کاویتاسیون

پمپ, مطالب پیشنهادی, نوع تجهیز

شماره ویرایش: صفرم
بدون نظر

مقدمه

کاویتاسیون (Cavitation) چیست؟ به پدیده تشکیل و سپس ترکیدن حفره های بخار در مایع به علت عمل دینامیکی کاویتاسیون می گوییم. وقتی فشار استاتیک سیال از فشار بخار سیال در همان دما کمتر شود، جزئی از سیال بخار می شود. این پدیده می تواند به علت افزایش سرعت سیال رخ دهد. سپس حباب ها درون جریان دو فازی سیال (مایع و بخار) در منطقه ای که فشار استاتیک بیشتر از فشار بخار سیال است، می ترکند. پدیده کاویتاسیون در هر سیستم انتقال مایع همانند شیرها، لوله ها، پمپ ها و غیره می تواند رخ دهد. صدای پدیده کاویتاسیون (ترکیدن حباب ها) همانند برخورد شن و سنگ با دیواره لوله است.

در این درس با مباحث زیر آشنا می شویم:

فیزیک کاویتاسیون به چه صورت است؟
انواع کاویتاسیون نام ببرید؟
نشانه های کاویتاسیون چیست؟
راه های جلوگیری از کاویتاسیون؟

پدیده کاویتاسیون

هر ماده ای می تواند در فاز گاز، مایع و یا جامد باشد. انتقال از یک فاز به فاز دیگر توسط منحنی تعادل فازی فشار بر حسب دما توصیف می شود. به عنوان نمونه منحنی تعادل فازی برای آب در زیر ترسیم شده است که در آن سه فاز آب، بخار و یخ را مشاهده می کنید.

نقطه A در فاز مایع قرار دارد و می توانیم با فرض فشار ثابت، به سیال انرژی بدهیم تا از نقطه A به نقطه V برسد، در این نقطه سیال در آستانه تبخیر (در خط اشباع) قرار دارد. در صورتی که یک مقدار جزئی به سیال انرژی دهیم، سیال تبخیر شده و وارد فاز بخار می شود. جوشش همراه با اضافه کردن گرما به مایع یا کاهش فشار استاتیک بدون عمل دینامیک است.فرض کنید در دمای ثابت، فشار استاتیک سیال آب در نقطه A کم شود و به نقطه K برسیم. در این حالت نیز، سیال بر روی خط اشباع قرار دارد و با کمی کمتر کردن فشار استاتیک سیال، آب تبخیر می شود و به فاز بخار تبدیل می شود. به این پدیده کاویتاسیون می گوییم.

مثال از رخداد پدیده کاویتاسیون

جهت درک بهتر موضوع به شکل زیر که جریان سیال درون یک ونتوری است دقت نمایید. سیال وارد لوله ونتوری می شود و مطابق رابطه پیوستگی سیال، در مقطع A1 به علت کاهش سطح مقطع، سرعت سیال افزایش می یابد. پس مطابق رابطه برنولی، فشار سیال کاهش می یابد (Pmin) و با افزایش سطح مقطع، فشار سیال افزایش پیدا می کند.

فرض می کنیم در سه دمای مختلف سیال از ونتوری عبور کند، پس سه فشار بخار اشباع Pv1، Pv3 و Pv4 متناسب با سه دمای مختلف وجود دارد. در دمای اول که فشار اشباع برابر Pv1 است، مشاهده می کنیم که حداقل فشار استاتیک سیال از فشار اشباع سیال بیشتر است. بنابراین تبخیر سیال یا کاویتاسیون رخ نمی دهد.

در حال بعد که فشار اشباع برابر Pv3 است، فشار استاتیک سیال کمتر از فشار بخار می شود. بنابراین کاویتاسیون رخ می دهد یعنی جزئی از سیال تبخیر می شود. ولی با افزایش سطح مقطع و در نتیجه افزایش فشار استاتیک سیال، این بخارات ترکیده و کندانس می شوند و سیال بدون بخار از ونتوری خارج می شود. در حالتی که فشار استاتیک سیال برابر Pv4 باشد، فشار استاتیک سیال در مقطع A2 کمتر از فشار اشباع است. بنابراین سیال به صورت دو فازی بخار و مایع باقی می ماند و از ونتوری خارج می شود.

در پدیده کاویتاسیون، همانند شکل زیر وقتی حباب ها به منطقه پرفشار وارد شوند. سیال از اطراف به حباب فشار وارد می کند و ناگهان حباب می ترکد و سیال به سرعت جابجا می شود. در این حالت یک میکروجت موقت با فشار موضعی خیلی بالا به وجود می آید که طبق فرمول ضربه قوچ، این میکروجت می تواند تا 1000 بار فشار داشته باشد. میزان آسیب رساندن این میکروجت ها به پمپ (پوسته و پروانه) به پارامترهای مختلفی از جمله دمای سیال، جنس فلز، سرعت سیال و غیره بستگی دارد. به طور مثال آزمایش های کنترل شده نشان می دهد که دمای آب در میزان آسیب رساندن به فلز مهم است. میکروجت ها در دمای 38 تا 49 درجه سانتی گراد بیشترین آسیب به فلز وارد می کنند.

