NPSH
Die Bezeichnung NPSH ist die engl. Abkürzung für "Net Positive Suction Head" und eine wichtige Größe zur Beurteilung des Saugverhaltens einer Kreiselpumpe. Sie ermöglicht eine Aussage über die Sicherheit gegenüber Auswirkungen der Kavitation während des Betriebes. In der Norm DIN EN ISO 17769-1 wird der Begriff der "Haltedruckhöhe" als Synonym für den NPSH-Wert verwendet. Da zu beider Berechnung verschiedene Bezugsebenen definiert sind, können sie sich im Zahlenwert um zs (geodätischer Höhenunterschied der beiden Bezugsebenen s und s') unterscheiden. In der Praxis wird nur der NPSH-Wert verwendet.
Im Verlauf der Strömung durch das Laufrad einer Kreiselpumpe kommt es insbesondere am Schaufelkanaleintritt zunächst zu einer Absenkung des statischen Drucks gegenüber dem Wert vor dem Laufrad. Die Höhe der Druckabsenkung ist von der Drehzahl, Dichte, Geometrie des Laufradeintrittes und Viskosität der Förderflüssigkeit sowie dem Betriebspunkt und Geschwindigkeitsprofil der Zuströmung abhängig.
Zur Vermeidung von Kavitation oder zur Begrenzung auf ein akzeptables Maß muss der Druck vor dem Laufrad um einen bestimmten Wert über dem Dampfdruck des Fördermediums liegen. Um das Auftreten, das Ausmaß oder die Auswirkungen von Kavitation in einer Kreiselpumpe zu beurteilen, sind zwei NPSH-Werte zu vergleichen. Dies sind der für die Pumpe erforderliche (NPSHR mit "R" für required) und der von der Anlage vorhandene NPSHA-Wert (NPSHA mit "A" für available).
NPSH der Anlage
Der NPSH-Wert der Pumpenanlage (NPSHA) ist definiert als
Die Stelle s bezieht sich auf die Mitte des Saugstutzens. Bei fehlendem Pumpensaugstutzen wie bei einer Rohrleitungspumpe mit Schweißverbindung (Einschweißpumpe) oder Tauchpumpe mit Einlaufdüse muss eine diesem entsprechende Stelle s definiert und bei Angabe des NPSHA-Wertes kenntlich gemacht werden. siehe Abb. 1 NPSH
Der Gesamtdruck an der Stelle s kann angegeben werden als:
Der Bezugspunkt s' für den NPSH-Wert ist der Schnittpunkt der Pumpenwellenachse mit der zu ihr senkrechten Ebene durch die äußeren Punkte der Schaufeleintrittskante als Mittelpunkt des Laufrades. siehe Abb. 2 NPSH
Damit wird der NPSH-Wert der Anlage wie folgt berechnet:
Mit den Werten im Eintrittsquerschnitt der Anlage gilt:
Die Verlusthöhe beinhaltet auch etwaige Verluste durch Einlässe sowie Armaturen und Formstücke usw.
NPSH der Pumpe
Der NPSH-Wert der Pumpe (NPSHR) ist ähnlich definiert wie der NPSH-Wert der Anlage mit denselben Bedeutungen der innerhalb der Klammern stehenden Formelzeichen:
Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die Summe der durch die Klammern bezeichneten Größen einen gewissen pumpen- und einsatzspezifischen Minimalwert (min) nicht unterschreiten darf.
Ist dem nicht so, werden die Kavitationkriterien für Kreiselpumpen verletzt.
