`METER VLOEISTOFKOLOM` EN WAT IS NPSH?

TIPS & TRICKS
POMPCURVES VAN CENTRIFUGAALPOMP
‘METER VLOEISTOFKOLOM’
EN WAT IS NPSH?
Eddy Van de Putte, Mervers
De pompcurves van een
centrifugaalpomp geven het
verband tussen de capaciteit
en de totale verschilhoogte,
meestal uitgedrukt in “meter
vloeistofkolom”. Waarom wordt
hier niet het verband tussen de
capaciteit en de verschildruk,
uitgedrukt in “bar” gebruikt?
D
e druk op gelijk welk punt in
een vloeistof kan beschouwd
worden als zijnde veroorzaakt
door een vertikale kolom van de vloeistof, door het gewicht van deze laatste. De hoogte van deze kolom wordt
de statische hoogte genoemd, en wordt
uitgedrukt in “meter vloeistofkolom”
(mvk).
Dezelfde hoogteterm wordt gebruikt
om de kinetische energie, voortgebracht door de pomp, te meten. Of
met andere woorden, hoogte (Engels
“Head”) is een maat voor de hoogte van
de vloeistofkolom die de pomp kan creeren uit de kinetische energie die aan
de vloeistof meegegeven wordt.
Hoogte is niet equivalent aan druk.
Hoogte is immers een term uitgedrukt
in lengte-eenheden en druk heeft als
eenheid kracht per eenheid oppervlak.
Beeld van een gecaviteerde waaier.
De hoofdreden om hoogte in plaats van
druk te gebruiken om de energie van de
centrifugaalpomp uit te drukken is het
feit dat de druk van de pomp zal veranderen als het soortelijk gewicht van
de vloeistof verandert, maar de hoogte
zal dezelfde blijven.
Een gegeven centrifugaalpomp met
een gegeven waaierdoormeter en
snelheid, zal een vloeistof een bepaald
aantal meters opvoeren, onafhankelijk
van het gewicht van de vloeistof.
Aldus wordt de prestatie van een centrifugaalpomp op een dunne vloeistof,
of ze nu zwaar (bijvoorbeeld zwavelzuur) of licht (bijvoorbeeld benzine) is,
beschreven door de term “hoogte” te
gebruiken. De pompcurves zijn altijd
gemaakt met “hoogte”.
Verband tussen hoogte en druk
De statische hoogte die overeenkomt
met een bepaalde druk is afhankelijk
van het soortelijk gewicht van de vloeistof, volgens de eenvoudige formule:
Fig. 1 : verschillende drukhoogten.
Hoogte (mvk) = Druk (bar) x 10 /
Soortelijk gewicht (kg/dm³)
Vloeistoffen hebben soortelijke
gewichten, die gaan van ongeveer 0,5
(zoals lichte koolwaterstoffen) tot 1,8
(zoals geconcentreerd zwavelzuur).
Water is de referentie met een soortelijk gewicht van 1,0. Bijna alle pompcurves voor centrifugaalpompen zijn
op water gemaakt.
Bovenstaande formule helpt op de
pompdrukken, afgelezen op manometers, te converteren naar hoogte, nodig
voor het lezen van de pompcurve.
Verschillende hoogten
De volgende verschillende hoogtetermen worden hierna besproken (zie
figuur 1):
→ Statische hoogte aan de zuigzijde,
hs (engels: Static Suction Head)
→ Statische hoogte aan de drukzijde,
hd (engels: Static Discharge Head)
→ Wrijvingshoogte, hf (engels: Friction Head)
→ Dampspanningshoogte, hvp (engels:
Vapor Pressure Head)
PUMPS MAGAZINE ISSUE 59 september 2008
17
TIPS & TRICKS
→ Drukhoogte, hp (engels: Pressure
Head)
→ Snelheidshoogte, hv (engels: Velocity Head)
→ Totale hoogte aan de zuigzijde, Hs
(engels: Total Suction Head)
→ Totale hoogte aan de drukzijde, Hd
(engels: Total Discharge Head)
→ Totale verschilhoogte, HT (engels:
Total Differential Head)
→ Netto positieve hoogte aan de zuigzijde vereist, NPSHr (engels: Net
Positieve Suction Head Required)
→ Netto positieve hoogte aan de zuigzijde beschikbaar, NPSHa (engels:
Net Positive Suction Head available)
Opmerking: De kleine letters “s” en
“d” verwijzen naar zuigzijde (engels:
Suction) en drukzijde (engels:
Discharge).
Statische hoogte
aan de zuigzijde (hs):
hoogte resulterend uit de vloeistofhoogte t.o.v. de centerlijn van de
pomp. Als het vloeistofniveau boven
de centerlijn van de pomp komt, dan
is hs positief. Als het vloeistofniveau onder de centerlijn van de pomp
komt, is hs negatief. Een negatieve hs
wordt gewoonlijk de “aanzuighoogte”
genoemd.
