что такое кавитация воды

Кавитация в насосах: что за явление и как с ним бороться

При определенных условиях в насосе возникает явление кавитации. Оно негативно влияет на работу аппарата, неизбежно приводит к его повреждению. Некоторые меры способны минимизировать кавитационный эффект.

Физически кавитацию можно объяснить тем, что в любой жидкости неизбежно содержится определенный объем растворенного газа.

Кавитация также обусловлена гидродинамическими характеристиками рабочих органов насосного аппарата, например линии тока могут отклоняться от стандартных траекторий, увеличивается частота вращения либо сжатия потока. При этом явление может возникнуть и на движущихся, и на неподвижных зонах проточной части оборудования. Кавитация является очень распространенной причиной поломки оборудования (она занимает второе место, на первом же находится неправильная центровка вала).

Причины появления кавитационного эффекта

Более подробно причину кавитации можно объяснить следующим образом. Гидравлический насос имеет сторону всасывания рабочей среды и сторону нагнетания. Когда на первой из них давление падает до давления насыщения паров (может стать гораздо меньше атмосферного), в жидкости образуются пузырьки пара, она начинает «кипеть». Чем ниже показатель давления, тем, соответственно, пузырьков будет больше.

После этого жидкость поступает в зону нагнетания. Давление там уже будет выше атмосферного. В результате пузырьки «схлопываются», образуя ударную волну. Порой при таком местном гидроударе давление превышает 10 тысяч бар. Кинетическая энергия частиц трансформируется в энергию упругой деформации. Насосные агрегаты не рассчитаны на подобные нагрузки, поэтому неизбежно возникают повреждения.

Выделяют 3 кавитационные стадии:

1) Начальная. На данном этапе кавитационная область еще отсутствует;

2) Развитая. Имеются кавитационные пустоты (каверны);

3) Суперкавитация. Обтекаемый элемент полностью располагается в области кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосном оборудовании

Кавитация очень сильно влияет на исправность работы насосного устройства. Данное явление недопустимо даже в небольших масштабах в силу своего разрушительного влияния. Так, при схлопывании кавитационных пустот возникает шум (или характерное потрескивание в области входа в рабочее колесо), а также вибрация, причем чем больше габариты насоса, тем эти показатели будут больше.

Снижение характеристик насосного агрегата при развитой степени кавитации будет отличаться у насосов различной степени быстроходности. Причем параметры будут резко уменьшаться в случае низкой быстроходности и постепенно — при высокой. Если же кавитационная область полностью занимает сечение канала, подача насосного аппарата прекращается.

При продолжительной работе аппарата в условиях кавитации разрушаются материалы, из которых он изготовлен. Это явление называется питтинг, или точечное разрушение. Оно случается даже на начальном этапе кавитации.

Нужно различать разрушение по причине кавитации от коррозийного и эрозийного разрушения. Например, коррозия — последствие химического либо электролитического воздействия рабочей среды на металл, из которого изготовлен насос. Эрозия же случается из-за отрыва металлических частиц твердыми веществами, которые содержатся в перекачиваемой жидкости (к примеру, песок).

Как минимизировать данное явление

Явление кавитации в насосном оборудовании возможно предупредить. С этой целью разработаны специальные формулы. Согласно им кавитация менее вероятна, когда увеличивается высота подпора (то есть снижается высота всасывания), возрастает давление на поверхности жидкой среды.

Помимо этого, каждый агрегат имеет свой кавитационный запас. Также вероятность появления кавитации возрастает вместе с плотностью жидкости.

Важно знать, что кавитацию увеличивают потери напора на всасывающей линии. Поэтому, чтобы минимизировать явление, нужно обеспечивать «сплошной поток».

Интересно, что на сегодняшний день не существует материалов, абсолютно стойких к кавитационному эффекту. Все они из-за него разрушаются, только одни медленнее, а другие быстрее. Есть материалы более стойкие, одновременно с механической прочностью они обладают химической устойчивостью. Примером является бронза. А вот углеродистая сталь, чугун очень подвержены кавитационному разрушению (у чугуна это происходит за счет быстрого разрушения включений графита в его составе). Использование кавитационно стойких материалов обеспечивает непродолжительную работу насосного устройства при частичной кавитации. Это целесообразно, например, если аппарат испытывает кратковременную перегрузку.

