Когда пузыри не лопаются: почему кавитация повреждает насосы?
Многие публикации обсудить причины и лечение кавитации, но мало адрес причине эти пузыри настолько разрушительным.
Кипение является предшественником кавитации в центробежный насос. Кипячение не обязательно плохо, но если эти пузыри не лопнут, очень мощная сила может возникнуть. Кипение является одним из способов, что жидкость может пройти "изменение состояния" и превратиться в пар.
Жидкая вода, а вода пузырьки пара, которые образуются при кипении, содержат те же самые молекулы. Основное различие между ними состоит в том энергетическом уровне молекул и, как следствие объемов они занимают в результате этой энергии. Пара молекул имеют гораздо более высокий энергетический уровень. Их быстрые и расширенные движения требуется гораздо больший объем, чем их жидкие аналоги.
Кипения, и формирование этих пузырьков пара, происходит, когда энергия жидкости молекулы воды достигает уровня, который больше, чем давление окружающей воды и атмосферного давления, действующих на ее поверхности. Большую часть времени мы склонны связывать этот процесс с того тепла, но и в насосной промышленности снижение давления зачастую является основным фактором.
На уровне моря, где атмосферное давление составляет 34 футов, котел вода будет кипеть при 212 град F. Объем пузырька пара, который образуется при 212 град F составляет около 1 673 раз больше, чем его коллега жидкости при той же температуре . Когда он поднимается на поверхность, она лопается и выпускает тепло и энергию давления. Тепло является основным компонентом этого энерговыделения. Ударная волна, порожденная взрыва крайне мала, так как давление в пузырьке всего чуть более одной атмосферы, а энерговыделение во всех направлениях, над поверхностью воды.
При перемещении этого же банка в Денвере (высота 5000 м), вы увидите, что вода кипит при температуре около 203 град F. ниже температура кипения в связи с увеличением высоты и, соответственно, ниже атмосферное давление 28,2 футов. Меньше энергии в виде тепла, требуется, чтобы произвести изменения состояния, когда давление на поверхности воды ниже. Если вы будете продолжать снижать это давление, температура кипения снижается пропорционально, и примерно в 0,2 фута воды рад кипятить на точке замерзания.
Верно и обратное: увеличение давления на поверхности более чем в одну атмосферу и кипения соответственно увеличится. Если повышение давления происходит во время процесса кипения, он может остановить паровых пузырей от взрыва. Вместо этого, он рухнет и вернуться в исходное состояние жидкости.
Подобный случай происходит в центробежный насос в течение кавитации. Всасывающая кавитация, самые распространенные и предсказуемой форме, происходит, когда NPSHa падает ниже давления паров воды в всасывания насоса ( давление пара является давление, необходимое, чтобы вода в жидком состоянии при заданной температуре). Районах, наиболее чувствительны к такого рода кавитации, как правило, низкого давления стороны рабочего колеса лопасти на входе. В этом кривизна лопасти площадь большая и, когда вода течет по ним, давление вблизи их поверхности снижается.
Если давление достаточно низко, пузырьки пара может сформировать (за счет кипения), а затем рухнет, долю секунды позже, так как они входят в область чуть выше давление. Когда пузырь водяной пар разрушается, его выделение энергии резко отличается от такового всплеска. В отличие от воздушных пузырьков, что всплески на поверхности, разрушающегося пузыря на самом деле меняется обратно в жидкое состояние. Хотя тепла является составной частью этого изменения состояния, ударные волны, генерируемые в процессе коллапса являются основными силами.
Ударные волны образуются при столкновениях между окружающими молекулами воды, что спешить, чтобы заполнить пустоту, вызванных коллапса пузыря, а также несколько факторов способствуют интенсивности волны. Исследования показывают, что продолжительность жизни кавитационных пузырьков (от образования до распада) составляет около трех миллисекунд (три одного тысяч в секунду), так что это событие происходит очень быстро. Чем быстрее окружающих сталкивается вода, тем больше ее энергия.
Размер кавитационного пузырька пара также может быть значительно больше, чем тот, который происходит во время нормального процесса кипения на уровне моря. Например, на 68-градусов F (типичное насосного температуры), пузырь пара, образовавшегося при кавитации почти в 35 раз больше, чем один производятся на 212 градусов по Цельсию! Больше пузырей означает, что большая масса воды будет сталкиваться.
В совокупности эти факторы (скорость и массу) представляют собой полную кинетическую энергию коллапса пузыря (KE = ½ MV 2 ). Высокая скорость из-за быстрого распада и увеличение массы за счет размера пузыря может привести к необычно высокой энергии. Но есть еще более важное событие, которое вносит свой вклад в разрушительную силу коллапса пузыря.
Рисунок представляет собой серию из 18 фотографий, которые показывают прогрессирующее обрушение пузыря пара. Этап 1 показывает почти сферический пузырь, который начинает выравниваться в Этап 2. Эта тенденция продолжается до стадии 18, который незадолго до полного краха.
Обратите внимание, что интересное событие начинается на этапе 7, где небольшое углубление начинает образовываться на дне пузыря. Это образование, известное как "вновь струя микро" является одной из плоских поверхностей и продолжает увеличиваться в размерах через Этап 13. На стадии 14, эта струя пробивает верхнюю поверхность пузыря и направляет силы распада в одном направлении.
Исследование также показало, что, когда пузырь разрушается вблизи твердой границы (лопатка или саван), направление струи будет микро, почти всегда, быть по отношению к что границы. Другими словами, вся энергия распада направлен на микроскопический участок поверхности рабочего колеса и металлические эрозия.
Это сочетание высокой концентрации энергии и целенаправленной направлении делает коллапса пузыря настолько разрушительным. Даже если пузырьки крах значительно выше поверхности колеса и эрозии избежать ударных волн все еще может привести к сильной вибрации, которая может привести к другим формам насос повреждения.
