Kavitáció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. február 25-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 29 szerkesztést igényelnek .

A kavitáció ( latin cavita s - üresség) a buborékok (üregek) képződésének fizikai folyamata folyékony közegben, majd ezek összeomlásával és nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár, ami zajjal és hidraulikus sokkokkal jár együtt. A kavitációs buborékok ritka gőzt tartalmazhatnak. A kavitáció a folyadék helyi nyomáscsökkenésének eredményeként következik be, amely vagy sebességének növekedésével fordulhat elő , például a hajó propellerje mögött (hidrodinamikus kavitáció), vagy amikor nagy intenzitású akusztikus hullám halad át a ritkítás során. félciklus ( akusztikus kavitáció). A hatás megjelenésének egyéb okai is vannak külső fizikai hatások következtében. Az áramlással egy nagyobb nyomású területre haladva vagy a kompresszió félciklusa alatt a kavitációs buborék összeesik, miközben lökéshullámot bocsát ki . Lényegében a kavitáció ugyanazzal a hatásmechanizmussal rendelkezik, mint a levegőben lévő lökéshullám, amely akkor lép fel, amikor egy szilárd test legyőzi a hanggátat .

A kavitáció jelensége helyi jellegű, és csak ott fordul elő, ahol adottak a feltételek. Tanulmányok kimutatták, hogy a kavitáció során a buborékok képződésében a vezető szerepet a kialakult buborékok belsejében felszabaduló gázok játsszák. Ezek a gázok mindig a folyadékban vannak, és a nyomás helyi csökkenésével elkezdenek intenzíven felszabadulni ezekbe a buborékokba.

Mivel a folyadék változó helyi nyomásának hatására a buborékok erősen összehúzódhatnak és kitágulhatnak, a buborékok belsejében lévő gáz hőmérséklete széles határok között változik, és elérheti a több száz Celsius fokot is. Számított adatok szerint a buborékok belsejében a hőmérséklet elérheti az 1500 °C-ot [1] . Figyelembe kell venni azt is, hogy a folyadékban oldott gázok százalékban több oxigént tartalmaznak, mint a levegő, ezért a kavitáció során a buborékokban lévő gázok kémiailag agresszívebbek, mint a légköri levegő - végül sokak oxidációját (reakcióját) idézik elő. általában inert anyagok.

Az akusztikus kavitációt az esztétikai gyógyászatban használják.

Káros következmények

A szintén magas hőmérsékletű buborékokban lévő gázok kémiai agresszivitása a folyadékkal érintkező anyagok korrózióját okozza, amiben kavitáció alakul ki. Ez a korrózió a kavitáció káros hatásainak egyik tényezője. A második tényező a buborékok összeomlásából eredő és ezen anyagok felületét érintő nagy nyomástúllépések következménye [2] .

A fémek kavitációs korróziója tönkreteszi a hajók propellereit , a szivattyúk, hidraulikus turbinák munkarészeit stb., a kavitáció zajt, vibrációt és a hidraulikus egységek hatékonyságának csökkenését is okozza.

A kavitációs buborékok összeomlása ahhoz a tényhez vezet, hogy a környező folyadék energiája nagyon kis térfogatban koncentrálódik. Így magas hőmérsékletű helyek keletkeznek, és lökéshullámok keletkeznek, amelyek zajforrások és a fém korróziójához vezetnek. A kavitáció által keltett zaj különösen nagy probléma a tengeralattjárókban, mivel csökkenti a lopakodóképességüket. Kísérletek kimutatták, hogy még az oxigénnel szemben kémiailag semleges anyagok ( arany , üveg stb.) is ki vannak téve a kavitáció káros, pusztító hatásának, bár sokkal lassabban. Ez azt bizonyítja, hogy a buborékokban lévő gázok kémiai agresszivitása mellett a buborékok összeesésekor fellépő nyomáslökések tényezője is fontos. A kavitáció a munkadarabok nagy kopásához vezet, és jelentősen csökkentheti a propeller és a szivattyú élettartamát. A metrológiában ultrahangos áramlásmérők használatakor a kavitációs buborékok széles tartományban modulálják a hullámokat, beleértve az áramlásmérő által kibocsátott frekvenciákat is, ami a leolvasások torzulásához vezet.

A következmények megelőzése

A kavitáció gépalkatrészekre gyakorolt káros hatásainak kivédésének legjobb módja, ha azok kialakítását úgy változtatjuk meg, hogy megakadályozzuk az üregek kialakulását, illetve az alkatrész felülete közelében ezen üregek pusztulását. Ha nem lehetséges a kialakítás megváltoztatása, védőbevonatok használhatók , például kobalt alapú ötvözetek hőpermetezése .

A hidraulikus hajtásrendszerek gyakran használnak újratöltő rendszereket . Leegyszerűsítve, ezek egy kiegészítő szivattyú, amelyből a folyadék egy speciális szelepen keresztül a hidraulikus rendszerbe kezd folyni, amikor az utóbbiban a nyomás a megengedett érték alá csökken. Ha a nyomás a hidraulikus rendszerben nem esik a megengedett szint alá, a kiegészítő szivattyú folyadéka a tartályba kerül. Sok kotrógépben például pótrendszereket telepítenek .