Чтобы уменьшить физические последствия кавитации, производители применяют разного рода твердые напыления, а также закалку самых уязвимых элементов насоса. Однако это практикуется не так часто, поскольку данные методы не очень эффективные и при этом дорогостоящие.

Источник

Кавитация насоса и пути ее устранения

Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа.

Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа.

При движении жидкости в ней могут возникать зоны разрежения. В результате выделяются пузыри.

Попадая с потоком в зону более высоких давлений, пузыри схлопываются, выделяя энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес насоса, улиток и т.д.

Эта энергия также создает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо насоса, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ.

Возникновение кавитации в насосе обусловлено разными причинами ( Любой вид кавитации связан с неучетом важных правил гидравлики и гидродинамики).

Каждый насос характеризуется величиной кавитационного запаса ∆hтр, обозначаемой западными насосными фирмами NPSHR. Это то минимальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей в насос, сохраняется состояние собственно жидкости. Величину ∆hтр в номинале и кривую зависимости ∆hтр от подачи/напора обязан предоставлять производитель насоса.

Насос в станцию необходимо подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтобы он располагал в зоне своей работы (определяется наложением характеристик насосов и системы водоводов) тем допустимым кавитационным запасом ∆hдоп (или NPSHA), величина которого была бы выше ∆hтр (NPSHA > NPSHR).

Пример. Нужно определить геометрическую высоту всасывания Но для насоса с ∆hтр = 7,0 м.

Расчетом из таблиц получаем потери: на входе в насос Hi = 0,6 м; на трение во всасывающей линии Hf = 0,3 м; на задвижке Нv = 0,1 м; на конфузоре Нк = 0,1 м; давление насыщенных паров Hvp = 0,2 м. Величина Но равна Hs со знаком минус.

Для получения искомой Но применим систему из трех уравнений.

Но = – Hs,(4.2) так как уровень воды отрицательный по отношению к оси насоса.

Требуемый кавитационный запас ΔhTP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая ΔhTP начинается с точки нулевой подачи и медленно растет с увеличением. Когда подача превышает точку наибольшего КПД насоса кривая ΔhTP резко возрастает, по экспоненте. Зона справа от точки максимального КПД обычно является кавитационно опасной. Кавитационный запас не поддается контролю с точки зрения механики, и оператор насосной станции (особенно если он не ознакомлен с характеристиками насосов ) улавливает по металлическому шуму и щелчкам уже развитую кавитацию. К сожалению, на рынке слишком мало приборов, позволяющих наблюдать и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления всасывающей стороне насоса, подающий сигнал тревоги при падении давления ниже допустимого для конкретного агрегата, мог бы и должен бы применяться повсеместно.

Многие операторы знают, что звук пропадает после прикрытия задвижки. Но, снижая тем самым подачу и кавитацию, можно не достичь технологических параметров производственного процесса или водоснабжения / водоотведения. Для того, чтобы правильно устранить кавитацию нужно использовать принцип – на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе. Вот несколько простых способов как этого достичь:

— замените диаметр всасывающего патрубка на больший;

— переместите насос ближе к питающему резервуару, но не ближе 5-10 диаметров всасывающей трубы;

— понизьте сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями, удалением обратного клапана;

— если всасывающая труба имеет повороты, уменьшите их количество и (или) замените отводы малых на большие радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);

— увеличьте давление на всасывающей стороне насоса повышением уровня в питающем резервуаре либо снижением оси установки насоса, либо использованием бустерного насоса.

Изложенные способы просты и понятны любому специалисту, но далеко не всегда этим руководствуются.

