Kawitacja – lekceważone zjawisko

Czym jest kawitacja?

Kawitacja polega na powstawaniu i nagłym zanikaniu w cieczy pęcherzyków gazowych, czemu towarzyszą gwałtowne zmiany ciśnienia. Głównymi czynnikami wpływającymi na jej występowanie w płynącej strudze cieczy jest temperatura i ciśnienie.

Temperatura wrzenia cieczy zależy od jej ciśnienia – im jest ono niższe, tym niższa temperatura wrzenia. Lokalny spadek ciśnienia statycznego może prowadzić do wrzenia cieczy i tworzenia się pęcherzyków gazu (ang. cavity – dziura, ubytek). Gdy ciecz opuści obszar szybkiego przepływu, ciśnienie statyczne ponownie zwiększa się. Pęcherzyki zapadają się, a często gwałtownie implodują, co wytwarza fale uderzeniowe [7].

Jakie są wymagania jakości powietrza w przedszkolach i szkołach na 2021 rok? Pobierz bezpłatny e-book »

Kawitacja jest gwałtownym i najczęściej bardzo niepożądanym zjawiskiem. Lokalne nagłe zmiany ciśnienia mogą przekraczać ciśnienie cieczy nawet kilkusetkrotnie, a powstające uderzenia są tak silne, że potrafią zniszczyć niemal dowolny materiał. Czas tworzenia się pęcherzyka kawitacyjnego i czas jego trwania to jedynie tysięczne części sekundy.

A czas zanikania pęcherzyków jest jeszcze krótszy i ma charakter implozji, której towarzyszy lokalny i gwałtowny przyrost ciśnienia. Zasklepianie się pęcherzyków następuje wewnątrz strumienia cieczy oraz w najbliższym sąsiedztwie omywanych powierzchni, zwłaszcza w ich wgłębieniach lub pęknięciach.

Wpływ na wystąpienie zjawiska kawitacji w cieczy o danej temperaturze ma przede wszystkim jej prędkość, kształt powierzchni, z którą się kontaktuje, oraz występowanie w cieczy zanieczyszczeń. Zjawisko kawitacji występuje w wielu miejscach, np. w przewodach instalacji ogrzewczej, przewodach wodociągowych, przy pracy śrub okrętowych, generalnie wszędzie tam, gdzie spadek ciśnienia jest wystarczający do jej wywołania. Kawitacja jest zjawiskiem występującym wyłącznie w cieczach, może się pojawić w trakcie przepływu lub w cieczy pozostającej w spoczynku. Powstaje w pobliżu ścian przewodu lub ciała zanurzonego, może też powstać w obszarze nieograniczonym.

Rejon objęty kawitacją jest obszarem burzliwego (turbulentnego) przepływu strumienia cieczy. Ruch taki charakteryzuje się wielką złożonością, zaś utrata przez ciecz ciągłości powoduje, że kawitacja jest nieustalonym zjawiskiem dwufazowym, którego jak dotychczas nie można opisać analitycznie za pomocą równań ośrodków ciągłych. Przepływ taki należy opisywać jako przepływ wielofazowy (to znaczy taki, w którym bierze udział wiele faz jednej substancji, np. wody w fazie ciekłej i gazowej, zachodzą także przemiany termodynamiczne).

Konieczność uniknięcia kawitacji w wielu przypadkach poważnie ogranicza możliwości konstruowania maszyn i urządzeń hydraulicznych. Na szkodliwy wpływ kawitacji narażone są turbiny wodne oraz pompy wirowe i wyporowe. Kawitacja występuje wskutek obniżenia ciśnienia, a więc można nią sterować, zmieniając wartość ciśnienia bezwzględnego w obszarze płynu.Kawitacja jest zwykle zjawiskiem niepożądanym, może mieć jednak korzystny wpływ przy szczególnych zastosowaniach, takich jak: produkcja emulsji, czyszczenie powierzchni oraz praca pompy kawitacyjnej (pompy hydrosonicznej lub implozyjnej) i urządzeń grzewczych o bardzo wysokiej sprawności, opatentowanych przez Jima Griggsa. Zjawisko kawitacji wykorzystywane jest również w zabiegach kosmetycznych oraz w tzw. sonicznych szczoteczkach do zębów.

