Давление насыщенных паров абсолютное или избыточное

Прошу проверить достаточность кавитационного запаса для правильной работы насоса

Высота столба жидкости над всасывающим патрубком насоса (NPSH) и кавитация

Гидравлический Институт определяет высоту столба жидкости над всасывающим патрубком насоса как совокупную высоту всасывания, измеренную на всасывающем патрубке, с поправкой на давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости. Проще говоря, это анализ соотношения сил на всасывающем патрубке насоса, для того, чтобы определить, будет ли жидкость испаряться при минимальном давлении, создающемся в насосе.

Давление насыщенных паров

Давление, которое жидкость оказывает на окружающие ее поверхности, зависит от температуры. Это давление называется давлением насыщенных паров, и оно является уникальной характеристикой любой жидкости, которая возрастает с увеличением температуры. Когда давление насыщенного пара жидкости достигает давления окружающей среды, жидкость начинает испаряться или кипеть. Температура, при которой происходит это испарение, будет понижаться по мере того, как понижается давление окружающей среды.

При испарении жидкость значительно увеличивается в объеме. Один кубический фут воды при комнатной температуре превращается в 1700 кубических футов пара (испарений) при той же самой температуре.

Из вышеизложенного видно, что если мы хотим эффективно перекачивать жидкость, нужно сохранять ее в жидком состоянии. Таким образом, NPSH определяется как величина действительной высоты всасывания насоса, при которой не возникнет испарения перекачиваемой жидкости в точке минимально возможного давления жидкости в насосе.

Требуемое значение NPSH (NPSHR)

Требуемое значение NPSH (NPSHR) — Зависит от конструкции насоса. Когда жидкость проходит через всасывающий патрубок насоса и попадает на направляющий аппарат рабочего колеса, скорость жидкости увеличивается, а давление падает. Также возникают потери давления из-за турбулентности и неровности потока жидкости, т.к. жидкость бьет по колесу.

Центробежная сила лопаток рабочего колеса также увеличивает скорость и уменьшает давление жидкости. (NPSH_r — необходимый подпор на всасывающем патрубке насоса, чтобы компенсировать все потери давления в насосе и удержать жидкость выше уровня давления насыщенных паров, и ограничить потери напора, возникающие в результате кавитации на уровне 3%. Трехпроцентный запас на падение напора – общепринятый критерий NPSH_r , принятый для облегчения расчета. Большинство насосов с низкой всасывающей способностью могут работать с низким или минимальным запасом по NPSHR, что серьезно не сказывается на сроке их эксплуатации. NPSH_r зависит от скорости и производительности насосов. Обычно производители насосов предоставляют информацию о характеристике NPSH_r.

Допустимый NPSH (NPSHa)

Допустимый NPSH (NPSHa) — является характеристикой системы, в которой работает насос. Это разница между атмосферным давлением, высоты всасывания насоса и давления насыщенных паров. На рисунке изображены 4 типа систем, для каждой приведены формулы расчета NPSHA системы. Очень важно также учесть плотность жидкости и привести все величины к одной единице измерения.

P_B = атмосферное давление, в метрах;
V_P = Давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре жидкости;
p=Давление на поверхности жидкости в закрытой емкости, в метрах;
Ls =Максимальная высота всасывания, в метрах;
L_H =Максимальная высота подпора, в метрах;
h_f= Потери на трение во всасывающем трубопроводе при требуемой производительности насоса, в метрах.

В реальной системе NPSH_a определяется с помощью показаний манометра, установленного на стороне всасывания насоса. Применяется следующая формула: NPSH_a= P_B – V_p ± G_r + h_v, где
G_r = Показания манометра на всасывании насоса, выраженные в метрах, взятые с плюсом (+) , если давление выше атмосферного и с минусом (-), если ниже, с поправкой на осевую линию насоса; h_v = Динамический напор во всасывающем трубопроводе, выраженный в метрах.

