再びプライムタイムです、パート 1

Sep 27, 2023

高温ポンプの用途に関する私の 2022 年 6 月のコラムで、私は熱が材料の特性であると何度か述べたり暗示したりしました。 観察力と知識豊富な読者は、この年老いた技術者に、熱は技術的には性質ではなく、単に遷移中のエネルギーに過ぎないことを思い出させました。 熱はプロセス/パス関数です。 蒸気タービンと蒸気テーブルに関する私の長年の経験が私に思い出させたはずです。リチャード・モリエ氏にお詫び申し上げます。 さらに理解を深めたい好奇心旺盛な方は、熱、エンタルピー、エントロピーの定義を調べてください。

私はポンプ ユーザーから現場の問題を解決するよう依頼されることがよくあります。 多くの場合、根本原因はポンプの吸込側にあります。 私は、正味吸込揚程 (NPSH)、臨界水没、および自吸ポンプを含むその他の一般的な現場の問題について、ポンプ システム (吸込側) 関連のコラムを多数執筆してきました。 最近の問題に触発されて、私は自発的な問題をさらに検討することにもっと時間を費やすことにしました。

下塗り済み

誰かがポンプに呼び水が入っていると言ったとき、それは何を意味しますか? 簡単に定義すると、ポンプとそれに関連する吸引ラインの両方が完全に液体で満たされているということです。 さらに、これらの蒸気や非凝縮性ガスはプライミングプロセスによって除去されているため、吸引システム内には大量の空気、蒸気、またはその他のガスは存在しません。 技術的には、自吸ポンプは「呼び水されている」とみなされますが、呼び水チャンバーが満たされていてもケーシングと吸引ラインが満たされていない場合は、完全に呼び水されていないと見なされます。

遠心ポンプはさまざまな方法で呼び水でき、進化を達成するための内部方法と外部方法の両方があります。 このコラムでは、社内方式である自吸式ポンプに焦点を当てます。

すべてのポンプは同じように作られているわけではありません

ここでは自吸式のカテゴリーの遠心ポンプについてのみ説明しますが、最初に容積式 (PD) ポンプについて一般的なコメントをいくつか述べます。 基本的にすべての容積式ポンプは、原則として設計により自吸式です。 したがって、ポンプが空運転の場合を除いて、呼び水の問題はそれほど蔓延していません。 PD ポンプに呼び水の問題がある可能性もありますが、遠心ポンプの問題に比べればその規模は重要ではありません。

単純化した例として、PD ポンプ システムの場合、吸引源とポンプ間の圧力差は、空気、蒸気、ガス、液体の多相流体の組み合わせを吸引ラインおよびポンプ内で移動させるのに十分な大きさです。 PD ポンプには二相流体を処理する機能がありますが、ほとんどの遠心ポンプにはそのような機能がありません。 私の発言は、システムが適切に設計されており、吸引ラインに流入漏れがなく、ポンプが良好な状態にあることを前提としています。

遠心ユニットの場合、ポンプだけでは、すべての空気、蒸気、ガスを吸引パイプに沿ってポンプ内に移動させるのに必要なエネルギー量を超えることができません。

過去のコラムでも述べたように、遠心ポンプはコンプレッサーではありません。 この問題を単純に捉えると、水の密度は空気の約 800 倍になります。 その結果、ポンプは液体とは対照的に、空気を移動させるために 800 倍も激しく、および/またはより長く働かなければなりません。 (海面では、68 F の水は空気の 784 倍の密度があります。)

遠心ポンプは液体をポンプに吸い込まない

吸引リフトとは、単にポンピングされる液体の最大レベルが物理的にポンプ インペラの中心線よりも下にあることを意味します。 ほとんどの遠心ポンプは、最初に呼び水をしておけば、吸引リフトで動作できます。

