کاویتاسیون در پمپ چیست؟ تعریف، انواع، علل، پیشگیری

در این مقاله یاد خواهیم گرفت که کاویتاسیون چیست، تعریف اولیه آن، انواع آن، علل اصلی، اثرات، پیشگیری و غیره چیست. بیایید بررسی کنیم!

کاویتاسیون چیست؟ تعریف

مبانی کاویتاسیون

کاویتاسیون یک پدیده شناخته شده از زوال مواد مهندسی است که در آب یا سایر انواع مایعات در مقادیر فشار متغیر عمل می کنند. درک بهتر از تمام جنبه‌های سایش کاویتاسیون، بررسی دقیق‌تری را در انتخاب مواد مهندسی جدید ممکن می‌سازد.

فن‌آوری‌ها یا تکنیک‌های مختلف در زمینه مهندسی سطح و بهینه‌سازی طراحی عناصر ساختمانی به کار رفته در محیط کاویتاسیون در بخش‌هایی مانند حمل‌ونقل رودخانه‌ای و دریایی نیز محافظت می‌شوند.
کاویتاسیون به طور کلی به عنوان پدیده‌ای تعریف می‌شود که با فروپاشی حباب‌های گاز در یک مایع مشخص می‌شود، چنین حباب‌هایی در نتیجه کاهش سریع فشار ایجاد می‌شوند که منجر به تشکیل امواج ضربه‌ای به طول 0.1 تا 0.2 میلی‌متر و سرعت چند 100 متر می‌شود. /s، از بین بردن سطوح کوچک عناصر و در نتیجه حفره ها و دهانه های عمیق حفره.
کاویتاسیون در صورت عدم تنظیم می تواند پرهزینه و آسیب زا باشد و منجر به مصرف انرژی بالا و آسیب پمپ شود.
کاویتاسیون یکی از دلایل اصلی سایش در چندین زمینه مهندسی است.

در این مقاله، ما با Cavitation بیشتر آشنا خواهیم شد، پس بیایید شروع کنیم!

تعریف کاویتاسیون

کاویتاسیون برای اولین بار در طول آزمایش های دریایی HMS Daring در سال 1885 مشاهده شد، زمانی که به دلیل سرعت های پیش از این بی نظیر پروانه، کاویتاسیون رخ داد. حفره‌هایی در آب شکل می‌گرفتند و منشا هدر دادن شدید نیرو و ایجاد مشکلات اضافی بودند.

اندکی پس از آن، مشخص شد که این حفره‌ها منشأ حفره‌ها و فرسایش قابل توجه تیغه‌های پروانه هستند.

کاویتاسیون اینرسی و کاویتاسیون غیر اینرسی دو نوع کاویتاسیون هستند. کاویتاسیون اینرسی فرآیند فروپاشی سریع خلاء یا حباب و ایجاد موج ضربه ای در مایع است.
کاویتاسیون غیر اینرسی زمانی اتفاق می‌افتد که حباب‌های کوچک در یک مایع در حضور میدان صوتی که دامنه آن برای ایجاد فروپاشی کامل حباب کافی نیست، نوسان می‌کنند. این نوع کاویتاسیون باعث فرسایش بسیار کمی نسبت به کاویتاسیون اینرسی می شود و اغلب برای تمیز کردن مواد ظریف مانند ویفرهای سیلیکونی استفاده می شود.

در مکانیک سیالات، کاویتاسیون به عنوان کاویتاسیون هیدرودینامیکی شناخته می شود. کاویتاسیون هیدرودینامیکی پدیده تبخیر، تشکیل حباب و انفجار حباب است که در یک مایع جاری در نتیجه سقوط و متعاقب آن افزایش فشار موضعی اتفاق می‌افتد.

