Kavitacija ir jos išvengimo sąlygos

Vanduo gamtoje nėra vienalytė ir gryna terpė be priemaišų. Visi skysčiai yra tirpalai, kuriuose yra gana daug priemaišų, daugiausia atmosferos dujų. Iš atmosferos oro vandenyje ištirpsta beveik dvigubai daugiau azoto nei deguonies. Taigi 1 litre vandens 20°С temperatūroje ištirpsta maždaug 665 ml anglies dioksido, o esant temperatūrai 0°С – tris kartus daugiau, t.y. 1995 ml. Prie 0°C temperatūros viename litre vandens galima ištirpinti: He – 10 ml, H2S – 4630 ml.

Padidėjęs slėgis padidina dujų tirpumą. Pavyzdžiui, esant 25 atmosferų (barų) slėgiui, 1 litre vandens ištirpsta 16,3 litro anglies dioksido, o esant 53 atm – 26,9 litro. Sumažinus slėgį, gaunamas atitinkamai priešingas rezultatas. Jei paliksite indą su vandeniu per naktį, ant indo sienelių susidarys dujų burbuliukai. Tai dar aiškiau ir greičiau galima pamatyti stiklinėje su mineraliniu vandeniu. Verdant vandenį, mes taip pat matome burbuliukų susidarymą dujomis ir garais.

Kavitacija (terminė) tam tikra prasme yra tas pats virimo procesas, kurį sukelia ne tik padidėjusi temperatūra (nors tai taip pat yra vienas iš kavitacijos susidarymo veiksnių). Veikiant dviems veiksniams, padidėjus temperatūrai ir sumažėjus slėgiui virš skysčio, vyksta kavitacijos procesas, kurio metu skystis pereina į dujų ir vandens mišinį. Tai ypač svarbu ir dažniausiai pasitaiko siurbimo sistemose, kur neigiamas įsiurbimo slėgis, kitaip tariant kai siurblys yra virš pumpuojamo skysčio lygio. Siurblio darbo ratas įsiurbimo linijoje sukuria vakuumą, kuris, jei trūksta skysčio prie siurblio įleidimo angos (susiaurėjus praėjimui, per didelis vamzdynų alkūnių skaičius ir kt.), sukuria sąlygas skysčio kavitaciniam užvirimui.

Dažnai užduodamas klausimas – kodėl negalima įsiurbti skysčių su aukšta temperatūra? Atsakymas – sumažėjus slėgiui įsiurbimo vamzdyje, didžioji vandens dalis pereina į kitą agregacijos būseną, vadinamąjį vandens ir dujų mišinį (kitaip tariant, kavitacinis verdantis vanduo), kurio iš esmės negalima įsiurbti įprastu vandens siurbliu.
Normaliomis sąlygomis skysčio ir dujų tirpalas yra pusiausvyroje, t.y. slėgis skystyje yra didesnis nei dujų garų slėgis, todėl sistema yra stabili. Tais atvejais, kai sistemoje pažeidžiama ši pusiausvyra ir susidaro kavitacijos burbuliukai.

Panagrinėkime išmetimo kavitacijos susidarymo statinėje sistemoje atvejį. Dažniausiai kavitacija susidaro srityje, esančioje ant siurblio slėgio linijos (išmetimo), tuo atveju, jei ji susiaurėja. T.y. skysčio slėgis po susiaurėjimo sumažėja (pagal Bernulio dėsnį), nes nuostoliai ir kinetinė energija didėja. Sočiųjų garų slėgis tampa didesnis nei vidinis skysčio slėgis, susidarant burbuliukams. Perėjus per siaurąją dalį (tai gali būti šiek tiek atidarytas vožtuvas, vietinis susiaurėjimas ir kt.), srauto greitis mažėja, slėgis didėja, o dujų ir garų burbuliukai sprogsta. Be to, šiuo atveju išsiskirianti energija yra labai didelė, todėl (ypač jei tai atsitinka ant sienelių esančiuose burbuliukuose) įvyksta mikro hidrauliniai smūgiai, kurie pažeidžia sieneles. Tuo pačiu metu, jei nesiimti priemonių, procesas sukels visišką sienelių suardymą. Vibracija ir padidėjęs triukšmas siurblyje ir vamzdžiuose yra pirmieji kavitacijos požymiai.

