پدیده کاویتاسیون چیست و انواع کاویتاسیون در پمپ ها

پدیده کاویتاسیون از جمله رخداد های معمول در پمپ ها به طور خاص پمپ های گریز از مرکز است. فرایند کاویتاسیون امکان دارد است در هر نوع توربو ماشین هیدرولیکی (ماشین های دواری که با سیالات کار می کنند) مانند انواع پمپ‌ ها و توربین ‌ها رخ بدهد. اما اکنون دو پرسش مهم وجود دارند که نیاز به پاسخ درخور دارند.

اولین پرسش این است که پدیده کاویتاسیون در چه محل هایی رخ می دهد؟ پاسخ کوتاه به این پرسش به شرح زیر است.

پدیده کاویتاسیون ممکن است در هر توربو ماشینی که با سیالات کار می کند (Hydraulic turbomachines)، رخ بدهد.

حال درون این تعریف، لازم است به این پرسش پاسخ دهیم که توربو ماشین هیدرولیکی چیست؟

در یک تعریف ساده می توان توربو ماشین هیدرولیکی را به صورت ماشین‌ مکانیکی دواری معرفی کرد که در آن‌، انرژی بین ماشین و سیال به دلیل وجود حرکت دینامیکی ماشین منتقل می‌شود. به بیان دیگر توربو ماشین ماشینی است که در آن انرژی مکانیکی بین سیال عامل (Working fluid) و پره‌ های چرخان با حرکت دینامیکی این پره‌ ها منتقل می‌ شود.

جهت انتقال انرژی در توربو ماشین ها بسیار دارای اهمیت است و دو گروه اصلی از توربو ماشین ها را تعیین می کند. در ادامه این دو گروه معرفی شده اند:

• پمپ ها
• توربین ها

در پمپ جهت انتقال انرژی از پره چرخان به سیال عامل است یعنی سیال با ورود به پمپ و خروج از آن انرژی می گیرد. در توربین این فرایند برعکس است. یعنی جهت انتقال انرژی از سیال عامل به پره است و سیال پس از عبور از توربین انرژی از دست می دهد و باعث چرخش پره می شود.

در هر محلی که از توربوماشین های هیدرولیکی (پمپ ها و توربین ها) استفاده می شود، وقوع کاویتاسیون ممکن و دارای اهمیت بسیار است. در طراحی و همچنین در حین کارکرد این دستگاه ها باید پدیده کاویتاسیون به دقت مورد بررسی قرار گرفته و از آن جلوگیری شود.

لازم به ذکر است که پدیده کاویتاسیون در محل های دیگری هم رخ می دهد از جمله : پروانه کشتی ‌ها، اژدرها، پمپ ‌های سانتریفیوژ (گریز از مرکز) و سرریز سدها.

اما اکنون به پرسش دوم و مسئله اصلی این مطلب می رسیم. پدیده کاویتاسیون چیست؟ در ادامه به معرفی کاویتاسیون به زبان ساده می پردازیم و تاثیرات کاویتاسیون را بررسی کرده و در انتها با انواع کاویتاسیون در پمپ ها آشنا می شویم.

پدیده کاویتاسیون چیست؟

به زبان ساده کاویتاسیون، که با نام های دیگری همچون حباب‌زایی، خوردگی و حفره‌سازی نیز شناخته می شود، فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد و سپس این حباب دچار ترکیدگی شده و انرژی از خود آزاد می کند.

جهت بررسی نحوه ایجاد و رخداد پدیده کاویتاسیون لازم است تا بررسی روی علت وقوع ناحیه ای کم فشار داشته باشیم. چرا که ایجاد ناحیه کم فشار در یک سیال است که باعث ایجاد حباب بخار می شود.

در مواردی که مایعات دارای حرکات متلاطم بوده، تغییرات فشار در مایع رخ می دهد. در اثر تغییرات شدید فشار در سیال (اکثرا افت فشار)، فشار موضعی کم‌ تر از فشار بخار مایع می ‌شود و این امر سبب می شود تا حباب‌ هایی پر شده از بخار ایجاد شود که تحت عنوان حباب یا حفره شناخته می شوند.