Кавитация
Кавитация – это термин, применяющийся для описания явления, возникающего в насосе при недостаточном NPSHa. Давление жидкости при этом ниже значения давления насыщенных паров, и мельчайшие пузырьки пара жидкости двигаются вдоль лопаток рабочего колеса, в области высокого давления пузырьки быстро разрушаются.

Разрушение или «взрыв» на столько быстрое, что на слух это может казаться рокотом, как будто в насос насыпали гравий. В насосах с высокой всасывающей способностью взрывы пузырьков на столько сильные, что лопатки рабочего колеса разрушаются всего в течение нескольких минут. Это воздействие может увеличиваться и при некоторых условиях (очень высокая всасывающая способность) может привести к серьезной эрозии рабочего колеса.

Возникшую в насосе кавитацию очень легко распознать по характерному шуму. Кроме повреждений рабочего колеса кавитация может привести к снижению производительности насоса из-за происходящего в насосе испарения жидкости. При кавитации может снизиться напор насоса и /или стать неустойчивым, также непостоянным может стать и энергопотребление насоса. Вибрации и механические повреждения такие как, например, повреждение подшипников, также могут стать результатом работы насоса с высокой или очень высокой в ссасывающей способностью при кавитации.

Чтобы предотвратить нежелательный эффект кавитации для стандартных насосов с низкой всасывающей способностью, необходимо обеспечить, чтобы NPSHa системы был выше, чем NPSHR насоса. Насосы с высокой всасывающей способностью требуют запаса для NPSHr. Стандарт Гидравлического Института (ANSI/HI 9.6.1) предлагает увеличивать NPSHr в 1,2 — 2,5 раза для насосов с высокой и очень высокой всасывающей способностью, при работе в допустимом диапазоне рабочих характеристик.

Расчет NPSHa для насосов узла нагрева антифриза.

Насос для подачи антифриза на теплообменники H-408/1,2

Базируясь на предоставленных Вами данных:
Давление в резервуаре P_изб:150 мм водяного столба избыточное
Давление насыщенных паров:0,00296…0,03288 МПа абсолютное
Высота столба жидкости над входом в насос L_н=2 метра
Плотность перекачиваемой среды: 1036…1077 кг/м3

Приведем пример расчета NPSH для замкнутой системы. У Вас закрытая система

Где:

• NPSHa – NPSH available – т.е. имеющийся в системе NPSH (Net Positive Suction Head).
• p – избыточное давление в емкости (должно быть выражено в метрах столба перекачиваемой жидкости);
• Lн – положительный столб жидкости при входе в насос;
• Vp – давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре (должно быть выражено в метрах столба перекачиваемой жидкости);
• h – потери на входе в насос (с учетом потерь в системе, запорной арматуре и т.п.);

Для правильной и устойчивой работы насоса необходимо, чтобы NPSHa был больше NPSHr.
Для расчета NPSHa выражаем давление в емкости в метрах столба жидкости. Т.о. если избыточное давление в емкости 150 мм водяного столба = 10150 мм водяного столба абсолютного давления (или в любых других единицах см. здесь convert-me.com)

Для жидкости с плотностью 1077 кг/м3 это = 10,15/1,077 = 9,42 метра столба перекачиваемой жидкости.
Давление насыщенных паров для данной жидкости

В метрах столба перекачиваемой жидкости его можно выразить как

h1 – потери на трение на входе в насос. В данном случае они будут минимальны, но с учетом запаса примем их равными 1 метру.

Следовательно: NPSHa = 9,42 + 2 – (0,31 + 1) = 10, 1 метра.
Насос для подачи конденсата в сеть завода H-409/1,2
Базируясь на предоставленных Вами данных:
Давление на входе в насос Pизб=0,5 кг/см 2 избыточное = 49033 Па изб
Давление насыщенных паров:0,00124…0,0199 МПа абсолютное
Плотность перекачиваемой среды: 987,9…983 кг/м3

Приведем пример расчета NPSH для замкнутой системы. У Вас закрытая система

Где:

