КАВИТАЦИЯ ПРИ НАСЫЩЕННОМ ПАРЕ

Кавитация возникает при определенных условиях в текучей среде. Она часто появляется на судовых болтах, винтах мешалки, лопатках водяных турбин и так далее. Причиной кавитации является образование и исчезновение пузырьков, иногда микроскопических, паров газа в потоке жидкости. Когда давление падает ниже уровня давления паров жидкости, образуются пузырьки, десорбция и расширение которых способствуют образованию кавитационных центров [1,2].

Кавитационный износ часто сопровождает гидроабразивную обработку. Явление кавитации связано с появлением парогазовых пузырьков в потоке жидкости, внутри которых давление снижается до давления паров жидкости при этих температурах. При быстром разрушении этих пузырьков, попадающих в область более высоких давлений, образуются гидравлические импульсы ударного характера, интенсивно разрушающие металл.

Когда возникает кавитация, пузырьки воздуха в жидкости непрерывно образуются и разрушаются. Это приводит к появлению шума и может привести к повреждению установки. B системах отопления кавитация часто возникает в насосах, если давление на всасывающей стороне насоса слишком низкое. Чтобы избежать кавитации в насосе, минимальное входное давление должно быть выше, чем NPSHR (эффективное положительное давление, необходимое на всасывании для работы насоса).

Когда давление на всасывающей трубе насоса падает до давления насыщенных паров жидкости, из нее начинает выделяться растворенный газ затем образуются пузырьки. При последующем повышении давления происходит мгновенное схлопывание пузырьков, сопровождающееся выделением энергии. Поверхности рабочего колеса подвергаются термическому, электрохимическому и ударному воздействию, в результате чего они разрушаются. Степень повреждения в этом случае зависит от материала, из которого изготовлены колеса. Нержавеющая сталь более устойчива к кавитации, чем бронза, а бронза более устойчива, чем чугун. Параметр NPSH представляет собой минимальное абсолютное давление, при котором в насосе не возникает кавитации, т.е. он отражает «требования» насоса к системе. Кривая NPSH для насоса определяется на основе стандарта ISO 9906. [3].

Когда локальное давление жидкости в какой-то момент падает ниже значения, соответствующего давлению насыщения при данной температуре окружающей среды, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя в основном фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырьками. Другое образование кавитационных пузырьков также возможно при локальном энергоснабжении [4]. Это может быть достигнуто путем фокусировки интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или путем создания электрического разряда.

Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок к процессу кипячения жидкости. Основное различие между ними заключается в том, что во время кипения изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем давлении в объеме жидкости, равном давлению насыщенного пара, тогда как во время кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, и перепад давления является локальным.

Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся в образовавшиеся пузырьки. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при локальном снижении давления они начинают интенсивно выделяться в эти пузырьки.

Поскольку пузырьки могут резко сжиматься и расширяться под воздействием переменного локального давления жидкости, температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах и может достигать нескольких сотен градусов Цельсия. Есть расчетные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов Цельсия. Следует также учитывать, что газы, растворенные в жидкости, содержат в процентном отношении больше кислорода, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.

Испарение жидкости с поверхности наблюдается при любой температуре. Его интенсивность зависит от температуры и давления. Если испарение происходит в ограниченном пространстве, плотность пара над жидкостью увеличивается. B этом случае возрастает вероятность столкновения отдельных частиц пара друг с другом и с массой жидкости [5].

Таким образом, одновременно с развитием процесса испарения развивается обратный процесс конденсации. B определенный момент устанавливается состояние равновесия, происходит максимально возможное насыщение пространства над жидкостью паром при заданной температуре. Давление, соответствующее такому равновесию, называется упругостью насыщенных паров при данной температуре или давлением паров жидкости при данной температуре. Если давление над поверхностью жидкости резко снижается, то происходит интенсивное испарение с поверхности и даже во всей массе, то есть жидкость начинает кипеть. Этому способствует наличие в жидкости определенного количества растворенных газов, частицы которых являются центрами появления пузырьков.

Такое кипение с образованием большого количества пузырьков, кавернозных пустот в жидкости называется паровой кавитацией. B общем, явление кавитации — это образование неоднородностей в жидкости. Известно, что жидкости, не содержащие никаких примесей, способны выдерживать, не разрываясь, довольно высокие растягивающие усилия, иногда достигающие значений 314 МПа. Колебания температуры, приводящие к образованию зародышей пара, снижают прочность воды до 157 МПа.