чем опасны кавитационные пузырьки

Чем опасны кавитационные пузырьки

Теоретическое рассмотрение кавитации пузырьков в жидкости восходит еще ко временам Рэлея [2]. К теме пузырькового синтеза научное сообщество вернулось после публикации статьи [4]. Физические процессы, происходящие при взаимодействии пузырьков являются интересными и достойными для научных исследований сложных процессов при схлопывании отдельного пузырька [1]. Как известно, кавитационные пузырьки (КП) образуются в тех местах, где давление жидкости становится некоторого критического значения pкр (в реальной жидкости pкр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической.

Для идеальной однородной жидкости вероятность образования пузырьков за счет разрыва жидкости становится заметной при больших растягивающих напряжениях так, например, теоретическая прочность на разрыв воды равна 1,5•108 Па (1500 кгс/см2) [4]. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10 °С, составляет 2,8•107 Па, так как реальные жидкости менее прочны. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них, так называемых кавитационных зародышей: микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом и другие. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления p 0, и – Ie Xe > 0.

Применительно к процессам с неравномерным (нестационарным) прохождением воды через сопло Лаваля водяные потоки связаны между собой следующим образом:

Ii = Lii Xi + Lie Xe (5)

Ie = Lei Xi + Lee Xe (6)

Подставляя (5) и (6) в (4) получим для двухпотоковой системы:

. (7)

Умножим числитель и знаменатель в (7) на

.

Тогда выражение (7) примет вид:

, (8)

где и – управляющие параметры; – параметр порядка.

Значения εx и β лежат в пределах:

, тогда .

График зависимости α = f(εx) имеет вид (рис. 2).

Рис. 2. График зависимости эффективности коэффициента кавитации водяной струи при прохождении воды через сопло Лаваля под действием гидродинамического потока воды от εx

Из рис. 2 видно, что эффективное значение коэффициента кавитации водяной струи, кроме β = ±1, принимает максимальное значение только для фиксированного значения εx.

Из условия экстремума функции следует, что максимальное значение αmax при заданном значении εx равно:

. (9)

Источник

Кавитация

Из Википедии — свободной энциклопедии

Кавита́ция (от лат. cavita s — пустота) — физический процесс образования пузырьков (каверн, или пустот) в жидких средах, с последующим их схлопыванием и высвобождением большого количества энергии, которое сопровождается шумом и гидравлическими ударами. Кавитационные пузырьки могут содержать разреженный пар. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости, например за гребным винтом судна (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). Существуют и другие причины возникновения эффекта в результате внешних физических воздействий. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну. В своей основе кавитация имеет тот же механизм действия, что и ударная волна в воздухе, возникающая в момент преодоления твердым телом звукового барьера.

Явление кавитации носит локальный характер и возникает только там, где есть условия. Исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.

Акустическая кавитация используется в эстетической медицине.

Источник

Кавитация в центробежных насосах

Содержание статьи

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь. Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

Источник

Проблемы кавитации в насосных установках? Blackmer снова спешит на помощь!

Пузырьки пара, вызывающие кавитацию, образуются в любом устройстве перекачки сжиженного газа. Главная задача — ограничить негативные последствия их воздействия путем контроля их размера и количества.

Кавитация может иметь серьёзные последствия для работы насоса при перекачке сжиженного газа (СНГ), а также безводного аммиака, хладагентов и ряда других жидкостей.

Кавитация и насосные установки

Кавитация — это образование пузырьков пара в жидкости, когда давление жидкости падает ниже давления паров. В насосных агрегатах может возникать гидродинамическая кавитация, при которой образующиеся пузырьки пара быстро разрушаются, создавая ударную волну и вызывая вибрацию в жидкости. Эти ударные волны могут быть достаточно сильными, чтобы значительно повредить компоненты насоса и привести к потере эффективности и в конечном счете к отказу насоса. Кроме того, кавитационные пузырьки вызывают точечное повышение температуры жидкости, что в соединении с вибрациями разрушает металлы. Из-за этого кавитация в насосных установках считается нежелательным явлением.

Кавитация может возникать в процессе перекачки, когда на входе насоса давление становится относительно низким по сравнению с давлением паров перекачиваемой жидкости. В этих условиях кавитация образуется в областях с высокими скоростями / низким давлением потока. Когда жидкость перемещается в нагнетательный патрубок, давление увеличивается, а кавитационные пузырьки активно взрываются, буквально атакуя поверхность насоса.

Насосы серии LGL оснащены шумоподавляющими гильзами

Таким образом, основная задача — разработка технологии, которая позволит минимизировать вредные эффекты кавитации и их влияние на общую производительность насосной установки. Ниже будут рассмотрены насосы, преимущественно работающие с СНГ (сжиженным газом). Однако стоит помнить, что проблемы кавитации характерны и при перекачке хладагентов, безводного аммиака и ряда других продуктов.

Негативное воздействие кавитации на насосные установки

СНГ представляет собой замкнутую систему, а это означает, что он (обычно в форме пропана) чаще всего находится в равновесии, то есть давление паров равно давлению жидкости в состоянии покоя. Однако при включении насосной системы давление жидкости во впускной трубопроводной системе снижается по мере того, как пропан начинает переходить из резервуара-накопителя в насос. Эта потеря равновесия заставляет жидкость «закипать» в попытках восстановить равновесие.

