Кавитация — это явление образования в жидкости небольших и практически пустых полостей (каверн), которые расширяются до больших размеров, а затем быстро разрушаются, производя резкий шум. Кавитация происходит в насосах, винтах, рабочих колесах (гидротурбинах) и в сосудистых тканях растений.
Рис 1. Кавитационная зона в трубке с местным сужением
Обзор
Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда сплошность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщенного пара при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».
Физический процесс кавитации точно такой же, как и процесс, происходящий во время закипания. Основное различие между ними — это изменение фазового состояния жидкости. Закипание — процесс, при котором местное давление насыщенного пара жидкости выше местного окружающего давления и присутствует достаточно энергии, чтобы изменить нормальное состояние жидкости в газообразное.
Рис. 2. Кавитационный пузырь на торцовой поверхности вибрирующего стержня (десятикратное увеличение)
Для кавитационного явления нужна поверхность образования кавитационных «пузырей». Этой поверхностью являются нечистоты на стенках водосборника и примеси, содержащиеся в жидкости. Общепринятым является то, что водоотталкивающая (гидрофобная) поверхность стабилизирует появление небольших пузырей. Эти пузыри, появившиеся раньше, начнут неограниченно расти, когда их подвергнут пороговому давлению, названному порогом Блэйка.
Трудности
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. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.
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.
Датчики давления (2)
... работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения разности давлений ... выпуске преобразователя, предназначенного для измерения уровня жидкости, преобразователь может быть настроен в соответствии ... ПВ-10, ЭКМ, манометрические термометры, интеллектуальные датчики, позиционеры, сапфиры и др. Графически ...
Схлопывание кавитационных пузырей приводит к тому, что энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. 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. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны в широком спектре, в том числе и на частотах излучаемых расходомером, что приводит к искажению его показаний.
Достоинства
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 500 км/ч. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины. [2]
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.
В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию(внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали,стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).
Присадки к моторным топливам
... свойства топлив (депрессорные). V. Присадки различного назначения: повышающие электропроводность топлив (антистатические), биоциды, красители, коагулянты, присадки для ускорения приработки деталей двигателей и др. Известны также присадки, способные выполнять в топливе несколько функций, например ...
Кавитацию используют для обработки топлива, во время обработки топливо дополнительно очищается (при проведении химического анализа сразу обнаруживается существенное уменьшение количества фактических смол) [3] , и перераспределяется соотношение фракций (в сторону более легких).
Эти изменения, если топливо сразу поступает к потребителю, повышает его качество и калорийность, как следствие более полное сгорание и уменьшение массовой доли загрязняющих веществ. Сейчас до сих пор проходят исследования по влиянию кавитации на топливо, их проводят частные компании и институты, например Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина.
Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.
Многие энтузиасты строят на самодельных кавитаторах отопительные системы для частных домов. Суть системы заключается в замкнутом контуре, в котором циркулирует вода через кавитатор, а давление создает обыкновенный насос. Считается, что на 1 квт электроэнергии происходит нагрев 1.8 квт, то есть прогнозируется КПД около 80% — что обеспечивает до 80°С прирост нагрева. [4] В августе 2013го года в России был получен первый патент под номером 2490556 на отопительную установку, работающую на основе кавитации. По этому патенту дополнительная тепловая энергия выделяется в результате образования и схлопывания пузырьков в переменном электрическом поле 220В. Токи, которые создают эффект кавитации, но не разрушают электроды, выбраны из условий, что сами пузырьки для работы образуются достаточно малых размеров и потому не способны схлопываться на электродах, а отрываются и уже схлопываются в воде, тем самым отдавая воде свою энергию.
Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твердых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения.
Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива. кавитация бреннен пар
Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые часто используются для повышения эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива.
Применение в биомедицине
Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны лизотрипсии (лизотриптор).
В настоящее время исследованиями показано, что кавитация может быть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).
Насосы и винты
Основные места возникновения кавитации — насосы, винты или границы проточных жидкостей.
