Кавитация — процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости. Давление в жидкости может резко понизиться во время быстрого прохождения жидкости по каналам переменного сечения или сложной формы.
Возникшие при этом зоны разряжения порождают кавитационные вихри, внутри которых и образуются полости. Пузырьки возникают на межмолекулярном уровне и имеют внутри очень высокое разряжение, за счет чего частично заполняются водяным паром и растворенными в воде газами. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным. В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми.
Кавитационные полости имеют очень непродолжительное время существования. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением, кавитационная полость схлопывается, излучая ударную волну, которая способна разрушить пограничные поверхности. Такое воздействие очень разрушительно не только для высокопрочного бетона, но даже для металла.
Выделяемое при схлопывании пузырьков большое количество энергии значительно увеличивает температуру. Химическая агрессивность газов и водяных паров, особенно при повышенной температуре, вызывает эрозию материалов с которыми соприкасается жидкость. Эта эрозия является вторым фактором вредного воздействия кавитации.
Кавитационные разрушения бетонных поверхностей
При скорости воды более 15 м/сек. углубления и выступы на граничной с потоком бетонной поверхности могут вызвать образование кавитационных вихрей. В них возникают и моментально исчезают мельчайшие пузырьки. В результате разрушения пузырьков возникает сильная ударная волна — серия последовательных гидравлических ударов. Такое воздействие очень разрушительно даже для высокопрочного бетона.
Как правило, кавитационные разрушения наблюдаются на поверхности водосбросов, турбинных водоводов, резервуаров — накопителей энергии, сифонов, туннелей и улиток, по которым с большой скоростью течет вода.
Повреждение бетона вследствие кавитации можно довольно легко отличить от обычного размыва. На поверхности, разрушенной кавитацией, имеются зазубрины, в то время как поверхность, поврежденная водой и крупным песком или каменной мелочью, довольно гладкая. На практике в таких конструкциях, как водосбросы, при кавитации могут вырываться большие куски бетона.
Борьба с кавитацией и ее последствиями
Кавитации, и как следствие разрушения бетонных поверхностей, можно избежать, уменьшив или полностью исключив образование кавитационных вихрей. Для этого при ремонте бетонов, разрушенных кавитацией, следует придерживаться двух основных принципов.
Во-первых, восстановление поверхности следует производить особо прочным ремонтным составом «КТтрон-4 Т600». Данный состав не только обеспечивает быстрый набор ранней прочности, но и обладает характеристиками, соответствующими условиям эксплуатации при возможном возникновении кавитационных вихрей.
| Прочность при сжатии в возрасте | |
| — 4 часа | min 15 МПа |
| — 24 часа | min 30 МПа |
| — 28 суток | min 60 МПа |
| Прочность сцепления с бетоном | |
| — 1 сутки | min 0,8 МПа |
| — 28 суток | min 2,5 МПа |
| Прочность при изгибе в возрасте | |
| — 1 сутки | min 3,0 МПа |
| — 28 суток | min 9,0 МПа |
Во-вторых, следует добиваться полного соответствия проектной геометрии, строго избегая всяческих неровностей отремонтированных поверхностей.
Кавитация
Гидродинамическая кавитация — это явление образования в жидкости каверн (пустот), заполненных растворенными в ней газами и паром. Каверны возникают при обтекании жидкостью препятствия или, наоборот, при перемещении препятствия (лопатки) относительно жидкости.
Образованные каверны в жидкости распадаются на мельчайшие кавитационные пузырьки, которые при определенных условиях лопаются. При их лопании развиваются: локальное давление до 103 Па, кумулятивные струи со скоростями 700 — 800 м/с, удельная локальная энергия доходит до 10 кВт/м 3 .
Комплекс кавитационной обработки воды с широким применением.
Данный комплекс предназначен для выполнения большого круга технических и технологических задач в промышленности, а так же применение в бытовых условиях.
