وبینار آموزش نرم افزار WEAP ثبت نام میکنم
وبینار آموزش نرم افزار WEAP
ثبت نام میکنم
0
0

کاویتاسیون به زبان ساده

1104 بازدید

کاویتاسیون چیست و چگونه رخ می دهد ؟

کاویتاسیون یکی از پدیده های مخرب هیدرودینامیکی در جریان های تحت فشار ناپایدار است که در صورت بروز سبب ایجاد صدمات گوناگون در سیستم های هیدرولیکی نظیر خطوط انتقال آب، نفت و شبکه های توزیع و پمپاژ می شود.  منظور از کاویتاسیون، تشکیل ذرات ریز حباب، در مایع است. در طی فرآیند کاویتاسیون، در ناحیه ‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد. ممکن است تصور شود که تنها دلیل تشکیل حباب‌ های بخار در بخشی از مایع این است که فشار این بخش از مایع کاهش می‌یابد و به فشار بخار می‌رسد. اما حقیقت این است که پارامتر‌های مختلف دیگری نیز موجود هستند که در وقوع این پدیده دخالت دارند که در ادامه به این عوامل خواهیم پرداخت.

گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت، فشار منطقه ای پایین می آید که این کاهش فشار ممکن است به حدی باشد که فشار برابر فشار سیال در آن شرایط شود و یا در طول سرریز یا حوضچه خلازدایی در اثر وجود ناصافی ها و نا همواری های پره ها خطوط جریان از بستر خود جدا شده و در اثر این جدا شدگی فشار موضعی در منطقه جدا شدگی کاهش یافته و ممکن است به فشار بخار سیال برسد که در این صورت و بر اثر این دو عامل قسمتی از سیال که به شکل مایع در جریان است به حالت جوشش درآمده و سیال به بخار تبدیل می شود و حباب هایی از بخار بوجود می آید. این حباب ها پس از طی کردن مسیر کوتاهی به منطقه ای با فشار بیشتر رسیده و منفجر می شود و امواجی ضربه ای را ایجاد می کند و به مرز بین سازه و سیال ضربه می زند و پس از مدتی بر روی مرز جامد ایجاد خوردگی می کند. این عمل به تعداد بسیار زیاد در مدت کوتاهی انجام می گیرد و باعث خوردگی پره های پمپ می شود و به تدریج این خوردگی ها سبب ایجاد حفره های بزرگی می شود.

عوامل موثر در کاویتاسیون

تحقیقات در طی سالیان نشان می دهد که کاویتاسیون تنها در اثر یک عامل ایجاد نمی شود و حاصل مجموعه ای از عوامل است که مهم ترین عوامل ایجاد کاویتاسیون به شرح زیر است:

کاویتاسیون به زبان ساده

عوامل هندسی

۱- ناهمواری های سطحی پره ها، خصوصا برآمدگی ها و فرورفتگی های موضعی

۲- درزهای ساختمانی

۳- جدا کننده جریان و دفلکتورها

۴- دهانه مجاری و لوله

۵- شکل نازل ورودی

۶- تغییر در شکل عبور جریان

۷- انحنا یا انحراف در مسیر جریان در آبراهه

عوامل هیدرولیکی

۱- دبی مخصوص

۲- سرعت جریان

۳- عملکرد پمپ

۴- توسعه لایه مرزی

عوامل متفرقه

۱– انتقال حرارت در طی عمل پمپاژ

۲- درجه حرارت آب

۳- تعداد و اندازه حباب های درون آب

۴- پراکندگی هوا

انواع کاویتاسیون

  • حفره زایی حبابی
  • حفره زایی پره
  • حفره زایی بن پروانه
  • حفره زایی ابری
  • حفره زایی محفظه ی پروانه
  • حفره زایی نوک گردابه
  • حفره زایی میانه گردابه

کاویتاسیون به زبان ساده

انواع کاویتاسیون که ممکن است در پمپ ها اتفاق بیافتد

– کاویتاسیون تبخیری:

شایع ترین نوع کاویتاسیون می باشد و حدود ۷۰ % از کاویتاسیون ها را در بر می گیرد. برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار NPSHr (حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می گردد) بیشتر باشد.