Так как лопасти гидротурбины (в насосах) или лопасти гребного винта (в случае применения на суднах или подлодках) вращаются в жидкости, то возникают области низкого давления, поскольку вокруг лопастей жидкость ускоряется и следует за ними. Чем быстрее будут вращаться лопасти, тем ниже может оказаться давление вокруг них. Таким образом, достигается давление насыщенного пара, жидкость испаряется и образует небольшие пузыри газа. Это и называется кавитацией. Когда позже пузыри разрушаются, то они обычно приводят к очень сильным местным ударам волны в жидкости, которые могут сопровождаться шумами и могут даже повредить лопасти. Кавитация в насосах может быть двух видов: всасывающая и нагнетательная.
Давление в жидкости и газе
... газов. В механике жидкости и газы рассматриваются как сплошные, непрерывно распределенные тела в занятой ими части пространства. несжимаемой жидкости Жидкости имеют следующие наиболее характерные свойства. Типичные жидкости ... по формуле: F =rghS , а давление на нижнее основание давление столба жидкости (1.65) P 0 , (1.66) Согласно формуле (1.82) сила давления на нижние слои жидкости будет ...
Рис. 3. Участок разрушенной поверхности гребного винта
Всасывающая кавитация
Всасывающая кавитация происходит, когда работа насоса в режиме всасывания происходит под низким давлением/высокое вакуумное условие, где жидкость превращается в пар внутри центробежного насоса. Этот пар переносится на нагнетательную сторону насоса, где вакуум больше не обнаруживается и снова сжимается до жидкостного состояния под влиянием нагнетательного давления. Это сжатие происходит мгновенно и оказывает влияние на лицевую поверхность гидротурбин. У гидротурбин, которые работают под воздействием условий всасывающей кавитации, обнаруживают нехватку на лицевой поверхности больших кусков материала, что ведет к преждевременному выходу из строя насосов.
Нагнетательная кавитация
Нагнетательная кавитация происходит при чрезвычайно высоком нагнетательном давлении насоса. Нагнетательная кавитация обычно появляется в насосе, который работает при отклонении на 10% от своего КПД. Высокое нагнетательное давление вызывает циркуляцию жидкости внутри насоса вместо того, чтобы выдавать нужный объемный расход
Рис. 4. Всасывающий патрубок насоса, выполненный из чугуна, со следами кавитационной эрозии
Так как жидкость циркулирует в гидротурбине, то она должна проходить через небольшой зазор между гидротурбиной и патрубком насоса при чрезвычайно высокой скорости. Эта скорость приводит к появлению вакуума, развивающегося в патрубке (аналогично тому, что происходит в трубе Вентури), который превращает жидкость в пар. Насос, который работает в таких условиях, показывает преждевременный износ лопастных гидротурбин и патрубков насоса. Кроме того, из-за условий высокого давления возможен преждевременный выход из строя механической пломбы насоса и подшипников. При граничных условиях кавитации возможна поломка вала гидротурбины. Полагают, что нагнетательная кавитация приводит к поломке шарниров.
Кавитация в двигателях
Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. В результате на стенках цилиндра делают специальные дыры, которые позволяют охлажденной жидкости попадать в цилиндр. Предотвратить нежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждаемую жидкость, которая образует защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.
Сосудистые растения
Кавитация происходит в ксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится таким большим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клетки растения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправить кавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для других растений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. В некоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурное понижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторых видов растений, что вызывает опадание листьев.
Насосы в химической промышленности
... давление снижается до давления насыщенного пара при данной температуре, при этом происходит быстрое вскипание жидкости ... напор) диагональные насосы занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми. Явление кавитации Кавитация в насосах объясняется нарушением сплошности жидкости в тех местах, где ...
Число кавитации.
Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):
, где
- гидростатическое давление набегающего потока, Па;
- давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
- плотность среды, кг/мі;
- скорость потока на входе в систему, м/с.
Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров).
Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.
В зависимости от величины можно различать четыре вида потоков:
- докавитационный — сплошной (однофазный) поток при ,
- кавитационный — (двухфазный) поток при ,
- пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при ,
— суперкавитационный — при .
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/yi-kavitatsiya/
1. Возникновение и протекание кавитации. Рой Н.А.
2. Акустический журнал», 1957, т. 3, в. 1, с. 3; Сиротюк М.Г.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F