都市伝説や口語的な表現とは異なり、遠心ポンプは、より低い高度からポンプのレベルまで液体を「吸引」することができません。 ポンプが作動すると、羽根車の目の付近に小さな差圧 (わずかな真空でしょうか?) が生じることは認めます。 程度は低いですが、液体は（固体と比較して）大きな引張強度を持たないことも理解する必要があります。 したがって、インペラは液体をつかんだり引っ張ったりすることはできません。 液体を実際にポンプ内に押し込む（持ち上げたり吸い込んだりするのではなく）ために、何らかの外部エネルギー源がポンプと連携して動作する必要があります。 開放システムでは、必要な外部エネルギーは通常、周囲の大気圧によって供給されます。 私たちは大気圧に依存しているため、利用可能なエネルギーの量は多すぎず、一定でもないことを理解することが重要です。 大気圧は気圧 (天候) によって変化しますが、さらに重要なことに、海抜高度によって変化します。 サイトが海面より低いため、大気圧が 14.7 ポンド/平方インチ絶対値 (psia) を超えることはまれにあります (2 つの有名な例は、カリフォルニアのデスバレーとイスラエル/ヨルダン国境の死海です)。

完璧な世界で

ポンプ システムに摩擦や蒸気圧の影響がなければ、理論的には周囲の大気圧と同等の高さまで水を持ち上げることができます。 たとえば、海面では、大気圧は 14.7 psia (実際には 14.696 ポンド力/平方インチ) に近づきます。 頭のフィートに変換すると、14.7 psia は約 34 フィートになります (水の比重が 1.0 であると仮定すると、14.7 X 2.31 = 33.957 フィート ≈ 34)。

私たちは完璧な世界に住んでいないため、摩擦と蒸気圧が負の要因として現れ、達成可能な最大揚力がさらに減少します。 海抜ゼロメートルに設置された冷水ポンプであっても、システム揚程が 26 フィート以上の場合は、おそらく重大なパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。

最大リフトの詳細については、このテーマに関する過去の記事を参照してください。

プライミングタイム

自吸式ポンプの呼び水にどれくらい時間がかかるかという質問をよく受けます。 私の皮肉的だが正確な答えは、それは状況によるということです。 通常、私は人々に、「何が問題なのか？」と尋ね始める必要がある時間は 4 ～ 5 分だと言います。 ただし、一部のシステムでは、液体の温度、粘度、わずかに高い静的揚力、利用可能な NPSH (NPSHa)、臨界水没、システムの完全性、ポンプ全体の機械的状態などの酌量すべき要因により、もう少し時間がかかる場合があることも認識してください。 また、ポンプが最初に空気で満たされている場合と液体で満たされている場合では、ポンプがシステムを呼び水するのに時間がかかることを理解することも重要です。 注: ポンプ ケーシングにはプライミングが行われていましたが、サクション パイプにはプライミングが行われていませんでした。 他に見積もりを開始する場所がない場合、経験豊富な現場担当者の中には、吸込パイプ 1 フィートあたり 25 秒という経験則を大まかなガイドラインとして使用する人もいると思います。 ポンプのメーカー、経験豊富なエンジニア、業界のベストプラクティスは常に、セルフプライマーポンプをできるだけ吸引源の近くに配置するようアドバイスします。 近接させる主な理由は、呼び水時間を短縮することです。

次に考慮すべきは吸込管径です。 ほとんどのポンプ用途では、ポンプの吸込口より少なくとも 1 サイズ大きいパイプ直径を選択する必要があります。 繰り返しますが、目標は呼び水時間を短縮することであるため、この基準はリフト状態のポンプには必ずしも当てはまりません。 確かに、摩擦係数、NPSHa、最大吸引ライン速度のベスト プラクティス設計/公理によって、より大きなパイプ サイズが決定される可能性があります。 これらの追加要素はケースバイケースで評価し、リフト適用の推定プライミング時間と比較する必要があります。 私は、吸引パイプのサイズがどのポンプのポンプ吸引ノズルよりも小さくなることがあってはならないと 100% 確信しています。 吸引ラインの長さと直径の両方を最小限に抑えると、ライン内の空気量が減少します。 空気量が少ないほど、呼び水プロセス中に空気を除去するのに必要な時間が短くなります。

吸込みパイプにはある程度の量の空気「x」が含まれており、ポンプを呼び水してその後満足に動作させるためには、この空気を除去する必要があります。 高校の幾何学の授業を思い出すと、円柱の体積は簡単に計算できることを覚えているでしょう。 円柱の体積は、円周率 (π または 3.14159) に半径の 2 乗を掛け、高さを掛けたものに等しくなります。 この場合、シリンダーは実際にはパイプであるため、シリンダーの高さは単純にパイプの長さになります。 精度を高めるために、パイプの内径に注意してください。 垂直距離 (静止頭) だけでなく、全長を使用し、ユニットに注意してください。 半径をインチで、長さをフィートで記述するのは、簡単でよくある間違いです。

