Енергийно образование
сайт за тези, които искат да изучават енергетиката
Двигатели и компресори
Суперзарядни устройства
Суперчарджърът е машина, която преобразува механичната енергия в енергията на флуиден поток. Компресорът е разделен на помпи, вентилатори и компресори. Помпата движи капещи течности. Вентилаторните газове при ниско налягане падат до 15 kPa, а компресорът при високо налягане пада.
2. Кавитация в помпите
Кавитация възниква, когато налягането на течността в помпата спадне до налягането на наситените пари. Когато налягането на смукателната тръба на помпата падне до налягането на наситените пари на течността, от нея започва да се отделя разтворен газ. Образуват се мехурчета. При последващо повишаване на налягането настъпва мигновен колапс на мехурчетата, придружен от освобождаване на енергия. Повърхностите на работното колело изпитват топлинно, електрохимично и ударно въздействие, в резултат на което се разрушават. Степента на увреждане в този случай зависи от материала, от който са направени колелата. Неръждаемата стомана е по-устойчива на кавитация от бронза, а бронзът е по-устойчив от чугуна. Параметърът NPSH е минималното абсолютно налягане, при което помпата не изпитва кавитация, т.е. той отразява "изискванията" на помпата към системата. Кривата NPSH за помпата се определя въз основа на ISO 9906.
Според дефиницията на Кристофър Бренън: „Когато една течност е подложена на налягане под прага (напрежение на опън), тогава целостта на нейния поток се нарушава и се образуват парни кухини. Това явление се нарича кавитация. Когато локалното налягане на течност в даден момент падне под стойността, съответстваща на налягането на насищане при дадена температура на околната среда, тогава течността преминава в другасъстояние, образувайки предимно фазови празнини, които се наричат кавитационни мехурчета. Друго образуване на кавитационни мехурчета също е възможно чрез локално захранване с енергия. Това може да се постигне чрез фокусиране на интензивен лазерен импулс (оптична кавитация) или чрез предизвикване на електрически разряд.
В много източници физиката на това явление се обяснява по следния начин. Физическият процес на кавитация е близък до процеса на кипене на течност. Основната разлика между тях се състои в това, че по време на кипене промяната във фазовото състояние на течността настъпва при средно налягане върху обема на течността, равно на налягането на наситените пари, докато по време на кавитация средното налягане на течността е по-високо от налягането на наситените пари и спадът на налягането е локален.
Въпреки това, по-късни проучвания показват, че водеща роля в образуването на мехурчета по време на кавитация играят газовете, отделяни вътре в образуваните мехурчета. Тези газове винаги се съдържат в течността и при локално намаляване на налягането те започват интензивно да се отделят в тези мехурчета.
Тъй като под въздействието на променливо локално налягане на течността мехурчетата могат рязко да се свиват и разширяват, температурата на газа вътре в мехурчетата варира в широки граници и може да достигне няколкостотин градуса по Целзий. Има изчислени данни, че температурата вътре в мехурчетата може да достигне 1500 градуса по Целзий. Трябва също така да се има предвид, че газовете, разтворени в течност, съдържат повече кислород в процентно изражение от въздуха и следователно газовете в мехурчета по време на кавитация са химически по-агресивни от атмосферния въздух.
При определена скорост на водния поток локалното налягане на повърхността на крилото намалява до налягането на водните пари. На повърхността на крилото се появяват кавитационни кухини.Мехурчетата растат, движейки се по посока на течението. (Тъй като мехурчетата се образуват близо до повърхността на крилото, те са с полусферична форма.) Този тип кавитация се нарича преходна (убегаща) кавитация на мехурчета. Ако има някаква издатина на повърхността, тогава мехурчетата се концентрират върху нея.
Химическата агресивност на газовете в мехурчетата, които също имат висока температура, причинява ерозия на материалите, с които течността влиза в контакт, при което се развива кавитация. Тази ерозия е един от факторите за вредното въздействие на кавитацията. Вторият фактор се дължи на големи превишения на налягането, произтичащи от колапса на мехурчетата и действащи върху повърхностите на тези материали.
Следователно кавитацията в много случаи е нежелателна. Например, причинява разрушаване на корабни витла, работни части на помпи, хидравлични турбини и др., кавитацията причинява шум, вибрации и намаляване на ефективността на работа.
