Cavitatie uitgelegd: dampbellen begrijpen, voorkomen en gebruiken

Cavitatie, de snelle vorming en ineenstorting van dampbellen in vloeistoffen, vormt een aanzienlijke uitdaging in machines. Dit fenomeen kan mechanische schade veroorzaken, de efficiëntie verminderen en verstorend geluid genereren. Het begrijpen van de mechanismen achter cavitatie is essentieel om apparatuurstoringen te voorkomen en de prestaties te optimaliseren.

Dit artikel duikt in de wetenschap van cavitatie, de verschillende vormen, destructieve effecten en nuttige toepassingen. We bespreken ook hoe cavitatieproblemen kunnen worden aangepakt door de Net Positive Suction Head (NPSH) te begrijpen.

Wat is cavitatie?

Cavitatie is een fenomeen dat wordt gekenmerkt door de vorming en snelle ineenstorting van met damp gevulde holtes in een vloeistof. Deze holtes, vaak aangeduid als bellen, verschijnen wanneer de lokale druk van de vloeistof onder de dampdruk daalt. De daaropvolgende ineenstorting van deze bellen kan aanzienlijke energie genereren, wat leidt tot een reeks effecten, zowel destructief als gunstig.

Om cavitatie verder te definiëren, is het belangrijk om te begrijpen dat het niet simpelweg koken is, hoewel de vorming van dampbellen bij beide processen betrokken is. Bij cavitatie is de drukval de primaire oorzaak, terwijl koken optreedt wanneer een vloeistof zijn kookpunt bereikt.

De wetenschap achter cavitatie

A. Druk en dampspanning

Het optreden van cavitatie wordt voornamelijk bepaald door de relatie tussen de lokale druk in een vloeistof en de dampdruk van die vloeistof. Dampdruk is de druk waarbij een vloeistof bij een bepaalde temperatuur in damp verandert. Als de lokale druk in een vloeistof onder de dampdruk zakt, begint de vloeistof te verdampen en ontstaan er dampbellen. Dit gebeurt meestal in gebieden waar de vloeistof versnelt.

B. De stadia van de vorming van bellen

Cavitatie ontstaat in gebieden met lage druk in een vloeistof. Deze lagedrukzones worden vaak gecreëerd door veranderingen in de stroomsnelheid. Wanneer een vloeistof versnelt, neemt de druk ervan af, volgens het principe van Bernoulli.

De vorming van dampbellen vereist ook nucleatieplaatsen. Deze plaatsen kunnen microscopisch kleine onzuiverheden, opgeloste gassen of kleine spleten op vaste oppervlakken in het vloeistofsysteem zijn. Deze onvolkomenheden vormen de initiële locatie voor de ontwikkeling van dampbellen, omdat de oppervlaktespanning van de vloeistof wordt verlaagd. Zodra een bel zich begint te vormen, groeit deze snel, omdat de omringende vloeistof blijft verdampen in de lagedrukzone.

C. Gewelddadige bubbelimplosie

Zodra deze dampbellen van het lagedrukgebied naar een hogedrukgebied bewegen, stroomt de omringende vloeistof naar binnen om de leegte te vullen. Dit zorgt ervoor dat de bel snel instort en de omringende vloeistofmoleculen botsen, wat resulteert in een snelle stijging van temperatuur en druk. Deze implosie is de hoofdoorzaak van het destructieve potentieel van cavitatie.

Tijdens de ineenstorting worden extreem hoge druk schokgolven gegenereerd. Deze schokgolven stralen naar buiten en raken de nabijgelegen materiële oppervlakken. Bovendien kunnen kleine, hogesnelheidsstralen van vloeistof, bekend als microjets, zich vormen en op oppervlakken inslaan. Deze microjets kunnen samen met de schokgolven aanzienlijke schade aan omliggende materialen veroorzaken. Bovendien gaat de implosie gepaard met een aanzienlijke vrijgave van energie, voornamelijk in de vorm van hitte en mechanische kracht.

Soorten cavitatie

Cavitatie kan zich in verschillende vormen manifesteren, elk met zijn eigen kenmerken en oorzaken:

A. Inertiële (tijdelijke) cavitatie

Dit type omvat de snelle groei en gewelddadige ineenstorting van dampbellen, zoals eerder uitgelegd. Het wordt doorgaans geassocieerd met gebeurtenissen met hoge energie en staat bekend om zijn destructieve aard. Inertiële cavitatie kan aanzienlijke mechanische schade en lawaai veroorzaken.

B. Niet-inertiële cavitatie

In tegenstelling tot inertiële cavitatie, omvat niet-inertiële cavitatie de groei en oscillatie van reeds bestaande gasbellen. Het is minder destructief dan inertiële cavitatie, hoewel het nog steeds enige effecten kan hebben in bepaalde toepassingen. Niet-inertiële cavitatie wordt vaak geassocieerd met toepassingen met ultrasone velden en akoestische stroming.

C. Hydrodynamische cavitatie

Hydrodynamische cavitatie ontstaat door veranderingen in vloeistofsnelheid en -druk in een stromende vloeistof. Het wordt vaak waargenomen in pompen, propellers en regelkleppen, waar snelle versnellingen en vertragingen van de vloeistof optreden. Deze vorm van cavitatie is zeer destructief omdat de dampbellen zich vormen en instorten met hoge energie.

