Объяснение кавитации: понимание, предотвращение и использование пузырьков пара

Кавитация, быстрое образование и схлопывание пузырьков пара в жидкостях, представляет собой значительную проблему для машин. Это явление может привести к механическим повреждениям, снижению эффективности и возникновению неприятных шумов. Понимание механизмов кавитации имеет жизненно важное значение для предотвращения отказов оборудования и оптимизации производительности.

В этой статье мы углубимся в науку кавитации, ее различные формы, разрушительные эффекты и полезные применения. Мы также обсудим, как решать проблемы кавитации, понимая чистый положительный напор всасывания (NPSH).

Что такое кавитация

Кавитация — это явление, характеризующееся образованием и быстрым схлопыванием полостей, заполненных паром, внутри жидкости. Эти полости, часто называемые пузырьками, появляются, когда локальное давление жидкости падает ниже давления ее паров. Последующее схлопывание этих пузырьков может генерировать значительную энергию, что приводит к ряду эффектов, как разрушительных, так и полезных.

Чтобы определить кавитацию более подробно, важно понимать, что это не просто кипение, хотя образование пузырьков пара вовлечено в оба процесса. При кавитации падение давления является основной причиной, тогда как кипение происходит, когда жидкость достигает точки кипения.

Наука, лежащая в основе кавитации

А. Давление и давление пара

Возникновение кавитации в первую очередь регулируется соотношением между локальным давлением внутри жидкости и давлением пара этой жидкости. Давление пара — это давление, при котором жидкость превратится в пар при заданной температуре. Если локальное давление внутри жидкости падает ниже давления ее пара, жидкость начнет испаряться, образуя пузырьки пара. Обычно это происходит в областях, где жидкость ускоряется.

Б. Стадии образования пузырей

Кавитация возникает в областях низкого давления внутри жидкости. Эти зоны низкого давления часто создаются изменениями скорости потока. Когда жидкость ускоряется, ее давление уменьшается, согласно принципу Бернулли.

Образование пузырьков пара также требует центров зародышеобразования. Этими центрами могут быть микроскопические примеси, растворенные газы или небольшие трещины на твердых поверхностях в жидкой системе. Эти дефекты обеспечивают начальное место для развития пузырьков пара, поскольку поверхностное натяжение жидкости уменьшается. Как только пузырек начинает формироваться, он быстро растет, поскольку окружающая жидкость продолжает испаряться в зону низкого давления.

C. Резкий взрыв пузыря

Как только эти пузырьки пара перемещаются из области низкого давления в область высокого давления, окружающая жидкость устремляется, чтобы заполнить пустоту. Это приводит к быстрому схлопыванию пузырька, и молекулы окружающей жидкости сталкиваются, что приводит к быстрому повышению температуры и давления. Этот имплозий является основной причиной разрушительного потенциала кавитации.

Во время коллапса генерируются ударные волны чрезвычайно высокого давления. Эти ударные волны расходятся наружу, воздействуя на близлежащие поверхности материалов. Кроме того, могут образовываться и сталкиваться с поверхностями крошечные высокоскоростные струи жидкости, известные как микроструи. Эти микроструи вместе с ударными волнами могут нанести значительный ущерб окружающим материалам. Кроме того, имплозия сопровождается значительным высвобождением энергии, в первую очередь в виде тепла и механической силы.

Виды кавитации

Кавитация может проявляться в различных формах, каждая из которых имеет свои отличительные характеристики и причины:

А. Инерционная (переходная) кавитация

Этот тип включает быстрый рост и резкое разрушение пузырьков пара, как объяснялось ранее. Обычно он связан с высокоэнергетическими событиями и известен своей разрушительной природой. Инерционная кавитация может вызывать значительные механические повреждения и шум.

Б. Неинерционная кавитация

В отличие от инерционной кавитации, неинерционная кавитация включает рост и колебание уже существующих пузырьков газа. Она менее разрушительна, чем инерционная кавитация, хотя все еще может иметь некоторые эффекты в определенных приложениях. Неинерционная кавитация часто связана с приложениями, включающими ультразвуковые поля и акустические потоки.

