شرح التجويف: فهم فقاعات البخار والوقاية منها والاستفادة منها

تشكل ظاهرة التجويف، وهي التكون السريع لفقاعات البخار في السوائل وانهيارها، تحديًا كبيرًا في الآلات. يمكن أن تتسبب هذه الظاهرة في حدوث أضرار ميكانيكية، وتقليل الكفاءة، وتوليد ضوضاء مزعجة. يعد فهم الآليات وراء التجويف أمرًا حيويًا لمنع فشل المعدات وتحسين الأداء.

تتعمق هذه المقالة في علم التجويف وأشكاله المختلفة وتأثيراته المدمرة وتطبيقاته المفيدة. وسنناقش أيضًا كيفية معالجة مشكلات التجويف من خلال فهم رأس الشفط الإيجابي الصافي (NPSH).

ما هو التجويف

التجويف هو ظاهرة تتميز بتكوين وانهيار سريع لتجويفات مملوءة بالبخار داخل سائل. تظهر هذه التجاويف، التي يشار إليها غالبًا بالفقاعات، عندما ينخفض الضغط المحلي للسائل إلى ما دون ضغط بخاره. يمكن أن يؤدي الانهيار اللاحق لهذه الفقاعات إلى توليد طاقة كبيرة، مما يؤدي إلى مجموعة من التأثيرات، المدمرة والمفيدة.

ولتعريف التجويف بشكل أعمق، من المهم أن نفهم أنه ليس مجرد غليان، على الرغم من أن تكوين فقاعات البخار يشارك في كلتا العمليتين. في التجويف، يكون انخفاض الضغط هو السبب الرئيسي، بينما يحدث الغليان عندما يصل السائل إلى نقطة الغليان.

العلم وراء التجويف

أ. الضغط وضغط البخار

إن حدوث التجويف يحكمه في المقام الأول العلاقة بين الضغط المحلي داخل السائل وضغط بخار ذلك السائل. ضغط البخار هو الضغط الذي يتحول عنده السائل إلى بخار عند درجة حرارة معينة. إذا انخفض الضغط المحلي داخل السائل إلى ما دون ضغط بخاره، يبدأ السائل في التبخر، مكونًا فقاعات بخار. يحدث هذا عادةً في المناطق التي يتسارع فيها السائل.

ب. مراحل تشكل الفقاعات

تبدأ عملية التجويف في مناطق الضغط المنخفض داخل السائل. وغالبًا ما تنشأ هذه المناطق ذات الضغط المنخفض نتيجة للتغيرات في سرعة التدفق. فعندما يتسارع السائل، ينخفض ضغطه، وفقًا لمبدأ برنولي.

يتطلب تكوين فقاعات البخار أيضًا مواقع تكوين النواة. يمكن أن تكون هذه المواقع عبارة عن شوائب مجهرية أو غازات مذابة أو شقوق صغيرة على الأسطح الصلبة داخل نظام السوائل. توفر هذه العيوب الموقع الأولي لتطور فقاعات البخار لأن التوتر السطحي للسائل ينخفض. بمجرد أن تبدأ الفقاعة في التكون، فإنها تنمو بسرعة مع استمرار السائل المحيط في التبخر إلى منطقة الضغط المنخفض.

ج. انفجار الفقاعة العنيف

بمجرد تحرك فقاعات البخار هذه من منطقة الضغط المنخفض إلى منطقة الضغط المرتفع، يندفع السائل المحيط لملء الفراغ. ويؤدي هذا إلى انهيار الفقاعة بسرعة، وتصادم جزيئات السائل المحيطة، مما يؤدي إلى ارتفاع سريع في درجة الحرارة والضغط. وهذا الانهيار هو السبب الجذري للإمكانات التدميرية للتجويف.

أثناء الانهيار، تتولد موجات صدمة شديدة الضغط. وتنتشر هذه الموجات إلى الخارج، فتؤثر على أسطح المواد القريبة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتشكل نفثات صغيرة عالية السرعة من السائل، تُعرف باسم النفثات الدقيقة، وتصطدم بالأسطح. ويمكن لهذه النفثات الدقيقة، جنبًا إلى جنب مع موجات الصدمة، أن تسبب أضرارًا جسيمة للمواد المحيطة. وعلاوة على ذلك، يصاحب الانهيار إطلاق قدر كبير من الطاقة، في المقام الأول في شكل حرارة وقوة ميكانيكية.