D. Verdamping Cavitatie

Verdampingcavitatie treedt op wanneer de temperatuur van de vloeistof stijgt tot het kookpunt in een gebied met lage druk. Dit is vergelijkbaar met koken, maar het wordt veroorzaakt door de lokale drukval in plaats van een temperatuurstijging. Het leidt tot de vorming van dampbellen die heftig kunnen instorten wanneer ze worden blootgesteld aan verhoogde druk.

E. Turbulentie Cavitatie

Turbulentiecavitatie wordt veroorzaakt door snelle schommelingen in druk binnen een turbulente stroming. De onregelmatige en chaotische aard van turbulente stroming creëert gelokaliseerde lagedrukzones die ervoor zorgen dat de vloeistof caviteert. Dit komt vaak voor in stromingssystemen waar turbulentie aanwezig is.

F. Vane Passing Cavitatie

Schoepenpassagecavitatie is specifiek voor roterende machines, zoals pompen en turbines. Het is het resultaat van de interactie van de vloeistof met de roterende schoepen of bladen, wat resulteert in gebieden met lage druk. Deze lokale drukdalingen kunnen ervoor zorgen dat er bellen ontstaan in de buurt van de schoepen, wat ernstige schade kan veroorzaken.

De vernietigende effecten van cavitatie

Cavitatie is niet altijd een gewenst fenomeen vanwege het destructieve potentieel ervan, wat een ernstige impact kan hebben op de prestaties en levensduur van apparatuur:

A. Mechanische schade

Cavitatie kan verschillende soorten mechanische schade aan materialen veroorzaken:

Kuiltjes: De herhaaldelijke ineenstorting van dampbellen veroorzaakt kleine kraters of putjes op materiaaloppervlakken. Dit is een gelokaliseerde vorm van erosie en kan de structuur van het component na verloop van tijd verzwakken.
Erosie: Terwijl de bellen instorten, creëren ze microjets met hoge snelheid die oppervlakken raken en geleidelijk materiaal wegeroderen. Dit is vooral schadelijk voor zachtere metalen.
Materiaalmoeheid: De herhaalde schokgolven en microjets veroorzaken cyclische spanningen in het materiaal, wat kan leiden tot vermoeidheidsscheuren. Vermoeidheid verzwakt de structurele integriteit van het onderdeel na verloop van tijd.
Microfracturen: De intense druk van instortende bellen kan microfracturen veroorzaken, vooral in broze materialen. Deze microfracturen kunnen groeien en uiteindelijk leiden tot het falen van componenten.

B. Geluid en trillingen

De implosie van dampbellen genereert aanzienlijk geluid en trillingen die in het systeem te horen en te voelen zijn. Dit geluid en deze trillingen kunnen ongemak veroorzaken en langdurige blootstelling kan bijdragen aan slijtage van de apparatuur. Het kan ook een indicator zijn van cavitatie die in het systeem optreedt.

C. Efficiëntie en prestatieverlies

Cavitatie verstoort de soepele stroming van vloeistof. De vorming en ineenstorting van dampbellen creëren turbulentie en belemmeren de vloeistofstroom. Deze verstoring vermindert de efficiëntie van pompen, turbines en andere hydraulische systemen. Bijvoorbeeld, de prestaties van een pomp dalen wanneer cavitatie optreedt, omdat de pomp moeite heeft om de vloeistof te leveren.

D. Chemische effecten

Cavitatie kan chemische effecten veroorzaken, met name in vloeistoffen. De extreme temperaturen en drukken die ontstaan tijdens het ineenstorten van bellen kunnen chemische reacties initiëren. In water kan cavitatie bijvoorbeeld leiden tot sonoluminescentie, de emissie van licht en de vorming van vrije radicalen. Deze vrije radicalen zijn zeer reactief en kunnen verdere veranderingen in de waterchemie veroorzaken.

E. Materialen die het meest vatbaar zijn

Bepaalde materialen zijn gevoeliger voor cavitatieschade:

Zachte metalen: Materialen zoals aluminium, koper en messing zijn bijzonder gevoelig voor erosie en putcorrosie vanwege hun lagere hardheid.
Kunststoffen: Veel kunststoffen kunnen beschadigd raken door cavitatie. Ze kunnen bros worden en scheuren onder druk.
Elastomeren: Elastomeren kunnen ook erosieschade oplopen door cavitatie.
Materialen met een lage hardheid: Materialen met een lagere hardheid zijn over het algemeen kwetsbaarder voor de gevolgen van cavitatie.
Materialen met defecten: De aanwezigheid van defecten of onvolkomenheden in een materiaal kan als spanningsconcentreerder werken en het materiaal gevoeliger maken voor cavitatieschade.

Toepassingen van cavitatie

Hoewel de destructieve effecten van cavitatie bekend zijn, kan dit fenomeen voor verschillende nuttige toepassingen worden gebruikt:

A. Cavitatie in pompen

Cavitatie komt vaak voor in pompen, vooral wanneer ze werken onder omstandigheden die leiden tot een lage inlaatdruk. De drukval in de pomp kan leiden tot cavitatie als de druk daalt tot onder de dampspanning van de vloeistof.