Rodzaje kawitacji

Kawitacja przebiega z tak dużą prędkością, że nie udaje się jej zarejestrować przy pomocy zwykłych kamer. Występuje kilka rodzajów kawitacji, a zarejestrowane obrazy ich przebiegu praktycznie zawsze przypominają obłok pęcherzyków. Istnieją rożne rodzaje podziałów opisujących zjawiska kawitacji. Zależnie od warunków powstawania i rozwoju wyróżniamy:

• kawitację hydrodynamiczną (przepływową, strumieniową), która powstaje na skutek spadku ciśnienia statycznego w cieczy poniżej ciśnienia krytycznego, spowodowanego miejscowym wzrostem prędkości przepływu lub odpowiednią zmianą warunków zewnętrznych; często pojawia się w przewężeniach kanałów przepływowych oraz w miejscach zakrzywienia linii prądu i oderwań strumienia cieczy od opływanego ciała;

• kawitację parową, która powstaje na ogół przy ciśnieniu krytycznym, bliskim ciśnieniu parowania cieczy w danej temperaturze; wyróżnia się tym, że niestabilne pęcherzyki kawitacyjne, po osiągnięciu rozmiaru krytycznego, rosną bardzo szybko i są wypełnione przede wszystkim parą danej cieczy;

• kawitację gazową, która powstaje w wyniku dyfuzji gazu znajdującego się w cieczy do istniejących już w niej pęcherzyków gazowych (np. poprzez pobudzanie pęcherzyków do intensywnych drgań); charakteryzuje się tym, że pęcherzyki kawitacyjne rosną wolniej niż podczas kawitacji parowej;

• kawitację wibracyjną, która powstaje podczas spadku ciśnienia spowodowanego rozprzestrzenianiem się fali akustycznej w cieczy, często pojawia się w czasie wibracji cieczy lub jej otoczenia, względnie na skutek szybkich drgań ciała stałego w cieczy; rozrywanie cieczy i powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych następuje podczas półokresów rozrzedzenia, a ich implozja w czasie półokresów ściskania.

W literaturze można również napotkać określenia kawitacja zaczątkowa i rozwinięta oraz superkawitacja i pseudokawitacja. Innym kryterium podziału jest kształt obłoku kawitacyjnego za opływanym ciałem, np. wędrująca kawitacja pęcherzykowa, kawitacja pęcherzykowa w warstwie ścinania i kawitacja pasmowa przyłączona. Schemat występowania poszczególnych rodzajów kawitacji na łopatkach śruby okrętowej przedstawiono na rysunku 1.

Pozostałe pojęcia związane ze zjawiskiem kawitacji to m.in. przepływ kawitacyjny, ciśnienie krytyczne i prędkość krytyczna. Przepływ kawitacyjny to przepływ dwufazowy, złożony z cieczy oraz jej pary i uwolnionych gazów, będący wynikiem obniżenia ciśnienia. Zjawisko polega na tym, że zmiany ciśnienia spowodowane są wyłącznie procesami hydrodynamicznymi.

Ciśnienie krytyczne to ciśnienie w cieczy, przy którym powstaje kawitacja. Jest ono uzależnione od rodzaju i stanu cieczy, jej własności fizykochemicznych i temperatury, od ilości i rodzaju jąder kawitacyjnych oraz zawartości nierozpuszczonego gazu w cieczy. W przepływie ciśnienie krytyczne jest funkcją ciśnienia hydrodynamicznego i fluktuacji ciśnień związanych z turbulencją. Prędkość krytyczna to prędkość przepływu cieczy lub prędkość ciała poruszającego się w polu stałego ciśnienia zewnętrznego, przy której pojawia się kawitacja.