Оказалось, что патрубки имеют одинаковые диаметры по 300мм. Чем руководствуется насосная фирма догадаться не трудно. С подходящим под данную подачу всасывающим патрубком Ø400 или Ø500 возросли бы размер улитки и цена. Но, если бы проектировщик подсчитал получаемые скорости на входе в насос 5,5 м/с, а за насосом 3,1 м/с, то смог бы убедить заказчика отказаться от насоса, способного кавитировать, хотя и менее дорогого.

В насосной станции смонтированы агрегаты сухой горизонтальной установки выше уровня воды в приемном резервуаре на 2,8м.

Их номинальные параметры: Q=3500 м3/ч, Н=26м, ∆hтр(NPSHR)=7.7м. Насосы кавитируют. Реально они работают в точке Q=3900 м3/ч, Н=24м, где ∆hтр(NPSHR)=8,6м. Диапазон производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.

С помощью формулы этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп 1,1∆hтр=6,6м

Угрозы кавитации нет.

Энергетические затраты по вариантам показывают явное преимущество в использовании бустерных насосов, а денежная разность их (2081 272 руб) сравнима с закупочной ценой за агрегат.

Кроме того установка редукционного клапана не исключит проблем:

Наличие воздуха во всасывающем трубопроводе, следовательно, неустойчивой работы насосов;

Уменьшения ресурса работы подшипниковых узлов и уплотнений (при подаче 2000 м3/чач насос работает на границе ограничения по Qmin, с повышенными осевыми и радиальными силами)

Таким образом, можно оценить целесообразность и эффективность мероприятий по устранению кавитации.

Источник

Кавитация жидкости в гидросистемах. Что такое кавитация

Под кавитацией понимается местное выделение из жидкости в зонах пониженного давления ее паров и газов (вскипание жидкости) с последующим разрушением (конденсацией паровых и смыканием газовых) выделившихся парогазовых пузырьков при попадании их в зону повышенного давления. Это разрушение пузырьков сопровождается местными гидравлическими микроударами большой частоты и высокого уровня ударных давлений.

Кавитация нарушает нормальный режим работы гидросистемы, а в отдельных случаях может вызвать разрушение ее агрегатов. Разрушительному действию кавитации подвергаются насосы, золотники, клапаны и прочие гидроагрегаты, причем это действие проявляется зачастую в очень короткое время. Так, например, наблюдаются случаи выхода из строя аксиально-поршневых насосов, происходящие в результате кавитационного разрушения (износа) распределительной пары и сопровождающегося недопустимого падения производительности за время работы от 20 мин до 1 ч.

Кавитация: что это?

Схематически механизм возникновения кавитации и его разрушительного действия сводится к следующему. При понижении давления жидкости в какой-либо точке потока до некоторой величины жидкость вскипает (происходит ее разрыв), выделившиеся же пузырьки газа и пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются, а газовые сжимаются (смыкаются). Так как процесс конденсации парового и сжатия газового пузырька происходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью, в результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырьков (по расчетам температуры могут достигать значений 1000—1500 0 C и выше и местное давление может достигать 1500—2000 кГ/см 2 ).

Наглядно это явленно можно продемонстрировать на простом устройстве (см рисунок). Вода или иная жидкость под давлением в несколько атмосфер подводится к регулировочному крану (вентилю) А и далее протекает через прозрачную трубку Вентури, которая сначала плавно сужает поток, затем еще более плавно расширяет и черев кран В выводит в атмосферу. При небольшом открытии регулировочного крапа п, следовательно, при малых значениях расхода и скорости жидкости падение давления в узком месте трубки незначительно, поток вполне прозрачен, и кавитация отсутствует. При постепенном открытии крана происходит увеличение скорости жидкости в трубке и падение абсолютного давления.

При некотором значении этого давления, которое можно считать равным давлению насыщенных поров (P _абс2 = P _н.п.) в узком месте трубки появляется отчетливо видимая зона кавитации, представляющая собой область местного кипения жидкости и последующей конденсации паров. Размеры золы кавитации возрастают по мере дальнейшею открытия крана, т. е. при увеличении давления в сечении 1—1, а, следовательно, и расхода. Однако, как бы при этом ни возрастал расход, давление к узком сечении 2—2 сохраняется строго ПОСТОЯННЫЙ! потому, что постоянно давление насыщенных паров.