لازم به ذکر است که در حالت عادی در یک دمای خاص، فشار بخار مایع مشخص است. حال اگر فشار قسمتی از مایع کمتر از فشار بخار باشد و دما همان دمای مشخص، اتفاقی که می افتد این است که در آن دما مایع شروع به تبخیر می کند. تبخیر موضعی مایع در جایی که فشار کمتر از فشار بخار است، سبب ایجاد حباب های بخار می شود. به عنوان مثال آب را در نظر بگیرید: آب که در شرایط معمول (فشار 1 اتمسفر) در ۱۰۰ درجه سانتی گراد شکل گازی پیدا می‌کند و تبخیر می شود، در صورت کاهش فشار در دماهایی پایین‌تر و زودتر به صورت بخار در می آید و تبخیر می شود.

به طور خلاصه با کاهش فشار امکان تبخیر در دماهای پایین تر فراهم می شود. در نتیجه در سیالی که تغییرات فشار شدید دارد، در قسمت هایی که فشار پایین است (کمتر از فشار بخار مایع) در همان دمای سیال تبخیر اتفاق می افتد و حباب تشکیل می شود.

تا اینجا درباره نحوه و علت تشکیل حباب های بخار فهمیدیم. در اینجا به ادامه فرایند کاویتاسیون می پردازیم و بررسی می کنیم که چه اتفاقی برای این حباب های تشکیل شده می افتد.

حباب‌های بخار ایجاد شده زمانی که بار دیگر به منطقه پرفشارتر وارد می‌شوند، معمولا منفجر می‌شوند. ترکیدن این حباب ‌های بخار موجود در سیال، شوکی موج‌ مانند همراه با صدا (ضربه) ایجاد می‌کند و می‌تواند از طریق خوردگی حبابی آسیب برساند.

در تصاویر زیر، فرایند کاویتاسیون و نحوه آسیب رساندن آن قابل مشاهده است.

تاثیر پدیده کاویتاسیون

همان طور که در بخش پیش متوجه شدیم، پدیده کاویتاسیون نامطلوب بوده و آسیب رسان به قطعات است. کاویتاسیون با هدف قرار دادن پروانه ‌ها (در کشتی ها یا پمپ ها) و بدنه داخلی پمپ سبب ایجاد مشکلات زیادی می شود که در ادامه آن ها را نام برده ایم.

برخی تاثیرات پدیده کاویتاسیون در پمپ ها:

• ایجاد صداهای ناهنجار
• لرزه در پمپ
• کاهش بازدهی
• آسیب رساندن به اجزای داخلی

انواع کاویتاسیون در پمپ ها

در این بخش به معرفی انواع کاویتاسیون در پمپ ها می پردازیم و راه حل هایی برای جلوگیری از وقوع انواع کاویتاسیون را معرفی می کنیم.

انواع کاویتاسیون در پمپ ها به شرح زیر است:

• کاویتاسیون تبخیری: این نوع کاویتاسیون از جمله معمول ترین انواع کاویتاسیون در پمپ ها است و در اثر پایین بودن مقدار مطلق مکش مثبت در سیستم (NPSHA) نسبت به مقدار مطلق مکش مثبت لازم برای کارکرد مناسب پمپ که توسط شرکت سازنده ارائه می شود (NPSHR)، ایجاد می شود. راه جلوگیری از این نوع پدیده کاویتاسیون، بالاتر نگه داشتن NPSHA نسبت به NPSHR است.
• کاویتاسیون چرخش مجدد داخلی (Recirculation): کاویتاسیون چرخش مجدد داخلی بر خلاف دیگر انواع کاویتاسیون ها در اثر پایین بودن مقدار مطلق مکش مثبت در سیستم (NPSHA) رخ نمی دهد. این نوع پدیده کاویتاسیون هنگامی رخ می دهد که جریان به هر دلیلی نتواند از قسمت تخلیه پمپ خارج شود و یا از قسمت مکش پمپ وارد شود. این امر سبب ایجاد چرخش مجدد (recirculation) در جریان داخل پمپ می شود و آسیب می رساند.
• کاویتاسیون از نوع مکش هوا: در صورت ایجاد خلا در داخل پمپ می تواند مکش هوا به داخل پمپ رخ بدهد. این پدیده مکش هوا سبب ایجاد اختلال در کارکرد پمپ و آسیب رساندن می شود. این پدیده کاویتاسیون از نوع مکش هوا نام دارد. برای جلوگیری از این اتفاق باید قطعات مختلف پمپ و کل سیستم به خوبی آب بندی و متصل شوند تا مکش هوا رخ ندهد.

در انتها در صورت نیاز به کسب اطلاعات بیشتر درباره آیروپارس و همچنین در صورت داشتن پرسش درباره محصولات موجود، قیمت ها و … با کارشناسان ما تماس بگیرید.