Кавитационные явления

Кавитационные явления

Аннотация

В данной работе рассматривается кавитация, как явление, её положительные и отрицательные свойства. Проведён анализ кавитационного воздействия на жидкость. Показано, что кавитация существенно влияет на технологические процессы. Приведён пример зависимости качественных параметров насосов российских и зарубежных аналогов от кавитационного коэффициента быстроходности.

Введение

Приведён литературный обзор явления кавитация. В последнее время все больше появляется критических статей, в которых раскрывают как полезные, так и вредные качества этого явления. В предложенной работе рассматривается влияние кавитации на технологические процессы. Кавитация является гидродинамическим явлением и зависит от гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. В центробежном насосе кавитация может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части и она сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса. Основными задачами этой работы является анализ проявления кавитационных явлений в технологических процессах и выявление положительных и отрицательных сторон кавитации.

1. Кавитация как явление

Кавитация - это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Находясь в области пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Затем они уносятся потоком в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно вследствие конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.

В настоящее время широко распространена теория о существовании в любом объеме реальной жидкости своего рода “слабых мест” или “ядер” кавитации, характерной особенностью которых является наличие в них нерастворившегося газа. Было сделано достаточно много предположений о возможном строении таких ядер кавитации. Интересная гипотеза была высказана в 1945 г. В соответствии с этой гипотезой ядра кавитации представляют собой твердые частицы гидрофобного вещества с трещинами, содержащими нерастворившийся газ. По мнению других авторов, ядрами кавитации являются мельчайшие пузырьки нерастворившегося газа, защищенные сферической оболочкой из органических веществ. Эта идея основана на предположении, что если в жидкости имеется даже очень малое количество органических примесей, то это должно повлечь за собой адсорбцию этих примесей на поверхности газового пузырька с образованием на ней органического мономолекулярного слоя. Наличие такого слоя существенно снижает силы поверхностного натяжения на границе взаимодействия жидкости и газа, препятствует диффузии газа в окружающую жидкость и обеспечивает пузырьку дополнительную прочность. Этот газ всегда содержится в жидкости, и при местном снижении давления начинает интенсивно выделяться внутрь кавитационных пузырьков.

Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов Цельсия. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, поскольку максимум деаэрации приходится на минимум статического давления и максимум температуры в системе, Воздух, растворенный в воде содержит приблизительно 35,6 % кислорода по сравнению с 21% долей в обычном воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.

Образование кавитационной зоны хорошо демонстрируются на примере протекания жидкости через трубу с местным сужением (расходомер Вентури, сопло). Возрастание скорости течения в сжатом сечении обусловливает уменьшение статического давления на этом участке. Постепенное увеличение расхода жидкости приводит к тому, что при достаточно большой скорости течения давление в месте сужения падает до критического значения и возникает кавитация.

Подводя некоторый итог всему изложенному, можно отметить, что имеется три группы факторов, влияющих на возникновение и последующее развитие кавитации:

) загрязнение жидкости, образующее ядра кавитации и определяющее их число;

) физические свойства жидкости;

) гидродинамические характеристики потока.

. Кавитация в лопастных насосах

Нормальный рабочий процесс лопастных насосов сопровождается уменьшением давления и образованием в элементах проточной части зон, давление в которых может достигать критического значения с точки зрения возникновения кавитации.

Кроме того, в центробежных насосах может происходить дополнительное, не предусмотренное рабочим процессом понижение давления, что в значительной мере увеличивает опасность возникновения кавитации. Это понижение может носить общий характер или быть вызвано какими-то местными изменениями в потоке.

Причинами общего падения давления могут быть:

) уменьшение абсолютного давления в системе, связанное с повышением высоты местности или вызванное особенностями эксплуатации насоса (например, в случае забора жидкости из резервуара, находящегося под разрежением);

) увеличение геометрической высоты всасывания сверх рекомендуемой;

) возрастание давления насыщенных паров вследствие увеличения температуры перекачиваемой жидкости;

) добавочные потери энергии во всасывающей линии насоса, вызванные, например, засорением входного устройства.