• NPSHa – NPSH available – т.е. имеющийся в системе NPSH (Net Positive Suction Head).
• p – избыточное давление в емкости (должно быть выражено в метрах столба перекачиваемой жидкости);
• Lн – положительный столб жидкости при входе в насос;
• Vp – давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре (должно быть выражено в метрах столба перекачиваемой жидкости);
• h – потери на входе в насос (с учетом потерь в системе, запорной арматуре и т.п.);

Для правильной и устойчивой работы насоса необходимо, чтобы NPSHa был больше NPSHr.
Для расчета NPSHa выражаем давление на входе в насос в метрах столба жидкости. Т.о. если избыточное давление на входе в насос 0,5 кгс/см 2 изб, высота водяного столба абсолютного давления будет равна, исходя из формул

Давление насыщенных паров для данной жидкости

В метрах столба перекачиваемой жидкости его можно выразить как

h1 – потери на трение на входе в насос. В данном случае они будут минимальны, но с учетом запаса примем их равными 1 метру.
Следовательно: NPSHa = 15,3 – (0,2 + 1) = 14, 1 метра.

Источник

Давление воздуха или газа: избыточное, абсолютное, дифференциальное, атмосферное.

Несмотря на всю тривиальность и простоту вопроса, случается, что люди не вполне понимают суть понятий «абсолютное давление», «избыточное давление», «дифференциальное давление», (нормальное) «атмосферное давление» и др., путая их или не понимая их не только количественное, но и качественное отличие друг от друга. На этой странице мы решими написать несколько слов о понятии различных давлений. Мы не стремились представить ниже полную информацию по этому вопросу — ее можно без труда найти, например, в Википедии — а старались, наоборот, изложить основной смысл этих понятий кратко.

Абсолютное давление

Понятие «абсолютного давления» относится к способу указания давления относительно точки отсчета. Абсолютное давление — это то давление, для указания которого используется, в качестве точки отсчета, абсолютный вакуум. Предполагается, что не может существовать давления, меньшего, чем абсолютный вакуум — следовательно, относительно него любое давление может быть обозначено положительным числом.

То абсолютное давление, которое находится между абсолютным вакуумом и давлением, которое принято считать имеющемся на уровне моря (нормальное атмосферное давление = 101325 Па &#8776 760 мм ртутного столба ≈ 1 абсолютный бар), является частичным вакуумом.

То абсолютное давление, значение которого выше уровня нормального атмосферного давления, может быть также обозначено как избыточное давление, с точкой отсчета, за которую принято стандартное атмосферное давление. Абсолютное давление равно избыточному давлению плюс атмосферному давлению.

На письме, то, что указывается именно абсолютное давление, иногда подчеркивают литерой а как в русском, так и в английском и немецком языках, например: бар(а). Например, давление на уровне моря примерно составляет 1 бар(а).

Избыточное давление

Понятие избыточного давления также, как и абсолютного давления, относится к точке отсчета для указания давления. Избыточное давление — это то давление, для указания которого используется, в качестве точки отсчета, нормальное атмосферное давление.

Избыточное давление равно абсолютному давлению минус атмосферное давление. Например, давление на уровне моря, которое составляет 1 бар(а), может быть также указано как избыточное давление, составляющее 0 бар(и).

На письме указание на избыточное давление иногда подчеркивается литерой и в русском языке, g в английском (от слова gauge, то есть прибор[ное давление] — т.к. на манометрах обычно отображается именно избыточное давление), и литерой ü в немецком (от слова Überdruck, то есть «сверхдавление»).

Атмосферное давление, нормальное атмосферное давление

Понятие атмосферного давления качественно отличается от понятий избыточного и абсолютного давления, и относится не к точке отсчета, а к месту измерения. Атмосферное давление — это давление, имеющееся в какой-либо точке измерения на Земле. Атмосферное давление может сильно варьироваться в зависимости от высоты и погодных условий. Что касается точки отсчета, то атмосферное давление — всегда абсолютное.

В качестве нормального атмосферного давления приняты, в рамках разных стандартов, разработанных разными организациями, разные значения — наиболее распространенным, однако, является принятие за нормальное атмосферного давления 101325 Па. Среди европейских производителей оборудования принято также условно считать это давление соответствующим 1 бару.

