Ако мехурчетата не експлодират или нещо подобноопасна кавитация
Днес има доста публикации по проблема с кавитацията и методите за нейното премахване, но само няколко от тях обясняват причините, поради които мехурчетата имат толкова разрушителен ефект.
Появата на кавитация в центробежните помпи обикновено се предхожда от кипене. Това изобщо не означава, че кипенето само по себе си е опасно, но ако получените мехурчета не избухнат, тогава в този случай те могат да предизвикат много мощна сила. Кипенето е един от процесите, при които настъпва промяна в състоянието на течност и преход към пара.
Течната вода и мехурчетата водна пара, които се образуват по време на кипене, са съставени от едни и същи молекули. Основната разлика между тях е в енергийното ниво на молекулите и общото пространство, което те заемат в резултат на получената енергия. Молекулите на парата имат значително по-високо енергийно ниво. За техните бързи и дълги движения е необходимо много повече пространство, отколкото за течните молекули.
Кипенето и образуването на парни мехурчета се случва, когато енергията на водните молекули в течно състояние стане по-висока от налягането на водата и атмосферното налягане, действащи върху нейната повърхност. Обикновено този процес се обяснява по отношение на отоплението, но в помпената индустрия промяната в налягането е най-важното нещо.
При атмосферно налягане на морското равнище от 760 mm Hg водата в чайник кипи при температура 100ºС. Обемът на парния мехур, който се образува при точка на кипене 100ºC, ще бъде 1673 пъти по-голям от обема на воден мехур при същата температура. Когато достигне повърхността на водата, тя експлодира, освобождавайки топлина и енергия под налягане. Основен източник на енергиядокато е още топло. Взривната вълна, генерирана при спукване на балон, има малка сила, тъй като налягането в мехура е по-малко от една атмосфера и енергията се разсейва във всички посоки по повърхността на водата.
Ако загреете същия чайник, например, в южната част на Кисловодск, където надморската височина достига 1600 м, тогава водата в него ще заври при температура 95ºС. Намаляването на точката на кипене се свързва с по-високо положение над нивото на мярката и по-ниско атмосферно налягане от 632 mmHg. Когато налягането върху повърхността на водата е по-ниско, е необходима по-малко топлинна енергия, за да започне преминаването на водата от едно състояние в друго. И тъй като налягането намалява, ще се изисква все по-малко топлина и при ниво на налягане от приблизително 4,5 mm Hg водата лесно завира при температура на замръзване.
Същият модел работи в обратна посока: ако налягането върху водната повърхност се увеличи с повече от една атмосфера, точката на кипене също ще се повиши. Ако налягането стане по-високо по време на кипене, тогава мехурчетата на парата не експлодират. Те се свиват и се връщат в първоначалното си течно състояние.
Същият процес протича в центробежна помпа по време на кавитация. Всмукателната кавитация, най-разпространената и лесно предсказуема форма, възниква, когато ефективното положително налягане на главата на смукателната страна на помпата падне под налягането на парите на водата, съдържаща се в смукателната страна на помпата (налягането на парите е налягането, необходимо за поддържане на водата в течно състояние при дадена температура). Най-податливи на този вид кавитация са онези части от лопатките на работното колело, които са в областта на най-ниското налягане, тоест тези, които се намират близо до входа. В тази част на остриетоимат максимално огъване и когато водата тече около тях, налягането върху повърхността им става по-ниско.
При достатъчно ниско налягане могат да се образуват мехурчета (в резултат на кипене), които се свиват за по-малко от секунда, когато навлязат в зона с малко по-високо налягане. Енергията, освободена по време на колапса на мехур от водна пара, е коренно различна от тази, която се създава при експлозията му. За разлика от мехур от пара, който експлодира на повърхността на водата, сгънатият балон всъщност се връща в течно състояние. Въпреки че по време на този процес също се отделя топлина, основният източник на енергия в този случай са ударните вълни, генерирани в резултат на колапса на мехурчетата.
Ударните вълни се образуват от сблъсъка на водни молекули, които се втурват към мястото, където мехурът се свива, за да запълнят получената празнина. Силата на ударната вълна зависи от няколко фактора. Проучванията показват, че времето на съществуване на балона (от момента на образуване до колапса) е три милисекунди (0,003 секунди), така че този процес е много бърз. Колкото по-бързо се сблъскват водните молекули, толкова повече енергия се освобождава.
Размерът на мехурчето от кавитационна пара може да бъде значително по-голям от мехурчето, което се образува по време на стандартния процес на кипене при нормално атмосферно налягане. Например, при температура 20°C (стандартна температура в помпа), мехурът от пара, образуван в резултат на кавитация, е почти 35 пъти по-голям от този, образуван при температура 100°C! И колкото по-голям е размерът на мехурчето, толкова по-голяма е масата на водата, участваща в сблъсъка.
Заедно тези фактори (скорост и маса) дават общата кинетична енергия на колапсиращия балон (KE = ½ mv²). Висока скорост,в резултат на бързото свиване на балона и голямата маса, дължаща се на размера на балона, водят до освобождаване на огромна енергия. В същото време протича още по-важен процес, който засилва разрушителната сила на срутващия се балон.
Фигура 1 показва серия от снимки, показващи постепенното свиване на мехур от пара. В стъпка 1 балонът е с почти кръгла форма, който започва да се свива в стъпка 2. Този процес продължава до стъпка 18, последван от пълно свиване.
Интересен момент, който трябва да се отбележи, се случва в стъпка 7, по време на която започва да се образува вдлъбнатина на дъното на балона. Тази формация, наречена "входна микроструя", се формира върху една от плоските повърхности и продължава да расте по размер до стъпка 13. В стъпка 14 тази струя пробива горната повърхност на мехура и насочва силата на колапса в една посока.
Проучването също така показа, че ако мехурът се срути близо до стените на твърди предмети (лопатка или защитен корпус), действието на микроструята почти винаги е насочено към стените. С други думи, цялата енергия на колапса е насочена към някаква микроскопична област от повърхността на работното колело и в резултат на това започва разрушаването на метала.
Комбинацията от силно концентрирана енергия и фокусирането й в една посока придава на срутващия се балон такава разрушителна сила. И дори ако мехурчетата се срутят далеч от повърхността на работното колело и металът не е разрушен, ударните вълни все още причиняват силна вибрация, която може да доведе до други повреди на помпата.
Инженер на компанията Индустриални помпи LLC Сергей Егоров