کاویتاسیون در پمپها و راههای جلوگیری از آن

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
 
کاویتاسیون عبارتست از تشکیل حباب هایی از بخار سیال که معمولاً در نواحی کم فشار در داخل سیال تولید می شوند و متعاقب آن متلاشی شدن حباب ها پس از افزایش فشار سیال. این متلاشی شدن با تمرکز انرژی در یک نقطه خاص، آن هم بصورت یک جت سیال در کسری از ثانیه عمل کرده و باعث وارد آوردن ضربه ای شدید با دما و فشار نقطه ای بسیار بالا به سطوح داخلی پمپ (معمولاً پروانه) شده و در صورت تداوم آسیب های شدیدی شبیه به خوردگی pitting بر سطح باقی می گذارد.

کاویتاسیون پدیده ای است که در سرعتهای بالا باعث خرابی و ایجاد گودال در سطح می گردد . گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت‚فشار منطقه ای پائین می اید و ممکن است این فشار به حدی پائین بیاید که برابر فشار بخار سیال در آن شرایط باشد و یا در طول سرریز یا حوضچه خلاءزایی در اثر وجود ناصافیها و یا ناهمواریهای کف سرریز خطوط جریان از بستر خود جدا شده و بر اثر این جداشدگی فشار موضعی در منطقه جداشدگی کاهش یافته و ممکن است که به فشار بخار سیال(فشار بخار فشاری است که در ان مایع شروع به جوشیدن کرده و با بخار خود به حالت تعادل می رسد) برسد . در این صورت بر اثر این دوعامل بلافاصله مایعی که در آن قسمت از مایع در جریان است به حالت جوشش درامده و سیال به بخار تبدیل شده و حبابهایی از بخار بوجود میاید . این حبابها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه ای با فشار بیشتر رسیده و منفجر میشود و تولید سر وصدا می کند و امواج ضربه ای ایجاد می کند و به مرز بین سیال و سازه ضربه زده و پس از مدت کوتاهی روی مرز جامد ایجاد فرسایش و خوردگی میکند .(corrotion( تبدیل مجدد حبابها به مایع و فشار ناشی از انفجار آن گاهی به ١٠٠٠ مگا پاسکال میرسد . از انجایی که سطوح تماس این حبابها با بستر سرریز بسیار کوچک می باشند نیروی فوق العاده زیادی در اثر این انفجارها به بسترهای سرریز ها و حوضچه های آرامش وارد می کند . این عمل در یک مدت کوتاه و با تکرار زیاد انجام می شود که باعث خوردگی بستر سرریز می شود و به تدریج این خوردگیها تبدیل به حفره های بزرگ می شوند . این مرحله را : Cavitation erosion or cavitation pitting می نامند. در سرریز های بلند چون سرعت سیال فوق العاده زیاد می باشد ‚در نتیجه نا صا فیهای حتی در حد چند میلیمتر هم می تواند باعث ایجاد جدا شدگی جریان شود . هر نوع روزنه با برامدگی تعویض ناگهانی سطح مقطع هم می تواند باعث جدایی خطوط جریان شود . این پدیده معمولا در پایه های دریچه ها بر روی سرریز ها‚در قسمت زیر دریچه های کشویی و انتهای شوتها رخ دهد . شرایطی که موجب کاویتاسیون می گردد اغلب در جریانهای با سرعت بالا پدید می اید . بطور مثال سطح آبروی سریز که ۴٠ تا ۵٠ متر پایین تر از سطح تراز آب مخزن می باشد بطور حاد در معرض خطر کاویتاسیون قرار دارد . پدیده کاویتاسیون در جریانات فوق اشفته در پرش هیدرولیکی در مکانهایی مثل حوضچه های خلاءزایی مشکلات فراوانی ایجاد می کند . صدمه کاویتاسیون به سازه های طراهی شده برای سرعتهای بالا و در سد های بلند و سرریزهای بزرگ یک مشکل دائمی است . کمیت بدون یعدی را که بیانگر جوشش ناشی از جریان مایع باشد عدد کاویتاسیون می نامند:

کاویتاسیون چیست، cavitation،حباب‌زایی،پدیده کاویتاسیون،خوردگی،کاویتاسیون،حفره‌سازی، خلازایی،انواع کاویتاسیون،راههای جلوگیری از کاویتاسیون،کاویتاسیون در پمپها،

============================================

فاکتورهای موثر در پدیده کاویتاسیون :