В процессе проведения экспериментальных работ выявились интересные эффекты, которые позволили предположить, что при возникновении кавитационных процессов в воде, вода проходит через зоны сверхкритических параметров (флюиды). Это предположение основывается на том, что в воде, после кавитационных процессов, происходит растворение жидких и твёрдых углерод-водородных соединений.
Растворение мазута, дизельного топлива, битума. В обычных условиях, даже при температурном воздействии, добиться качественного смешения, без расслоения, не удаётся. Разработчики наблюдали растворение не только нефти и нефтепродуктов, но и растительных масел. Причём, процесс смешения (химической реакции) идёт очень быстро, в результате получается продукт, который по своим физическим свойствам отличается от свойств компонентов смеси.
Многие исследователи кавитации в воде, пришли к выводу, что при схлопывании кавитационных пузырьков наблюдается выброс тепловой энергии и энергии давления. При этом выделяется суммарная аномально большая энергия на локальном уровне. То есть создаются все предпосылки перехода воды через сверхкритические параметры (зона флюидов).
«Вода является уникальным для Земли и человечества растворителем по своей распространенности, экологической чистоте и практической безопасности при использовании в технологических процессах. Когда вода нагревается до критической точки (Tk = = 374C, Pk = 218 атм), она испытывает более сильные изменения, чем большинство других жидкостей.
Вода превращается из полярной жидкости в практически неполярную среду. Это изменение происходит в достаточно широком температурном интервале. При 200С плотность воды падает до 0,8 г/мл, и при Tk она становится смешиваемой как с органическими растворителями, так и с газами. Скорость диффузии возрастает, а ее окисляющая способность увеличивается сильнее, чем можно было ожидать только от повышения температуры.
Уместно вспомнить, что в природе существует громадный естественный химический сверхкритический реактор. Это земные недра, в которых вода находится в сверхкритических условиях (на глубине более 50 км) и активно идут химические процессы с участием СК-воды, приводящие к синтезу минералов, — так называемые гидротермальные процессы. Технологические процессы гидротермального синтеза, то есть перекристаллизации или выращивания монокристаллов в условиях, моделирующих физико-химические процессы образования минералов в земных недрах, уже более 30 лет успешно используются в промышленности для синтеза многих соединений. В основе гидротермального синтеза лежит способность СК-воды и ее водных растворов растворять вещества, практически нерастворимые в обычных условиях: силикаты, оксиды, сульфиды, фосфиды. Гидротермальными методами в специальных автоклавах получают такие важные монокристаллы, как SiO2 , GeO2 , ZnO, AlPO4 , Al2O3 и многие другие.
Существенно, что гидротермальные процессы позволяют синтезировать крупные монокристаллы исключительно высокого качества, как это, впрочем, часто реализуется и в земных недрах.
В последние годы исследователи работают над использованием СК-воды для полного окисления органики (печь без выхлопа) — процесс, имеющий большие перспективы для разложения высокотоксичных отходов и химических отравляющих веществ. Процесс весьма эффективен, однако возникает проблема коррозии металлических материалов реакторов.
Кавитационная обработка жидкости способствует ее активации, изменяет физико-химические свойства, интенсифицирует химико-технологические процессы. После кавитационной обработки чистая питьевая вода становится «мягкой» и «лечебной», у неё происходит структурные изменения.
Экспериментальные работы показали, что при кавитационном воздействии происходит дегазация (удаление из воды растворённых газов) воды
Вода, прошедшая обработку в вихревом кавитаторе не образует отложения в каналах, и разрушает старые отложения. При кавитационной обработке жидкой среды, в ней протекают сложные физико-химические процессы.
Водородный показатель воды смещается в щелочную область. Жесткость уменьшается, т.е. происходит умягчение воды. Электропроводность снижается.
Цветность уменьшается более чем в 2 раза, вследствие распада молекул гуминовых кислот на радикалы, которые выпадают в осадок.
В результате использования эффекта кавитации практически полностью обезвреживаются в воде микробиологические примеси: бактерии, споры, вирусы. То есть происходит обеззараживание воды без применения хлорирования и озонирования. Доказана высокая эффективность бактерицидного действия гидродинамической кавитации при наименьших энергетических и экономических затратах.
