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 в насосах: что за явление и как с ним бороться
Время чтения: 5 минут
Рейтинг статьи:
При определенных условиях в насосе возникает явление кавитации. Оно негативно влияет на работу аппарата, неизбежно приводит к его повреждению. Некоторые меры способны минимизировать кавитационный эффект.
Кавитация это простыми словами гидродинамическое явление, возникающее в насосном оборудовании центробежного типа. Оно зависит от физических свойств перекачиваемой жидкости и начинается, когда значение давления становится равным либо меньше давления насыщенного пара. Из-за этого в потоке рабочей среды образуются полости, заполненные паром и растворенными газами.
Физически кавитацию можно объяснить тем, что в любой жидкости неизбежно содержится определенный объем растворенного газа.
Кавитация также обусловлена гидродинамическими характеристиками рабочих органов насосного аппарата, например линии тока могут отклоняться от стандартных траекторий, увеличивается частота вращения либо сжатия потока. При этом явление может возникнуть и на движущихся, и на неподвижных зонах проточной части оборудования. Кавитация является очень распространенной причиной поломки оборудования (она занимает второе место, на первом же находится неправильная центровка вала).
Причины появления кавитационного эффекта
Более подробно причину кавитации можно объяснить следующим образом. Гидравлический насос имеет сторону всасывания рабочей среды и сторону нагнетания. Когда на первой из них давление падает до давления насыщения паров (может стать гораздо меньше атмосферного), в жидкости образуются пузырьки пара, она начинает «кипеть». Чем ниже показатель давления, тем, соответственно, пузырьков будет больше.
После этого жидкость поступает в зону нагнетания. Давление там уже будет выше атмосферного. В результате пузырьки «схлопываются», образуя ударную волну. Порой при таком местном гидроударе давление превышает 10 тысяч бар. Кинетическая энергия частиц трансформируется в энергию упругой деформации.
Насосные агрегаты не рассчитаны на подобные нагрузки, поэтому неизбежно возникают повреждения.
Выделяют 3 кавитационные стадии:
1) Начальная. На данном этапе кавитационная область еще отсутствует;
2) Развитая. Имеются кавитационные пустоты (каверны);
3) Суперкавитация. Обтекаемый элемент полностью располагается в области кавитационной каверны.
Последствия кавитации в насосном оборудовании
Кавитация очень сильно влияет на исправность работы насосного устройства. Данное явление недопустимо даже в небольших масштабах в силу своего разрушительного влияния. Так, при схлопывании кавитационных пустот возникает шум (или характерное потрескивание в области входа в рабочее колесо), а Вибрация, причем чем больше габариты насоса, тем эти показатели будут больше.
Снижение характеристик насосного агрегата при развитой степени кавитации будет отличаться у насосов различной степени быстроходности. Причем параметры будут резко уменьшаться в случае низкой быстроходности и постепенно — при высокой. Если же кавитационная область полностью занимает сечение канала, подача насосного аппарата прекращается.
При продолжительной работе аппарата в условиях кавитации разрушаются материалы, из которых он изготовлен, что называется кавитационный износ. Это явление называется питтинг, или точечное разрушение. Оно случается даже на начальном этапе кавитации.
Нужно различать разрушение по причине кавитации от коррозийного и эрозийного разрушения. Например, коррозия — последствие химического либо электролитического воздействия рабочей среды на металл, из которого изготовлен насос. Эрозия же случается из-за отрыва металлических частиц твердыми веществами, которые содержатся в перекачиваемой жидкости (к примеру, песок).
Как минимизировать данное явление
Явление кавитации в насосном оборудовании возможно предупредить. С этой целью разработаны специальные формулы. Согласно им кавитация менее вероятна, когда увеличивается высота подпора (то есть снижается высота всасывания), возрастает давление на поверхности жидкой среды.
Важно знать, что есть такое понятие, как кавитационный запас насоса. Вероятность возникновения кавитации возрастает вместе с плотностью жидкости.
Важно знать, что эффект кавитации увеличивает потери напора на всасывающей линии. Поэтому, чтобы минимизировать явление, нужно обеспечивать «сплошной поток».
Интересно, что на сегодняшний день не существует материалов, абсолютно стойких к кавитационному эффекту. Все они из-за него разрушаются, только одни медленнее, а другие быстрее. Есть материалы более стойкие, одновременно с механической прочностью они обладают химической устойчивостью. Примером является бронза.
А вот углеродистая сталь, чугун очень подвержены кавитационному разрушению (у чугуна это происходит за счет быстрого разрушения включений графита в его составе). Использование кавитационно стойких материалов обеспечивает непродолжительную работу насосного устройства при частичной кавитации. Это целесообразно, например, если аппарат испытывает кратковременную перегрузку.
Чтобы уменьшить физические последствия кавитации, производители применяют разного рода твердые напыления, а также закалку самых уязвимых элементов насоса. Однако это практикуется не так часто, поскольку данные методы не очень эффективные и при этом дорогостоящие.
КАВИТАЦИЯ
(от лат. cavitas – пустота) образование в жидкости пузырьков, заполненных паром.
Явление кавитации возникает в результате понижения давления в жидкости в случае увеличения ее скорости (гидродинамическая кавитация) либо при прохождении интенсивной акустической волны во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). С движением потока в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.
Иными словами, физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Различаются они лишь в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объему жидкости давлении, равном давлению насыщенного пара, в то время как при кавитации среднее давление жидкости превосходит давление насыщенного пара, а понижение давления носит локальный характер. Стоит отметить, что в растворенных в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.
Это явление имеет ряд негативных факторов, влияющих на эксплуатационные характеристика механизмов. Так, химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих высокую температуру, вызывает эрозию материалов, находящихся в непосредственном контакте с жидкостью, в которой развивается кавитация. Кроме того, физический процесс обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов. Таким образом, последствиями явления кавитации может стать разрушение гребных винтов судов, деталей насосов, гидротурбин и т. п.
Несмотря на отрицательное влияние перечисленных факторов, кавитация также имеет положительные свойства. Например, она используется при ультразвуковой очистке поверхностей твердых тел. Специальные устройства создают кавитацию, разрушая таким образом частицы загрязнений или отделяя их от поверхности, исключая необходимость использования вредных химических веществ.
На ее принципе основаны многие промышленные смесители. В частности, в лакокрасочной промышленности кавитация используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе ЛКМ.