Дифференциальное давление

Дифференциальное давление — это разница между давлением в двух точках измерения. Оно не является ни абсолютным, ни избыточным, и используется обычно как показатель падения давления на каком-либо оборудовании или его составляющем компоненте (чаще всего — на фильтрах для очистки сжатого возудха и газов).

Источник

Давление насыщенных паров

Анализируя материал предыдущего раздела можно сформулировать другое определение давления насыщенных паров – это давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данных термодинамических условиях и соотношении объемов фаз. Такая характеристика позволяет судить о склонности нефтей и нефтепродуктов к образованию паровых пробок, например в трубопроводе, потерях при испарении и хранении в резервуарах и т.д., и является основным показателем испаряемости и стабильности товарных нефтепродуктов.

Давление насыщенных паров р_S химически однородных жидкостей и азеотропных (не изменяющих свой состав в процессе испарения) веществ изучено достаточно хорошо. Установлено, что р_S зависит от температуры и может быть определено с помощью простой формулы:

где р_ST – давление насыщенных паров при температуре Т; р_STo – давление насыщенных паров при известной температуре Т_о; k – эмпирический коэффициент.

Давление р_S паров индивидуальных углеводородов и нефтяных фракций можно определить, пользуясь различными графиками или например табл. 1.8.

Для смеси жидких углеводородов согласно закону Рауля давление насыщенных паров зависит от давления насыщенных паров отдельных компонентов и от мольных концентраций. Парциальное давление р_i любого компонента в жидкой смеси равно произведению давления насыщенного пара р_Si чистого компонента на его мольную концентрацию х_i в чистом виде, т.е. упругость паров жидкости равна сумме давлений компонентов этой смеси, которую они бы имели, если бы каждый занимал при данной температуре весь объем смеси, т.е. сумме парциальных давлений, или согласно закону Дальтона (1802 г.) парциальное давление р_i компонента, входящего в состав паровой фазы, равно произведению мольной концентрации компонента в паровой фазе на общее давление, т.е

(1.21)

Таким образом, из уравнений (1.21÷1.22) имеем

Уравнение (1.23) известно под названием объединенного закона Дальтона – Рауля, согласно которому можно сделать важный вывод – в состоянии равновесия парциальное давление любого компонента смеси в паровой фазе равно парциальному давлению того же компонента в жидкости.

Из приведенного уравнения следует, что

Коэффициент k_рi, который называют константой равновесия, у отдельных компонентов зависит от температуры и давления и определяется, как правило, из специально составленных графиков. Приведенные уравнения позволяют, например, найти состав газовой фазы по известному составу жидкостей и наоборот.

Константы равновесия (в зарубежной литературе больше известны как константы фазового распределения) дают возможность прогнозировать материальный баланс многокомпонентных двухфазных систем (концентрации компонентов в разных фазах) при условии, если заданы давление и температура и известна также молярная концентрация i-го компонента в однофазном состоянии x_i 0 .

При определении давления насыщенных паров нефтей и нефтепродуктов на практике необходимо учитывать два случая:

· когда объем паровой фазы V_П по сравнению с объемом жидкой фазы V_Ж невелик, можно считать, что в состоянии насыщения состав жидкой фазы не меняется и что последняя находится в равновесии с насыщенным паром;

· когда V_П значительно больше V_Ж, испарение наиболее летучих компонентов продукта приводит к изменению состава жидкости и в состоянии насыщения пар находится в равновесии с жидкостью, но уже измененного состава. Давление пара в этом случае будет отличаться от давления пара, определенного для небольшого объема V_П и будет тем больше, чем меньше соотношение V_П/V_Ж.

Давление р_S при объеме паровой фазы, близком к нулю, принимает максимальное значение и определяется давлением паров наиболее легких углеводородов:

· Рейда, заключающимся в регистрации по манометру избыточного давления насыщенных паров нефтепродуктов, помещенном в специальную «бомбу» и нагретым до 37,8ºС (»38ºС), причем соотношение жидкой и паровой фаз в бомбе Рейда составляет 1:4 (ГОСТ 1756-52);

·

методом Валявского-Бударова, основанным на определении изменения объема паров смеси при нагреве нефтепродуктов до 37,8ºС в стеклянном приборе, при этом соотношение жидкой и паровой фаз принято равным 1:1.

