Кавитация в управляющем клапане
Кавитация является привычным явлением в большей степени в судоходстве. В 1917, Английский физик лорд Райлих предложил расследовать, что заставило быстро-вращающиеся корабельные винты разъесться так быстро. Он обнаружил что эффект кавитации уже доказанный в экспериментах Рейнольдса в 1894, был источником проблемы. Несмотря на многочисленные исследования в области кавитации за годы исследований, многие сопровождающие эффекты все еще не полностью объяснены. Это не удивительно, учитывая сложности процесса, включающего области акустики, гидродинамики, термодинамики, оптики, плазменной физики и химии.
Кавитация в жидкости может быть вызвана входом энергии. Например, лазерный луч создает плазму в жидкостях, которая заставляет жидкость испарятся, создавая каверны. Ультразвуковые волны могут использоваться, чтобы индуцировать комплекс высокочастотных переменных компрессий и разрежений в жидкостях, которые вызывают кавитацию. Таким образом, эффекты кавитации могут быть с пользой применены для очистки поверхности, для неагрессивных действий в сфере медицины и для дробления агломерата на конечной стадии текстильной промышленности. В сточной воде кавитация предотвращает зарастание, используется, чтобы удалять молекулы и бактерий на стенках, разбивать загрязнения и растворять минеральные вещества из органического сырья.
К тому же, кавитация может возникнуть в гидродинамических потоках, когда снижается давление. Однако в большей степени этот эффект является разрушительным явлением. Применительно к роторам насоса, управляющие клапаны особенно чувствительны к этой проблеме, и даже в умеренных рабочих режимах давление может достигать уровней, достаточных для появления в жидкостях начальной кавитации.
Последствия для управляющего клапана, так же как и для полностью управляющих процессов изменчивы и часто разрушительны:
-громкий шум;
-сильные вибрации;
-сужение потока, вызванное испарением;
- изменение свойств жидкости;
-эрозия деталей клапана;
- разрушение управляющего клапана;
- остановка насоса.
Кавитация
Кавитация должна быть в общем понята как динамический процесс образования и внутренний взрыв каверн в жидкостях. Кавитация происходит, например, когда высокие скорости потока заставляют местное гидростатическое давление снижаться до критического значения, которое приблизительно соответствует давлению жидкости при испарении. Это вызывает небольшие пузыри, наполненные паром и газами. Эти пузыри в конечном итоге ослабевают, когда они проходят зоны высокого давления, так как они движутся вдоль жидких потоков. В заключительной фазе внутреннего взрыва пузыря, высокое давление максимально генерируется внутри пузырей и в их непосредственной окрестности.
Эти пики давления приводят к механическим вибрациям, шуму и эрозии материала поверхностей в отдельных областях. Если кавитация жесткая, коэффициенты гидравлического клапана, также как и свойства жидкости. изменяются.
Начальная кавитация
Термин 'кавитация' происходит от латинского глагола cavitare означающий 'выдолбить из’, таким образом ссылаются на образование каверн. Чтобы создать каверны в жидкостях, жидкость должна быть сначала расширена, а затем прорвана. Теоретически, жидкости могут поглощать высокие силы расширения или отрицательное давления. Источник [1] оценивает отрицательное давление, требуемое для вызова кавитации в чистой воде при 20 ºС, основанный на минимуме кривой Ван дер Валса, и получает теоретически возможный предел прочности 104 баров, который соответствует приблизительно двустороннему сжатию воды.
Разрушения в квази-кристаллической структуре воды, однако, уменьшают возможные силы расширения минимум на один порядок величины. По всей вероятности, ультрамикроскопические аккумуляции молекул пара или газа создают эти разрушения совместно с молекулами, находящимися в неустойчивом равновесии с жидкостью. В случае внешних сил расширения (отрицательное давление), эти ядра могут превысить критический диаметр, а затем возрастать самопроизвольно, по мере образования пара.
