Pompcurves van centrifugaalpomp: ‘Meter vloeistofkolom’ en wat is NPSH?

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?

De 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 hoogte term 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 creëren 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. 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 waaierdiameter 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:

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)
- 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.

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 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

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 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 pomp-ontwerp 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 drukverliezen 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.

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. 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
- 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.

Bron: engineeringnet.be