Вязкость

Одной из наиболее характерных особенностей жидкостей является способность изменять свою форму, под действием внешних сил. Это свойство жидкости объясняется скольжением ее молекул относительно друг друга. Одна и та же сила создает в разных жидкостях разные скорости перемещения слоев, отстоящих один от другого на одинаковые расстояния. Однако способность молекул к скольжению не бесконечно велика, поэтому Ньютон рассматривает вязкость как «недостаток скольжения». Обычно вязкостью или внутренним трением называют свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц, вызываемому действием приложенной к жидкости силы.

явление внутреннего трения в жидкости с ее вязкостью было связано Ньютоном известной формулой

(1.39)

где t – напряжение внутреннего трения; dv/dR – градиент скорости по радиусу трубы или относительное изменение скорости по направлению, перпендикулярному к направлению течения, т.е. приращением скорости на единицу длины нормали; η – коэффициент (касательное усилие на единицу площади, приложенное к слоям жидкости, отстоящим друг от друга на расстоянии, равном единице длины, при единичной разности скоростей между ними).

Внутреннее трение, характеризуемое величиной η, немецкий ученый М. Якоб в 1928 году предложил называть динамической вязкостью. В технической литературе за η утвердилось наименование абсолютной вязкости, т.к. эта величина выражается в абсолютных единицах. Однако в абсолютных единицах можно выражать также и единицы кинематической и удельной вязкости. Термин «динамическая вязкость» соответствует физическому смыслу η, т.к. согласно учению о вязкости η входит в уравнение, связывающее силу внутреннего трения с изменением скорости на единицу расстояния, перпендикулярного к плоскости движущейся жидкости.

Впервые же динамическая вязкость была выведена врачом Пуазейлем в 1842 г. при изучении процессов циркуляции крови в кровеносных сосудах. Пуазейль применил для своих опытов очень узкие капилляры (диаметром 0,03÷0,14 мм), т.е. он имел дело с потоком жидкости, движение которого было прямолинейно послойным (ламинарным). Вместе с тем исследователи, работавшие до Пуазейля, изучали закономерность истечения жидкости в более широких капиллярах, т.е. имели дело с возникающим турбулентным (вихревым) истечением жидкости. Проведя серию опытов с капиллярами, соединенными с шарообразным резервуаром, через которые под действием сжатого воздуха пропускался некоторый объем жидкости, определенный отметками, сделанными сверху и снизу резервуара, Пуазейль пришел к следующим выводам: 1) количество жидкости, вытекающее в единицу времени, пропорционально давлению при условии, что длина трубки превышает некоторый минимум, возрастающий с увеличением радиуса; 2) количество жидкости, вытекающее в единицу времени, обратно пропорционально длине трубки и прямо пропорционально четвертой степени радиуса. Формула Пуазейля в современной редакции выглядит следующим образом:

где η – коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость); Р – давление, при котором происходило истечение жидкости; τ – время истечения жидкости в объеме V, L – длина капилляра; r – радиус капилляра.

Единицей динамической вязкости является сила, необходимая для поддержания разности скоростей, равной 1 м/с, между двумя параллельными слоями жидкости площадью 1 м 2 находящимися друг от друга на расстоянии 1 м, т.е. единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является

Единица динамической вязкости, выраженная в физической системе измерения СГС, в честь Пуазейля называется пуазом, т.е. за единицу динамической вязкости принимают сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев площадью 1 см 2 , отстоящих друг от друга на 1 см, под влиянием внешней силы в 1 дн при скорости перемещения в 1 см 1 с. Динамическую вязкость при температуре t обозначают η_t.