Негативное влияние кавитации

В том случае, если эти процессы протекают вблизи от стенок ограничивающих каналов, последние будут подвергаться непрерывным гидравлическим ударам (бомбардировкам), которые вызывают местные разрушения стенок. Этому разрушению способствуют местные высокие температуры, развивающиеся в результате скачкообразности процесса и высокого уровня забросов давления. Указанные ударные действия частиц жидкости дополняются химическим воздействием на металл кислорода воздуха, выделяющегося из жидкости, а также воздействием электролитического характера.

Под действием высоких температур в присутствии кислорода воздуха происходит активное окисление (коррозия) контактирующих поверхностей. Происходящие при этом окислительные процессы усугубляются тем, что растворенный в жидкости воздух содержит почти в полтора раза больше кислорода, чем атмосферный воздух. Кроме того, интенсивность окислительных процессов повышается в результате разрушения под действием гидравлических микроударов окислительной пленки, которая в обычных условиях замедляет окисление металлических поверхностей деталей

В результате при длительной кавитации под действием указанных гидравлических ударов высокой повторяемости и одновременном воздействии высокой температуры происходит разрушение (эрозия) поверхностей деталей. Кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами. Это обусловлено тем, что на поверхностях этих частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации. Разрушению подвергаются при развитой кавитации детали различных гидроагрегатов. На рисунке показан плунжер распределительного золотника (клапана) следящей гидросистемы, работавший в условиях значительного дросселирования жидкости. Кавитационному разрушению подвергаются также торцы блока цилиндров и межоконные перемычки распределительного диска аксиально-поршневых насосов, на поверхности которых образуются глубокие впадины

Вильнер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам.

Источник

Что такое кавитация?

Что собой представляет кавитация как процесс физико-химического свойства?
Воздействие кавитации ускорило осаждение солей из воды, что привело к заклиниванию рабочего колеса насоса НВВ-25.

Вода в природе не является однородной и чистой средой без примесей. Все жидкости являются растворами, в которых достаточно большое количество примесей, в основном атмосферных газов. Из атмосферного воздуха в воде растворяется почти в два раза больше азота, нежели кислорода.

Так, в 1 л воды при температуре 20°С растворяется приблизительно 665 мл углекислого газа, а при 0°С — в три раза
больше, 1995 мл. При температуре 0°С в одном литре H₂O может быть растворено: He — 10 мл, H₂S — 4630 мл.

Повышение давления влечёт за собой увеличение растворимости газов.

Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9.Понижение давления даёт, соответственно, обратный эффект. Если оставить ёмкость с водой на ночь, на стенках образуются пузырьки газа. Ещё более наглядно и быстрее это можно увидеть в стакане с газировкой. В процессе кипячения воды мы также видим процесс образования пузырьков с газом и паром.

Видеодемонстрация описанного эффекта.

Это особо критично и чаще всего встречается в насосных системах, работающих на всасывание. Рабочее колесо или винт создают во всасывающей магистрали разряжение, которое в случае недостатка жидкости на входе (заужение прохода, излишнее количество поворотов трубопровода и т.д.), создают условия для кавитационного закипания жидкости.

Учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы.

Т.е. физический смысл формулы H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs состоит в том, чтобы на максимальных рабочих параметрах насоса разряжение в его всасывающем патрубке не превышало бы давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре, т.е. система имела бы требуемый для бескавитационной работы подпор.

Источник

Кавитация

Гидродинамическая кавитация — это явление образования в жидкости каверн (пустот), заполненных растворенными в ней газами и паром. Каверны возникают при обтекании жидкостью препятствия или, наоборот, при перемещении препятствия (лопатки) относительно жидкости.

Комплекс кавитационной обработки воды с широким применением.