چه علائمی با تعریف پمپ کاویتاسیون باعث درمان می شود

کاویتاسیون اغلب زمانی ظاهر می‌شود که از پمپ‌های گریز از مرکز استفاده می‌شود – این پمپ‌ها به تغییر فشار داخل واحد برای ایجاد خلاء متکی هستند و مایع را به داخل دستگاه فشار می‌دهند تا اینکه آن را به داخل بکشند. کاویتاسیون می‌تواند در پمپ‌های شناور نیز رخ دهد، اما کمتر رایج است. .
کاویتاسیون می تواند تأثیر مخرب قابل توجهی بر عملکرد و دوام پمپ داشته باشد. این می تواند بر بسیاری از جنبه های پمپ تأثیر بگذارد، اما پروانه پمپ اغلب به شدت آسیب می بیند.
یک پروانه نسبتاً تازه که حفره شده است، اغلب به نظر می رسد که سال هاست در حال کار بوده است. ممکن است مواد پروانه خورده شده و غیر قابل تعمیر آسیب ببینند.
کاویتاسیون زمانی اتفاق می افتد که مایع پمپ با فشار کم به بخار تبدیل می شود. زمانی اتفاق می افتد که فشار کافی در انتهای مکش پمپ وجود نداشته باشد، یا زمانی که سر مکش خالص مثبت (NPSHa) کافی وجود نداشته باشد.
کاویتاسیون باعث تشکیل حباب های هوای کم فشار می شود. هنگامی که مایع از سمت مکش پروانه به سمت تحویل حرکت می کند، حباب ها فرو می ریزند. این یک موج ضربه ای ایجاد می کند که به پروانه برخورد می کند و باعث لرزش پمپ و آسیب مکانیکی می شود که می تواند منجر به خرابی پمپ شود.
مایعات مختلف درجات مختلفی از مقاومت حفره ای دارند زیرا به شدت تحت تأثیر غلظت گاز و ذرات خارجی در مایع قرار می گیرند.

مکانیسم کاویتاسیون

در زیر توضیحی در مورد مکانیسم کاویتاسیون ارائه شده است:

چه مکانیزم تعریف پمپ کاویتاسیون تصویر: Noria.com

هر مایعی حاوی حباب های گازی یا بخاری است که به عنوان هسته کاویتاسیون عمل می کنند. هنگامی که فشار به میزان مشخصی کاهش می یابد، حباب ها به مخزن بخار یا گازهای محلول تبدیل می شوند. در نتیجه مستقیم این شرایط، اندازه حباب ها به سرعت رشد می کنند.
در نتیجه، هنگامی که حباب ها وارد منطقه ای با فشار کاهش یافته می شوند، به دلیل متراکم شدن بخارات موجود در آنها، اندازه آنها کوچک می شود. تراکم نسبتاً سریع اتفاق می افتد و به دنبال آن شوک های هیدرولیکی موضعی، انتشار صدا، شکستن پیوندهای مواد و سایر رویدادهای ناخوشایند رخ می دهد.
اعتقاد بر این است که محتویات مواد افزودنی مختلف، مانند ذرات جامد خیس نشده و حباب‌های بخار گاز، به ویژه آنهایی که در سطح زیر میکروسکوپی قرار دارند، که به عنوان هسته‌های کاویتاسیون عمل می‌کنند، باعث کاهش پایداری حجمی در بیشتر مایعات می‌شوند.
تخریب سطح و جابجایی مواد ناشی از حرکات نسبی زیاد بین سطح و سیال در معرض، جنبه‌های ضروری فرآیند سایش حفره هستند.

چه خط مکش تعریف پمپ کاویتاسیون تصویر: Noria.com

انفجار زمانی اتفاق می‌افتد که فشار به حالت عادی برمی‌گردد (که بیشتر از فشار بخار سیال است) و باعث ترکیدن حفره یا حباب‌های بخار می‌شود. این ترکیدن حباب ها باعث ایجاد امواج ضربه ای می شود که باعث سخت شدن کار، خستگی و حفره های حفره روی سطوح فلزی مجاور می شود.
بنابراین، کاویتاسیون به پدیده ای اطلاق می شود که در آن حباب های بخار (یا حفره ها) در یک سیال در نتیجه تغییرات فشار موضعی منبسط و منقبض می شوند. این تغییرات می تواند منجر به فشار کم به شکل فشار بخار سیال شود. این فرآیند کاویتاسیون بخار در دماهای تقریباً ثابت اتفاق می افتد.

انواع کاویتاسیون پمپ

علل متعددی برای کاویتاسیون پمپ وجود دارد، بنابراین بررسی آنها هنگام جستجوی راه حل ضروری است:

ساکشن کاویتاسیون

کاویتاسیون مکش زمانی اتفاق می‌افتد که یک پمپ با فشار کم تحت شرایط خلاء زیاد کار می‌کند. اگر پمپ جریان مایع کافی دریافت نکند، حفره ها یا حباب هایی در چشم پروانه ایجاد می شود.