Приближенное совпадение численного значения динамической вязкости воды при 20°С с 1 сантипуазом (сП) дало повод Бингаму предложить построить систему единиц вязкости, в которой исходной единицей является динамическая вязкость воды при 20°С, принимаемая по Бингаму за 1 сП (точнее η₂₀ воды равна 1,0087 сП). Таким образом, для большинства практических измерений с достаточной точностью можно считать, что η₂₀ воды соответствует 1 сП. Это представляет большое удобство в практической вискозиметрии, для которой большое значение имеют жидкости с постоянными физико-химическими константами, имеющие точно известную вязкость при данной температуре. Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользуется так называемая удельная вязкость, показывающая, во сколько раз динамическая вязкость данной жидкости больше или меньше динамической вязкости воды при какой-то условно выбранной температуре. Таким образом, удельная вязкость представляет собой отвлеченное число.

Величина, обратная динамической вязкости, носит название текучести и обозначается знаком Т.

Вязкость нефтей и нефтепродуктов зависит от температуры, увеличиваясь с ее понижением. Наибольшее применение для практических расчетов подучила формула Рейнольдса-Филонова

где u – коэффициент крутизны вискограммы, 1/К; n * , n – кинематическая вязкость при известной температуре Т_ж и при температуре Т; e – основание натурального логарифма.

Для нахождения коэффициента крутизны вискограммы для данного продукта достаточно знать значения вязкостей при двух температурах Т₁ и Т₂..

Динамическая и кинематическая вязкости – это вполне определенные физические характеристики, которые, как и все другие величины, выражены в абсолютных единицах и могут быть подставлены в те или другие расчетные формулы. В случаях, когда вязкость применяется не как расчетная величина, а как практическая характеристика нефтепродукта, ее принято выражать не в абсолютных, а в относительных, или условных, единицах.

Подобный способ выражения вязкости является результатом неправильного представления о том, что определение динамической и кинематической вязкостей отличается сложностью, и применения на практике упрощенных технических приборов, дающих показания в условных единицах вязкости. Неудобство всех условных, или относительных, единиц вязкости заключается в том, что вязкость, выраженная в этих единицах, не представляет собой физической характеристики нефтепродукта, т.к. она зависит от способа определения, конструкции прибора и других условий. Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользуется так называемая удельная вязкость.

В различных странах в зависимости от выбора стандартных аппаратов для определения условной вязкости приняты различные условные единицы вязкости. Для пересчета в абсолютные единицы существуют эмпирические формулы, однако все эти формулы носят лишь приближенный характер, а некоторые из них просто неточны. Поэтому, если необходимо определить вязкость нефтепродукта в абсолютных единицах, следует определять ее непосредственно и только в крайних случаях прибегать к пересчету. Условную вязкость выражают условными единицами: градусами или секундами. Эти единицы обычно представляют собой либо отношение времени истечения определенного объема исследуемого продукта при данной температуре ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости при определенно установленной температуре, либо просто время истечения определенного объема испытуемой жидкости.

Как сказано выше, вязкость характеризует свойство данной жидкости оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Такое сопротивление наблюдается как при движении жидкости относительно какого-либо тела, так и при движении какого-либо тела в жидкости. Оба эти случая дают принципиальную возможность измерения вязкости различными способами. Наиболее удобным способом измерения вязкости при движении жидкости относительно твердого тела является наблюдение над истечением исследуемых жидкостей из капиллярных трубок. Для расчета пользуются формулой Пуазейля. Для расчета значений вязкости при движении каких-либо тел в жидкости может быть применен ряд формул, в которых учитываются характер движе­ния и форма движущегося тела. Из этих формул наибольшее значение имеет приводимая ниже формула Стокса для расчета вязкости по скорости падения твердого шарика в жидкости. Способы измерения вязкости, основанные на истечении жидкости из капиллярных трубок, широко распространены. Напротив, способы, построенные на принципе движения твердого тела определенной формы в вязкой жидкости, применяются сравнительно редко вследствие того, что даже для тел простейшей формы соответствующие уравнения движения получаются очень сложными. Эти способы находят себе применение преимущественно в тех случаях, когда способы, основанные на втором принципе, т.е. на истечении жидкости из капилляров, практически неприменимы вследствие экспериментальных трудностей.

Источник