Пока работает насосная система, равновесие восстановить невозможно. А поскольку перекачивается «кипящая» жидкость, образующиеся пузырьки пара втягиваются в насос. Большинство насосов работают удовлетворительно, пока соотношение жидкости в насосе к пузырькам пара не слишком велико. Проблемы возникают, когда процентное соотношение пузырьков пара в жидкости становится слишком высоким или же пузырьки увеличиваются в размере, попадая на сторону высокого давления насоса. Именно в таких условиях пузырьки пара имеют предрасположенность к взрыву. Чем больше пузырьков, тем сильнее реакция.

Первыми воздействию кавитации подвергаются динамические компоненты насоса. Например, уплотнители реагируют на имплозии путем кратковременного разделения, что вызывает колебания внутри системы и приводит к преждевременному износу. Шестерни, роторы и другие вращающиеся компоненты подвергаются эрозии как от образования кавитационных пузырьков, так и от их последующего взрыва. И это в конечном итоге приводит к износу и влияет на производительность насоса.

Решив проблемы, возникающие из-за кавитации, пользователь не только минимизирует образование пара в насосе, но и повысит производительность и увеличит срок службы оборудования.

Шиберные насосы Blackmer серии LGL — лучшее средство для подавления кавитации

И на помощь приходит компания Blackmer, входящая в состав корпорации Dover — мирового лидера в области решений для транспортировки СНГ. Насосы Blackmer — это надёжность, долговечность, высокая эффективность и производительность в самых сложных условиях.

Основной прорыв Blackmer в этой области пришелся на усовершенствованную гильзу для подавления кавитаций. Такой гильзой оснащены сегодня большинство насосов с подвижными лопастями, а первыми стали насосы серии LGL для сжиженного газа. Гильзы для подавления кавитации контролируют образование пузырьков пара внутри насоса, значительно уменьшая уровень шума, вибрацию и износ, вызванные захваченным паром.

Насосы Blackmer серии LGL с размерами всасывающего отверстия 1,25, 2,5 и 4 дюйма оснащены шумоподавляющими гильзами. Эта запатентованная технология позволяет минимизировать уровень шума, уменьшая количество кавитационных пузырьков в насосе, что, в свою очередь, позволяет снизить вибрацию и износ.

На диаграмме видно, что наблюдается значительное снижение уровня шума при использовании насоса «Блэкмер» с новой гильзой. Аналогичные измерения были проведены для насосов LGL всех типоразмеров.

Помимо насосов для СНГ, в которых установлены антикавитационные гильзы, Blackmer также разработала BV-линию дифференциальных разгрузочных клапанов для работы с СНГ. Цель новых клапанов — защищать насосные системы от чрезмерного давления. Они доступны в пяти моделях для обеспечения контроля потока до 250 галлонов в минуту при давлении до 8,27 бар. Клапаны спроектированы так, чтобы открываться точно при заданном давлении пружины и закрываться плавно и тихо. Конструкция гильзы для подавления кавитации обеспечивает контролируемое повышение давления жидкости в расширительной камере насоса, когда эта жидкость продвигается к выпускному отверстию насоса. Это позволяет пузырькам пара разрушаться в течение более длительного периода времени. В конечном итоге мы получаем меньше шума и вибрации и увеличение срока службы, что является отличным дополнением к высокоэффективной технологии перекачивания шиберных насосов Blackmer.

Выбор правильного оборудования — основной, но не единственный способ минимизировать влияние кавитации. Чтобы уменьшить количество пузырьков пара, необходимо точно подобрать длину трубопровода, идущего от резервуара-хранилища к насосу. Это позволит регулировать скорости потока и свести к минимуму потерю давления, вызванную трением. Также следует избегать в конструкции трубопровода фитингов, поворотов и других ограничений.

Шиберный насос Blackmer серии LGL

Последствия кавитации для работы насосной установки могут быть различными, включая чрезмерный износ, поломки, утечку продукта и неэффективную работу оборудования. Blackmer предложила решение этих проблем, оснастив шиберные насосы для перекачки сжиженного газа специальной гильзой для подавления кавитации. Эти гильзы в сочетании с технически верной установкой насосной системы, которая включает в себя трубопроводы правильной длины и размера, способствуют уменьшению потенциально опасных последствий образования большого количества пузырьков пара и, как следствие, кавитации при перекачке сжиженного газа.

Для более полного представления описанного выше метода борьбы с кавитацией, предлагаю посмотреть видео:

Москва,
проспект Андропова, 22, оф. 1815
Санкт-Петербург,
Новочеркасский пр-т, 58, оф. 511

Источник

Понятие о кавитации и эрозии гребных винтов.

Здравствуйте сегодня я хотел бы написать о том что такое «Кавитация» и «Эрозия» гребных винтов и как она происходит.

Различают две стадии кавитации. На первой студии каверны невелики и на работе винта практически не сказываются.

Однако пузырьки, лопаясь, создают огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.

Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение числа оборотов; гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.

Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от ряда других характеристик. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля, ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. «раньше», наступает кавитация. Появлению кавитации способствуют также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.

Так же при кавитации и возникает эрозия так как химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации.

Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы гидроагрегатов.

Схлопывание кавитационных пузырей приводит к тому, что энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объёмах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума и приводят к эрозии металла. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках, так как снижает их скрытность.

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда «Шквал», в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 370 км/ч. Еще кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.

Ниже представлены фотографии как кавитация действует на гребной винт.

Источник