Местное снижение давления может происходить в результате одной из следующих причин:

) увеличение скорости течения жидкости вследствие сжатия потока;

) отклонения линий тока от их нормальной траектории при повороте потока или при обтекании выступающих элементов;

) отрыва потока от направляющих поверхностей;

)неровности и шероховатости обтекаемых поверхностей;

) динамического взаимодействия потоков в областях сопряжения нескольких направляющих поверхностей;

) пульсаций давления в турбулентных струях (следах) за отдельными рабочими элементами;

) наличия вторичных потоков в различных зазорах и щелях между вращающимися и неподвижными элементами.

Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи зоны всасывания, где жидкость встречается с лопастями насоса. Вероятность возникновения кавитации тем выше

§ чем ниже давление на входе в насос;

§ чем выше скорость движения рабочих органов относительно жидкости;

§    чем более неравномерно обтекание жидкостью твердого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т. п.)

У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости в уплотнении возможно появление кавитационных явлений, что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях режим кавитации в рабочем колесе насоса возможен при резком падении давления в системе отопления или водоснабжения: например, при разрыве трубопровода, калорифера или радиатора. При резком падении давления в зоне рабочего колеса насоса образуется вакуум, вода при низком давлении начинает вскипать. При этом напор резко падает. Режим кавитации приводит к эрозии рабочего колеса насоса, и насос выходит из строя.

Возникновение кавитации непосредственно связано с высотой всасывания лопастного насоса. Перед пуском насоса в работу всасывающий трубопровод должен быть заполнен водой. Необходимым условием отсутствия кавитации в насосе является:

    (1.1)

где P_н.п. - давление насыщенного пара.

Превышение удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией паров этой жидкости, приведенное к центру тяжести входного сечения, называется кавитационным запасом ∆h (м).

Рудневым С.С. Была предложена формула для определения минимального кавитационного запаса в первом критическом режиме:

      (1.2)

Коэффициент С₁ изменяется в зависимости от формы входной кромки лопастей, их кривизны, шероховатости поверхности и размеров насоса. В расчетах уменьшение С₁ иногда определяют в зависимости от изменения гидравлического к.п.д.

Иногда допускают работу насоса во втором критическом режиме.

В настоящее время производят огромное количество насосов самых различных типов. Для сравнения различных типов насосных колес в теории центробежных насосов применяют коэффициент быстроходности n_s , который позволяет объединять различные колеса в группы по признаку их геометрического подобия. Коэффициент быстроходности определяют по формуле при оптимальном режиме работы насоса, т.е. при максимальном значении КПД. Следует иметь в виду, что он является размерной величиной, но на практике этот коэффициент принято считать условно безразмерным и его размерность обычно не указывается.

   (1.3)

Коэффициент быстроходности является показателем, определяющим форму рабочего колеса, соотношение его основных размеров и, в значительной мере, вид энергетических характеристик насоса. Отсюда следует, что коэффициент  может быть использован и для сравнения между собой кавитационных качеств насосов различных типов. Обычно применяют следующую классификацию рабочих колес центробежных насосов:

) тихоходные, n_s = 50-100;

) нормальные, n_s = 100-200;

) быстроходные, n_s = 200-350.

С.С. Руднев предложил исключить напор из числа факторов, определяющих кавитационные качества насоса, и ввел новый критерий, вытекающий из выяснений условий подобия при кавитации.

      (1.4)

Формула 1.4 может быть представлена как:

  (1.5)

и в таком виде она совпадает по форме с выражением для определения коэффициента быстроходности n_s. Различие заключается лишь в том, что вместо напора H в нее входит кавитационный запас h_min Это сходство формы уравнений привело к тому, что постоянную C называют кавитационным коэффициентом быстроходности.

Г. Вислиценус, Р. Ватсон и И. Карасик подтвердили правильность предложения

С.С. Руднева, получив аналогичную формулу исходя из связи удельной частоты вращения насоса и коэффициента кавитации Тома.

Экспериментальная проверка показала правомерность предложенного критерия и практическую пригодность его для оценки кавитационных качеств. Полученные при этом значения постоянной C для насосов с различным коэффициентом быстроходности приведены в таблице 1.1:

Таблица 1.1 - Значения постоянной C для насосов с различным коэффициентом быстроходности.

Для насосов некоторых специальных конструкций, в частности с предвключенным осевым колесом, постоянная достигает очень высоких значений: C=2500÷3000.

В качестве примера рассмотрим зависимости КПД и кавитационных качеств нескольких типоразмеров отечественных и зарубежных центробежных насосов.