Pagrindinės silpnosios hidraulinių sistemų vietos – susiaurėjimai, kur staigus skysčio srauto greičio pokytis (vožtuvai, čiaupai, sklendės) ir siurblių darbo ratai. Jie tampa dar labiau pažeidžiami, esant didesniam jų paviršiaus šiurkštumui.

Siurblio kavitacijos rezervo apskaičiavimas sistemos projektavimo etape

Norint apskaičiuoti pakankamą sistemos kavitacijos rezervą, būtina apskaičiuoti H – maksimaliai galimą įsiurbimo aukštį konkrečiam siurbliui prie atitinkamo našumo ir sąlygų.

H = Pb* 10,2 – NPSH – Hf – Hv – Hs, kur

• Hf – nuostoliai įsiurbimo linijoje vandens stulpo metrais (m);
• Hv – skysčio sočiųjų garų slėgis darbinėje temperatūroje (m);
• Hs – atsargos riba, kurią nustato konstruktoriai – 0,5 m;
• Pb – slėgis virš skysčio – atviroje sistemoje tai yra atmosferos slėgis, maždaug lygus 10,2 m. (Pb* 10,2)
• N.P.S.H. (Net Positive Suction Head) – sąlyginis hidraulinis slėgis (kavitacijos rezervas). NPSH nurodo minimalų įsiurbimo linijoje slėgį, kuris užtikrina atitinkamo tipo siurblio veikimą be kavitacijos. Jis matuojamas skysčio stulpo metrais siurblio įsiurbime – įvade. Sąlygiškai, tai yra jėgų santykio balanso patikrinimas siurblio įsiurbime. Fizinė šio parametro reikšmė yra tokia: ar skystis garuos ir užvirs prie esamo slėgio siurblio įsiurbimo angoje (kavitacijos efektas), ar siurblys veiks normaliai be kavitacijos ir įsiurbiamo skysčio srauto pertrūkio.

Formulės H = Pb * 10,2 – NPSH – Hf – Hv – Hs fizinė prasmė yra ta, kad esant maksimaliems siurblio veikimo parametrams, vakuumas jo įsiurbimo antgalyje neviršytų prisotinto skysčio garų slėgio darbinėje temperatūroje, t.y. kad sistema turėtų pakankamą priešslėgį, užtikrinantį siurblio darbą be kavitacijos.

Iš čia matyti sprendimo būdai, siekiant sumažinti kavitacijos kilimo tikimybę:
– pakeisti įsiurbimo vamzdžio skersmenį į didesnį – nuostolių (Hf) sumažinimui;
– perkelti siurblį kuo arčiau pumpuojamo skysčio įsiurbimo vietos – nuostolių (Hf) sumažinimui;
– vamzdžio su glotnesnių vidinių sienelių paviršiumi naudojimas, alkūnių, posūkių, sklendžių, vožtuvų skaičiaus sumažinimas – nuostolių (Hf) sumažinimui;
– siurbimo vakuumo sumažinimas, keičiant siurblio montavimo aukštį (mažinant) – padidinimui (Pb);
– sumažinus skysčio temperatūrą – sumažėja (Hv);
– sumažinus siurblio našumą, mažinant apsisukimų skaičių – sumažėja (NPSH);

Taip pat ypatingai svarbu, kad faktinis siurblio darbo taškas būtų kuo arčiau jo aukščiausio efektyvumo taško. Daugiau apie tai rasite šioje žinyno temoje.

Visos šios priemonės leis sumažinti kavitacijos kilimo galimybę siurblyje ir užtikrinti ilgalaikį ir saugų siurblio darbą.