Giải thích về hiện tượng sủi bọt khí: Hiểu, phòng ngừa và sử dụng bong bóng hơi

Hiện tượng sủi bọt, sự hình thành và sụp đổ nhanh chóng của các bong bóng hơi trong chất lỏng, đặt ra một thách thức đáng kể trong máy móc. Hiện tượng này có thể gây ra hư hỏng cơ học, giảm hiệu suất và tạo ra tiếng ồn gây nhiễu. Việc hiểu các cơ chế đằng sau hiện tượng sủi bọt là rất quan trọng để ngăn ngừa hỏng hóc thiết bị và tối ưu hóa hiệu suất.

Bài viết này đi sâu vào khoa học về hiện tượng sủi bọt, các dạng khác nhau, tác động phá hủy và các ứng dụng có lợi của nó. Chúng tôi cũng sẽ thảo luận về cách giải quyết các vấn đề về sủi bọt bằng cách hiểu về Đầu hút dương thuần (NPSH).

Cavitation là gì

Hiện tượng sủi bọt là hiện tượng đặc trưng bởi sự hình thành và sụp đổ nhanh chóng của các khoang chứa hơi bên trong chất lỏng. Các khoang này, thường được gọi là bong bóng, xuất hiện khi áp suất cục bộ của chất lỏng giảm xuống dưới áp suất hơi của nó. Sự sụp đổ sau đó của các bong bóng này có thể tạo ra năng lượng đáng kể, dẫn đến một loạt các tác động, cả có hại và có lợi.

Để định nghĩa sâu hơn về hiện tượng sủi bọt, điều quan trọng là phải hiểu rằng nó không chỉ đơn thuần là sự sôi, mặc dù sự hình thành các bong bóng hơi có liên quan đến cả hai quá trình. Trong hiện tượng sủi bọt, sự sụt áp là nguyên nhân chính, trong khi sự sôi xảy ra khi chất lỏng đạt đến điểm sôi của nó.

Khoa học đằng sau hiện tượng sủi bọt

A. Áp suất và áp suất hơi

Sự xuất hiện của hiện tượng sủi bọt chủ yếu được điều chỉnh bởi mối quan hệ giữa áp suất cục bộ bên trong chất lỏng và áp suất hơi của chất lỏng đó. Áp suất hơi là áp suất mà chất lỏng sẽ biến thành hơi ở một nhiệt độ nhất định. Nếu áp suất cục bộ bên trong chất lỏng giảm xuống dưới áp suất hơi của nó, chất lỏng sẽ bắt đầu bốc hơi, tạo thành các bong bóng hơi. Điều này thường xảy ra ở những khu vực mà chất lỏng tăng tốc.

B. Các giai đoạn hình thành bong bóng

Hiện tượng sủi bọt bắt đầu ở các vùng có áp suất thấp trong chất lỏng. Các vùng có áp suất thấp này thường được tạo ra do sự thay đổi vận tốc dòng chảy. Khi chất lỏng tăng tốc, áp suất của nó giảm, theo nguyên lý Bernoulli.

Sự hình thành bong bóng hơi cũng đòi hỏi các vị trí hạt nhân. Các vị trí này có thể là tạp chất cực nhỏ, khí hòa tan hoặc các khe hở nhỏ trên bề mặt rắn trong hệ thống chất lỏng. Những khiếm khuyết này cung cấp vị trí ban đầu cho sự phát triển của bong bóng hơi vì sức căng bề mặt của chất lỏng giảm. Khi bong bóng bắt đầu hình thành, nó sẽ phát triển nhanh chóng khi chất lỏng xung quanh tiếp tục bốc hơi vào vùng áp suất thấp.

C. Sự nổ bong bóng dữ dội

Khi các bong bóng hơi này di chuyển từ vùng áp suất thấp đến vùng áp suất cao, chất lỏng xung quanh sẽ tràn vào để lấp đầy khoảng trống. Điều này khiến bong bóng nhanh chóng sụp đổ và các phân tử chất lỏng xung quanh va chạm, dẫn đến nhiệt độ và áp suất tăng nhanh. Sự nổ này là nguyên nhân gốc rễ của tiềm năng phá hủy của hiện tượng tạo bọt.

Trong quá trình sụp đổ, sóng xung kích áp suất cực cao được tạo ra. Những sóng xung kích này tỏa ra bên ngoài, tác động đến bề mặt vật liệu gần đó. Ngoài ra, các tia chất lỏng nhỏ, tốc độ cao, được gọi là microjet, có thể hình thành và va chạm vào bề mặt. Những microjet này, cùng với sóng xung kích, có thể gây ra thiệt hại đáng kể cho các vật liệu xung quanh. Hơn nữa, sự nổ tung đi kèm với sự giải phóng năng lượng đáng kể, chủ yếu dưới dạng nhiệt và lực cơ học.