Bei der Angabe des NPSHR-Wertes ist es unerlässlich, das zugehörige Kavitationskriterium mit anzugeben. Diese Kriterien können sein:
- Kavitationsbeginn (incipient cavitation) NPSHi
- eine bestimmte Ausdehnung der Kavitationszone auf den Schaufeln
- Beginn des Förderhöhenabfalls durch Kavitation (NPSH0)
- kavitationsbedingter Förderhöhenabfall um 3 % (NPSH3)
Dabei sind die drei zuerst genannten Kriterien weniger gebräuchlich und der Nachweis für das Kriterium NPSHi erfordert einen sehr großen versuchstechnischen Aufwand. Häufig wird deshalb NPSHR = NPSH3 vereinbart. Alle genannten Kavitationskriterien und ihre davon abgeleiteten NPSH-Werte ändern sich mit dem Betriebspunkt. siehe Abb. 3 NPSH
Die Kurven für das von einem bestimmten Laufrad geforderte NPSHR sind über dem relativen Förderstrom aufgetragen. Als Parameter sind die Erscheinungsformen der Kavitation genannt, z. B. die Länge (LBl) der entstehenden Blasenschleppen im Verhältnis zur Schaufelteilung (t) (siehe Schaufelgitter). Wird in dieses Diagramm die Kurve des anlagenseitigen NPSHA-Wertes übertragen, kann abhängig vom Förderstrom die zu erwartende Erscheinungsform der Kavitation abgelesen werden. Der oberste Kurvenverlauf (NPSHi) gibt den Zustand beginnender Kavitation an. Ist NPSHA so hoch, dass NPSHi überschritten wird, tritt keine Kavitation auf und das Laufrad läuft kavitationsblasenfrei. Je weiter NPSHA absinkt, umso mehr steigt die Kavitationsschleppenlänge an.
Von einem Minimum aus, das im Schnittpunkt der Linien für druck- und saugseitige Kavitationserscheinungen liegt, steigen die Blasenschleppenlängen nach Teil- und Überlast hin bei konstantem NPSHA an. Der Förderstrom, bei dem dieses Minimum vorliegt, entspricht der Strömungsrichtung des stoßfreien Eintritts, die zu den geringsten Übergeschwindigkeiten auf der Schaufeldruck- und -saugseite führt. Er wird daher auch als stoßfreier Förderstrom (Qstoßfrei) bezeichnet.
Ist der Förderstrom (Q) kleiner als der stoßfreie Förderstrom (Qstoßfrei), tritt die Kavitation auf der Schaufelsaug- und bei umgekehrtem Förderstromverhältnis auf der Schaufeldruckseite auf. Zur Ermittlung von NPSHR sind meistens Versuchserfahrungen ausschlaggebend, insbesondere:
- bei der Umrechnung des NPSH-Wertes der Pumpe von einer auf eine andere Drehzahl
- bei ähnlichen Pumpen von einer auf eine andere Pumpengröße
- von einem auf ein anderes Fördermedium (besonders bei Anwesenheit von Luft in gelöstem oder ungelöstem Zustand) (siehe Gasgehalt im Fördermedium)
Der Betriebspunkt einer Kreiselpumpe kann nur dann ein Dauerbetriebspunkt sein, wenn in diesem Punkt gilt:
Zwischen dem NPSH-Wert und der nicht mehr gebräuchlichen Haltedruckhöhe besteht folgender einfacher Zusammenhang:
Bei Horizontalpumpen besteht aufgrund des fehlenden Höhenunterschiedes (zs = 0) kein Unterschied zwischen dem NPSH-Wert und der Haltedruckhöhe. Im Zusammenhang mit dem NPSH-Wert werden auch folgende Kennzahlen verwendet:
Bei der Förderung von Kohlenwasserstoffen oder Wasser mit hohen Temperaturen ist der gemessene NPSH3-Wert kleiner als bei Kaltwasser. Somit läßt sich bei Abnahmeversuchen mit Kaltwasser der tatsächlich erforderliche NPSH-Wert für Kohlenwasserstoffe bzw. Heißwasser reduzieren:
Kohlenwasserstoffe nach HI (Standards of the Hydraulic Institut, New York)
Heißwasser siehe Abb. 4 NPSH