あまり長く待ちすぎないでください

(このセクションは、2021 年 10 月のコラムからの抜粋であることに注意してください)

プライミングタイムの何が問題なのでしょうか？

最初の懸念事項: メカニカル シール面の潤滑は、シールの健全性とポンプ全体の正常な動作にとって最も重要です。 ポンプが液体 (潤滑) なしで動作している場合、シール面は 1 分以内に (高速で) 破壊されます。 ポンプに充填済みのスタッフィング ボックスが装備されている場合、パッキンは空の状態で動作しており、これもすぐに故障します。 ポンプにパッキンやメカニカルシールが付いていても、外部で故障すると空気がシステム内に漏れ、ポンプに呼び水が入りません。

ほとんどの自吸式ポンプ OEM は、呼び水プロセス中の空運転を防止するために、シール チャンバーの位置が製品で自動的に満たされる (位置ごとにデフォルト)、および/または互換性のある流体 (オイルなど) で満たされるように設計しています。 ただし、メーカーはプライミングの進化が短期間で終わると予想していることを理解してください。 充填されたスタフィングボックスを備えたセルフプライマーの場合、プライミング期間中に外部からのフラッシュまたは代替潤滑方法を用意することが重要です。 メーカーにアドバイスを求めてください。 たとえば、ポンプによっては、プライミング プロセス中にのみ使用されるグリース注入ポートがスタッフィング ボックスに付いているものもあります。

2 番目の懸念事項: 呼び水プロセス中、呼び水キャビティ (ケーシングまたは補助チャンバー) 内の水はインペラによって再循環され、撹拌されます。 このせん断作用により熱が加わり、液体の温度が急速に上昇します。

多くの要因が関係するため、特定の設備で液体の温度がどのくらいの速さで上昇するかを正確に計算することは困難ですが、馬力と速度の合計が主要な要因であることはわかっています。 毎分 3,550 回転 (rpm) で動作するポンプは、1,750 rpm の場合よりも 8 ～ 10 倍の速さで液体を加熱することに注意することが重要です。

高速ポンプでは、メカニカル シール チャンバー/スタッフィング ボックス内の液体が毎分 40 ～ 50 度の速度で加熱することは珍しくありません。 その熱の一部は周囲に放散されますが、重要な点は、液体がかなり急速に加熱され、蒸気圧も変化するということです。 メカニカルシールの周囲の液体が加熱すると、簡単に蒸発して蒸発する可能性があります。 注: すべてのメカニカル シールが、説明したようなシール チャンバーの状況にさらされるわけではなく、メーカー、モデル、設計によって異なります。

一方、ケーシング/プライミングチャンバーに戻ると、温度と蒸気圧も急速に上昇します。 その結果、プライミングチャンバー内の液体がフラッシュするリスク/確率も増加します。 最終的な目標は、液体をフラッシュする前にポンプにプライミングを行うことです。

呼び水時間の計算

独自のシステムの推定呼び水時間を計算するには、ポンプのメーカーに支援を依頼できます。

OEM に連絡する前に、まず次の情報を知っておく必要があります。

開放システムでは、揚力用途で自吸式ポンプを使用する場合、蒸気圧、摩擦、静揚力、時間は関係ありません。 それらと戦うために利用できるポジティブなエネルギーが無限にあるわけではありません。

適切にプライミングされたポンプを探求する際の唯一の味方は、絶対圧力とプライミングの進化にかかる時間を最小限に抑えることです。 ポンプを供給源の近くに配置し、吸引パイプのサイズを適切に設定して、呼び水時間が短くなるようにシステムを設計します。

次回のコラムでは、ゴールデンタイムの計算例を紹介し、トラブルのないシステムのためのヒントをいくつか紹介します。

パート 2 はこちらからお読みください。

Jim Elsey は、世界中の産業および海洋用途の回転機器において 50 年以上の経験を持つ機械エンジニアです。 彼は、Summit Pump, Inc. のエンジニアリング アドバイザーであり、米国機械学会、全米腐食技術者協会、および海軍潜水艦連盟の積極的な会員です。 エルシーは、MaDDog Pump Consulting LLC の社長でもあります。 連絡先は [email protected] です。