انواع کاویتاسیون و راه جلوگیری از وقوع آنها

پنج نوع کاویتاسیون در پمپ می تواند رخ بدهد: الف) کاویتاسیون تبخیری ناشی از کمبود NPSHa، ب) کاویتاسیون ناشی از بازچرخش های داخلی، پ) کاویتاسیون سندروم گذر پره، ت) کاویتاسیون تنفسی هوا ث) کاویتاسیون توربولانسی. در ادامه به توضیح هر یک می پردازیم.

الف) کاویتاسیون تبخیری یا کلاسیک (Vaporization cavitation)

حدود 70 درصد کاویتاسیون از این نوع است. نام دیگر آن کلاسیک است. سرعت سیال در چشمه پروانه پمپ افزایش می یابد، در صورتی که فشار استاتیک سیال کمتر از فشار اشباع سیال در آن دما شود، کاویتاسیون کلاسیک رخ داده است. این کاویتاسیون ناشی از ناکافی بودن NPSH در دسترس سیال در ورودی پمپ است. جهت جلوگیری از رخداد آن، در واقع باید NPSHa پمپ بیشتر از NPSHr به اضافه 3 فوت (یا حاشیه اطمینان بیشتر) باشد.

همانند شکل زیر به پشت پره ها و به سمت چشمه پروانه آسیب وارد می شود.

نقاط آسیب بر روی پروانه پمپ در هنگام رخداد کاویتاسیون کلاسیک

جلوگیری از کاویتاسیون کلاسیک

– کاهش دمای سیال

-افزایش ارتفاع هد سیال در ورودی پمپ

– تغییر پمپ: کاهش سرعت در ورودی پمپ، افزایش قطر چشمه پروانه پمپ، استفاده از ایندیوسر در ورودی پروانه، استفاده از دو پمپ با ظرفیت کمتر به صورت موازی، استفاده از پمپ بوستر در ورودی پمپ (در صورت امکان).

معمولا این نوع کاویتاسیون در پمپ های آب تغذیه بویلرها رخ می دهد زیرا هد خروجی این پمپ ها زیاد است و در نتیجه مکش آنها خلا زیادی (افت فشار استاتیکی) ایجاد می کند.

ب) کاویتاسیون ناشی از بازچرخش های داخلی (Internal re-circulation cavitation)

این نوع کاویتاسیون در شرایط دبی کم رخ می دهد. در شرایطی که جریان در خروجی پمپ محدود گردد (شیر در خروجی پمپ بسته شود)، پمپ نمی تواند سیال را به بیرون از پوسته پمپاژ کند. درنتیجه سیال مجبور می شود تا از ناحیه پرفشار (خروجی) به ناحیه کم فشار (ورودی پمپ) با گذر از پروانه برگردد. این نوع کاویتاسیون از دو منبع نشات می گیرد. منبع اول، سیالی که در درون پوسته (حلزونی) سیرکوله می شود، به سرعت گرم می شود. منبع دوم، سیال مجبور می شود با سرعت زیاد از روزنه های باریک بین پروانه و پوسته (رینگ های سایشی) عبور کند. گرما و سرعت بالا منجر به تبخیر سیال می شوند.

در تصویر زیر محل آسیب به پمپ را مشاهده می کنید.

نقاط آسیب به پروانه پمپ در هنگام رخداد کاویتاسیون ناشی از بازچرخش های داخلی

جلوگیری از کاویتاسیون ناشی از بازچرخش های داخلی

استفاده از الکتروموتور دور متغیر ممکن است جهت رفع این نوع کاویتاسیون موثر باشد.

پ) کاویتاسیون سندروم گذر پره (Vane passing syndrome cavitation)

زمانی رخ دهد که نوک پره پروانه خیلی نزدیک به کات واتر (Cutwater) پوسته پمپ باشد. وقتی یک پروانه را با پروانه بزرگتر جایگزین کنیم یا پوششی بر روی سطح داخلی پوسته قرار دهیم، امکان رخ داد این نوع کاویتاسیون وجود دارد. فضای خالی بین کات واتر و نوک پره پروانه حداقل باید 4 درصد قطر پروانه باشد.

ت) کاویتاسیون تنفسی هوا (Air aspiration cavitation)

هوا می تواند از قسمت های مختلف وارد سیستم لوله کشی و پمپ شود. در ورودی پمپ ها معمولا خلا ایجاد می شود و امکان کشیده شده هوا به پمپ و سیستم لوله کشی وجود دارد. هوا از طریق قسمت های زیر می تواند وارد پمپ شود:

پکینگ های دور شفت.
پکینگ های اطراف ساقه شیر در ورودی پمپ.
اتصالات لوله در ورودی پمپ.
واشر در بین دو فلنج در سیستم لوله کشی.
محل اتصالات تجهیزات ابزاردقیقی در ورودی پمپ.
از محل مکانیکال سیل پمپ.
هوای موجود در سیستم لوله کشی.
هوا درون مواد فوم شکل.

محل آسیب این نوع همانند کاویتاسیون کلاسیک است.

جلوگیری از کاویتاسیون تنفسی هوا

تمامی محل های احتمالی ورود هوا به سیستم لوله کشی همانند اتصالات و فلنج ها را آببند کنید.
سرعت سیال در ورودی پمپ را در حدود 8 فوت بر ثانیه نگه دارید. ممکن است نیازمند افزایش قطر لوله ورودی پمپ باشیم.
در پمپ هایی که مقدار مکش در ورودی زیاد است. از مکانیکال سیل دوگانه با سیال برریر (Barrier) با گردش اجباری استفاده کنید.