NPSH の計算: ステップ

May 19, 2023

これは 5 部構成のシリーズの最初の記事です。

心理学の世界、特に内省的な問題の分野では、「抵抗したものは持続する」とよく言われます。

前にも聞いたことがありますが、もう一度お話します。 ポンプの世界で最も誤解されている概念は、正味吸込揚程 (NPSH) であると言われています。 私はこのテーマについていくつかの記事を書いており、他の多くのポンプ技術者やエンジニア、いわゆる専門家も同様に書いています。

NPSH という名前自体は頭字語であり、ほとんどのポンプ初心者を混乱させます。 この主題と必要な計算は、この業界に不慣れな人々、周辺にいる人々 (オペレーターまたは管理者)、および 25 年の業界経験を経てもこの主題を完全に理解していると誤って信じている専門家を混乱させます。

利用可能な NPSH (NPSHa) の計算に関する間違いは非常に頻繁に発生し、修正するには費用がかかるため、この問題について懸念する必要があると提案します。

私の職の楽しい部分の 1 つは、年に数か所のポンプ学校で教え、コースの大部分を NPSH の概念の理解と計算の完了方法の主題に費やすことです。 教育プロセスでは、通常の業界アプリケーションで遭遇する可能性が高い 5 つの主要な例を取り上げます。 例は、「Cameron Hydraulic Data Book」の第 1 章から抜粋したものです。

このコラムではまずこれら 5 つの例について説明し、その後 4 か月間にわたって、これら 5 つの例とそれぞれのいくつかのバリエーションを学習すれば、現実世界で遭遇するアプリケーションを処理できるようになるという基本的な楽観的な意図で説明します。 今から感謝祭までの間に、便利な参考資料として 5 つのコラムすべてを読んでファイルしておくとよいでしょう。 背景として、この主題に関する私の以前の 2 つのコラム、1 つは 2015 年 8 月の Pumps & Systems のコラム、もう 1 つは 2018 年 4 月のコラムを再検討してください。

正味正味吸引揚程は、液体のフィート (またはメートル) 単位の総吸引揚程から、ポンプで送られる液体の蒸気圧 (フィートまたはメートル) を引いたものです。

頭は力のような圧力ではなく、エネルギーレベルとして考えてください。 すべての値は絶対値です。

NPSHa は、ポンプの中心線またはインペラのアイで測定されます。 これら 2 つは異なる場所または高度にある場合があります。 NPSHa は、ポンプの入口またはインペラの目での液体の利用可能なエネルギー レベルと考えてください。 十分な NPSHa が存在しない場合、液体は蒸発して蒸発します。 NPSHa と吸引圧力を混同しないでください。 吸入圧力はある意味、混合要素の一部ですが、話にはもっと複雑なものがあります。

NPSHa は、システムがポンプ インペラのアイで利用できる NPSH の量です。 この NPSHa 値は完全に液体、その特性、周囲条件、吸引システムの設計と形状の関数です。 基本的に、計算は吸引システム自体に関するものであり、ポンプとは関係ありません。 この計算は、システム所有者、エンド ユーザー、および/またはそのエンジニアやコンサルタントが完了する必要があります。 責任上の理由から、メーカーは通常、顧客の計算に関与しないように指示されます。 しかし、時間が経つにつれて、製造業者は主に保存の問題としてより関与するようになりました。

必要な NPSH (NPSHr) は、経験的な方法と油圧協会 (HI) の規格および仕様を使用してポンプ メーカーによって決定されるのが最も一般的です。 通常、NPSHr 値はポンプの性能曲線で報告されます。

NPSHr と NPSH3 は本質的に同じものであることに注意してください。 所定の揚程と流量の動作点では、NPSH が不十分なためにポンプはすでにわずかにキャビテーションが発生しており、流量が一定の値に固定されているにもかかわらず、発生した揚程は 3% 低下しています。

NPSH マージンは、NPSHa 値が NPSHr をどれだけ超えるかです。 推奨または適切なマージンにはガイドラインがあり、マージンは高いほど良いと思います。 この件に関する詳細については、ANSI/HI 9.6.1-2012 を参照してください。

私は数式を「友達」と考えるのが好きです。なぜなら、使用する正しい数式がわかれば、数式内の項や成分の値を入力するだけで、数学の手順を完了して正しい答えを導き出すことができるからです。 大学では、このプロセスを「プラグアンドチャグ」と呼んでいました。 何人かの友人は、授業や私の記事で公式を参照した瞬間に、読者の 50 パーセントを失うと言っていました。 したがって、数式を凝視したり嫌いな人は、おそらく、数式に近づく前に、画像 1 をしばらく見て、そこで何が起こっているのかを確認したほうがよいでしょう。

画像 1 では、周囲温度 (68 F、比重が 1.0 になることも意味します) の透明な水のタンクがあり、大気圧に開放されています。 ここでは、タンクとポンプ システムが海面に近い高さにあります。 タンク内の水位の上面はポンプの中心線から 10 フィート上です。 液体の供給源がポンプ インペラの上にあるため、これを「浸水吸引」と呼びます。 タンクからポンプ吸引口までの適切なサイズの配管があり、エルボと完全に開いた遮断弁が付いています。 この例では、水位が 10 フィートで一定のままであると仮定しますが、現実の世界では、より低いレベルになる可能性が高い、より悪い条件で NPSHa を計算する必要があります。

この時点で、図から得た情報だけで、摩擦ヘッドを除く、NPSHa の計算に必要なすべてのデータが得られます。 この最初の例では、問題を単純にするために摩擦水頭を計算します。 通常、速度ヘッドの値は小さいため無視します。

今後の例では、摩擦ヘッドの計算方法について説明し、速度ヘッドが結果にどのような影響を与えるかどうかも計算して示します。

NPSHa を計算するには、次のことを知っておく必要があります。

公式に戻ります（はい、記事に滑り込ませました）。

前に述べたように、これら 4 つのコンポーネントに実数を入力し、計算を完了して NPSHa を決定するための情報が得られます。

方程式 (ha) の最初の成分は、開放水槽上の絶対圧力の値を表します。 星系が海面にあることは以前に述べた。

開放タンク内の液体は大気圧の影響を受けます。 海面では、大気圧は絶対圧 14.7 ポンド/平方インチ (psia) または 0 psi ゲージ (psig) 付近であると想定できます。

大気圧の変化は NPSHa 値に影響を与える可能性があることに注意してください。

ここで、大気圧を psia から頭頂部フィートに変換するだけです。 14.7 に 2.31 を掛けると、結果は 33.957 フィートとなり、34 フィートに四捨五入されます。 方程式の最初のコンポーネントの値は 34 フィートです。

より高い標高と真空の影響については、後の記事で説明します。

方程式の 2 番目の成分は、hvpa、つまりこの指定温度 68 F における液体の蒸気圧です。蒸気圧の値を取得するには、「Cameron Hydraulic Data Book」などの参考書で調べるだけです。 値 (飽和蒸気の絶対圧力) は通常、psia の単位で示され、温度によって直接変化し、また液体の種類ごとに異なります。

検索から取得する必要がある値は 0.33889 psia です。 フィート単位の頭数に変換するには、その数値に 2.31 を掛けます。 0.7828 フィートの値が得られます。 0.783 フィートに四捨五入します。 これで、方程式の 2 番目の値、0.783 フィートが得られました。

方程式の 3 番目の要素は静的ヘッド (hst) です。 これは、液体の表面からポンプの中心線 (羽根車の目) までの垂直方向の測定値です。 最悪のケース（予想される最低レベル）を考慮して計算することを忘れないでください。 この例では、静的高さは 10 フィートであると述べられています。 すでに正しい単位になっているため、変換する必要はありません。 これで、方程式の 3 番目のコンポーネントの値が 10 フィートになりました。

方程式の 4 番目の成分 (hf) は配管内の摩擦損失で、以前に 3.2 フィートの値を指定しました。 これで、答えを見つけるための 4 つの値がすべて揃いました。

与えられた 3.2 フィートの摩擦係数は、液体の特性、流量、パイプ (吸引システム) の材質と形状の関数であることに注意してください。 簡単に理解すると、特定の液体流量に対して、パイプの長さ、エルボ、バルブによる摩擦損失、タンクからの出口損失 (大から小への移行)、およびポンプへの入口損失 (パイプからポンプノズルまでの直径の変化）。 今後数か月以内に、後の例でパイプ摩擦の基礎についていくつか取り上げます。

最後に、式の 5 番目の要素である速度ヘッド (hvel) を扱っていないことに注意してください。 適切に設計されたシステム (非スラリー用途でニュートン液体を使用) では、速度ヘッドの値は通常 1 フィート未満になります。

速度ヘッドコンポーネントの値は正です。

現時点では、コンポーネントに入力して NPSHa の答えを計算するために必要な 4 つの値が得られています。

すべての単位はフィートです。 圧力は絶対値です。

この例を実行して、同じまたは類似の値が得られるかどうかを確認してください。

来月はリフト条件の NPSHa を計算します。 ここでお読みください。

後の版では、高地、熱い液体、炭化水素、および加圧吸引タンクの影響について検討します。 真空下での吸引条件についても説明します。

参考文献キャメロン油圧データブック、第 16 版

「よくあるポンプの間違い」コラムの他の記事を読むには、ここにアクセスしてください。

Jim Elsey は機械エンジニアであり、世界中のほとんどの産業市場で 47 年間にわたり、軍事およびいくつかの大手 OEM メーカー向けの回転機器の設計とアプリケーションに注力してきました。 エルシーは、米国機械学会、全米腐食技術者協会、および米国金属協会の積極的な会員です。 彼は、Summit Pump Inc. のゼネラルマネージャーであり、MaDDog Pump Consultants LLC の社長でもあります。 Elsey への連絡先は [email protected] です。