|
|
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? 
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 также 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.
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.
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.
|