أنواع التجويف

يمكن أن يظهر التجويف بأشكال مختلفة، ولكل منها خصائصها وأسبابها المميزة:

أ. التجويف بالقصور الذاتي (المؤقت)

يتضمن هذا النوع النمو السريع والانهيار العنيف لفقاعات البخار، كما شرحنا سابقًا. ويرتبط عادةً بالأحداث عالية الطاقة وهو معروف بطبيعته المدمرة. يمكن أن يتسبب التجويف بالقصور الذاتي في أضرار ميكانيكية كبيرة وضوضاء.

ب. التجويف غير بالقصور الذاتي

على النقيض من التجويف بالقصور الذاتي، فإن التجويف غير بالقصور الذاتي ينطوي على نمو وتذبذب فقاعات الغاز الموجودة مسبقًا. وهو أقل تدميراً من التجويف بالقصور الذاتي، على الرغم من أنه لا يزال من الممكن أن يكون له بعض التأثيرات في تطبيقات معينة. غالبًا ما يرتبط التجويف غير بالقصور الذاتي بالتطبيقات التي تنطوي على مجالات فوق صوتية وتدفق صوتي.

ج. التجويف الهيدروديناميكي

يحدث التجويف الهيدروديناميكي نتيجة للتغيرات في سرعة السائل والضغط داخل السائل المتدفق. وغالبًا ما يتم ملاحظته في المضخات والمراوح وصمامات التحكم، حيث تحدث تسارعات وتباطؤات سريعة للسائل. وهذا الشكل من التجويف مدمر للغاية لأن فقاعات البخار تتشكل وتنهار بطاقة عالية.

د. التبخير التجويف

تحدث عملية التجويف التبخيري عندما ترتفع درجة حرارة السائل إلى نقطة الغليان في منطقة ذات ضغط منخفض. وهذا يشبه الغليان، ولكنه يحدث بسبب انخفاض الضغط المحلي بدلاً من زيادة درجة الحرارة. ويؤدي ذلك إلى تكوين فقاعات بخار يمكن أن تنهار بعنف عند تعرضها لضغط متزايد.

هـ. التجويف المضطرب

يحدث تجويف الاضطراب نتيجة لتقلبات سريعة في الضغط داخل التدفق المضطرب. إن الطبيعة غير المنتظمة والفوضوية للتدفق المضطرب تخلق مناطق موضعية منخفضة الضغط تتسبب في تجويف السائل. وهذا أمر شائع في أنظمة التدفق حيث يوجد اضطراب.

تجويف مرور الريشة F.

إن التجويف الذي يمر عبر الريشة هو ظاهرة خاصة بالآلات الدوارة، مثل المضخات والتوربينات. وينتج عن تفاعل السائل مع الريش أو الشفرات الدوارة، مما يؤدي إلى مناطق ذات ضغط منخفض. ويمكن أن تتسبب هذه الانخفاضات الموضعية في الضغط في تكوين فقاعات بالقرب من الريش، مما قد يتسبب في أضرار جسيمة.

التأثيرات المدمرة للتجويف

لا يعد التجويف ظاهرة مرغوبة دائمًا بسبب إمكاناته التدميرية، والتي يمكن أن تؤثر بشدة على أداء المعدات وطول عمرها:

أ. الأضرار الميكانيكية

يمكن أن يسبب التجويف أنواعًا مختلفة من الأضرار الميكانيكية للمواد:

الحفر: يؤدي الانهيار المتكرر لفقاعات البخار إلى ظهور حفر أو حفر صغيرة على أسطح المواد. وهذا شكل موضعي من أشكال التآكل ويمكن أن يضعف بنية المكون بمرور الوقت.
تآكل: عندما تنهار الفقاعات، فإنها تخلق نفاثات دقيقة عالية السرعة تصطدم بالأسطح، مما يؤدي إلى تآكل المواد تدريجيًا. وهذا يضر بشكل خاص بالمعادن الأكثر ليونة.
إجهاد المواد: تتسبب الموجات الصدمية المتكررة والنفثات الدقيقة في إحداث إجهادات دورية في المادة، مما قد يؤدي إلى ظهور شقوق التعب. ويؤدي التعب إلى إضعاف سلامة هيكل المكون بمرور الوقت.
الكسور الدقيقة: يمكن أن يؤدي الضغط الشديد الناتج عن الفقاعات المنهارة إلى حدوث كسور دقيقة، وخاصة في المواد الهشة. ويمكن أن تنمو هذه الكسور الدقيقة وتؤدي في النهاية إلى فشل المكونات.