C. Гидродинамическая кавитация

Гидродинамическая кавитация происходит из-за изменений скорости и давления жидкости в текущей жидкости. Она часто наблюдается в насосах, пропеллерах и регулирующих клапанах, где происходят быстрые ускорения и замедления жидкости. Эта форма кавитации очень разрушительна, поскольку пузырьки пара образуются и схлопываются с высокой энергией.

D. Испарение Кавитация

Кавитация испарения происходит, когда температура жидкости повышается до точки кипения в области низкого давления. Это похоже на кипение, но вызвано локальным падением давления, а не повышением температуры. Это приводит к образованию пузырьков пара, которые могут резко схлопнуться при воздействии повышенного давления.

E. Турбулентность Кавитация

Турбулентная кавитация вызывается быстрыми колебаниями давления в турбулентном потоке. Нерегулярная и хаотичная природа турбулентного потока создает локализованные зоны низкого давления, которые вызывают кавитацию жидкости. Это распространено в системах потока, где присутствует турбулентность.

F. Лопасть Проходящая Кавитация

Кавитация, проходящая через лопасти, характерна для вращающихся машин, таких как насосы и турбины. Она возникает в результате взаимодействия жидкости с вращающимися лопастями или лопатками, что приводит к образованию областей низкого давления. Эти локализованные перепады давления могут привести к образованию пузырьков вблизи лопастей, что может привести к серьезным повреждениям.

Разрушительное воздействие кавитации

Кавитация не всегда является желаемым явлением из-за ее разрушительного потенциала, который может серьезно повлиять на производительность и долговечность оборудования:

А. Механические повреждения

Кавитация может вызывать различные виды механических повреждений материалов:

• Питтинг: Повторное схлопывание пузырьков пара приводит к образованию небольших кратеров или ямок на поверхности материала. Это локализованная форма эрозии, которая со временем может ослабить структуру компонента.
• Эрозия: Когда пузырьки схлопываются, они создают высокоскоростные микроструи, которые ударяют по поверхностям, постепенно разрушая материал. Это особенно разрушительно для более мягких металлов.
• Усталость материала: Повторяющиеся ударные волны и микроструи вызывают циклические напряжения в материале, что может привести к усталостным трещинам. Усталость ослабляет структурную целостность компонента с течением времени.
• Микротрещины: Интенсивное давление от схлопывающихся пузырьков может вызвать микротрещины, особенно в хрупких материалах. Эти микротрещины могут расти и в конечном итоге приводить к отказу компонента.

Б. Шум и вибрация

Взрыв пузырьков пара создает значительный шум и вибрации, которые можно услышать и почувствовать в системе. Этот шум и вибрации могут вызывать дискомфорт, а длительное воздействие может способствовать износу оборудования. Это также может быть индикатором кавитации, происходящей в системе.

C. Потеря эффективности и производительности

Кавитация нарушает плавный поток жидкости. Образование и схлопывание пузырьков пара создает турбулентность и затрудняет поток жидкости. Это нарушение снижает эффективность насосов, турбин и других гидравлических систем. Например, производительность насоса падает при возникновении кавитации, поскольку насосу трудно перекачивать жидкость.

D. Химические эффекты

Кавитация может вызывать химические эффекты, особенно в жидкостях. Экстремальные температуры и давления, возникающие при схлопывании пузырьков, могут инициировать химические реакции. Например, в воде кавитация может привести к сонолюминесценции, излучению света и образованию свободных радикалов. Эти свободные радикалы очень реактивны и могут вызывать дальнейшие изменения в химии воды.

E. Наиболее восприимчивые материалы

Некоторые материалы более уязвимы к кавитационному разрушению:

• Мягкие металлы: такие материалы, как алюминий, медь и латунь, особенно подвержены эрозии и точечной коррозии из-за своей низкой твердости.
• Пластики: Многие пластики могут быть повреждены кавитацией. Они могут стать хрупкими и треснуть под давлением.
• Эластомеры: Эластомеры также могут подвергаться эрозионным повреждениям из-за кавитации.
• Материалы с низкой твердостью: Материалы с более низкими значениями твердости, как правило, более уязвимы к воздействию кавитации.
• Материалы с дефектами: Наличие дефектов или несовершенств в материале может действовать как концентраторы напряжений и делать материал более восприимчивым к кавитационным повреждениям.