Kawitacja w instalacjach

Dla branży instalacyjnej najistotniejsze są zjawiska zachodzące podczas przepływu medium w instalacji. Kawitacja wywołuje wiele skutków, m.in. narusza ciągłość cieczy, wywołując zazwyczaj wzrost strat energii strumienia, zmniejsza moc i sprawność turbin wodnych, obniża wysokość podnoszenia i sprawność pomp, powoduje erozję materiałów konstrukcyjnych, wywołuje hałas i szumy, zarówno w obszarze słyszalnym, jak i w obszarze wyższych częstotliwości (powyżej 20 kHz), oraz prowadzi do drgań łopatek turbin wodnych i pomp.

Powstające podczas implozji bąbelków gazu fale uderzeniowe powodują mikrouszkodzenia powierzchni wirników, zaworów lub innych elementów i znacząco skracają czas ich eksploatacji. Ze względu na miejsce występowania w pompach i charakterystyczne objawy rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje kawitacji [2]:

1. kawitacja powierzchniowa – zjawisko powstawania kawitacji w pobliżu lub na powierzchni biernej łopatki wirnika,

2. kawitacja przestrzenna (obłok kawitacyjny) – powstawanie kawitacji przed wirnikiem lub w obszarze międzyłopatkowym wirnika,

3. kawitacja szczelinowa – powstawanie kawitacji w pobliżu lub wewnątrz szczeliny oddzielającej element wirujący od nieruchomej ściany kadłuba pompy.

Miejscami najbardziej atakowanymi przez erozję kawitacyjną w typowych pompach wirowych są łopatki i tarcze wirników w pobliżu krawędzi wlotowych łopatek (fot. 2). Miejsca te przesunięte są zazwyczaj w kierunku przepływu względem miejsc, w których następuje implozja. Przy dużej intensywności kawitacji i dużej prędkości cieczy ślady zniszczenia spotyka się również w pobliżu krawędzi wylotowych łopatek, a nawet na łopatkach kierownic odśrodkowych lub osiowych i na ściankach spiralnych kanałów zbiorczych. Konstrukcyjne sposoby zapobiegania kawitacji to odpowiednie konstruowanie wirników i odpowiednie profilowanie łopatek, stosowanie niedużej liczby łopatek lub stosowanie prerotacji, czyli wprowadzenie niewielkiego zawirowania wstępnego w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów wirnika. Te działania podejmują producenci urządzeń.

Projektant ma spory zasób metod zapobiegających kawitacji w instalacji. Prawidłowo zaprojektowana instalacja pompowa musi spełniać warunek, aby w każdym punkcie układu ciśnienie bezwzględne pompowanej cieczy nie spadło poniżej jej ciśnienia parowania dla danej temperatury. Warunek powyższy w odniesieniu do cieczy na wlocie do pompy można zapisać w postaci:

P_s >P_v

gdzie:
p_s – ciśnienie na wlocie do pompy,
p_v – ciśnienie parowania cieczy w danej temperaturze.

Każda pompa, w zależności od konstrukcji, wymaga pewnej nadwyżki ciśnienia na wlocie ponad ciśnienie parowania cieczy (rys. 2). Antykawitacyjna nadwyżka ciśnienia, oznaczona symbolem NPSH (Net Positive Suction Head), stanowi zapas wysokości ciśnienia w przekroju wlotowym pompy ponad wysokość ciśnienia odpowiadającego ciśnieniu pary nasyconej w danej temperaturze i jest opisana następującym wzorem:

gdzie:
c_s i p_s – odpowiednio prędkość i ciśnienie odniesione do przekroju wlotowego pompy.

W rzeczywistości praca pompy poza obszarem kawitacji wymaga nieco większej nadwyżki:

Dla każdego układu pompowego można określić tzw. rozporządzalną nadwyżkę antykawitacyjna NPSH_av:

W pompie nie wystąpi kawitacja, jeżeli będzie spełniony warunek:

W tabeli 1 zestawiono rodzaje nadwyżek antykawitacyjnych stosowanych w technice pompowej.