برای جلوگیری از صدمات ناشی از کاویتاسیون تبخیری، راهکا های زیر پیشنهاد می گردد:

۱- کاهش دما که مقدار هد ناشی از فشار بخار سیال را کاهش دهد، هرچه دما کمتر باشد در نتیجه فشار اشباع متناظر به آن کمتر خواهد شد و در نتیجه احتمال کمتر شدن این فشار نسبت به فشار داخل پمپ افزایش می یابد. بنابراین وقتی خواستید که سیال با دمای بالا را پمپ کنید بسیار باید به این نوع کاویتاسیون دقت کنید.

۲- افزایش تراز مایع در مخزن مکش که مقدار هد استاتیکی را افزایش می دهد.

۳- بهبود و اصلاح پمپ که شامل موارد زیر:

– کاهش سرعت که مقدار هد ناشی از افت را کاهش می دهد

– افزایش قطر چشمه پره

– به کار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افت هد می شود.

در این شرایط مایع مجبور می شود از ناحیه پر فشار پمپ به طرف ناحیه کم فشار آن در عرض پره باز گردش کند. وقتی در قسمت مکش یا تخلیه جریان گردابی ایجاد می شود که ناشی از سرعت بالای سیال می باشد جریان سیال برعکس شده و در خلاف جریان حرکت جریان عادی سیال باز گردش می کند. باز گردش سیال باعث می شود که قطر مفید عبور سیال در قسمت مکش و تخلیه کاهش یابد و باعث کاهش فشار سیال گردد (مطابق اصل برنولی). با کاهش فشار و رسیدن فشار به فشار بخار سیال پدیده کاویتاسیون ایجاد می شود.

کاویتاسیون از نوع مکش

مکش هوا می تواند به اشکال مختلف در لوله ها و نقاط دیگر پمپ اتفاق بیفتد. مثلا در صورت ایجاد خلا در پمپ هوا می تواند به درون لوله ها وارد شود. یکی از این نمونه ها پمپ بالاکش یا لیفت پمپ می باشد. هوا از طریق زیر می تواند وارد پمپ شود:

۱- آب بند شفت پمپ

۲- آب بند ساق متصل به صفحه شیر در لوله مکش

۳- رینگ های اتصالی لوله مکش

۴- واشر های آب بند صفحه فلنج در اتصالات لوله

۵- ارینگ ها و اتصالات پیچی در قسمت مکش

۶- ارینگ ها و آب بندهای ثانویه در آب بندهای تک

۷- سطوح آب بندهای مکانیکی تک

۸- از طریق حباب ها و حفره های هوا در لوله مکش

۹- از طریق مایعات کف کننده

راه های جلوگیری از کاویتاسیون نوع مکش هوا

۱- آب بندی و بستن تمام سطوح، صفحات فلنج ها و واشرها

۲- درزبندی و بستن رینگ های آب بند و آب بندهای ساقه متصل به صفحه شیر در لوله مکش

۳- نگه داشتن سرعت سیال به میزان ۸ فوت بر ثانیه (با افزایش قطر لوله)

۴- استفاده از آب بند های مکانیکی دوبل

از نظر رفتاری کاویتاسیون را می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد

  •  کاویتاسیون غیرفعال
  • کاویتاسیون فعال

کاویتاسیون غیرفعال

وقتی یک حجم مایع در معرض یک فشار کم کارآمدی قرار می گیرد، مایع می ترکد و یک حفره تشکیل می دهد. این پدیده آغاز کاویتاسیون نامیده می شود و می تواند در پشت تیغه یک ملخ یا پروانه که به سرعت می چرخد یا هر سطح دیگری که در زیر آب با اندازه و شتاب کافی ارتعاش می کند، رخ دهد.  چنین حباب کاویتاسیون با فشار کم درون مایع، به خاطر فشار بالاتر محیط از بین می رود. همانطور که حباب از بین می رود، فشار و دمای بخار درون آن افزایش می یابد. در نهایت حباب به کسر کوچکی از اندازه اصلی خود تبدیل می شود که در این نقطه گاز درون حباب به محیط مایع پراکنده شده و یک مقدار انرژی زیادی را به شکل موج ضربه صوتی و نور مرئی رها می سازد. در نقطه فروپاشی کلی دمای بخار درون حباب می تواند چندین هزار درجه کلوین و فشار آن چند صد اتمسفر باشد.