Применение кавитации

Хотя разрушительные эффекты кавитации хорошо известны, это явление можно использовать в различных полезных целях:

А. Кавитация в насосах

Кавитация часто встречается в насосах, особенно когда они работают в условиях, которые приводят к низкому входному давлению. Падение давления в насосе может привести к кавитации, если давление падает ниже давления паров жидкости.

Б. Кавитация в турбинах и пропеллерах

Подобно насосам, турбины и пропеллеры также подвержены кавитации. Вращающиеся лопасти и изменяющиеся поля давления в этих системах могут привести к образованию областей низкого давления. Эта кавитация снижает эффективность и создает много шума, а также повреждает лопасти.

C. Полезное использование кавитации

• Ультразвуковая очистка: Кавитация — это основной механизм ультразвуковой очистки, который использует высокочастотные звуковые волны для создания микроскопических пузырьков в чистящем растворе. Пузырьки быстро лопаются и высвобождают энергию, которая может удалить грязь, жир и другие загрязняющие вещества с поверхностей.
• Сонохимия: Кавитация применяется в сонохимии для инициирования или ускорения химических реакций. Экстремальные условия, возникающие при схлопывании пузырьков, могут вызывать химические изменения, создавая новые материалы или улучшая существующие химические процессы. Сонохимия применяется в таких областях, как фармацевтический синтез, материаловедение и экологическая реабилитация.
• Медицинское применение: Кавитация изучается для медицинских применений, таких как адресная доставка лекарств и лечение рака. Ультразвуковые волны могут использоваться для создания кавитационных пузырьков вблизи раковых клеток или в целевых местах, разрушая ткани или высвобождая лекарства. Использование кавитации в медицинских процедурах все еще изучается, но обещает минимально инвазивное лечение.

Чистый положительный напор всасывания (NPSH)

Чистый положительный напор всасывания (NPSH) определяется как абсолютное давление на всасывающем отверстии насоса за вычетом давления паров перекачиваемой жидкости. Он представляет собой энергию давления, доступную для проталкивания жидкости в насос и предотвращения кавитации. Существует два типа NPSH:

• NPSHa (доступный чистый положительный напор всасывания): Это относится к общему напору или давлению жидкости, поступающей в насос, за вычетом давления паров жидкости на входе насоса. NPSHa является характеристикой системы, а не насоса. Он зависит от таких факторов, как температура жидкости, атмосферное давление и геометрия системы.
• NPSHr (требуемый чистый положительный напор всасывания): Это минимальный NPSH, необходимый насосу для предотвращения кавитации. NPSHr является характеристикой насоса и обычно указывается производителем. Он зависит от конструкции насоса и условий эксплуатации.

Для обеспечения адекватного NPSHa в системе и предотвращения кавитационных условий NPSHa всегда должен быть больше NPSHr. Должен быть запас прочности для учета изменений в рабочих условиях.

Устранение проблем, связанных с кавитацией

Решение проблем кавитации часто требует системного подхода:

• Увеличьте давление в системе: Убедитесь, что давление на входе насоса превышает давление паров жидкости, увеличив статический напор или уменьшив потери во всасывающей линии.
• Уменьшите температуру жидкости: Снижение температуры жидкости может уменьшить давление ее паров, делая ее менее подверженной кавитации.
• Оптимизация размещения насоса: Перемещение насоса ближе к источнику жидкости или его опускание для уменьшения высоты всасывания может помочь увеличить NPSHa.
• Увеличить диаметр трубы: Использование труб большего диаметра и меньшей длины может снизить потери давления.
• Сглаживание потока: Снижение колебаний давления и минимизация резких изгибов или препятствий на пути потока могут помочь в борьбе с кавитацией.
• Выберите подходящий насос: Выберите подходящий насос для конкретной области применения, чтобы избежать кавитации.
• Осмотр оборудования: Убедитесь, что оборудование обслуживается должным образом. Проверьте насосы и трубы на наличие препятствий или повреждений.
• Системы управления внедрением: Используйте автоматизированные системы управления для управления рабочими условиями и минимизации колебаний давления.
• Используйте специальные материалы: Если кавитация неизбежна, используйте материалы, более устойчивые к воздействию кавитации.
• Установите антикавитационные устройства: Рассмотрите возможность установки в системе антикавитационных устройств или компонентов.