Multe publicații discută cauzele și vindecarea cavitație, dar puțini abordează motivul pentru care aceste bule sunt atât de distructive.

pompelor

Fierberea este precursorul cavitației într-o pompă centrifugă. Fierberea nu este neapărat un lucru rău, dar dacă aceste bule nu izbucnesc, poate apărea o forță foarte puternică. Fierberea este o modalitate prin care un lichid poate suferi o „schimbare de stare” și se poate transforma în abur.

Apa lichidă și bulele de vapori de apă care se formează în timpul fierberii conțin aceleași molecule. Diferența majoră dintre cele două este nivelul de energie al moleculelor și volumele rezultate pe care le ocupă ca urmare a acelei energii. Moleculele de vapori au un nivel de energie mult mai mare. Mișcările lor rapide și extinse necesită un volum mult mai mare decât omologii lor lichizi.

Fierberea și formarea acestor bule de vapori are loc atunci când energia unei molecule de apă lichidă atinge un nivel mai mare decât presiunea apei înconjurătoare și cea a presiunii atmosferice care acționează pe suprafața acesteia. De cele mai multe ori, avem tendința de a asocia acest proces cu adăugarea de căldură, dar în industria pompelor o reducere a presiunii este adesea factorul major.

La nivelul mării, unde presiunea atmosferică este de 34 ft, o oală de apă va fierbe la 212 ° F. Volumul bulelor de vapori care se formează la 212 ° F este de aproximativ 1.673 ori mai mare decât cel al omologului său lichid la aceeași temperatură. . Când se ridică la suprafață, izbucnește și eliberează atât energie termică, cât și presiune. Căldura este componenta majoră a acestei eliberări de energie. Unda de șoc generată de explozie este extrem de mică, deoarece presiunea din bulă este doar puțin mai mare decât o atmosferă, iar eliberarea ei de energie este în toate direcțiile deasupra suprafeței apei.

Dacă mutați aceeași oală la Denver (cota 5000-ft), veți descoperi că apa fierbe la aproximativ 203 ° F. Este necesară mai puțină energie, sub formă de căldură, pentru a produce o schimbare de stare atunci când presiunea pe suprafața apei este mai mică. Dacă continuați să reduceți acea presiune, punctul de fierbere este redus proporțional și la aproximativ 0,2 ft apă este fericită să fiarbă la punctul său de îngheț.

Reversul este, de asemenea, adevărat: creșteți presiunea pe suprafață la mai multe atmosfere și punctul de fierbere va crește în consecință. Dacă apare o creștere a presiunii în timpul procesului de fierbere, aceasta poate opri explozia unei bule de abur. În schimb, se va prăbuși și va reveni la starea sa lichidă inițială.

Un eveniment similar are loc în pompa centrifugă în timpul cavitației. Cavitația prin aspirație, cea mai comună și previzibilă formă, apare atunci când NPSHa scade sub presiunea de vapori a apei din aspirația pompei (presiunea de vapori este presiunea necesară pentru a menține apa în stare lichidă la o temperatură dată). Zonele cele mai sensibile la acest tip de cavitație tind să fie părțile cu presiune scăzută ale paletelor rotorului la intrare. În această zonă, curbura paletelor este cea mai mare și, atunci când apa curge peste ele, presiunea din apropierea suprafețelor lor este redusă.

Dacă presiunea este suficient de scăzută, se pot forma bule de vapori (din cauza fierberii) și apoi se pot prăbuși, cu o fracțiune de secundă mai târziu, deoarece intră într-o zonă de presiune ușor mai mare. Când o bulă de vapori de apă se prăbușește, eliberarea sa de energie diferă drastic de cea a unei explozii. Spre deosebire de o bulă de vapori care izbucnește la suprafață, o bulă prăbușită se schimbă de fapt în stare lichidă. Deși căldura este o componentă a acestei schimbări de stare, undele de șoc cavitație care sunt generate în timpul prăbușirii sunt forțele majore.

Valul de șoc al cavitației

Undele de șoc sunt formate de coliziuni între moleculele de apă din jur care se reped pentru a umple golul cauzat de bula care se prăbușește și mai mulți factori contribuie la intensitatea undelor. Cercetările arată că durata de viață a unei bule de cavitație (de la formare la prăbușire) este de aproximativ trei milisecunde (trei o mie de secundă), deci acest eveniment are loc rapid. Cu cât apa din jur se ciocnește mai repede, cu atât este mai mare energia ei.

Dimensiunea unei bule de vapori de cavitație poate fi, de asemenea, mult mai mare decât una care apare în timpul procesului normal de fierbere la nivelul mării. De exemplu, la 68 ° F (o temperatură tipică de pompare), bula de vapori formată prin cavitație este de aproape 35 de ori mai mare decât cea produsă la 212 ° F! O bulă mai mare înseamnă că o masă mai mare de apă se va ciocni.

Împreună, acești factori (viteza și masa) reprezintă energia cinetică totală a bulei care se prăbușește (KE = ½ mv 2). Viteza mare datorată prăbușirii rapide și masa crescută datorită dimensiunii bulei poate duce la energie neobișnuit de mare. Dar există un eveniment și mai important care contribuie la forța distructivă a bulei care se prăbușește.

Figura 1 este o serie de 18 fotografii care arată colapsul progresiv al unei bule de vapori. Etapa 1 arată o bulă aproape sferică care începe să se aplatizeze în etapa 2. Această tendință continuă până la etapa 18, care este chiar înainte de prăbușirea totală.