کاویتاسیون غیرفعال می تواند در حضور یک میدان صوتی نیز رخ دهد. حباب های گاز میکروسکوپی که عموما در یک مایع حضور دارند به دلیل بکار گرفتن میدان صوتی مجبور به نوسان می شوند. اگر چگالی صوتی به مقدار کافی بالا باشد، حباب ها ابتدا از لحاظ اندازه رشد می کنند و سپس به سرعت فروپاشیده می شوند. بنابراین کاویتاسیون غیر فعال حتی اگر کاهش فشار مایع برای خلل مشابه مشاهده کافی نباشد، می تواند رخ دهد.

کاویتاسیون فعال

فرایندی است که حباب های کوچک در یک مایع به نوسان در حضور یک میدان صوتی، وقتی شدت میدان صوتی برای فروپاشی کلی حباب ناکافی باشد، واداشته می شوند. این شکل از کاویتاسیون فرسایش بسیار کمتری نسبت به کاویتاسیون غیرفعال را سبب می شود و اغلب برای پاک کردن مواد ظریف مانند قطعات پنجره ای سیلیکون استفاده می شوند.

روش های جلوگیری از بروز کاویتاسیون

– افزایش سطح سیال در مخزن

– بالا بردن مخزن

– افزایش فشار مخزن (استفاده از سیستم بسته / سیستم تحت فشار)

– قرار دادن پمپ داخل گودال( Pit )

– کاهش افت‌های ناشی از لوله‌کشی و اتصالات

– تزریق مقدار کمی سیال خنک‌کننده به ورودی پمپ

– عایق‌بندی مناسب لوله‌ها

– به کار بردن پمپ‌های دو مکش

– بکار بردن پمپ‌ها با سرعت دورانی (rpm) پایین تر

– به کار بردن پمپ‌ها با مجرای ورودی (چشم) پروانه بزرگ‌تر

– زاویه جریان ورودی بزرگتر

– زاویه جریان تا کمتر از ۱۰ درجه

– به منظور کاهش بیشتر NPSHR و به ‌تبع آن افزایش بیشتر سرعت مخصوص مکش‌، یک پروانه جریان محوری یا یک راه انداز (Inducer) در جلوی پروانه سانتریفیوژ بکار گرفته می‌شود.

– جلوگیری از ورود هوا به داخل پمپ

– به کار بردن خط بای پس مناسب

– جلوگیری از اغتشاش (Turbulence) جریان سیال و فراهم نمودن شرایط عبور سیال در یک سرعت ثابت

– به کارگیری چندین پمپ کوچک‌تر به جای استفاده از یک پمپ بزرگ

کاربردهای کاویتاسیون

پدیده کاویتاسیون علاوه بر معایبی که گفته شد می تواند کاربردهایی نیز داشته باشد. در علم پزشکی از پدیده کاویتاسیون فراصوت برای از بین بردن سنگ کلیه و درمان تعدادی از سرطان‌ها استفاده می‌شود. در واقع جریان فراصوت متمرکز با شدت بالا، کاربرد بسیار زیادتری نسبت به روش‌های سنتی دارد. تحقیقات بسیار گسترده‌ای نیز در علم پزشکی انجام شده که هدف آن‌ها تخریب بافت‌های بیمار بدن به کمک پدیده کاویتاسیون است. پدیده کاویتاسیون در صنعت تولید شیر نیز برای همگن‌سازی محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد. همانطور که می‌دانید، چربی به صورت طبیعی بالای سطح شیر جمع می‌شود و فرایند همگن‌سازی با شکستن چربی در این محصولات، مخلوط یکنواختی را تولید می‌کند. همچنین در فرآیندهای تصفیه آب، صنایع دریایی و … نیز کاربرد دارد.

امروزه روش های جدیدی ارائه شده است که به راحتی و توسط سنسورهای ارتعاشی و پردازش سیگنال های ارتعاشی محور توربین محل و شدت کاویتاسیون را با دقت مناسبی تعیین می کند.

بخوانید  مدیریت آب شور
آیا این مطلب را می پسندید؟
http://daneshab.ir/?p=2885
اشتراک گذاری:
نگار سادات موسویان
نگار سادات موسویان
مطالب بیشتر
برچسب ها:

نظرات

0 نظر در مورد کاویتاسیون به زبان ساده

دیدگاهتان را بنویسید

هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.