Данный эффект нашел свое применение в установке обеззараживания воды в бассейнах.
Станции очистки воды бассейнов (ТУ 4859-005-03149576-2013)
Основные конкурентные преимущества: В технологической схеме обработки воды использовано оптимальное сочетание процессов гидродинамической кавитации и УФ-излучения , что позволяет очистить воду до требований СанПИНа. В процессе очистки воды используется принцип гидродинамической кавитации и происходящих в системе физических процессов без наличия в станции озонатора или хлоратора, что на 30% уменьшает себестоимость, а также ее энергопотребление при эксплуатации.
Массогабаритные размеры станции меньше аналогов на 50-60%. Технологические и конструктивные решения защищены патентами РФ. Технические характеристики:
напряжение 220В(380В), частота 50 Гц
При обработке воды в вихревом кавитаторе происходит активация молекул, атомов, ионов и перераспределение ионов в возникшем магнитном поле. В результате вода приобретает восстановительные свойства и запасает потенциальную энергию.
При решении экологических проблем загрязнения территорий, достаточно часто требуется обеззараживать всевозможные жидкие отходы деятельности человека, как в промышленности, так и бытовые. С помощью данной технологии можно обеззаразить жидкую составляющую до норм СанПина и сброса в окружающую природу, не навредив ей.
Что такое кавитация?
Термин "Кавитация" происходит от латинского — Cavitas (впадина, углубление, полость). Данным термином принято обозначать физический процесс, протекающий при ряде условий в жидкостях, и сопровождающийся образованием и схлопыванием большого количества пузырьков (пустот, каверн).
Кавитацию можно условно разделить на два подтипа согласно происхождению: гидродинамическая и акустическая. В свою очередь, гидродинамическая Кавитация имеет ещё два подкласса — назовем их статический и динамический.
Что собой представляет кавитация как процесс физико-химического свойства? Воздействие кавитации ускорило осаждение солей из воды, что привело к заклиниванию рабочего колеса насоса НВВ-25.
| P (атм.) | T°C |
| 0.01 | 6.7 |
| 0.02 | 17.2 |
| 0.04 | 28.6 |
| 0.1 | 45.4 |
| 0.2 | 59.7 |
| 0.3 | 68.7 |
| 0.4 | 75.4 |
| 0.5 | 80.9 |
| 0.6 | 85.5 |
| 0.7 | 89.5 |
| 0.8 | 93 |
| 0.9 | 96.2 |
| 1 | 99.1 |
| 1.033 | 100 |
Вода в природе не является однородной и чистой средой без примесей. Все жидкости являются растворами, в которых достаточно большое количество примесей, в основном атмосферных газов. Из атмосферного воздуха в воде растворяется почти в два раза больше азота, нежели кислорода.
Так, в 1 л воды при температуре 20°С растворяется приблизительно 665 мл углекислого газа, а при 0°С — в три раза больше, 1995 мл. При температуре 0°С в одном литре H2O может быть растворено: He — 10 мл, H2S — 4630 мл.
Повышение давления влечёт за собой увеличение растворимости газов.
Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9.Понижение давления даёт, соответственно, обратный эффект. Если оставить ёмкость с водой на ночь, на стенках образуются пузырьки газа. Ещё более наглядно и быстрее это можно увидеть в стакане с газировкой. В процессе кипячения воды мы Видим процесс образования пузырьков с газом и паром.
Кавитация (тепловая) в некотором смысле — тот же процесс кипения, вызванный не только повышением температуры (хотя и это тоже один из факторов образования кавитации).В сочетании двух факторов, повышенной температуры и пониженного давления над жидкостью, происходит процесс кавитации, при котором жидкость переходит в газо-водяную смесь.
Откачивая вакуумным насосом воздух из стеклянной бутылки — Получаем процесс кавитационного «кипения» при комнатной температуре.
 |
 |
Видеодемонстрация описанного эффекта.
