Cavitația explicată: înțelegerea, prevenirea și utilizarea bulelor de vapori

Cavitația, formarea rapidă și prăbușirea bulelor de vapori în lichide, reprezintă o provocare semnificativă în mașini. Acest fenomen poate provoca daune mecanice, poate reduce eficiența și poate genera zgomot perturbator. Înțelegerea mecanismelor din spatele cavitației este vitală pentru prevenirea defecțiunilor echipamentelor și optimizarea performanței.

Acest articol analizează știința cavitației, diferitele sale forme, efectele distructive și aplicațiile benefice. Vom discuta, de asemenea, cum să rezolvăm problemele de cavitație prin înțelegerea capului de aspirație pozitivă (NPSH).

Ce este cavitația

Cavitația este un fenomen caracterizat prin formarea și prăbușirea rapidă a cavităților umplute cu vapori într-un lichid. Aceste cavități, adesea denumite bule, apar atunci când presiunea locală a fluidului scade sub presiunea sa de vapori. Prăbușirea ulterioară a acestor bule poate genera energie semnificativă, ducând la o serie de efecte, atât distructive, cât și benefice.

Pentru a defini mai departe cavitația, este important să înțelegem că nu este pur și simplu fierbere, deși formarea bulelor de vapori este implicată în ambele procese. În cavitație, căderea de presiune este cauza principală, în timp ce fierberea are loc atunci când un lichid ajunge la punctul său de fierbere.

Știința din spatele cavitației

A. Presiune și presiune de vapori

Apariția cavitației este guvernată în primul rând de relația dintre presiunea locală dintr-un lichid și presiunea de vapori a acelui lichid. Presiunea de vapori este presiunea la care un lichid se va transforma într-un vapor la o anumită temperatură. Dacă presiunea locală dintr-un lichid scade sub presiunea sa de vapori, lichidul va începe să se vaporizeze, formând bule de vapori. Acest lucru se întâmplă de obicei în zonele în care fluidul accelerează.

B. Etapele formării bulelor

Cavitația inițiază în regiunile de presiune scăzută din interiorul unui lichid. Aceste zone de joasă presiune sunt adesea create de modificările vitezei curgerii. Când un fluid accelerează, presiunea acestuia scade, conform principiului lui Bernoulli.

Formarea bulelor de vapori necesită, de asemenea, locuri de nucleare. Aceste locuri pot fi impurități microscopice, gaze dizolvate sau mici crăpături pe suprafețele solide din sistemul fluidului. Aceste imperfecțiuni oferă locația inițială pentru dezvoltarea bulelor de vapori, deoarece tensiunea superficială a lichidului este redusă. Odată ce o bula începe să se formeze, aceasta crește rapid, pe măsură ce lichidul din jur continuă să se vaporizeze în zona de joasă presiune.

C. Implozie violentă cu bule

Odată ce aceste bule de vapori se deplasează din regiunea de joasă presiune într-o regiune de înaltă presiune, lichidul din jur se grăbește pentru a umple golul. Acest lucru face ca bula să se prăbușească rapid, iar moleculele de lichid din jur se ciocnesc, rezultând o creștere rapidă a temperaturii și a presiunii. Această implozie este cauza principală a potențialului distructiv al cavitației.

În timpul prăbușirii, sunt generate unde de șoc de presiune extrem de ridicată. Aceste unde de șoc radiază spre exterior, impactând suprafețele materiale din apropiere. În plus, jeturi minuscule, de mare viteză de lichid, cunoscute sub numele de microjet, se pot forma și afecta suprafețele. Aceste microjet, împreună cu undele de șoc, pot provoca daune considerabile materialelor din jur. În plus, implozia este însoțită de o eliberare considerabilă de energie, în primul rând sub formă de căldură și forță mecanică.

Tipuri de cavitație

Cavitația se poate manifesta sub diferite forme, fiecare având caracteristicile și cauzele sale distincte:

A. Cavitație inerțială (tranzitorie).

Acest tip implică creșterea rapidă și prăbușirea violentă a bulelor de vapori, așa cum sa explicat mai devreme. Este de obicei asociat cu evenimente de înaltă energie și este cunoscut pentru natura sa distructivă. Cavitația inerțială poate provoca daune mecanice semnificative și zgomot.

B. Cavitație non-inerțială

Spre deosebire de cavitația inerțială, cavitația non-inerțială implică creșterea și oscilația bulelor de gaz preexistente. Este mai puțin distructivă decât cavitația inerțială, deși poate avea totuși unele efecte în anumite aplicații. Cavitația non-inerțială este adesea asociată cu aplicații care implică câmpuri ultrasonice și streaming acustic.