ب. الضوضاء والاهتزاز

يؤدي انفجار فقاعات البخار إلى توليد ضوضاء واهتزازات كبيرة يمكن سماعها والشعور بها في النظام. يمكن أن تسبب هذه الضوضاء والاهتزازات عدم الراحة، وقد يساهم التعرض المطول لها في تآكل المعدات وتلفها. يمكن أن تكون أيضًا مؤشرًا لحدوث تجويف في النظام.

ج. فقدان الكفاءة والأداء

يتسبب التجويف في تعطيل التدفق السلس للسائل. ويؤدي تكوين فقاعات البخار وانهيارها إلى حدوث اضطراب وإعاقة تدفق السائل. ويؤدي هذا الاضطراب إلى تقليل كفاءة المضخات والتوربينات والأنظمة الهيدروليكية الأخرى. على سبيل المثال، ينخفض أداء المضخة عند حدوث التجويف، حيث تكافح المضخة لتوصيل السائل.

د. التأثيرات الكيميائية

يمكن أن يؤدي التجويف إلى إحداث تأثيرات كيميائية، وخاصة في السوائل. يمكن أن تؤدي درجات الحرارة والضغوط الشديدة الناتجة أثناء انهيار الفقاعات إلى بدء تفاعلات كيميائية. على سبيل المثال، في الماء، يمكن أن يؤدي التجويف إلى حدوث إشعاع صوتي، وانبعاث الضوء، وتكوين الجذور الحرة. هذه الجذور الحرة شديدة التفاعل ويمكن أن تسبب المزيد من التغييرات في كيمياء الماء.

هـ. المواد الأكثر عرضة للضرر

هناك بعض المواد الأكثر عرضة لأضرار التجويف:

المعادن اللينة: المواد مثل الألومنيوم والنحاس والبرونز معرضة بشكل خاص للتآكل والتآكل بسبب صلابتها المنخفضة.
البلاستيك: يمكن أن تتلف العديد من المواد البلاستيكية بسبب التجويف، حيث يمكن أن تصبح هشة وتتشقق تحت الضغط.
الإيلاستومرات: يمكن أن تتعرض الإيلاستومرات أيضًا لأضرار التآكل الناتجة عن التجويف.
المواد ذات الصلابة المنخفضة: المواد ذات قيم الصلابة المنخفضة تكون بشكل عام أكثر عرضة لتأثيرات التجويف.
المواد التي بها عيوب: إن وجود عيوب أو نواقص داخل مادة ما يمكن أن يعمل كمكثفات للإجهاد ويجعل المادة أكثر عرضة لأضرار التجويف.

تطبيقات التجويف

على الرغم من أن التأثيرات المدمرة للتجويف معروفة جيدًا، إلا أنه يمكن استخدام هذه الظاهرة في تطبيقات مفيدة مختلفة:

أ. التجويف في المضخات

تحدث ظاهرة التجويف بشكل شائع في المضخات، وخاصةً عندما تعمل في ظل ظروف تؤدي إلى انخفاض ضغط المدخل. يمكن أن يؤدي انخفاض الضغط في المضخة إلى حدوث التجويف إذا انخفض الضغط إلى ما دون ضغط بخار السائل.

ب. التجويف في التوربينات والمراوح

مثل المضخات، تتعرض التوربينات والمراوح أيضًا للتجويف. يمكن أن تؤدي الشفرات الدوارة وحقول الضغط المتغيرة في هذه الأنظمة إلى مناطق ذات ضغط منخفض. يؤدي هذا التجويف إلى تقليل الكفاءة ويخلق الكثير من الضوضاء، كما أنه يتلف الشفرات.

