NPSH hesabı nedir ve NPSHa nasıl bulunur?
NPSH (Net Positive Suction Head, net pozitif emme yüksekliği) hesabı, pompa girişinde suyun kaynayıp buharlaşmasını önleyecek kadar basıncın bulunup bulunmadığını kontrol eder. Pompa seçerken debi ve basma yüksekliği kadar önemli üçüncü değerdir. Sistemin pompa girişinde fiilen sağladığı değere mevcut NPSH (NPSHa) denir ve şu bağıntıyla bulunur: NPSHa = (Patm − Pv) / (ρ·g) ± hs − hf. Burada Patm atmosfer basıncı, Pv suyun o sıcaklıktaki buhar basıncı, hs su yüzeyi ile pompa ekseni arasındaki kot farkı, hf ise emme hattı kaybıdır.
Kural basittir: NPSHa, pompanın gerekli değeri olan NPSHr'den belirgin biçimde büyük olmalıdır. NPSHr değeri pompa üreticisinin deneysel eğrisinden okunur ve debi arttıkça yükselir. Üreticiler NPSHr değerini genellikle basma yüksekliğinin yüzde 3 düştüğü noktaya göre tanımlar; bu nedenle sınır değerde çalışmak kavitasyonun başlangıcına çok yakın olmak demektir.
Kavitasyon nedir ve pompaya neler yapar?
Pompa girişinde basınç suyun buhar basıncının altına düşerse sıvı yerel olarak kaynar ve buhar kabarcıkları oluşur. Bu kabarcıklar çarkın yüksek basınçlı bölgesine ulaştığında ani biçimde çöker. Çökme anında oluşan mikro şok dalgaları metal yüzeyi aşındırır, gürültü ve titreşim yaratır, debi ve basma yüksekliğini düşürür. Kavitasyon yapan pompa çoğu zaman içinde çakıl taşı dönüyormuş gibi bir ses çıkarır.
Sürekli kavitasyon pompanın ömrünü kısaltır. Çark yüzeyinde süngerimsi çukurlar, yatak arızaları ve mekanik salmastra hasarı tipik sonuçlardır. Önlemek için emme tarafının yeterli basınçla beslenmesi gerekir; bu yeterlilik NPSH kavramıyla ölçülür.
Sıcaklık ve rakımın NPSHa değerine etkisi
Aşağıdaki değerler, deniz seviyesinde (101,3 kPa) kot farkı ve emme kaybı sıfırken, formülün basınç terimi olan (Patm − Pv)/(ρ·g) değerini verir. Su sıcaklığı 10 °C iken buhar basıncı 1,23 kPa ve terim 10,21 m; 20 °C iken 2,34 kPa ve 10,11 m; 40 °C iken 7,38 kPa ve 9,65 m; 60 °C iken 19,94 kPa ve 8,44 m; 70 °C iken 31,19 kPa ve 7,31 m; 80 °C iken 47,39 kPa ve 5,66 m; 90 °C iken 70,14 kPa ve 3,29 m olur. Yani 20 °C yerine 80 °C su çekmek, kullanılabilir basınç yüksekliğini yaklaşık 4,45 m azaltır; 90 °C'ta ise geriye yalnızca 3,3 m kalır.
Rakım atmosfer basıncını düşürerek NPSHa değerini azaltır. 20 °C su için basınç terimi, deniz seviyesinde 10,11 m (101,3 kPa); 500 m rakımda 9,51 m (95,5 kPa); 1000 m rakımda 8,94 m (89,9 kPa); 1500 m rakımda 8,40 m (84,6 kPa); 2000 m rakımda 7,88 m (79,5 kPa) çıkar. 1000 m rakımda kayıp yaklaşık 1,2 metredir. Yüksek rakımdaki ve sıcak su çeken tesislerde bu iki etki birleştiğinden emme koşulları en kritik hale gelir.
Pozitif ve negatif emme: kot farkı ve emme hattı kaybı
Su seviyesi pompanın altındaysa (negatif emme) kot farkı formülden çıkarılır; üstündeyse (pozitif ya da şarjlı emme) eklenir. Bu yüzden pompayı deponun altına yerleştirmek, NPSHa değerini yükseltmenin en güvenilir yoludur. Emme hattındaki sürtünme kayıpları da son olarak düşülür. Her terim hesaplayıcıda ayrı girilir, böylece hangi kalemin sorun yarattığını görebilirsiniz.
Emme hattında kaybı küçük tutmak için hız 1 m/s civarında seçilir, hat kısa ve düz tutulur, dirsek, vana ve süzgeç sayısı azaltılır. Emme hattında çek valf ve süzgeç kayıpları unutulmamalı, süzgeç kirlendiğinde artan kayıp da hesaba katılmalıdır. Emme borusunun pompa girişinden daha küçük çaplı olmaması önerilir.
Hesaplayıcı açık yüzeyli, atmosfer basıncına açık bir kaynak varsayar. Basınçlı kapalı bir depodan ya da kapalı devreden çeken pompalarda atmosfer basıncı yerine emme tarafındaki mutlak basınç esas alınmalıdır.
Güvenlik payı ve NPSHa yetersizse ne yapılır?
Hesaplayıcı NPSHa değerinin NPSHr değerinden en az 0,5 metre büyük olmasını arar; kritik uygulamalarda bu pay 1 metreye ya da NPSHr değerinin yüzde 20-30 fazlasına çıkarılır. Pay ne kadar büyükse çalışma o kadar güvenlidir; çünkü kirlenen süzgeç, düşen su seviyesi ya da artan debi NPSHa değerini zamanla azaltır.
NPSHa yetersizse beş yoldan biri izlenir: pompayı su seviyesine yaklaştırmak ya da şarjlı hale getirmek; emme hattını büyütmek, kısaltmak ve armatür sayısını azaltmak; su sıcaklığını düşürmek; daha düşük NPSHr değerine sahip bir pompa seçmek; pompa devrini düşürmek. Devir düştüğünde NPSHr yaklaşık devrin karesiyle azalır. Sıcak su uygulamalarında pompa mutlaka şarjlı konumlandırılır ve sistem basıncı buhar basıncının yeterince üzerinde tutulur.
40 °C suyu 3 m negatif emme ile çeken pompada NPSH hesabı
- Veriler: deniz seviyesi, T = 40 °C, pompa su seviyesinin 3 m üstünde, hf = 1,0 m, NPSHr = 3,5 m.
- Atmosfer basıncı 101,3 kPa, buhar basıncı 7,38 kPa, yoğunluk 992,2 kg/m³.
- Basınç terimi: (101,3 − 7,38) × 1000 / (992,2 × 9,81) = 9,65 m.
- NPSHa = 9,65 − 3 − 1,0 = 5,65 m.
- Gerekli değer 3,5 + 0,5 = 4,00 m; kalan pay 1,65 m olduğundan kavitasyon riski yoktur.
- Sıcaklık duyarlılığı: aynı tesisat 80 °C su çekseydi NPSHa 1,66 m'ye düşer, kalan pay -2,34 m olur ve kavitasyon riski ortaya çıkardı.