Statische hoogte
aan de drukzijde (hd):
dit is de vertikale hoogte in meter
tussen de centerlijn van de pomp en het
uitlooppunt van de leiding (bij vrije uitloop) of het vloeistofniveau van de uitlooptank (bij vulling onderaan of zijdelings van de tank). Soms wordt ook het
hoogste punt van de leidingen aan de
drukzijde van de pomp genomen, om
zeker te zijn dat de pomp deze hoogte
kan halen bij het starten.
vloeistof en zijn damp samen in evenwicht bestaan bij een gegeven temperatuur. Deze dampspanning kan men
vinden in dampspanningstabellen. Als
de dampspanning omgezet wordt in
hoogte, wordt ze de dampspanningshoogte hvp genoemd. De waarde van
hvp van een vloeistof neemt toe bij
hogere temperatuur en werkt in feite de
druk op het vloeistofoppervlak tegen.
Of anders gesteld, de hvp verlaagt de
drukhoogte aan de zuigzijde.
Drukhoogte (hp): De drukhoogte moet
bekeken worden als het pompsysteem
in een tank begint of eindigt en als deze
tanks onder een druk staan die anders
is dan de atmosferische druk. De druk
in de tank moet eerst worden omgezet
in meter vloeistofkolom.
Snelheidshoogte (hv):
verwijst naar de energie van een vloeistof als resultaat van haar beweging
met een bepaalde snelheid “v”. Dit is
de equivalente hoogte die zou nodig
zijn om de vloeistof een bepaalde snelheid te geven. De snelheidshoogte is
meestal zodanig klein dat ze kan verwaarloosd worden.
Totale hoogte
aan de zuigzijde (Hs):
de drukhoogte op de tank aan de zuigzijde (hps) plus de statische hoogte
aan de zuigzijde (hs) plus de snelheidhoogte aan de pompinlaatflens (hvs)
min de wrijvingshoogte aan de zuigzijde (hfs). Zoals reeds gezegd word
de snelheidshoogte (hvs) meestal verwaarloosd:
Hs = hps + hs (+ hvs) - hfs
Wrijvingshoogte (Hf):
de nodige hoogte om de stromingsweerstand in de buizen, toestellen en
fittingen te overwinnen. Is afhankelijk van de grootte en het type buis,
aantal en soort toestellen en pijpfittingen, debiet en de natuur van de vloeistof. De bepaling gebeurt aan de hand
van grafieken of tabellen die gepubliceerd zijn en gegevens van de fabrikant
van de toestellen.
Dampspanningshoogte (hvp): De
dampspanning is de druk waarbij een
18
PUMPS MAGAZINE ISSUE 59 september 2008
De totale hoogte aan de zuigzijde is de
druk die men afleest op de manometer
aan de inlaatflens van de pomp, omgezet naar meter vloeistofkolom.
Totale hoogte
aan de drukzijde (Hd):
de drukhoogte op de tank aan de drukzijde (hpd) plus de statische hoogte
aan de drukzijde (hd) plus de snelheidshoogte aan de pompuitlaatflens
(hvd) (meestal verwaarloosbaar) plus
de totale wrijvingshoogte van de leidingen, toestellen en fittingen aan de
drukzijde (hfd):
Hd = hpd + hd (+ hvd) + hfd
De totale hoogte aan de drukzijde is de
druk die men afleest op de manometer
aan de uitlaatflens van de pomp, omgezet naar meter vloeistofkolom.
Totale verschilhoogte (HT):
is de totale hoogte aan de drukzijde min
de totale hoogte aan de zuigzijde:
HT = Hd – Hs
NPSH, eenvoudig verklaard
De NPSH (Net Positive Suction Head)
is een van de meest gebruikte, en tegelijkertijd minst begrepen termen. Nochtans is het begrip van de NPSH zeer
essentieel voor de goede installatie en
het goede gebruik van een pomp.
“Centrifugaalpompen kunnen
enkel vloeistoffen verpompen, geen
dampen”
De goede werking van een centrifugaalpomp vereist dat er nergens verdamping van de vloeistof optreedt. Dit
komt omdat het volume zeer sterk verhoogt als een vloeistof verdampt. Zo
wordt 1 m³ water bij kamertemperatuur
omgezet in 1700 m³ damp bij dezelfde
temperatuur. Het is dus duidelijk dat,
als we een vloeistof efficiënt willen
verpompen, deze laatste altijd in de
vloeistoffase moet blijven.
“Verhoging van de temperatuur en
verlaging van de druk veroorzaakt
verdamping”
De verdamping begint als de dampspanning van de vloeistof bij een
bepaalde werkingstemperatuur gelijk
is aan de uitwendige systeemdruk,
die, in een open systeem, altijd gelijk
TIPS & TRICKS
is aan de atmosferische druk. Elke verlaging van de uitwendige druk of verhoging van de werkingstemperatuur
kan leiden tot verdamping en de pomp
stopt dan met pompen. Daarom moet
de centrifugaalpomp steeds een voldoende grote hoogte aan de zuigzijde
hebben om deze verdamping te vermijden in het punt met de laagste druk in
de pomp.