Когато кавитационните мехурчета се срутят, енергията на течността се концентрира в много малки обеми. В резултат на това се образуват горещи точки и се генерират ударни вълни, които са източници на шум. Шумът, генериран от кавитация, е особен проблем на подводниците (подводниците) поради шума, който те могат да засекат. Когато каверните са унищожени, се освобождава много енергия, която може да причини щети. Експериментите показват, че дори вещества, които са химически инертни към кислорода (злато, стъкло и др.), се подлагат на вредни, разрушителни ефекти на кавитацията, макар и много по-бавно. Това доказва, че в допълнение към фактора на химическата агресивност на газовете в мехурчетата, факторът на скокове на налягането, които възникват, когато мехурчетата се срутят, също е важен. Кавитацията води до голямо износване на работните части и можезначително намаляват живота на винта и помпата. В метрологията, когато се използват ултразвукови разходомери, кавитационните мехурчета модулират вълните, излъчвани от разходомера, което води до изкривяване на показанията му.
В местата на контакт на течност с бързо движещи се твърди тела (работни тела на помпи, турбини, корабни витла, подводни криле и др.) Настъпва локална промяна на налягането. Ако налягането в даден момент падне под налягането на наситените пари, целостта на средата се нарушава. Или по-просто казано, течността завира. След това, когато течността навлезе в зона с по-високо налягане, мехурчетата на парата се "свиват", което е придружено от шум, както и появата на микроскопични зони с много високо налягане (когато стените на мехурчетата се сблъскат). Това води до разрушаване на повърхността на твърди предмети. Сякаш ги "разяждат". Ако зоната на ниско налягане е достатъчно голяма, възниква кавитационна кухина - кухина, пълна с пара. В резултат на това се нарушава нормалната работа на лопатките и е възможна дори пълна повреда на помпата. Любопитно е, но има примери, когато кавитационната кухина е специално заложена при изчисляване на помпата. В случаите, когато е невъзможно да се избегне кавитация, такова решение избягва разрушителния ефект на кавитацията върху работните части на помпата. Режимът, при който се наблюдава стабилна кавитационна кухина, се нарича "суперкавитационен режим".
Въпреки че кавитацията е нежелателна в много случаи, има изключения. Например суперкавитационните торпеда, използвани от военните, са обвити в големи кавитационни мехурчета. Чрез значително намаляване на контакта с водата, тези торпеда могат да се движат много по-бързо от конвенционалните торпеда.
Кавитацията се използва при ултразвуково почистванеповърхности на твърди тела. Специални устройства създават кавитация, използвайки звукови вълни в течност. Кавитационните мехурчета, когато се свиват, генерират ударни вълни, които унищожават частиците замърсяване или ги отделят от повърхността. Това намалява нуждата от опасни и нездравословни почистващи агенти в много индустриални и търговски процеси, където почистването се изисква като производствена стъпка.
В индустрията кавитацията често се използва за хомогенизиране (смесване) и отлагане на суспендирани частици в колоиден течен състав, като смеси за бои или мляко. Много индустриални миксери са базирани на този принцип. Това обикновено се постига чрез проектиране на хидравлични турбини или чрез преминаване на сместа през пръстеновиден отвор, който има тесен вход и много по-голям изход: принудителното намаляване на налягането води до кавитация, тъй като течността се стреми към по-голям обем. Този метод може да се контролира от хидравлични устройства, които контролират размера на входа, което позволява процесът да се регулира в различни среди. Външната страна на смесителните вентили, върху която кавитационните мехурчета се движат в обратна посока, за да предизвикат имплозия (вътрешна експлозия), е подложена на огромно налягане и често е направена от свръхздрави или твърди материали като неръждаема стомана, стелит или дори поликристален диамант (PCD).
Разработени са и кавитационни устройства за пречистване на вода, при които кавитационните гранични условия могат да унищожат замърсители и органични молекули. Спектрален анализ на светлината, излъчена в резултат на сонохимична реакция, показва химическите и плазмените основни механизми на пренос на енергия. Излъчената светлинакавитационните мехурчета се наричат сонолуминесценция.
Процесите на кавитация имат висока разрушителна сила, която се използва за раздробяване на твърди частици, които са в течност. Едно от приложенията на такива процеси е смилането на твърди вещества в тежки горива, които се използват за обработка на котелно гориво с цел повишаване на калоричността на изгарянето му.
Процесите на кавитация в момента са малко проучени, но приложението им в технологиите е много обещаващо.