B. Cavitatie in turbines en propellers

Net als pompen zijn turbines en propellers ook onderhevig aan cavitatie. De roterende bladen en wisselende drukvelden in deze systemen kunnen leiden tot lagedrukgebieden. Deze cavitatie vermindert de efficiëntie en creëert veel lawaai, ook beschadigt het de bladen.

C. Nuttige toepassingen van cavitatie

Ultrasone reiniging: Cavitatie is een kernmechanisme achter ultrasoon reinigen, dat gebruikmaakt van hoogfrequente geluidsgolven om microscopisch kleine belletjes in een reinigingsoplossing te creëren. De belletjes vallen snel ineen en geven energie af die vuil, vet en andere verontreinigingen van oppervlakken kan losmaken.
Sonochemie: Cavitatie wordt toegepast in sonochemie om chemische reacties te initiëren of te versnellen. De extreme omstandigheden die ontstaan tijdens het ineenstorten van bellen kunnen chemische veranderingen veroorzaken, nieuwe materialen produceren of bestaande chemische processen verbeteren. Sonochemie heeft toepassingen in vakgebieden zoals farmaceutische synthese, materiaalkunde en milieusanering.
Medische toepassingen: Cavitatie wordt onderzocht voor medische toepassingen, zoals gerichte medicijnafgifte en kankerbehandeling. Ultrageluidsgolven kunnen worden gebruikt om cavitatiebellen te genereren in de buurt van kankercellen of op gerichte locaties, waardoor weefsels worden verstoord of medicijnen vrijkomen. Het gebruik van cavitatie bij medische procedures wordt nog steeds onderzocht, maar biedt perspectief voor minimaal invasieve behandelingen.

Netto positieve zuighoogte (NPSH)

Net Positive Suction Head (NPSH) wordt gedefinieerd als de absolute druk bij de zuigpoort van een pomp minus de dampspanning van de vloeistof die wordt gepompt. Het vertegenwoordigt de drukenergie die beschikbaar is om de vloeistof in de pomp te duwen en cavitatie te voorkomen. Er zijn twee soorten NPSH:

NPSHa (Netto Positieve Zuigkop Beschikbaar): Dit verwijst naar de totale opvoerhoogte of druk van de vloeistof die de pomp binnenkomt, minus de dampspanning van de vloeistof bij de pompinlaat. NPSHa is een kenmerk van het systeem, niet van de pomp. Het hangt af van factoren zoals vloeistoftemperatuur, atmosferische druk en systeemgeometrie.
NPSHr (Netto Positieve Zuighoogte Vereist): Dit is de minimale NPSH die de pomp nodig heeft om cavitatie te voorkomen. NPSHr is een kenmerk van de pomp en wordt meestal door de fabrikant verstrekt. Het hangt af van het ontwerp van de pomp en de bedrijfsomstandigheden.

Om voldoende NPSHa in een systeem te garanderen en cavitatiecondities te voorkomen, moet de NPSHa altijd groter zijn dan de NPSHr. Er moet een veiligheidsmarge zijn om rekening te houden met variaties in bedrijfsomstandigheden.

Problemen met cavitatie oplossen

Om cavitatieproblemen aan te pakken is vaak een systematische aanpak nodig:

Verhoog de systeemdruk: Zorg ervoor dat de inlaatdruk van de pomp hoger is dan de dampspanning van de vloeistof. Dit kunt u doen door de statische opvoerhoogte te verhogen of de verliezen in de aanzuigleiding te verminderen.
Verlaag de vloeistoftemperatuur: Door de temperatuur van de vloeistof te verlagen, kan de dampspanning afnemen, waardoor er minder kans is op cavitatie.
Optimaliseer de plaatsing van de pomp: Het verplaatsen van de pomp dichter bij de vloeistofbron, of het verlagen van de pomp om de zuighoogte te verminderen, kan helpen bij het verhogen van de NPSHa
Vergroot de buisdiameter: Door grotere leidingen en een kortere lengte te gebruiken, kunnen drukverliezen worden verminderd.
Maak de stroming glad: Door drukschommelingen te verminderen en scherpe bochten of obstakels in het stroompad te minimaliseren, kunt u cavitatie helpen voorkomen.
Kies de juiste pomp: Selecteer de juiste pomp voor de toepassing om cavitatie te voorkomen.
Inspecteer apparatuur: Zorg ervoor dat de apparatuur goed wordt onderhouden. Controleer de pompen en leidingen op eventuele blokkades of schade.
Implementatie van controlesystemen: Gebruik geautomatiseerde controlesystemen om de bedrijfsomstandigheden te beheren en drukschommelingen tot een minimum te beperken.
Gebruik speciale materialen: Als cavitatie onvermijdelijk is, gebruik dan materialen die beter bestand zijn tegen de effecten van cavitatie.
Installeer anti-cavitatie-apparaten: Overweeg om anti-cavitatie-apparaten of -componenten in het systeem te installeren.