Een drukverhoging verder in de pomp
kan ook leiden tot implosie van de
gevormde dampbellen, hetgeen een
verschijnsel veroorzaakt dat men “cavitatie” noemt. Cavitatie is absoluut te
vermijden in de pomp. De gedetailleerde beschrijving van cavitatie maakt
echter geen deel uit van dit bestek.
“De NPSH als middel om
dampvorming te vermijden”
De fabrikant test meestal de pomp met
water bij verschillende debieten, door
het smoren van de zuigzijde. Wanneer de eerste tekenen van dampvorming optreden en de cavitatie begint
(per definitie bij 3 % verlaging van de
verschilhoogte), wordt de druk aan de
zuigzijde genoteerd. Deze druk wordt
dan omgezet in hoogte. Deze hoogte
wordt genoteerd op de pompcurve en
wordt de netto positieve hoogte aan de
zuigzijde (engels: Net Positive suction
Head) of kortweg NPSH genoemd. De
NPSH is de totale hoogte aan de zuigzijde van de pomp min de dampspanning, omgezet in meter vloeistofkolom absoluut.
Bij de bespreking van centrifugaalpompen zijn de twee belangrijkste hoogtewaarden de NPSHr en de NPSHa.
Net Positive Suction Head
Required (NPSHr)
De NPSHr is een functie van het pompontwerp die wordt bepaald door een
pomptest bij de fabrikant en wordt vermeld op de pompcurve. Als de vloeistof van de inlaatflens naar de inlaat
van de waaier gaat in de pomp, verhoogt de snelheid en verlaagt de druk.
Er ontstaan ook drukverliezen door
turbulentie als de vloeistof de impeller raakt. De centrifugaalkracht van de
impellerschoepen verhoogt de snelheid nog meer, waardoor de druk nog
verder daalt. De NPSHr is de positieve
hoogte, uitgedrukt in meter waterkolom absoluut, aan de zuigzijde van de
pomp die nodig is om deze drukver-
De NPSHa wordt berekend op basis
van systeem- en procesparameters.
De formule voor de berekening van de
NPSHa ziet er als volgt uit:
NPSHa = hps + hs – hvps – hfs
hps: drukhoogte op de tank aan de
zuigzijde, uitgedrukt in meter vloeistofkolom absoluut. Dus bij atmosferische tank is hps = 10 mwk op water,
doch 20 mvk op een vloeistof met SG
= 0,5 kg/dm³
hs: statische hoogte aan de zuigzijde,
dus de vertikale afstand tussen de centerlijn van de pomp en het vloeistofniveau aan de zuigzijde
hvps: dampspanningshoogte bij de
werkingstemperatuur van de verpompte vloeistof aan de zuigzijde van
de pomp, uitgedrukt in mvk absoluut.
hfs: wrijvingshoogte aan de zuigzijde,
dus alle wrijvingsverliezen door leidingen, apparaten en appendages aan de
zuigzijde, uitgedrukt in meter vloeistofkolom.
Opmerkingen
liezen in de pomp te compenseren en
ervoor te zorgen dat de vloeistof boven
zijn dampspanning blijft. De NPSH is
altijd positief gezien ze is uitgedrukt in
absolute vloeistofhoogte.
De NPSHr van een bepaalde centrifugaalpomp verhoogt als het debiet verhoogt omdat de snelheid van de vloeistof verhoogt, en bijgevolg de druk
daalt. De meeste pompcurves geven
deze informatie. De NPSHr is onafhankelijk van het soortelijk gewicht
van de vloeistof, zoals alle ander hoogtewaarden.
§ Het is belangrijk om de correcties
voor het soortelijk gewicht van de
vloeistof uit te voeren en alle termen
uit te drukken in “meter absoluut”.
§ Elke discussie over NPSH of cavitatie is alleen een verhaal over de
zuigzijde van de pomp. Er is immers
altijd voldoende druk voorhanden
aan de drukzijde van de pomp om
dampvorming te voorkomen.
De NPSHa moet altijd hoger zijn dan
de NPSHr, opdat de pomp goed zou
werken. In de praktijk wordt er meestal
van uitgegaan dat een verschil van
ongeveer 0,5 mvk volstaat om cavitatieproblemen op een bepaald werkingspunt te vermijden. Dit mag natuurlijk
ook meer zijn. <<
Net Positive Suction Head
Available (NPSHa)
De NPSHa is functie van het systeem
waarin de pomp staat. Het is het overschot aan druk van de vloeistof, uitgedrukt in meter vloeistofkolom absoluut, boven zijn dampspanning als deze
vloeistof aan de zuigzijde van de pomp
aankomt, om minstens zeker te zijn dat
de geselecteerde pomp niet caviteert.
PUMPS MAGAZINE ISSUE 59 september 2008
19