Рисунок 1 - Теоретические значения предела прочности для чистой воды
С помощью статистического исследования, Беккер и Доринг определили вероятность для критического ядра, происходящий в зависимости от температуры, результирующий в теоретических значениях предела прочности для чистой воды, показанной на рисунке 1.
Если эти значения в действительности применить промышленным жидкостям, кавитация в гидравлических системами не сможет быть предметом для обсуждения. Самые большие значения, известные до сих пор, были получены, измерением центробежной силы как функции температуры касательно очень чистой водой. Как показано на рис. 2, самое максимальное значение, которое было достигнуто, находится только в 280 барах. Рисунок 2 также показывает одну из многих аномалий воды, т.е. сильное уменьшение предела прочности возле точки замерзания, которая вызвана образованием кристаллов воды.
Рисунок 2 - Значения пределов прочности для чистой воды
Кавитационные ядра являются основной причиной для возникновения кавитации
Разница между теоретически и экспериментально (в соответствии идеальным условиям) определенными значения силы показывает, что микроскопические пузыри наполненный газом и паром (ядра кавитации), которые находятся в жидкости и чье существование в воде может быть объяснено согласно модели Харвея, решающий фактор в возникновении кавитации.
Сферические ядра кавитации устойчивы, когда давление жидкости р действующие на поверхность пузыря и частичное давление 2α/ R результирующее от внешнего давления находятся в равновесии с суммой частичных давлений внутри пузыря, т.е. давление пара pV и давление входящего сюда объема газа pG:
В этом уравнении, R - это радиус пузыря и α - это капиллярная константа. Если вы рассматриваете изменение объема пузыря по изотерме, следующее можно получить из общего закона газа для сферических ядер:
и совместно с (1)
с G пропорциональным объему газа, содержащемуся в ядре.
Рисунок - 3 Критический радиус ядра в связи с изменяющимися концентрациями газа
Изображение p – pV = f(R) с G является характеристикой показывающей начальную кавитацию (рис. 3).
Когда параметры постоянны, вначале радиус ядра медленно возрастет, по мере уменьшения атмосферного давления. Небольшое изменение давления только приводит к безграничному росту пузыря, т.е. к началу кавитации, после чего разность критического давления может быть определена по математической зависимости d(p – pV)/dR = 0 и которая является производной от:
В больших ядрах, т.е. пузырях с большим значением G, кавитация начинается сразу. Их внезапный прирост увеличивает объем жидкость и уменьшает давление в определенном месте. Это уменьшение давления заставляет следующие более маленькие пузыри разрушаться, которые в свою очередь создают поле давления, которое приводит к разрушению даже более мелких пузырьков, и так далее.
Появление кавитации возникает при давлении ниже давления испарения
В результате, критическое давление, при котором кавитация прекращается, выше, чем критическое давление в начале кавитации. Лехман и Янг основательно рассмотрели феномен гистерезиса кавитации и нашли, что конец кавитации может быть легче воспроизведен, чем начало кавитации. В отдельных случаях, это, следовательно, зависит от состояния жидкости, особенно температуры, спектра ядер, содержания растворенных газов и уровня давления, при которых начинается статическое давление кавитации. В общем, это явление возникает при давлении ниже давления испарения. На практике, невозможно определить жидкий спектр ядер в движении. Таким образом, обычной практикой в управляющем клапане является выполнение измерений для описания критического давление кавитационных ядер в начале кавитации с помощью давления испарения жидкости.
Коэффициент кавитации xFZ
В случае менее вязких жидких потоков вдоль обтекаемых тел, внутренним трением, сравнимым с давлением, возможно, часто пренебречь. Распространение скорости этих видов потока может быть вычислено на основании потенциальной теории, если условия потока известны. Распространение давления вдоль обтекания тела происходит по выражению Бернули таким образом, что взаимоотношение между минимальным давлением pmin и критическим давление может быть представлено согласно выражению (4).