Các loại Cavitation

Hiện tượng sủi bọt có thể biểu hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, mỗi hình thức có những đặc điểm và nguyên nhân riêng biệt:

A. Sự tạo bọt quán tính (tạm thời)

Loại này liên quan đến sự phát triển nhanh chóng và sự sụp đổ dữ dội của các bong bóng hơi, như đã giải thích trước đó. Nó thường liên quan đến các sự kiện năng lượng cao và được biết đến với bản chất phá hoại của nó. Sự tạo bọt quán tính có thể gây ra thiệt hại cơ học và tiếng ồn đáng kể.

B. Sự tạo bọt không quán tính

Ngược lại với hiện tượng sủi bọt quán tính, hiện tượng sủi bọt phi quán tính liên quan đến sự phát triển và dao động của các bong bóng khí đã tồn tại từ trước. Nó ít phá hủy hơn hiện tượng sủi bọt quán tính, mặc dù nó vẫn có thể có một số tác động trong một số ứng dụng nhất định. Hiện tượng sủi bọt phi quán tính thường liên quan đến các ứng dụng liên quan đến trường siêu âm và luồng âm thanh.

C. Sự tạo bọt thủy động

Hiện tượng sủi bọt thủy động xảy ra do sự thay đổi về vận tốc và áp suất chất lỏng trong chất lỏng đang chảy. Hiện tượng này thường được quan sát thấy ở máy bơm, cánh quạt và van điều khiển, nơi chất lỏng tăng tốc và giảm tốc nhanh. Dạng sủi bọt này có tính phá hủy cao vì các bong bóng hơi hình thành và vỡ ra với năng lượng cao.

D. Sự tạo bọt hơi

Hiện tượng sủi bọt hơi xảy ra khi nhiệt độ của chất lỏng tăng lên đến điểm sôi trong vùng áp suất thấp. Hiện tượng này tương tự như sôi, nhưng do áp suất cục bộ giảm thay vì nhiệt độ tăng. Hiện tượng này dẫn đến sự hình thành các bong bóng hơi có thể vỡ dữ dội khi tiếp xúc với áp suất tăng.

E. Sự xâm thực nhiễu loạn

Hiện tượng sủi bọt khí nhiễu loạn là do áp suất dao động nhanh trong dòng chảy nhiễu loạn. Bản chất không đều và hỗn loạn của dòng chảy nhiễu loạn tạo ra các vùng áp suất thấp cục bộ khiến chất lỏng sủi bọt khí. Hiện tượng này thường gặp trong các hệ thống dòng chảy có hiện tượng nhiễu loạn.

F. Hiện tượng sủi bọt khí cánh quạt

Hiện tượng xâm thực do cánh quạt là hiện tượng đặc trưng của máy móc quay, chẳng hạn như máy bơm và tua bin. Hiện tượng này là kết quả của sự tương tác giữa chất lỏng với các cánh quạt hoặc cánh quay, tạo ra các vùng có áp suất thấp. Những sự sụt giảm áp suất cục bộ này có thể khiến các bong bóng hình thành gần các cánh quạt, gây ra thiệt hại nghiêm trọng.

Tác động phá hoại của hiện tượng sủi bọt

Hiện tượng sủi bọt không phải lúc nào cũng là hiện tượng mong muốn do khả năng phá hoại của nó, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị:

A. Hư hỏng cơ học

Hiện tượng rỗ khí có thể gây ra nhiều loại hư hỏng cơ học khác nhau cho vật liệu:

• Rỗ: Sự sụp đổ liên tục của các bong bóng hơi gây ra các hố nhỏ hoặc hố trên bề mặt vật liệu. Đây là dạng xói mòn cục bộ và có thể làm suy yếu cấu trúc của thành phần theo thời gian.
• Xói mòn: Khi các bong bóng vỡ ra, chúng tạo ra các tia siêu nhỏ tốc độ cao tác động lên bề mặt, dần dần làm xói mòn vật liệu. Điều này đặc biệt gây hại cho các kim loại mềm hơn.
• Sự mỏi vật liệu: Sóng xung kích và tia vi mô lặp đi lặp lại gây ra ứng suất tuần hoàn trong vật liệu, có thể dẫn đến nứt do mỏi. Mệt mỏi làm suy yếu tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của thành phần theo thời gian.
• Các vết nứt nhỏ: Áp lực mạnh từ bong bóng vỡ có thể gây ra các vết nứt nhỏ, đặc biệt là ở các vật liệu giòn. Các vết nứt nhỏ này có thể phát triển và cuối cùng dẫn đến hỏng hóc thành phần.

