهد، چون در محدوده ی جریان های بالاتری که کاویتاسیون به احتمال زیاد در آنها اتفاق می افتد، دمای مایع درون یک پمپ گریز از مرکز تقریبا ثابت باقی میماند.

راه دیگر برای جوشاندن یک مایع بدون افزایش دما این است که درصورت امکان، فشار آن کاهش یابد. این امر به خاطر یکی از ویژگی های ترمودینامیکی مایعات موسوم به فشار بخار میباشد. مشخصات فشار بخار میباشد.