Это особо критично и чаще всего встречается в насосных системах, работающих на всасывание. Рабочее колесо или винт создают во всасывающей магистрали разряжение, которое в случае недостатка жидкости на входе (заужение прохода, излишнее количество поворотов трубопровода и т.д.), создают условия для кавитационного закипания жидкости.
Очень часто клиенты обращаются с вопросом — почему нельзя всасывать жидкости с высокой температурой? Ответ лежит на поверхности – при понижении давления во всасывающем патрубке большая часть воды переходит в следующее агрегатное состояние, т. н. водно-газовую смесь (проще говоря, кавитационный кипяток), поднять который обычным насосом для воды уже нельзя в принципе. Раствор жидкости с газом находится в обычных условиях в равновесии, т.е. давление в жидкости больше давления насыщенных паров газа, и система стабильна. В тех случаях, когда в системе нарушается данное равновесие, и происходит образование кавитационных пузырьков. Рассмотрим случай образования Кавитации в статичной системе.
Чаще всего кавитация образуется в зоне, расположенной на напорной магистрали насоса, в случае её сужения. Т.е. давление жидкости после сужения падает (согласно закону Бернулли), т.к. увеличиваются потери и кинетическая энергия. Давление насыщенных паров становится больше внутреннего давления в жидкости с образованием пузырьков/каверн.
После прохождения узкой части (это может быть приоткрытый затвор, местное сужение, и т. п.) скорость потока падает, давление возрастает и пузырьки газов и паров схлопываются. Причём энергия, высвобождаемая при этом, весьма и весьма велика, в результате чего (особенно если это происходит в пузырьках, находящихся на стенках) происходят микро-гидроудары, влекущие за собой повреждения стенок. При этом, если не принять мер, то процесс дойдёт и до полного разрушения стенок насосной части. Вибрация и повышенный шум в насосе и трубах — первейшие признаки кавитации.
Основные слабые места в гидросистемах — места сужения, резкого изменения скорости потока жидкости (клапаны, краны, задвижки) и рабочие колёса насосов. Более уязвимыми они становятся при увеличении шероховатости поверхности.
 |
Но кавитация имеет помимо негативных последствий ещё и позитивные. Её воздействие может полировать детали, очищать трубы. Всё же чаще всего есть необходимость избежать кавитационных явлений. Способ первый, основной, но не единственный – учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы. |
Учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы.
Для расчёта достаточного кавитационного запаса системы надо посчитать H – максимально возможную для данных условий, для данного насоса и его производительности, высоту всасывания. H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs,где Hf — потери во всасывающей магистрали (м.в.ст.) в метрах водяного столба, Hv — давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре (м), Hs — запас надёжности, принимаемый проектировщиками – 0,5 м.в.ст., Pb — давление над жидкостью — в открытой системе это атмосферное давление, приблизительно равное 10,2 м.в.ст. (Pb*10.2) Характеристика насоса NPSH (Net Positive Suction Head) означает высоту всасывания, измеренную на всасывающем входе в насос, с поправкой на давление насыщенных паров конкретной перекачиваемой жидкости,на максимальной производительности насоса.
Т.е. физический смысл формулы H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs состоит в том, чтобы на максимальных рабочих параметрах насоса разряжение в его всасывающем патрубке не превышало бы давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре, т.е. система имела бы требуемый для бескавитационной работы подпор.
Совершенно очевидны отсюда и остальные пути снижения вероятности появления кавитации: — изменить диаметр на всасывании на больший – уменьшить потери (Hf), — переместить насос ближе к месту забора жидкости – уменьшить потери (Hf), — поставить более гладкую трубу, уменьшить число поворотов, задвижек, клапанов– уменьшить потери (Hf), — понизить разряжение на всасывании изменением высоты установки насоса или использованием бустерного насосного оборудования – повысить (Pb), — снизить температуру жидкости — уменьшить (Hv), — уменьшить производительность насоса, снизить число оборотов – понизить (NPSH). Все эти меры направлены на уменьшение возможности возникновения кавитации в насосе и ведут к долговременной и безопасной работе насосов.