W celu umożliwienia właściwie wykonanych obliczeń maksymalnych wysokości ssania i nadwyżek antykawitacyjnych w tabeli 2 podano wartości ciśnienia parowania wody i gęstości wody dla rożnych temperatur. Dla pomp w katalogach podaje się minimalne ciśnienie wstępne na króćcu ssawnym pompy zapobiegające hałasom od kawitacji przy określonej temperaturze cieczy.
Przykładowo minimalne ciśnienia na króćcu ssawnym pompy zapobiegające hałasom od kawitacji pochodzące z katalogu pomp [6] zamieszczono w tabeli 3a oraz 3b [10].

Porównywano [4] podobne obiegi różniące się sposobem włączenia pompy: z pompą na zasilaniu i powrocie, z naczyniem zbiorczym włączonym przy króćcu powrotnym kotła c.o. W tabeli 4 podano maksymalne wartości oporów instalacji wewnętrznej c.o. wskazujące na celowość zamontowania pompy w przewodzie powrotnym. Jeżeli opory instalacji wewnętrznej c.o. są większe od wskazanej wartości, to celowy jest montaż pompy na zasileniu.

Dla instalatora najważniejszymi symptomami wskazującymi na powstanie kawitacji w pompie są:

• zwiększony hałas i drgania spowodowane znacznymi pulsacjami ciśnień,

• widoczne obniżenie się parametrów pracy, zwłaszcza wysokości podnoszenia, a nawet zerwanie słupa cieczy i spadek wydajności do zera,

• zniszczenia spowodowane erozją kawitacyjną, będące najbardziej oczywistym dowodem wystąpienia kawitacji.

W zasięgu działań instalatora znajdują się eksploatacyjne sposoby zapobiegania kawitacji w pompach wirowych:

• pompowanie możliwie chłodnego medium – czyli jeśli nie ma przeciwwskazań, pompę należy instalować na powrocie, zapewnienie małych oporów na przewodzie ssawnym,

• praca pompy w pobliżu nominalnej wydajności,

• instalowanie pomp w ten sposób, by wysokość ssania była możliwie najmniejsza, a dla pomp tłoczących ciecze gorące zapewnienie odpowiedniej wysokości napływu.

Należy również wyeliminować możliwość gromadzenia się powietrza w przewodach ssawnych. To, że praktycznie we wszystkich materiałach firmowych ze schematami technologicznymi kotłowni pompy obiegowe są wrysowane w przewodzie zasilającym, nie oznacza, że należy je traktować jako obowiązujące rozwiązania połączenia urządzeń. Schematy te nie są przecież projektami technicznymi. Praktyka wskazuje, że niestety generalnie w projektach instalacji c.o. zazwyczaj nie sprawdza się wartości ciśnień w króćcach ssawnych pomp i nie są one porównywane z wartościami NPSHr oraz nie sprawdza się, czy wybrano poprawny wariant zamontowania pomp obiegowych (na zasilaniu czy na powrocie).

Literatura

1. Jędral W., Pompy wirowe odśrodkowe. Teoria. Podstawy projektowania. Energooszczędna eksploatacja, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1996.

2. Bagieński J., Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych, Politechnika Poznańska, Poznań 1998.

3. Bębenek B., Bębenek H., Straty energii w przepływach płynów, tom I, Politechnika Krakowska, Krakow 1987.

4. Adamski M., Jak uniknąć kawitacji – pompy obiegowe, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2003.

5. Wilo, Podstawy projektowania pompowni wodociągowych, podręcznik projektowania, 2009.

6. Grundfos Katalog, Pompy obiegowe i cyrkulacyjne, Seria 100.

7. http://pl.wikipedia.org/wiki/Kawitacja.

8. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cavitation.svg.

9. Prezentacja w języku angielskim Pumping Station, Flow Measurement, Level Measurement Values prof. J. K. Parka z University of Wisconsin-Madison, 2008.

10. Grundfos Instructions, UPS, UPSD Series 200, Instrukcja montażu i eksploatacji.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!