Данный комплекс предназначен для выполнения большого круга технических и технологических задач в промышленности, а так же применение в бытовых условиях.

В процессе проведения экспериментальных работ выявились интересные эффекты, которые позволили предположить, что при возникновении кавитационных процессов в воде, вода проходит через зоны сверхкритических параметров (флюиды). Это предположение основывается на том, что в воде, после кавитационных процессов, происходит растворение жидких и твёрдых углерод-водородных соединений. Растворение мазута, дизельного топлива, битума. В обычных условиях, даже при температурном воздействии, добиться качественного смешения, без расслоения, не удаётся. Разработчики наблюдали растворение не только нефти и нефтепродуктов, но и растительных масел. Причём, процесс смешения (химической реакции) идёт очень быстро, в результате получается продукт, который по своим физическим свойствам отличается от свойств компонентов смеси.

Многие исследователи кавитации в воде, пришли к выводу, что при схлопывании кавитационных пузырьков наблюдается выброс тепловой энергии и энергии давления. При этом выделяется суммарная аномально большая энергия на локальном уровне. То есть создаются все предпосылки перехода воды через сверхкритические параметры (зона флюидов).

«Вода является уникальным для Земли и человечества растворителем по своей распространенности, экологической чистоте и практической безопасности при использовании в технологических процессах. Когда вода нагревается до критической точки (Tk = = 374C, Pk = 218 атм), она испытывает более сильные изменения, чем большинство других жидкостей. Вода превращается из полярной жидкости в практически неполярную среду. Это изменение происходит в достаточно широком температурном интервале. При 200С плотность воды падает до 0,8 г/мл, и при Tk она становится смешиваемой как с органическими растворителями, так и с газами. Скорость диффузии возрастает, а ее окисляющая способность увеличивается сильнее, чем можно было ожидать только от повышения температуры.

Существенно, что гидротермальные процессы позволяют синтезировать крупные монокристаллы исключительно высокого качества, как это, впрочем, часто реализуется и в земных недрах.

Кавитационная обработка жидкости способствует ее активации, изменяет физико-химические свойства, интенсифицирует химико-технологические процессы. После кавитационной обработки чистая питьевая вода становится «мягкой» и «лечебной», у неё происходит структурные изменения.

Экспериментальные работы показали, что при кавитационном воздействии происходит дегазация (удаление из воды растворённых газов) воды

Вода, прошедшая обработку в вихревом кавитаторе не образует отложения в каналах, и разрушает старые отложения. При кавитационной обработке жидкой среды, в ней протекают сложные физико-химические процессы.

Водородный показатель воды смещается в щелочную область. Жесткость уменьшается, т.е. происходит умягчение воды. Электропроводность снижается.

Цветность уменьшается более чем в 2 раза, вследствие распада молекул гуминовых кислот на радикалы, которые выпадают в осадок.

В результате использования эффекта кавитации практически полностью обезвреживаются в воде микробиологические примеси: бактерии, споры, вирусы. То есть происходит обеззараживание воды без применения хлорирования и озонирования. Доказана высокая эффективность бактерицидного действия гидродинамической кавитации при наименьших энергетических и экономических затратах.

Данный эффект нашел свое применение в установке обеззараживания воды в бассейнах.

Станции очистки воды бассейнов (ТУ 4859-005-03149576-2013)

Массогабаритные размеры станции меньше аналогов на 50-60%.
Технологические и конструктивные решения защищены патентами РФ.
Технические характеристики:

напряжение 220В(380В), частота 50 Гц

При обработке воды в вихревом кавитаторе происходит активация молекул, атомов, ионов и перераспределение ионов в возникшем магнитном поле. В результате вода приобретает восстановительные свойства и запасает потенциальную энергию.

При решении экологических проблем загрязнения территорий, достаточно часто требуется обеззараживать всевозможные жидкие отходы деятельности человека, как в промышленности, так и бытовые. С помощью данной технологии можно обеззаразить жидкую составляющую до норм СанПина и сброса в окружающую природу, не навредив ей.

Источник