B. Tiếng ồn và rung động

Sự nổ của các bong bóng hơi tạo ra tiếng ồn và rung động đáng kể có thể nghe thấy và cảm nhận được trong hệ thống. Tiếng ồn và rung động này có thể gây khó chịu và tiếp xúc kéo dài có thể góp phần làm hao mòn thiết bị. Nó cũng có thể là dấu hiệu của hiện tượng xâm thực xảy ra trong hệ thống.

C. Hiệu quả và mất hiệu suất

Hiện tượng xâm thực làm gián đoạn dòng chảy trơn tru của chất lỏng. Sự hình thành và sụp đổ của các bong bóng hơi tạo ra sự nhiễu loạn và cản trở dòng chảy của chất lỏng. Sự gián đoạn này làm giảm hiệu suất của máy bơm, tua bin và các hệ thống thủy lực khác. Ví dụ, hiệu suất của máy bơm giảm khi xảy ra hiện tượng xâm thực, vì máy bơm phải vật lộn để cung cấp chất lỏng.

D. Tác dụng hóa học

Hiện tượng sủi bọt có thể gây ra các hiệu ứng hóa học, đặc biệt là trong chất lỏng. Nhiệt độ và áp suất cực đại được tạo ra trong quá trình bong bóng vỡ có thể khởi phát các phản ứng hóa học. Ví dụ, trong nước, hiện tượng sủi bọt có thể dẫn đến phát quang siêu âm, phát xạ ánh sáng và hình thành các gốc tự do. Các gốc tự do này có khả năng phản ứng cao và có thể gây ra những thay đổi tiếp theo trong thành phần hóa học của nước.

E. Vật liệu dễ bị ảnh hưởng nhất

Một số vật liệu dễ bị hư hỏng do hiện tượng rỗ khí hơn:

• Kim loại mềm: Các vật liệu như nhôm, đồng và đồng thau đặc biệt dễ bị xói mòn và rỗ do độ cứng thấp hơn.
• Nhựa: Nhiều loại nhựa có thể bị hư hỏng do hiện tượng rỗng. Chúng có thể trở nên giòn và nứt dưới áp lực.
• Chất đàn hồi: Chất đàn hồi cũng có thể bị hư hại do xói mòn do hiện tượng rỗ khí.
• Vật liệu có độ cứng thấp: Vật liệu có độ cứng thấp hơn thường dễ bị ảnh hưởng bởi tác động của hiện tượng rỗ khí hơn.
• Vật liệu có khuyết tật: Sự hiện diện của các khuyết tật hoặc không hoàn hảo trong vật liệu có thể hoạt động như bộ tập trung ứng suất và làm cho vật liệu dễ bị hư hỏng do hiện tượng rỗ khí hơn.

Ứng dụng của Cavitation

Mặc dù tác động phá hoại của hiện tượng sủi bọt đã được biết đến rộng rãi, hiện tượng này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích có lợi khác nhau:

A. Hiện tượng sủi bọt trong máy bơm

Hiện tượng sủi bọt thường gặp ở máy bơm, đặc biệt là khi chúng hoạt động trong điều kiện áp suất đầu vào thấp. Sự sụt áp trong máy bơm có thể dẫn đến hiện tượng sủi bọt nếu áp suất giảm xuống dưới áp suất hơi của chất lỏng.

B. Hiện tượng sủi bọt trong Tua bin và Cánh quạt

Giống như máy bơm, tua bin và cánh quạt cũng có thể bị hiện tượng sủi bọt. Các cánh quạt quay và trường áp suất thay đổi trong các hệ thống này có thể dẫn đến các vùng áp suất thấp. Hiện tượng sủi bọt này làm giảm hiệu suất và tạo ra nhiều tiếng ồn, đồng thời làm hỏng các cánh quạt.