C. Cavitaţia hidrodinamică

Cavitația hidrodinamică are loc datorită modificărilor vitezei și presiunii fluidului într-un lichid care curge. Se observă frecvent în pompe, elice și supape de control, unde au loc accelerații și decelerații rapide ale fluidului. Această formă de cavitație este extrem de distructivă, deoarece bulele de vapori se formează și se prăbușesc cu energie mare.

D. Cavitaţie prin vaporizare

Cavitația prin vaporizare apare atunci când temperatura fluidului crește până la punctul său de fierbere într-o regiune de joasă presiune. Acest lucru este similar cu fierberea, dar este cauzat de scăderea presiunii locale în loc de creșterea temperaturii. Conduce la formarea de bule de vapori care se pot prăbuși violent atunci când sunt expuse la o presiune crescută.

E. Turbulenţă Cavitaţie

Cavitația prin turbulență este cauzată de fluctuațiile rapide ale presiunii într-un flux turbulent. Natura neregulată și haotică a curgerii turbulente creează zone localizate de joasă presiune care provoacă cavitarea fluidului. Acest lucru este obișnuit în sistemele de curgere în care sunt prezente turbulențe.

F. Cavitația de trecere a paletei

Cavitația prin trecerea paletelor este specifică mașinilor rotative, cum ar fi pompele și turbinele. Rezultă din interacțiunea fluidului cu paletele sau paletele rotative, rezultând zone de presiune scăzută. Aceste căderi de presiune localizate pot cauza formarea de bule în apropierea paletelor, care pot provoca daune grave.

Efectele distructive ale cavitației

Cavitația nu este întotdeauna un fenomen dorit datorită potențialului său distructiv, care poate afecta grav performanța și longevitatea echipamentului:

A. Deteriorări mecanice

Cavitația poate provoca diferite tipuri de deteriorare mecanică a materialelor:

Pitting: Prăbușirea repetată a bulelor de vapori provoacă mici cratere sau gropi pe suprafețele materialelor. Aceasta este o formă localizată de eroziune și poate slăbi structura componentei în timp.
Eroziune: Pe măsură ce bulele se prăbușesc, ele creează microjet de mare viteză care impactează suprafețele, erodând progresiv materialul. Acest lucru dăunează în special metalelor mai moi.
Oboseala materială: Undele de șoc repetate și microjeturile induc solicitări ciclice în material, care pot duce la fisuri de oboseală. Oboseala slăbește în timp integritatea structurală a componentei.
Microfracturi: Presiunea intensă a bulelor care se prăbușește poate provoca microfracturi, în special în materialele fragile. Aceste microfracturi pot crește și, în cele din urmă, pot duce la defectarea componentelor.

B. Zgomot și vibrații

Implozia bulelor de vapori generează zgomot și vibrații semnificative care pot fi auzite și simțite în sistem. Acest zgomot și vibrație pot provoca disconfort, iar expunerea prelungită poate contribui la uzura și deteriorarea echipamentului. Poate fi, de asemenea, un indicator al cavitației care apare în sistem.

C. Pierderea eficienței și a performanței

Cavitația perturbă curgerea lină a fluidului. Formarea și prăbușirea bulelor de vapori creează turbulențe și împiedică curgerea fluidului. Această întrerupere reduce eficiența pompelor, turbinelor și a altor sisteme hidraulice. De exemplu, performanța unei pompe scade atunci când are loc cavitația, deoarece pompa se străduiește să livreze fluidul.

D. Efecte chimice

Cavitația poate induce efecte chimice, în special în lichide. Temperaturile și presiunile extreme generate în timpul prăbușirii bulelor pot iniția reacții chimice. De exemplu, în apă, cavitația poate duce la sonoluminiscență, la emisia de lumină și la formarea de radicali liberi. Acești radicali liberi sunt foarte reactivi și pot provoca modificări suplimentare în chimia apei.

E. Materialele cele mai susceptibile

Anumite materiale sunt mai vulnerabile la deteriorarea cavitației:

Metale moi: Materiale precum aluminiul, cuprul și alama sunt deosebit de susceptibile la eroziune și sâmburi datorită durității lor mai mici.
Materiale plastice: multe materiale plastice pot fi deteriorate prin cavitație. Ele pot deveni casante și pot crăpa sub presiune.
Elastomeri: Elastomerii pot suferi, de asemenea, daune de eroziune din cauza cavitației.
Materiale cu duritate scăzută: Materialele cu valori mai mici de duritate sunt în general mai vulnerabile la impactul cavitației.
Materiale cu defecte: prezența defectelor sau imperfecțiunilor într-un material poate acționa ca concentratori de tensiuni și poate face materialul mai susceptibil la deteriorarea cavitației.