ج. الاستخدامات المفيدة للتجويف

التنظيف بالموجات فوق الصوتية: التجويف هو آلية أساسية وراء التنظيف بالموجات فوق الصوتية، والذي يستخدم موجات صوتية عالية التردد لإنشاء فقاعات مجهرية في محلول التنظيف. تنهار الفقاعات بسرعة وتطلق طاقة يمكنها إزالة الأوساخ والشحوم والمواد الملوثة الأخرى من الأسطح.
الكيمياء الصوتية: تُستخدم تقنية التجويف في الكيمياء الصوتية لبدء أو تسريع التفاعلات الكيميائية. يمكن للظروف القاسية الناتجة عن انهيار الفقاعات أن تسبب تغيرات كيميائية، مما ينتج عنه مواد جديدة أو يعزز العمليات الكيميائية الحالية. تستخدم الكيمياء الصوتية في مجالات مثل تركيب الأدوية، وعلم المواد، وإصلاح البيئة.
التطبيقات الطبية: إن تقنية التجويف قيد البحث في التطبيقات الطبية، مثل توصيل الأدوية المستهدفة وعلاج السرطان. ويمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لتوليد فقاعات تجويف بالقرب من الخلايا السرطانية أو في مواقع مستهدفة، مما يؤدي إلى تعطل الأنسجة أو إطلاق الأدوية. ولا يزال استخدام التجويف في الإجراءات الطبية قيد البحث ولكنه يحمل وعدًا بالعلاجات الأقل تدخلاً.

رأس الشفط الإيجابي الصافي (NPSH)

يتم تعريف رأس الشفط الإيجابي الصافي (NPSH) على أنه الضغط المطلق عند منفذ الشفط للمضخة مطروحًا منه ضغط بخار السائل الذي يتم ضخه. وهو يمثل طاقة الضغط المتاحة لدفع السائل إلى داخل المضخة ومنع التجويف. هناك نوعان من NPSH:

NPSHa (رأس الشفط الإيجابي الصافي متوفر): يشير هذا إلى إجمالي الضغط أو الضغط للسائل الداخل إلى المضخة، مطروحًا منه ضغط بخار السائل عند مدخل المضخة. إن NPSHa هي سمة من سمات النظام، وليس المضخة. وهي تعتمد على عوامل مثل درجة حرارة السائل والضغط الجوي وهندسة النظام.
NPSHr (رأس الشفط الإيجابي الصافي المطلوب): هذا هو الحد الأدنى من NPSH الذي تحتاجه المضخة لتجنب التجويف. NPSHr هو سمة من سمات المضخة وعادة ما يتم توفيره من قبل الشركة المصنعة. يعتمد ذلك على تصميم المضخة وظروف التشغيل.

لضمان NPSHa الكافي في النظام ومنع ظروف التجويف، يجب أن يكون NPSHa دائمًا أكبر من NPSHr. يجب أن يكون هناك هامش أمان لمراعاة الاختلافات في ظروف التشغيل.

استكشاف مشكلات التجويف وإصلاحها

إن معالجة مشاكل التجويف تتطلب في كثير من الأحيان اتباع نهج منهجي:

زيادة ضغط النظام: تأكد من أن ضغط مدخل المضخة أعلى من ضغط بخار السائل عن طريق زيادة الرأس الثابت أو تقليل خسائر خط الشفط.
خفض درجة حرارة السائل: إن خفض درجة حرارة السائل يمكن أن يقلل من ضغط بخاره، مما يجعله أقل عرضة للتجويف.
تحسين وضع المضخة: يمكن أن يساعد إعادة وضع المضخة بالقرب من مصدر السائل، أو خفض المضخة لتقليل رأس الشفط في زيادة NPSHa
زيادة قطر الأنبوب: إن استخدام أنابيب أكبر وبطول أقل يمكن أن يقلل من خسائر الضغط.
تنعيم التدفق: يمكن أن يساعد تقليل تقلبات الضغط وتقليل الانحناءات الحادة أو العوائق في مسار التدفق في علاج التجويف.
اختر المضخة المناسبة: قم باختيار المضخة المناسبة للتطبيق لتجنب ظروف التجويف.
فحص المعدات: تأكد من صيانة المعدات بشكل صحيح. افحص المضخات والأنابيب بحثًا عن أي عوائق أو أضرار.
تنفيذ أنظمة التحكم: استخدم أنظمة التحكم الآلية لإدارة ظروف التشغيل وتقليل تقلبات الضغط.
استخدم مواد خاصة: إذا كان التجويف أمرًا لا مفر منه، فاستخدم مواد أكثر مقاومة لتأثيرات التجويف.
تركيب أجهزة مكافحة التجويف: خذ بعين الاعتبار تركيب أجهزة أو مكونات مضادة للتجويف في النظام.