در طی حداقل ٢٠سال تجربه و بررسی عملکرد سرریزها ( شامل مدل و آزمایش بر روی پروتوتیپ ) این طور نتیجه گیری شده که کاویتاسیون در اثر عملکرد مجموعه ای از عوامل و شرایط است . معمولا یک عامل به تنهایی برای ایجاد مسئله کاویتاسیون کافی نیست ولی ترکیبی از عوامل هندسی و هیدرودینامیکی و فاکتورهای وابسته دیگر ممکن است منجر به خسارت کاویتاسیون گردد . از مهمترین عواملی که می توانند در این زمیه ممکن است دخیل باشند می توان به موارد زیر اشاره کرد :

۱٫عوامل هندسی : که شامل موارد زیر می شود .
ناهمواریهای سطحی سرریز‚خصوصا برامدگیها و فرورفتگیهای موضعی – شکافهای دریچه های کشویی و پایه های دریچه های قطاعی – ستونها piers – درزهای ساختمانی -جدا کننده جریان ودفلکتورها Flow splitter & deflector – دهانه مجاری و لوله Ports of ducts & pipe – تغیر در شکل عبور جریان Change of water passage shape – انحنا یا انحراف در مسیر جریان در آبراهه Misalignment of conduit 2.عوامل هیدرودینامیکی :

– دبی مخصوص – سرعت جریان – عملکرد دریچه – توسعه لایه مرزی
۳٫عوامل متفرقه :

– انتقال حرارت در طی فروریختن – درجه حرارت آب – تعداد واندازه حبابهای درون آب Diffusion of air – پراکندگی هوا

یکی از مثال های بارز و خطرناک کاویتاسیون در پره های توربین دیده می شود و به راحتی میتواند باعث تخریب پره گردد.از دیکر مثال هل برای این پدیده میتوان به کاویتاسیون در پروانه ی کشتی ها اشاره کرد.

حُفره‌زایی (نام‌های دیگر: حباب‌زایی، خوردگی، کاویتاسیون، حفره‌سازی، خلاءزایی) (به انگلیسی: cavitation) پدیده‌ای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی مایع و ایجاد حباب‌هایی شود. این پدیده در پروانهٔ کشتی‌ها، اژدرها و پمپ‌های سانتریفیوژ و سرریز سدها رخ می‌دهد.

در این پدیده که معمولاً در مایعات با حرکت متلاطم به دلیل اختلاف فشار در مایع رخ می‌دهد، فشار موضعی کم‌تر از فشار بخار مایع می‌شود. این امر باعث می‌شود تا مثلاً آب که در شرایط متعارف در ۱۰۰ درجه سانتیگراد شکل گازی پیدا می‌کند در دماهایی پایین‌تر زودتر به صورت گاز درآید.

حباب‌های گازی ایجاد شده زمانی که دوباره به منطقه پرفشارتر وارد می‌شوند معمولاً منفجر می‌شوند. این ترکیدن حباب‌ها شوکی موج‌مانند ایجاد می‌کند که صدادار است و می‌تواند از طریق خوردگی حبابی به پروانه‌های کشتی آسیب برساند. هر نوع کشتی و هر نوع پروانه صدای حفره‌زایی ویژهٔ خود را تولید می‌کند و این باعث می‌شود تا خدمه زیردریایی‌ها بتوانند نوع کشتی‌های پیرامون خود را شناسایی کنند.

حفره‌زایی انواع گوناگونی دارد:[۱]
گونه‌های حفره‌زایی
حفره‌زایی حبابی
حفره‌زایی پره
حفره‌زایی بُن پروانه
حفره‌زایی ابری
حفره‌زایی محفظهٔ پروانه
حفره‌زایی نوکگردابه
حفره‌زایی میانهٔ گردابه
 
توزیع فشار در پیرامون پرهٔ پروانه کشتی
سطح مکش
سطح فشار
لبهٔ جلو
زاویهٔ
شارش
p: فشار هیدرواستاتیک
pu: فشار منفی
po: فشار مثبت
pv: فشار تبخیر
Vac. : خلاء

حفره‌زایی همچنین یکی از دلایل اولیه لرزش در پمپ‌های سانتریفوژ است. تولید حباب در پروانه پمپ وقتی رخ می‌دهد که طول مکش خالص مثبت مجاز (NPSHa) کمتر از عمق مکش درخواستی (NPSHr) پمپ شود. به این ترتیب به دلیل مکش موجود در محفظه پمپ، فشار مایع درون محفظه کاهش می‌یابد. طول مکش خالص مثبت (NPSH) عبارتی است که درباره شرایط مرتبط با پدیده حباب زایی پمپ توضیح می دهد.