Aplicații ale cavitației

Deși efectele distructive ale cavitației sunt binecunoscute, acest fenomen poate fi folosit pentru diverse aplicații benefice:

A. Cavitația în pompe

Cavitația este frecvent întâlnită în pompe, mai ales atunci când funcționează în condiții care duc la o presiune scăzută la admisie. Căderea de presiune în pompă poate duce la cavitație dacă presiunea scade sub presiunea de vapori a lichidului.

B. Cavitația în turbine și elice

La fel ca pompele, turbinele și elicele sunt, de asemenea, supuse cavitației. Lamele rotative și câmpurile de presiune variabile din aceste sisteme pot duce la zone de joasă presiune. Această cavitație reduce eficiența și creează mult zgomot, de asemenea, deteriorează lamele.

C. Utilizări benefice ale cavitației

Curățare cu ultrasunete: Cavitația este un mecanism de bază din spatele curățării cu ultrasunete, care utilizează unde sonore de înaltă frecvență pentru a crea bule microscopice într-o soluție de curățare. Bulele se prăbușesc rapid și eliberează energie care poate îndepărta murdăria, grăsimea și alți contaminanți de pe suprafețe.
Sonochimia: Cavitația este aplicată în sonochimie pentru a iniția sau accelera reacțiile chimice. Condițiile extreme generate în timpul prăbușirii bulelor pot induce modificări chimice, producând materiale noi sau îmbunătățind procesele chimice existente. Sonochimia are aplicații în domenii precum sinteza farmaceutică, știința materialelor și remedierea mediului.
Aplicații medicale: Cavitația este investigată pentru aplicații medicale, cum ar fi administrarea țintită a medicamentelor și tratamentul cancerului. Undele cu ultrasunete pot fi folosite pentru a genera bule de cavitație în apropierea celulelor canceroase sau în locații vizate, perturbând țesuturile sau eliberând medicamente. Utilizarea cavitației în procedurile medicale este încă în curs de cercetare, dar este promițătoare pentru tratamente minim invazive.

Cap de aspirație net pozitiv (NPSH)

Capul net pozitiv de aspirație (NPSH) este definit ca presiunea absolută la orificiul de aspirație al unei pompe minus presiunea vaporilor a fluidului pompat. Reprezintă energia de presiune disponibilă pentru a împinge fluidul în pompă și pentru a preveni cavitația. Există două tipuri de NPSH:

NPSHa (Cap de aspirație pozitiv net disponibil): Aceasta se referă la înălțimea totală sau presiunea fluidului care intră în pompă, minus presiunea de vapori a fluidului la admisia pompei. NPSHa este o caracteristică a sistemului, nu a pompei. Depinde de factori precum temperatura fluidului, presiunea atmosferică și geometria sistemului.
NPSHr (Cap de aspirație pozitiv net necesar): Acesta este NPSH minim necesar pompei pentru a evita cavitația. NPSHr este o caracteristică a pompei și este de obicei furnizată de producător. Depinde de proiectarea pompei și de condițiile de funcționare.

Pentru a asigura NPSHa adecvat într-un sistem și pentru a preveni condițiile de cavitație, NPSHa trebuie să fie întotdeauna mai mare decât NPSHr. Ar trebui să existe o marjă de siguranță care să țină cont de variațiile condițiilor de funcționare.

Depanarea problemelor de cavitație

Abordarea problemelor de cavitație necesită adesea o abordare sistematică:

Creșteți presiunea sistemului: Asigurați-vă că presiunea de admisie a pompei este peste presiunea de vapori a lichidului prin creșterea înălțimii statice sau prin reducerea pierderilor din conducta de aspirație.
Reducerea temperaturii fluidului: Scăderea temperaturii lichidului poate scădea presiunea vaporilor acestuia, făcându-l mai puțin predispus la cavitație.
Optimizați amplasarea pompei: Repoziționarea pompei mai aproape de sursa de fluid sau coborârea pompei pentru a reduce capul de aspirație poate ajuta la creșterea NPSHa
Măriți diametrul țevii: Utilizarea de conducte mai mari și lungime redusă poate reduce pierderile de presiune.
Fluxul netezit: Reducerea fluctuațiilor de presiune și reducerea la minimum a curbelor ascuțite sau a obstacolelor pe calea fluxului poate ajuta la cavitație.
Alegeți pompa adecvată: Selectați pompa potrivită pentru aplicație pentru a evita condițiile de cavitație.
Inspectați echipamentul: Asigurați-vă că echipamentul este întreținut corespunzător. Verificați pompele și țevile pentru eventuale obstacole sau daune.
Implementați sisteme de control: Utilizați sisteme de control automate pentru a gestiona condițiile de funcționare și pentru a minimiza fluctuațiile de presiune.
Utilizați materiale speciale: Dacă cavitația este inevitabilă, utilizați materiale care sunt mai rezistente la efectele cavitației.
Instalați dispozitive anti-cavitație: Luați în considerare instalarea de dispozitive sau componente anti-cavitație în sistem.