Alt om Sjøfart!

PumpeTeori

Sentrifugalpumpe

En sentrifugalpumpe omdanner inngangseffekt til kinetisk energi i et fluid ved å akselerere fluidet ved en roterende enhet – et skovlhjul . Den mest vanlige typen er en spiralpumpe. Fluid kommer inn i pumpen gjennom øyet av pumpehjulet som roterer ved høy hastighet. Fluidet akselereres radialt utover fra pumpens omdreiningsakse. Et vakuum opprettes i øyet av pumpehjulet som kontinuerlig trekker mer væske inn i pumpen.

Dersom utgangsrøret av en sentrifugalpumpe peker rett opp i luften vil fluidet pumpes til en viss høyde – eller hode – kalt stengehodet. Denne maksimale høyden er hovedsakelig bestemt av den ytre diameteren av pumpens løpehjul, og hastigheten av den roterende akselen. Høyden vil endres når pumpens kapasitet forandres.

Trykket fra pumpen vil endre seg dersom den spesifikke vekten av væsken forandrer seg, men pumpehøyden vil ikke. Sammenhengen mellom trykk og pumpehøyde:

                            formel

Pumpens Virkningsgrad

Pumpens virkningsgrad er forholdet mellom utnyttet pumpeeffekt og tilført effekt. Pumpeeffekt er lik trykk multiplisert med kapasitet.

η=PQ/E=ρgHQ/E

η=Pumpens virkningsgrad
H= Pumpensløftehøyde (m)
ρ=Væskens egenvekt (kg/m )
Q=Kapasitet (m /s)
P=Pumpetrykk (Pa)
E=AkseleffektW)

Kavitasjon

Kavitasjon er et fenomen som forekommer i hurtige væskestrømmer. Synker det statiske trykket i en væske under damptrykket, dannes dampbobler som, når trykket på nytt stiger, kondenseres på en sjokkartet måte. Dette får boblene til å klappe sammen med et slag, slik at lokale og heftige trykkøkninger skapes. Sammenklappingen kan f.eks. høres som en sterk rasling i vannrør, og kan i maskiner, f.eks. en vannturbin, gi seg til kjenne som sterke rystelser.

Kavitasjon kan også forårsake hurtige opptæringer av metalliske materialer når den foregår på overflaten av dem, noe som skaffer store problemer bl.a. for vannturbiner og hurtiggående propeller. Ved sammenklappingen av boblene blir oksygen, som opprinnelig var løst i vannet, og som ble frigjort med dampen, presset inn mellom metallets korngrenser under det høye trykket som oppstår, slik at en sterk korrosjon fremkommer. Fenomenet representerer årlig betydelige tap; derfor blir det ofret store summer på forskningen av området.

På grafen under ser vi vannets damptrykk-kurve. Når vannet er i flytende er det to måter å få det til å dampe/koke på.

  1. Øk temperaturen
  2. Senk Trykket

Når en veske kommer inn i et pumpesystem, f.eks. en sentrifugalpumpe vil trykket minke etterhvert som det nærmer seg øyet av pumpen. Dette er visualisert ved kurven under.

Som vi ser på den øverste grafen får vi ingen kavitasjon. Det er fordi væskens damptrykk er lavere enn trykket skapt i pumpen. I den nederste grafen er situasjonen en annen. Her ligger væskens damptrykk over trykket skapt i pumpen. Dette gjør at vannet vannet koker og følgelig skapes bobler. Boblene forblir bobler så lenge damptrykket er høyere enn trykket i pumpen. når boblene kommer nærmere uttaket øker trykket og boblene imploderer.

Denne implosjonen skaper et voldsomt trykk (opptill 60.000 psi) og når dette forekommer over lang tid, vil integriteten til metallet i pumpen svekkes og kavitasjonsskade oppstår. Se bildet under

Støy er en god indikasjon på skade fra kavitasjon. Først høres det ut som grus fyker gjennom pumpen, så steiner og så digre kampesteiner. Deretter går det over i hvit støy.

 Systemkarakteristikk og pumper 

Pumper er en del av et større system hvor væsker pumpes etter behov. Systemkurven representerer behovet og kan representeres med løftehøyde mot rate. Behovet består av to deler: Trykktap grunnet friksjon i systemet og hydrostatisk trykk grunnet høydeforskjell. Med system mener vi rør eller rørledning samt komponenter (f.eks. ventiler) som medfører trykktap. En skisse av en pumpe som pumper væske i gjennom en rør/rørledning fra åpen tank A til åpen tank B er vist i figur 5.14. Også vist er en ventil nedstrøms pumpen. Trykktapet grunnet friksjon i turbulent strømning i rør/rørledning er proporsjonalt med volumraten i følge Darcy-Weisbach ligningen. Det hydrostatiske trykket i figuren under bestemmes av høydeforskjellen mellom væskenivået i de to tankene. Med henvisning til figuren (fire typiske pumpesituasjoner) må vi ta hensyn til overtrykket hvis én eller begge tankene er lukket. Vi bør notere oss at hvis en lukket tank er en olje-gass separator vil overtrykket være metningstrykket til oljen.

fesks

To systemkurver (A og B) for pumping er vist i figuren under. Også vist er to pumpekurver (No og N1). Det punktet hvor en systemkurve og en pumpekurve krysser hverandre (indikert med sirkel for system A og turtall No) bestemmer volumraten; det er kun i det punktet som pumpesystemet er i balanse eller stabilt. Lineær stabilitetsteori forteller oss at fordi gradientene til kurvene har motsatt fortegn er systemet stabilt. Vi kan tenke oss at den nederste systemkurven representerer en rørledning uten struping. Men hvis ventilen nedstrøms pumpen brukes for å strupe strømningen øker trykktapet i rørledningen slik at den øverste systemkurven gjelder. Da vil systemkurven krysse pumpekurven(e) ved lavere volumrate.

okoko

Ved bruk av variabel driv (se nedenfor) kan rotasjonshastigheten (turtallet) til en pumpe varieres. Vi kan tenke oss at den øverste pumpekurven, No i figuren over representerer en sentrifugalpumpe som roterer ved omtrent 1500 RPM. I reelle pumper er turtallet vanligvis litt lavere enn det ideelle turtallet; antageligvis grunnet forskjellig tap i overføringssystemet (transformator, motor, pumpe). I følge skaleringsloven for løftehøyde vil 10 % lavere turtall (1350 RPM) gir omtrent 20 % lavere løftehøyde for samme volumrate. Og, i følge skaleringsloven for volumrate vil 10 % lavere turtall gi omtrent 10 % lavere volumrate for samme løftehøyde. Skaleringslovene gjelder kun eller er mest riktige ved konstant virkningsgrad. Formen (fasongen) på virkningsgradskurven er derfor viktig. To kurver er vist i figuren under, begge er konkav ned. Virkningsgrad A er høyere enn virkningsgrad B men den faller raskere av ved både lave og høye rater. Virkningsgrad B er lavere og flatere og derfor bedre egnet i situasjoner hvor lasten forandres. Vi må vurdere fordelene og ulempene ved å bruke en pumpe med virkningsgrad A eller virkningsgrad B. I en situasjon hvor vi skal pumpe store volumer ved konstant volumrate vil pumpe A være å foretrekke. Motsatt vil pumpe B være å foretrekke i situasjoner hvor volumraten varierer, f.eks. i produksjon av olje og gass som avtar med tid.

jjjnj

Parallell- og seriekobling 

Vi kan ha situasjoner hvor én pumpe ikke kan oppfylle systemkurvens krav om rate og/eller løftehøyde. For å oppfylle krav om volumrate kan vi bruke to pumper i parallell (ved siden av hverandre). For å oppfylle krav om løftehøyde kan vi bruke to pumper i serie (etter hverandre). En enkel skisse av pumper i parallell og serie er vist i figuren under. Systemkurven og løftekurven for to pumper i parallell er vist under. For å uttrykke den totale pumpekurven adderer vi ratene til pumpe A og B for samme løftehøyde. Hvis kun pumpe A er i drift vil raten være qA og hvis begge pumpene er i drift vil raten være qA+qB. For identiske pumper vil den totale raten ikke være dobbelt så stor som raten til én pumpe fordi systemkurven stiger kvadratisk med volumrate. Formen påpumpekurven(e) gjør at løftehøyden også øker men ikke som hovedintensjon.

osidjds

Pumpe A og pumpe B i parallell i figuren over trenger ikke å være like eller like store.  Men det kan være en fordel med like og like store pumper som arbeider mot samme systemkurve. Like og like store pumper vil ha samme behov for tilløpshøyde og vil ha samme virkningsgrad i drift. Bruken av ulike pumper kan føre til ustabil fordeling av væske og dermed varierende virkningsgrad. Figur over viser enveisventiler nedstrøms hver av pumpene. Formålet med ventilene er stabil drift. Ventilene er plassert nedstrøms pumpene men ikke oppstrøms fordi ekstra trykktap oppstrøms vil redusere tilgjengelig løftehøyde NPSHA. Det er vanlig å installere to eller flere pumper i parallell for å gi reserve (eng. sparing). Mens én pumpe er nok for vanlig drift installeres en reservepumpe for å kunne opprettholde pumpingen hvis den aktive pumpen havarerer eller skal

vedlikeholdes. Det mer viktig pumpingen er for kontinuerlig oljeproduksjon, desto mer viktig å installere reservepumpe(r). En pumpe ut av drift skal ikke stoppe pengemaskinen, selve olje- og gassproduksjonen. Installering av reservepumper avhenger gjerne av pumpestørrelsen. Små pumper er ikke så dyre så det installerers gjerne én ekstra pumpe, spesifisert som 2·100 %. For store pumper så installeres det gjerne 3·50 % eller 3·33 % alt etter hvor kritisk pumpingen er for prosessen. I industrien brukes tilgjengelighetsanalyse og risikoanalyse (Risk Analysis Method, RAM) for å bestemme sparing av pumper, og annet prosessutstyr.

idanwiudhawiu

To pumper i serie øker løftehøyden ved samme volumrate. For å uttrykke den totale løftehøyden adderer vi løftehøydene til pumpe C og D (en figur opp) for samme volumrate som vist i figur 5.20. Hvis kun pumpe C er i drift vil løftehøyden være hC og hvis begge pumpene er i drift vil løftehøyden være hC+hD. For identiske pumper vil den totale løftehøyden ikke være dobbelt så stor som løftehøyden til én pumpe fordi systemkurven er kvadratisk. Formen på pumpekurven(e) gjør at volumraten også øker men ikke som hovedintensjon. Igjen, enveisventilen er plassert nedstrøms for ikke å redusere NPSHA. Når store volumer skal pumpes til store høyder plasserer vi gjerne en mindre pumpe først for å hindre kavitasjon i hovedpumpen.

kdeodkeo

 


-- Last ned denne siden som PDF --


HTML Snippets Powered By : XYZScripts.com