هنگامی که حباب ها سطح خروجی پمپ را می گیرند، شرایط سیال تغییر می کند و حباب را در جهت سیال کاهش می دهد و باعث می شود که در نزدیکی صفحه پروانه فرو بریزد.
کاویتاسیون مکش باعث شده است که یک پروانه تکه های عظیمی از مواد را که معمولاً بسیار ریز هستند از دست بدهد و باعث شبیه شدن آن به یک اسفنج شود.
این نوع کاویتاسیون می تواند به دلایل مختلفی رخ دهد، از جمله مواردی که در زیر ذکر شده است.
فیلترهایی که گرفتگی دارند، در غیر این صورت صافی ها
گرفتگی داخل لوله
پمپ خیلی از منحنی پمپ فاصله دارد.
طراحی لوله ها بد است.
ساکشن در وضعیت وحشتناکی قرار دارد.

کاویتاسیون تخلیه

هنگامی که نیروی خروجی پمپ بسیار قوی باشد، حفره تخلیه رخ می دهد. به دلیل بالا بودن فشار خروجی، جریان سیال از پمپ مشکل ساز خواهد بود.

بنابراین، با سرعت فوق‌العاده بالایی در داخل پمپ، بین پروانه و محفظه جریان می‌یابد و باعث ایجاد خلاء در تقسیم‌کننده محفظه و ایجاد حباب می‌شود.

در این نوع کاویتاسیون، فروپاشی حباب ها باعث ایجاد امواج ضربه ای شدید می شود که باعث شکستن محفظه پمپ و نوک پروانه می شود. شفت پروانه در نتیجه این شکل از کاویتاسیون به سمت شکست رانده می شود.
این نوع کاویتاسیون می تواند به دلایل مختلفی رخ دهد، از جمله مواردی که در زیر ذکر شده است.
صافی ها در سمت پرتاب لوله مسدود شده اند. در غیر این صورت فیلترها مسدود می شوند.
پمپ خیلی از منحنی پمپ فاصله دارد.
طراحی لوله ها بد است.

انواع دیگر کاویتاسیون پمپ به شرح زیر است:

تبخیر

این معمولی ترین نوع کاویتاسیون پمپ است. همچنین به عنوان «کاویتاسیون کلاسیک» شناخته می‌شود و زمانی اتفاق می‌افتد که یک پمپ به مایعی که از جلوی چشم پروانه‌ای که از کار افتاده است، سرعت می‌دهد. هنگامی که این اتفاق می افتد، مقداری از مایع تبخیر می شود و باعث ایجاد امواج شوک کاویتاسیون می شود.

سندرم وین

سندرم عبور پره نام دیگر این شکل از کاویتاسیون است. این زمانی اتفاق می افتد که یک پروانه دارای قطر قابل توجهی بیشتر از حد نیاز باشد یا زمانی که محفظه دارای پوشش ضخیم است. این زمانی اتفاق می افتد که یک پروانه دارای قطر قابل توجهی بیشتر از حد نیاز باشد یا زمانی که محفظه دارای پوشش ضخیم است.

آشفتگی

این زمانی اتفاق می افتد که یک پروانه دارای قطر قابل توجهی بیشتر از حد نیاز باشد یا زمانی که محفظه دارای پوشش ضخیم است. تلاطم باعث ایجاد امواج ضربه ای و ارتعاشاتی می شود که می تواند در طول زمان اجسام جامد را از بین ببرد.

گردش مجدد داخلی

هنگامی که پمپ نمی تواند با سرعت مناسب تخلیه شود، مایع در اطراف پروانه چرخش می یابد و در نتیجه حفره ایجاد می شود. مایع در معرض تغییرات فشار در سیستم قرار می گیرد که باعث گرم شدن و سرعت بالا و در نتیجه ایجاد حباب های بخار شده می شود.

کاویتاسیون آسپیراسیون هوا

هنگامی که هوا از طریق نقاط ضعیف مانند حلقه های مفصلی یا دریچه های فرسوده به داخل سیستم پمپاژ کشیده می شود، این نوع کاویتاسیون ایجاد می شود. هنگامی که هوا وارد سیستم می شود، مسیر دیگری برای خروج ندارد و در نهایت حباب هایی در مایع ایجاد می کند. کاویتاسیون زمانی اتفاق می افتد که حباب ها در اثر فشار پروانه پاره شوند.

نشانه های کاویتاسیون

هر زمان که یک مشکل مکانیکی یا ساختاری ایجاد شود، حفظ مکانیزم قابل اعتماد برای بررسی عملکرد پمپ به منظور تشخیص علائم هشدار دهنده اولیه حفره بسیار مهم است.
کاویتاسیون می تواند به دلیل یک یا چند مورد از علائم زیر ایجاد شود:
جریان کاهش یافته یا نیرو
سر و صدا
خرابی یاتاقان یا آب بندی
مصرف برق غیر قابل پیش بینی
نابودی پیشرونده یک پروانه
لرزش هایی که به طور غیر منتظره رخ می دهند

علل ایجاد کاویتاسیون چیست؟

هنگامی که فشار و دمای مایع در مکش پروانه با فشار بخار برابری می کند، کاویتاسیون در پمپ رخ می دهد. ممکن است در فشارهای پایین و دمای عملیاتی معمولی رخ دهد.

به صورت محلی باعث تبدیل مایع به بخار می شود و دما و فشار بسیار بالایی ایجاد می کند که می تواند به ترتیب به 10000 کلوین و 1GN/m2 ^برسد .
در حین کاویتاسیون، حباب هایی تشکیل می شود. با افزایش فشار در پمپ، حباب ها به شکل انفجاری با هم برخورد می کنند که به اندازه انفجار قوی است.
امواج ضربه ای ناشی از انفجار از مایع عبور می کند و به پروانه برخورد می کند و آسیب مکانیکی ایجاد می کند.

فرآیند پوشیدن کاویتاسیون

آسیب کاویتاسیون می تواند باعث فرسودگی پروانه پمپ، مهر و موم مکانیکی، یاتاقان ها و احتمالاً سایر اجزای پمپ شود. به عبارت دیگر، میانگین زمان بین خرابی ها (MTBF)، افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری و توقف پمپ را کاهش می دهد.

محیطی که سایش حفره ایجاد می کند مایع است. سایش کاویتاسیون نیازی به حضور سطح دوم ندارد. بلکه نیاز به حرکت نسبی زیاد بین سطح و سیال دارد.
این نوع حرکت فشار موضعی سیال را کاهش می دهد. هنگامی که مایع به نقطه جوش خود می رسد و جوش صورت می گیرد، حباب های بخار بیرون می آیند و در نتیجه حفره ایجاد می شود.
سایش حفره تنها در حفره بخار زمانی اتفاق می افتد که امواج ضربه ای و میکرو جت ها سطوح را فرسایش دهند. در نتیجه کاویتاسیون گازی، مواد روی سطح تجزیه نمی شوند.
فرسایش کاویتاسیون، کاویتاسیون بخار، حفره حفره‌ای، خستگی حفره‌ای، فرسایش ضربه مایع، و سیم کشی همگی اصطلاحاتی برای سایش کاویتاسیون هستند. سایش کاویتاسیون مشابه سایش خستگی سطحی است، زیرا ماده ای که در برابر خستگی سطحی مقاوم است (سخت اما شکننده نیست) در برابر آسیب ناشی از کاویتاسیون نیز مقاوم است.
هر حفره بخار فقط چند ثانیه دوام می آورد زیرا عملاً هر افزایش فشار باعث می شود بخارهای موجود در حباب فورا متراکم شوند و باعث ترکیدن حباب و ایجاد موج ضربه ای شوند.
این موج ضربه ای سپس با سطوح فلزی مجاور برخورد می کند و پیوندهای مواد را از بین می برد. موج ضربه ای در ابتدا بر روی سطح جامد تنش فشاری وارد می کند و پس از انعکاس، کشش طبیعی به سطح اعمال می کند.
فروپاشی حباب بخار و تشکیل یک میکروجت در شکل بالا دیده می شود.
کاویتاسیون معمولا در مناطقی که حالت هیدرودینامیکی با تغییر سریع و زیاد در فشار هیدرواستاتیکی مشخص می شود، مواجه می شود. از آنجا که جوشش می تواند به محض کاهش فشار اتفاق بیفتد، حباب های بخار تشکیل می شوند و اغلب و سریع فرو می ریزند. ذرات هوا و گرد و غبار درون سیال به عنوان مکان های هسته ای برای ایجاد حفره های بخار عمل می کنند.
این هسته‌ها می‌توانند حفره‌های میکروسکوپی پر از گاز در شکاف‌های ظرف یا به سادگی حفره‌های گاز روی ذرات آلوده کننده باشند که آزادانه در جریان جریان جریان دارند. در نتیجه، هر مایع محصور شده ممکن است حاوی آلاینده های کافی برای ایجاد کاویتاسیون باشد.
حفره های کوچک نزدیک سطح یا میدان جریان، جایی که فشار کم وجود دارد، نشان می دهد که کاویتاسیون شروع شده است. حباب ها، پس از تشکیل، تا زمانی که در مناطق کم فشار باقی می مانند، به رشد خود ادامه می دهند.
هنگامی که حباب ها به مناطق پرفشار مهاجرت می کنند، فرو می ریزند و فشار زیادی ایجاد می کنند و هر سطح جامد در مسیر خود را فرسایش می دهند. در طول فروپاشی، ذرات مایعی که حباب را احاطه کرده اند، به سرعت به سمت هسته آن حرکت می کنند.
انرژی جنبشی از این ذرات، چکش‌های آب محلی با شدت بالا (شوک) تولید می‌کند که با حرکت جلویی به مرکز حباب، شدت آن افزایش می‌یابد.

درمان و پیشگیری کاویتاسیون

با فرض عدم تغییر در شرایط مکش یا کیفیت مایع در طول عملیات، می توان به آسانی از کاویتاسیون در مرحله طراحی اجتناب کرد. نکته کلیدی درک سر مکش مثبت خالص (NPSH) و گنجاندن آن در فرآیند طراحی است.

برای کمک به درک بهتر این مفهوم، اجازه دهید آن را تقسیم کنیم:

خالص به آنچه پس از انجام همه کسرها باقی می ماند اشاره دارد.
مثبت بدیهی است.
فشار در فلنج ورودی پمپ به عنوان سر مکش نامیده می شود.

هنگامی که مشکلی در مورد کاویتاسیون در پمپ وجود دارد، می توان از اقدامات زیر برای جلوگیری از آن استفاده کرد.

انتخاب پمپ

ساده ترین استراتژی برای جلوگیری از کاویتاسیون استفاده از پمپ مناسب برای کاربرد است. هنگامی که هد پمپ کاهش می یابد یا ظرفیت افزایش می یابد، کاویتاسیون افزایش می یابد، بنابراین انتخاب پمپ مناسب برای حفظ محدوده مثبت هد مکش خالص خالص (NPSHa) بالاتر از سر مکش خالص خالص مورد نیاز (NPSHr) بهترین گام اولیه است.
یک قانون منطقی این است که فشاری در ورودی پمپ 10 درصد بیشتر از NPSHr مشخص شده پمپ باشد.
طراحی پمپ را در نظر بگیرید و همیشه در هنگام خرید پمپ های جدید بپرسید که آیا معیارهای سر مکش مثبت خالص (NPSH) را برآورده می کند یا خیر.

آدرس دهی کاویتاسیون تخلیه

هنگامی که فشار در انتهای تخلیه پمپ خیلی زیاد باشد، حفره تخلیه رخ می دهد.
فشار تخلیه بالا حجم سیال خارج شده از پمپ را کاهش می دهد و به سیال با سرعت بالا اجازه می دهد بین پروانه پمپ و محفظه چرخش کند و در نتیجه حفره ایجاد شود.

جلوگیری

کاهنده ها باید تا حد امکان به پمپ نزدیک شوند.
اگر شیر کنترلی مورد نیاز است، باید در سمت تخلیه نصب شود تا سمت مکش.
از مناطقی که هوا یا بخار می تواند جمع شود خودداری کنید.

پیشگیری از تبخیر حفره

سطح سیال را در تمام سمت مکش پمپ افزایش دهید.
قطر چشم را در مرکز پروانه افزایش دهید.
محدوده دمای سیال، پمپ و سایر تجهیزات را کاهش دهید .
یک بوستر پمپ را در سیستم قرار دهید تا فشار روی پمپ اولیه کاهش یابد.

برای جلوگیری از کاویتاسیون به دلیل آشفتگی

برای کاهش تلاطم، اندازه خط مکش پمپ را افزایش دهید.
بررسی کنید که همه اجزا در شرایط کار خوب هستند، زیرا ممکن است فشار بر جریان و حجم سیال را کاهش دهد.

برای جلوگیری از کاویتاسیون به دلیل گردش مجدد داخلی

مقدار تخلیه محدود پمپ را افزایش دهید تا مشخص شود که آیا انسدادی در پمپ وجود دارد یا خیر.
هر گونه زباله باقیمانده را از فیلتر پایین دست حذف کنید.
بررسی کنید که شیر به درستی نصب شده باشد، زیرا این یک خطای معمولی در بسیاری از سیستم ها است.
باز یا بسته بودن شیر تخلیه را مشخص کنید.
استفاده از تمام مراحل ذکر شده در بالا برای جابجایی پمپ از ایجاد حفره جلوگیری می کند و عمر آن را افزایش می دهد.

تعمیر و نگهداری دوره ای پمپ

از آنجایی که کاویتاسیون می تواند باعث منفجر شدن یک پمپ شود که باعث نگرانی ایمنی قابل توجهی می شود، کاربران دائماً به دنبال راه حل های قابل اعتمادی هستند که به آنها امکان پیش بینی و جلوگیری از آن را می دهد. پس از انتخاب صحیح پمپ، تعمیر و نگهداری مکرر موثرترین استراتژی برای جلوگیری از کاویتاسیون است.

مراحل زیر باید در تعمیر و نگهداری معمول پمپ اضافه شود

فیلترها و صافی ها را بررسی کنید. فیلترها و صافی هایی که کثیف یا گرفتگی هستند باعث ایجاد فشار در داخل پمپ می شوند. یک برنامه تعمیر و نگهداری تضمین می کند که سیستم ها برای حفظ عملکرد سیستم پمپ با ظرفیت کامل در محل هستند.
طراحی کامل سیستم پمپ را بررسی کنید تا مطمئن شوید که بهترین نرخ جریان از طریق ارتفاع پمپ و جریان رو به پایین در هر کجا که ممکن است در دسترس است.
منحنی را تجزیه و تحلیل کنید. ابتدا الزامات فشار کار را در نظر بگیرید، سپس داده های پمپ را در نظر بگیرید تا بررسی کنید که آیا با کاربرد مطابقت دارد یا خیر.
مراقب دستگاه های سنجش فشار باشید. به دنبال ترک یا شکستگی لوله/شلنگ باشید که می تواند باعث اختلال در سیستم شود.

نصب مناسب

هدف از نصب این است که سر مکش مثبت خالص (NPSHa) را بیشتر از سر مکش مثبت خالص (NPSHr) با در نظر گرفتن چهار متغیر اساسی در دسترس نگه دارد:

محل قرارگیری پمپ

پمپ را بطور فیزیکی طوری نصب کنید که آب آزادانه به ورودی مکش پمپ جریان یابد. بررسی کنید که خطوط مکشی که به ورودی پمپ می‌روند به اندازه کافی مایل باشند تا از آبگرفتگی محفظه پمپ اطمینان حاصل شود.

برای مثال، قرار دادن پمپ در سطحی پایین‌تر از سطح آب در مخزنی که از آن پمپ می‌کند، از نیروی جاذبه برای حفظ مکش سیل استفاده می‌کند که در بسیاری از شرایط از ایجاد حفره جلوگیری می‌کند.

پمپ‌ها، به‌ویژه پمپ‌های گریز از مرکز، زمانی بهترین عملکرد را دارند که سیال در یک جریان آرام و پیوسته حرکت می‌کند و تلاطم از هر نوع بر راندمان پمپ تأثیر می‌گذارد، بنابراین قرار دادن پمپ تا حد امکان به منبع سیال منطقی است.

طول و قطر لوله مکش

به طور کلی برای هر سانتی متر قطر مکش پمپ 12 سانتی متر لوله مستقیم لازم است. برای حفظ جریان آرام، 5-10 قطر لوله لوله مستقیم را به ورودی پمپ وصل کنید. در طول نهایی لوله ها، زانویی، کاهنده، دریچه یا صافی را شامل نشود.

برای مثال، اتصال یک زانو به طور مستقیم به فلنج پمپ، مایع را به جای مستقیم به چشم پروانه به سمت منحنی بیرونی زانو هدایت می کند. علاوه بر این، طرح لوله نباید به بدنه پمپ فشار وارد کند، بنابراین هرگز نباید از پمپ ها برای پشتیبانی از لوله کشی یا تخلیه استفاده کرد. در عوض از چوب لباسی و تکیه گاه استفاده کنید.

بالابر مکش (همچنین به عنوان فاصله عمودی از منبع آب تا ورودی پمپ نیز شناخته می شود)

بالابر مکش می تواند باعث شود پمپ ها بیشتر از حد لازم کار کنند، تلاطم ایجاد کنند و NPSHa را کاهش دهند. گزینه این است که پمپ را در زیر سطح آب مخزن منبع تغذیه نصب کنید و به قوانین طراحی لوله کشی پایبند باشید.

از دست دادن اصطکاک

هنگامی که سیالات از طریق لوله جریان می یابند، اصطکاک بین سیال و سطح داخلی لوله ایجاد تلاطم می کند که جریان را کند می کند و باعث افت فشار می شود. طول لوله، قطر و سرعت جریان همگی بر کاهش اصطکاک تأثیر دارند.

با کمک به حفظ سرعت ثابت، طرح‌بندی لوله‌کشی خوب به کاهش کاویتاسیون کمک می‌کند. انسداد در طرح های لوله کشی سرعت جریان را تغییر می دهد، که فشار سیال را تغییر می دهد و می تواند منجر به کاویتاسیون شود.

کاویتاسیون در پمپ (فرمول NPSH)

NPSH مخفف Net Positive Suction Head است و به عنوان تفاوت عمده بین سطح فشار ورودی و پایین‌ترین سطح فشار داخل پمپ تعریف می‌شود.

نیرو در قسمت اولیه پمپ کاهش می یابد قبل از اینکه سطح خروجی را در جهت سطح بالایی نسبت به نیروی ورودی افزایش دهد.

سر مکش خالص مثبت (NPSH) با استفاده از فرمول محاسبه می شود.

NPSH = PT-Pv/ρg

جایی که،

PT نشان دهنده فشار کل در ورودی است.
Pv نشان دهنده فشار بخار سیال است.
P مخفف چگالی است.
G مخفف شتاب گرانشی است.

جزئیات NPSH را بیاموزید

تشخیص سیگنال های صوتی و تصویری

صدا یا ارتعاش معمولی ترین راه برای تشخیص کاویتاسیون پمپ هستند. وقتی این اتفاق می‌افتد، صدایی شنیده می‌شود که شبیه به ترک خوردن است. پمپ ارتعاش بیشتری را در نتیجه ترکیدن حباب های بخار تجربه می کند که ممکن است دیده شود.
کاویتاسیون را می توان به صورت شنیداری، بصری، با ابزارآلات صوتی، حسگرهای ارتعاش ماشین، اندازه گیری سونولومینسانس، یا با افت یا تغییر عملکرد نسبت به عملکردی که در شرایط جریان تک فاز به دست می آید (به عنوان مثال از دست دادن سیالیت، صلبیت و واکنش) تشخیص داد.
نرخ سایش ایجاد شده توسط شرایط جریان حفره‌ای می‌تواند چندین برابر بیشتر از میزان فرسایش و خوردگی به تنهایی باشد.
سایش حفره ممکن است حتی سخت ترین مواد مانند فولادهای ابزار و استلیت ها را تخریب کند. چنین آسیبی می تواند به سرعت و به طور گسترده اتفاق بیفتد.
میزان آسیب ناشی از کاویتاسیون با فشار و سرعت ایجاد شده توسط حباب های فرو ریخته تعیین می شود. در نتیجه این فشار و سرعت، سطح در معرض طیف وسیعی از شدت ها را تجربه می کند.
هر تحمیل فقط موقت است. بزرگی ضربه و بازه‌های زمانی فروپاشی برای حباب‌های بزرگ‌تر در اختلاف فشار کاهشی معین بزرگ‌تر است.
در نتیجه، هرچه تنش کششی روی سیال بیشتر باشد (فشار ساکن کمتر)، حباب‌ها بزرگ‌تر، کاویتاسیون شدیدتر و آسیب بزرگ‌تر می‌شود.
هنگامی که حباب‌های بخار ایجاد می‌شوند و فرو می‌ریزند، تکانه‌هایی که به وجود می‌آیند دهانه‌های متقارن منفرد و تغییر شکل‌های مداوم مواد را در هنگام فروپاشی در نزدیکی سطح ایجاد می‌کنند.
در نتیجه، آسیب کاویتاسیون، مانند شکست خستگی، دوره های فعال متعددی دارد:
دوره جوجه کشی – ریزترک ها در نزدیکی مرزهای دانه و آخال ها در نتیجه تغییر شکل سطح، اعم از الاستیک و پلاستیکی رخ می دهند.
دوره انباشتگی – رشد ترک متناسب با میزان فعالیت شکافتن، برش و پارگی روی ماده است.
دوره حالت پایدار – برای باقیمانده زمان قرار گرفتن در معرض، سرعت هسته شدن و انتشار ترک ثابت می شود.
در یک سیستم جریان سیال (برخلاف مخزن اولتراسونیک)، حباب های بخار در جایی که کشش کششی سیال (فشار پایین) رخ می دهد، تشکیل می شود و حباب های بخار در جایی که نیروهای فشاری روی سیال وارد می شود، فرو می ریزند.
در نتیجه، محلی که آسیب رخ می دهد اغلب از ناحیه ای که حفره ها در آن ایجاد می شود متمایز است، که منجر به تشخیص نادرست بیماری می شود.
سایش حفره ماهیتی مکانیکی دارد و تا زمانی که بارهای کششی و فشاری اعمال نشود، نمی تواند رخ دهد.

مزایای کاویتاسیون

از مزایای آن می توان به راندمان بالا به دلیل افزایش انتقال حرارت و کاهش اصطکاک به دلیل حرکت سریعتر اشاره کرد.
کاویتاسیون را می توان برای تولید میکرو حباب هایی استفاده کرد که به جریان و گردش مایعات در یک لوله پر از مایع کمک می کند. این یک وسیله موثر برای تمیز کردن و تصفیه مایع درون پمپ و توربین است.
مزیت کاویتاسیون این است که برش بسیار تمیزی را روی فلزات، سرامیک ها، پلیمرها و کامپوزیت ها ایجاد می کند. از آن برای برش الماس، شیشه و انواع مواد دیگر استفاده می شود.
ثابت شده است که کاویتاسیون در حمام های تمیز کننده اولتراسونیک مفید است. نیروی کافی برای مقابله با نیروی چسب بین مولکول های ناخالصی و سطح تمیز دارد.
کاویتاسیون کنترل شده می تواند برای تقویت یک واکنش شیمیایی استفاده شود. کاویتاسیون روشی برای همگن سازی و اختلاط ذرات معلق در مایعات کلوئیدی است.
این تکنیکی است که برای تقویت عملکرد قایق‌ها و پرتابه‌های دریایی پرسرعت استفاده می‌شود. کاویتاسیون در تصفیه فاضلاب مستلزم استفاده از کاویتاسیون با سرعت بالا برای تجزیه آلاینده ها و ترکیبات آلی است.
از مزایای کاویتاسیون در زمینه فناوری های پردازش مواد و پزشکی استفاده می شود. کاویتاسیون در تخریب سنگ کلیه در سنگ شکنی موج شوک مهم است. کاویتاسیون اغلب در درمان های پزشکی مختلف که از اولتراسوند استفاده می کنند، مانند لیپوساکشن استفاده می شود.

معایب کاویتاسیون

سطح صدای بیش از حد، هزینه های نگهداری بالقوه بالاتر به دلیل خرابی های مکرر، و کیفیت پایین به دلیل تمایل کاویتاسیون به تجزیه فلزات با سرعت بیشتر، همگی از معایب هستند.
سر و صدای زیادی تولید می کند که اکثر کسب و کارها از آن به عنوان یک تکنیک تجاری استفاده کنند.
امواج ضربه ای ایجاد می کند که می تواند به دستگاه آسیب برساند. کاویتاسیون می تواند باعث آسیب به اجزای سیستم مانند یاتاقان ها، شیرها، پمپ ها و لوله ها شود. منجر به کاهش ناکارآمدی می شود.
کاویتاسیون برای کارمندان دشوار است زیرا نیاز به احتیاط بیشتری در طول فعالیت های تعمیر و نگهداری دارد. کاویتاسیون مواد تحت درمان را گرم می کند و باعث تخریب مواد و حتی آسیب حرارتی به تجهیزات می شود.
اگرچه فروپاشی یک حفره کوچک یک رویداد کم انرژی است، اما فروپاشی های بسیار موضعی می توانند فلزاتی مانند فولاد را در طول زمان تخریب کنند. سوراخ شدن ناشی از فروپاشی حفره، سایش زیادی به اجزا وارد می کند و می تواند به طور قابل توجهی عمر پروانه یا پمپ را محدود کند.

نتیجه

کاویتاسیون به طور گسترده ای به عنوان ایجاد حباب های بخار در جریان سیال به دلیل افت فشار زیر فشار بخار آن شناخته می شود. تشخیص کاویتاسیون به دلیل ماهیت سریع و پیچیده آن به فناوری های پیشرفته نیاز دارد. در غیر این صورت، تنها با تأثیرات آن بر تجهیزات، مانند صدای غیرمنتظره، ارتعاشات، و تخریب مواد قابل تشخیص است.

هیچ راه دیگری برای جلوگیری از کاویتاسیون وجود ندارد جز طراحی صحیح سیستم پمپ. در طول فرآیند طراحی، مقدار NPSHa (که مستقل از پمپ انتخابی است) را می توان به سادگی تعیین کرد. سپس NPSHa را می توان با NPSHr برای انواع مختلف پمپ مورد بررسی مقایسه کرد.

اکیداً توصیه می شود که تغییرات لازم در مرحله طراحی انجام شود زیرا هر گونه هزینه اضافی در مقایسه با هزینه های تعمیر یک نصب مستعد کاویتاسیون بسیار ارزان تر خواهد بود. بهترین روش برای جلوگیری از کاویتاسیون همیشه طراحی خوب است.