C. Công dụng có lợi của Cavitation

• Làm sạch bằng siêu âm: Cavitation là cơ chế cốt lõi đằng sau quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm, sử dụng sóng âm tần số cao để tạo ra các bong bóng siêu nhỏ trong dung dịch làm sạch. Các bong bóng này nhanh chóng vỡ ra và giải phóng năng lượng có thể đánh bật bụi bẩn, dầu mỡ và các chất gây ô nhiễm khác khỏi bề mặt.
• Hóa học âm thanh: Cavitation được áp dụng trong hóa học âm thanh để khởi tạo hoặc tăng tốc các phản ứng hóa học. Các điều kiện khắc nghiệt được tạo ra trong quá trình bong bóng sụp đổ có thể gây ra những thay đổi hóa học, tạo ra vật liệu mới hoặc tăng cường các quá trình hóa học hiện có. Hóa học âm thanh có ứng dụng trong các lĩnh vực như tổng hợp dược phẩm, khoa học vật liệu và khắc phục môi trường.
• Ứng dụng y tế: Cavitation đang được nghiên cứu cho các ứng dụng y tế, như cung cấp thuốc có mục tiêu và điều trị ung thư. Sóng siêu âm có thể được sử dụng để tạo ra các bong bóng cavitation gần các tế bào ung thư hoặc ở các vị trí mục tiêu, phá vỡ các mô hoặc giải phóng thuốc. Việc sử dụng cavitation trong các thủ thuật y tế vẫn đang được nghiên cứu nhưng hứa hẹn cho các phương pháp điều trị ít xâm lấn.

Đầu hút dương ròng (NPSH)

Đầu hút dương ròng (NPSH) được định nghĩa là áp suất tuyệt đối tại cổng hút của máy bơm trừ đi áp suất hơi của chất lỏng được bơm. Nó biểu thị năng lượng áp suất có sẵn để đẩy chất lỏng vào máy bơm và ngăn ngừa hiện tượng sủi bọt. Có hai loại NPSH:

• NPSHa (Độ hút dương thuần có sẵn): Điều này đề cập đến tổng áp suất hoặc cột áp của chất lỏng đi vào máy bơm, trừ đi áp suất hơi của chất lỏng tại đầu vào của máy bơm. NPSHa là đặc điểm của hệ thống, không phải của máy bơm. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ chất lỏng, áp suất khí quyển và hình dạng hệ thống.
• NPSHr (Cột áp hút dương thuần cần thiết): Đây là NPSH tối thiểu mà máy bơm cần để tránh hiện tượng xâm thực. NPSHr là đặc tính của máy bơm và thường do nhà sản xuất cung cấp. Nó phụ thuộc vào thiết kế máy bơm và điều kiện vận hành.

Để đảm bảo NPSHa đầy đủ trong hệ thống và ngăn ngừa tình trạng tạo lỗ rỗng, NPSHa phải luôn lớn hơn NPSHr. Cần có biên độ an toàn để tính đến các biến động trong điều kiện vận hành.

Xử lý sự cố về hiện tượng sủi bọt

Việc giải quyết các vấn đề về bọt khí thường đòi hỏi một cách tiếp cận có hệ thống:

• Tăng áp suất hệ thống: Đảm bảo áp suất đầu vào của máy bơm cao hơn áp suất hơi của chất lỏng bằng cách tăng cột áp tĩnh hoặc giảm tổn thất ở đường hút.
• Giảm nhiệt độ chất lỏng: Việc hạ nhiệt độ của chất lỏng có thể làm giảm áp suất hơi của nó, khiến nó ít bị hiện tượng sủi bọt hơn.
• Tối ưu hóa vị trí đặt máy bơm: Việc định vị lại máy bơm gần hơn với nguồn chất lỏng hoặc hạ thấp máy bơm để giảm áp suất hút có thể giúp tăng NPSHa
• Tăng đường kính ống: Việc sử dụng đường ống lớn hơn và giảm chiều dài có thể làm giảm tổn thất áp suất.
• Làm mượt dòng chảy: Giảm thiểu biến động áp suất và hạn chế tối đa các khúc cua gấp hoặc vật cản trên đường đi của dòng chảy có thể giúp hạn chế hiện tượng xâm thực.
• Chọn máy bơm phù hợp: Chọn máy bơm phù hợp cho ứng dụng để tránh hiện tượng xâm thực.
• Kiểm tra thiết bị: Đảm bảo thiết bị được bảo trì đúng cách. Kiểm tra máy bơm và đường ống xem có bị tắc nghẽn hoặc hư hỏng không.
• Triển khai hệ thống kiểm soát: Sử dụng hệ thống điều khiển tự động để quản lý điều kiện vận hành và giảm thiểu biến động áp suất.
• Sử dụng vật liệu đặc biệt: Nếu không thể tránh khỏi hiện tượng rỗ khí, hãy sử dụng vật liệu có khả năng chống lại hiện tượng rỗ khí tốt hơn.
• Lắp đặt thiết bị chống xâm thực: Cân nhắc lắp đặt các thiết bị hoặc linh kiện chống xâm thực vào hệ thống.