چنانچه فشار محفظه پمپ از فشار بخار مایع در دمای عملیاتی کمتر شود، مایع درون محفظه پمپ تبخیر شده و بصورت حباب درمی‌آید. این حبابها در برخورد با پروانه‌های پمپ ترکیده و نه تنها باعث لرزش پمپ می‌شوند بلکه آسیبهای جدی از جمله خوردگی زیاد در لبه پروانه‌ها و بدنه ایجاد می‌کنند که به مرور زمان باعث کاهش راندمان پمپ می‌گردد. وجود مانع در مسیر مکش، وجود زانویی در فاصله نزدیک ورودی پمپ و یا شرایط غیرعادی بهره‌برداری از عوامل این مسئله هستند.[۲]

عمدتاً پدیده کاویتاسیون در سرریز سدها در سرعتهای بالا رخ می‌دهد گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت فشار منطقه‌ای کاسته شده و به حدی برسد که با فشار سیال در آن شرایط برابر شود، و یا در طول سرریز به دلیل ناصافی‌ها خطوط جریان از بستر خود جدا شده و در اثر این جداشدگی فشار موضعی در محل جداشدگی کاسته شود، و به فشار بخار سیال برسد، که در اثر این عوامل مایعی که در آن قسمت وجود دارد بلافاصله به جوشش درآمده و حباب‌هایی بوجود می‌آید که سرریز یا کانال در اثر ترکیدن این حبابها دچار صدمه و آسیب می‌شود، بطور معمول در سرعت‌های تقریباً ۲۰ متر بر ثانیه و بیشتر احتمال ایجاد پدیده کاویتاسیون وجود دارد، ولی کنترل این پدیده در سرعت ۱۵ متر بر ثانیه انجام می‌شود.

تونل‌های حفره‌زایی

در ایران، در دو دانشگاه تونل حفره‌زایی وجود دارد:

آزمایشگاه دریا دانشگاه صنعتی شریف
آزمایشگاه کاربردی هیدرودینامیک،دانشگاه علم و صنعت
حفره زایی اولتراسونیک

یکی از روش‌هایی که به طور گسترده برای تخریب سلول و همگن سازی استفاده می‌شود، استفاده از فراصوت است. هموژنایزر اولتراسونیک با ایجاد امواج شدید فشاری در یک محیط مایع، کار می‌کند. امواج فشاری باعث جریان در مایع شده و تحت شرایط مناسب موجب تشکیل سریع میکرو حباب می‌گردد که رشد و یکی شدن این حباب‌ها تا رسیدن به اندازه بیشینه و در نهایت ترکیدن آنها حرارت شدیدی ایجاد می‌نماید. به این پدیده کاویتاسیون گفته می‌شود. انفجار حباب‌ها تولید موج ضربه‌ای با انرژی کافی برای شکستن پیوند کووالانسی می‌کند. نیروی برشی حاصل از انفجار حباب و همچنین از جریان‌های اغتشاشی ناشی از ارتعاش صوتی برای همگن سازی و تخریب سلول استفاده می‌شود. این فرایند می‌تواند به پاشش مایع با سرعتی در حدود ۴۲۰ کیلومتر در ساعت، ایجاد فشاری معادل ۲۰۰ بار و یا دمای بالای نقطه‌ای ۴۵۰۰ درجه سانتیگرادی در آن شود.[۳

هر گاه دمای مایع، در فشار ثابت افزایش و یا فشار آن در دمای ثابت، کاهش یابد، در نهایت حالت مایع شروع به تغییر کرده و حبابهای پر شده از بخار آب و یا گاز تولید می‌گردند. این حبابها را می‌توان به عنوان فضاهای خالی در مایع در نظر گرفت (در زبان انگلیسی کاویتی Cavity نام دارند).

بنابراین هم بوسیله افزایش دما در فشار ثابت و هم کاهش فشار دینامیکی در دمای ثابت، حباب در مایع بوجود می‌آید. نخستین روش جوشیدن (Boiling) و دومین روش کاویتاسیون نام دارد .

کاویتاسیون باعث ایجاد حباب در یک مایع در اثر کاهش فشار آن مایع می‌گردد. آب یا هر مایع دیگری، در هر درجه حرارتی به ازای فشار معینی تبخیر می‌شود.
هرگاه در حین جریان مایع، فشار مایع در نقطه‌ای از فشار تبخیر مایع در درجه حرارت مربوطه کمتر شود،
حبابهای بخار یا گازی در فاز مایع به وجود می‌آیند که به همراه مایع به نقطه‌ای دیگر با فشار بالاتر
حرکت می‌نمایند.

شاید برای برخی سوال باشد که تفاوت کاویتاسیون با فرایند تبخیر چیست، این تفاوت رامی توان از تعاریفی که از هر یک از آنها می‌شود جستجو کرد. تبخیر به صورت زیر بیان می‌شود:اگر تبدیل مایع به گاز ناشی از افزایش دما باشد آن را تبخیر می گوینددر حالی که تعریف تحت لفظی کاویتاسیون در زیر آمده است: