Енергетична освіта

сайт для тих, хто хоче вивчати енергетику

Двигуни та нагнітачі

кавітації

Нагнітачі

Нагнітачем називається машина, що перетворює механічну енергію в енергію потоку рідини. Нагнітачем поділяються на насоси, вентилятори та компресори. Насос переміщує краплинні рідини. Вентилятор гази при малих перепадах тиску до 15 КПа, а компресор при великих перепадах тисків.

2. Кавітація у насосах

Кавітація з'являється в тому випадку, якщо тиск рідини в насосі падає до тиску її насиченої пари. При падінні тиску на всмоктувальному патрубку насоса до тиску насиченої пари рідини, з неї починає виділятися розчинений газ. Утворюються бульбашки. При подальшому збільшенні тиску відбувається миттєве схлопування бульбашок, що супроводжується виділенням енергії. Поверхні робочого колеса зазнають теплової, електрохімічної та ударної дії, внаслідок чого руйнуються. Ступінь пошкодження при цьому залежить від матеріалу, з якого виготовлені колеса. Нержавіюча сталь більш стійка до кавітації, ніж бронза, а бронза більш стійка, ніж чавун. Параметр NPSH є мінімальне абсолютне тиск, у якому насосі немає кавітація, тобто. він відбиває «вимоги» насоса до системи. Криву NPSH для насоса визначають на основі стандарту ISO 9906.

Відповідно до визначення Крістофера Бреннена: «Коли рідина піддається тиску нижче порогового (напрузі розтягування), тоді цілісність її потоку порушується, і утворюються пароподібні порожнини. Це називається кавітацією. Коли місцевий тиск рідини в деякій точці падає нижче величини, що відповідає тиску насичення при даній температурі, тоді рідина переходить в іншестан, утворюючи, переважно, фазові порожнечі, які називаються кавітаційними бульбашками. Можливе й інше утворення кавітаційних бульбашок шляхом місцевої подачі енергії. Це може бути досягнуто фокусуванням інтенсивного лазерного імпульсу (оптична кавітація) або іскрою електричного розряду».

У багатьох джерелах фізика цього явища пояснюється так. Фізичний процес кавітації близький до процесу закипання рідини. Основна відмінність між ними полягає в тому, що при закипанні зміна фазового стану рідини відбувається при середньому за об'ємом тиску тиску рівному тиску насиченої пари, тоді як при кавітації середній тиск рідини вище тиску насиченої пари, а падіння тиску носить локальний характер.

Однак пізніші дослідження показали, що провідну роль в утворенні бульбашок при кавітації грають гази, що виділяються всередину бульбашок, що утворюються. Ці гази завжди містяться в рідині, і при місцевому зниженні тиску починають інтенсивно виділятися внутрішньо зазначених бульбашок.

Оскільки під впливом змінного місцевого тиску рідини бульбашки можуть різко стискатися і розширюватися, то температура газу всередині бульбашок коливається в широких межах, і може досягати кількох сотень градусів за цельсієм. Є розрахункові дані, що температура всередині бульбашок може досягати 1500 градусів цельсію. Слід також враховувати, що у розчинених у рідині газах міститься більше кисню у відсотковому відношенні, ніж у повітрі, і тому гази у бульбашках при кавітації хімічно агресивніші, ніж атмосферне повітря.

При певній швидкості течії води місцевий тиск біля поверхні крила знижується до тиску водяної пари. На поверхні крила з'являються кавітаційні каверни.Бульбашки ростуть, зміщуючись у напрямі течії. (Оскільки бульбашки утворюються біля поверхні крила, вони мають напівсферичну форму.) Такий тип кавітації називається нестаціонарною (збігаючою) бульбашковою кавітацією. Якщо на поверхні є якийсь виступ, то бульбашки концентруються на ньому.

Хімічна агресивність газів у бульбашках, що мають ще й високу температуру, викликає ерозію матеріалів, з якими стикається рідина, в якій розвивається кавітація. Ця ерозія і є одним із чинників шкідливого впливу кавітації. Другий фактор обумовлений великими закиданнями тиску, що виникають при схлопывании бульбашок і впливають поверхні зазначених матеріалів.

Тому кавітація у багатьох випадках небажана. Наприклад, вона викликає руйнування гребних гвинтів суден, робочих органів насосів, гідротурбін тощо, кавітація викликає шум, вібрації та зниження ефективності роботи.

Коли кавітаційні бульбашки схлопуються, енергія рідини зосереджується в дуже невеликих обсягах. Тим самим утворюються місця підвищеної температури та виникають ударні хвилі, які є джерелами шуму. Шум, що створюється кавітацією, є особливою проблемою на підводних човнах (субмаринах), тому що через шум їх можуть виявити. При руйнуванні каверн звільняється багато енергії, що може спричинити пошкодження. Експерименти показали, що шкідливому, руйнівному впливу кавітації піддаються навіть хімічно інертні до кисню речовини (золото, скло та ін.), хоч і набагато повільнішому. Це доводить, що окрім фактора хімічної агресивності газів, що знаходяться у бульбашках, важливим є також фактор закидів тиску, що виникають при схлопуванні бульбашок. Кавітація веде до великого зносу робочих органів і можезначно скоротити термін служби гвинта та насоса. У метрології, при використанні ультразвукових витратомірів, кавітаційні бульбашки модулюють хвилі, що випромінюються витратоміром, що призводить до спотворення його показань.

У місцях контакту рідини з твердими об'єктами, що швидко рухаються (робочі органи насосів, турбін, гребні гвинти суден, підводні крила і т. д.) відбувається локальна зміна тиску. Якщо тиск у якійсь точці падає нижче за тиск насиченої пари, відбувається порушення цілісності середовища. Або, простіше, рідина закипає. Потім, коли рідина потрапляє в область з вищим тиском, відбувається «схлопування» бульбашок пари, що супроводжується шумом, а також появою мікроскопічних областей з дуже високим тиском (при зіткненні стінок бульбашок). Це призводить до руйнування поверхні твердих об'єктів. Їх хіба що «роз'їдає». Якщо зона зниженого тиску виявляється досить великою, виникає кавітаційна каверна - порожнина, заповнена пором. Внаслідок цього нормальна робота лопатей порушується і можливий навіть повний зрив роботи насоса. Цікаво, але є приклади, коли кавітаційна каверна спеціально закладається під час розрахунку насоса. У випадках, коли уникнути кавітації неможливо, таке рішення дозволяє уникнути руйнівного впливу кавітації на робочі органи насоса. Режим, у якому спостерігається стійка кавітаційна каверна, називають «режимом суперкавітації».

Хоча кавітація небажана у багатьох випадках, є винятки. Наприклад, надкавітаційні торпеди, які використовуються військовими, обволікаються у великі кавітаційні бульбашки. Істотно зменшуючи контакт із водою, ці торпеди можуть пересуватися значно швидше, ніж прості торпеди.

Кавітація використовується при ультразвуковій очистціповерхонь твердих тіл. Спеціальні пристрої створюють кавітацію, використовуючи звукові хвилі рідини. Кавітаційні бульбашки, плескаючись, породжують ударні хвилі, які руйнують частинки забруднень або відокремлюють їх від поверхні. Таким чином, знижується потреба в небезпечних і шкідливих для здоров'я речовин, що чистять у багатьох промислових і комерційних процесах, де потрібно очищення як етап виробництва.

У промисловості кавітація часто використовується для гомогенізації (змішування) та відсадження зважених частинок у колоїдному рідинному складі, наприклад, суміші фарб або молоці. Багато промислових змішувачів засновані на цьому принципі. Зазвичай це досягається завдяки конструкції гідротурбін або шляхом пропускання суміші через кільцеподібний отвір, який має вузький вхід і значно більший за розміром вихід: вимушене зменшення тиску призводить до кавітації, оскільки рідина прагне більшого об'єму. Цей метод може керуватися гідравлічними пристроями, які контролюють розмір вхідного отвору, що дозволяє регулювати процес роботи у різних середовищах. Зовнішня сторона змішувальних клапанів, по якій кавітаційні бульбашки переміщаються в протилежний бік, щоб викликати імплозію (внутрішній вибух), піддається величезному тиску і часто виконується з надміцних або жорстких матеріалів, наприклад, з нержавіючої сталі, стелліту або навіть полікристалічного алмазу.

Також було розроблено кавітаційні водні пристрої очищення, у яких граничні умови кавітації можуть знищити забруднюючі речовини та органічні молекули. Спектральний аналіз світла, що випромінюється в результаті сонохімічної реакції, показує хімічні та плазмові базові механізми енергетичної передачі. Світло, що випускаєтьсякавітаційними бульбашками, називається сонолюмінесценцією.

p align="justify"> Кавітаційні процеси мають високу руйнівну силу, яку використовують для дроблення твердих речовин, які знаходяться в рідині. Одним із застосування таких процесів є подрібнення твердих включень у важкі палива, що використовується для обробки котельного палива з метою збільшення калорійності його горіння.

p align="justify"> Кавітаційні процеси в даний час мало вивчені, але їх застосування в техніці є дуже перспективним.