Hasznos alkalmazás

Bár a kavitáció sok esetben nem kívánatos, vannak kivételek. Például a katonaság által használt szuperkavitációs torpedók nagy kavitációs buborékokba vannak csomagolva. A vízzel való érintkezés jelentős csökkentésével ezek a torpedók sokkal gyorsabban tudnak mozogni, mint a hagyományos torpedók. Tehát a szuperkavitációs torpedók (" Shkval " és " Barracuda "), a vízi környezet sűrűségétől függően, akár 370 km / h sebességet is elérhetnek. A kavitációt a víz alatti lőszerek tűgolyóinak stabilizálására is használják (például lőszer az APS rohampuskához vagy 5,45x39-es PSP töltény az ADS géppuskához ).

A kavitációt szilárd felületek ultrahangos tisztítására használják. Speciális eszközök kavitációt hoznak létre a folyadékban lévő hanghullámok segítségével. A kavitációs buborékok összeomlásuk során lökéshullámokat generálnak, amelyek elpusztítják a szennyező részecskéket, vagy elválasztják őket a felszíntől. Ez csökkenti a veszélyes és egészségtelen tisztítószerek szükségességét számos ipari és kereskedelmi folyamatban, ahol a tisztítás gyártási lépésként szükséges.

Az iparban a kavitációt gyakran alkalmazzák a lebegő részecskék homogenizálására (keverésére) és lerakására kolloid folyékony összetételben, például festékkeverékekben vagy tejben. Számos ipari keverőgép ezen az elven alapul. Ezt általában hidraulikus turbinák tervezésével érik el, vagy a keveréket egy gyűrű alakú nyíláson vezetik át, amelynek szűk bemenete és sokkal nagyobb kimenete van: a nyomás kényszerített csökkenése kavitációhoz vezet, mivel a folyadék nagyobb térfogatra hajlik. Ez a módszer a bemenet méretét szabályozó hidraulikus eszközökkel vezérelhető, ami lehetővé teszi a folyamat különböző környezetekben történő beállítását. A keverőszelepek külseje, amelyen a kavitációs buborékok az ellenkező irányba mozogva robbanást (belső robbanást) okoznak, óriási nyomásnak vannak kitéve, és gyakran rendkívül erős vagy merev anyagokból készülnek, mint például rozsdamentes acél, sztellit vagy akár . polikristályos gyémánt (PCD).

A kavitációt az üzemanyag feldolgozására használják. A feldolgozás során a tüzelőanyag járulékos tisztításra kerül (a kémiai elemzés során azonnal észlelhető a tényleges gyanták mennyiségének jelentős csökkenése) [3] , és a frakciók aránya újraeloszlik (a könnyebbek irányába). Ezek a változások, ha az üzemanyagot azonnal a fogyasztóhoz juttatják, növelik annak minőségét és kalóriatartalmát, ezáltal teljesebb égés és a szennyező anyagok tömeghányadának csökkenése érhető el. A kavitáció üzemanyagra gyakorolt hatásáról még folynak a kutatások. Ezeket magáncégek és intézmények végzik, mint például az Orosz Állami Olaj- és Gázipari Egyetem. I. M. Gubkin.

Kavitációs víztisztító berendezéseket is kifejlesztettek, amelyekben a kavitációs peremfeltételek szennyező anyagokat és szerves molekulákat tönkretehetnek. A szonokémiai reakció eredményeként kibocsátott fény spektrális elemzése megmutatja az energiaátvitel kémiai és plazma mechanizmusait. A kavitációs buborékok által kibocsátott fényt szonolumineszcenciának nevezzük .

A kavitációs folyamatoknak nagy romboló erejük van, amelyet a folyadékban lévő szilárd anyagok összezúzására használnak. Az ilyen eljárások egyik alkalmazása a nehéz tüzelőanyagokban lévő szilárd anyagok őrlése, amelyet kazán tüzelőanyagának kezelésére használnak az égés fűtőértékének növelése érdekében.

A kavitációs eszközök csökkentik a szénhidrogén tüzelőanyagok viszkozitását, ami lehetővé teszi a szükséges melegítés csökkentését és az üzemanyagpermet diszperziójának növelését.

A kavitációs eszközöket víz-olaj és víz-üzemanyag emulziók és keverékek előállítására használják, amelyeket gyakran használnak az égés hatékonyságának javítására vagy a vizezett tüzelőanyagok ártalmatlanítására.

A kavitáció különféle anyagok (beleértve az érceket is ) őrlésére használható. Ezekhez a folyamatokhoz ipari berendezéseket állítanak elő [4] , amelyekben kavitációt nyernek ultrahang segítségével.

Orvosi alkalmazások

Az irányított ultrahangos készülékek okozta kavitációt az orvostudományban használják.

A kavitáció fontos szerepet játszik az urológiában a vese- és húgycsőkövek zúzásában a litotripszia lökéshullámán keresztül. A litotriptor egy olyan eszköz, amelyet arra terveztek, hogy nyílt műtét nélkül elpusztítsa a húgyúti köveket.

A kutatások mára kimutatták, hogy a kavitáció segítségével makromolekulákat is lehet mozgatni biológiai sejtekbe (sonoporáció).

Az ultrahang folyékony közegben történő áthaladása által létrehozott kavitációt sebészeti műszerek működtetésében használják sűrű szervek szöveteinek vértelen kimetszésére (lásd CUSA ).

A kavitációt a fogászatban is alkalmazzák a fogak ultrahangos tisztítása során, a fogkő és a pigment plakk ("dohányzó plakk") elpusztítása során, valamint a kozmetológiában nem injekciós zsírleszívásra (cellulit kezelésére és helyi zsírlerakódások csökkentésére).

Lapátszivattyúk és hajócsavarok

A folyadék és a gyorsan mozgó szilárd tárgyak (szivattyúk, turbinák, hajócsavarok, szárnyashajók stb. munkatestei) érintkezési pontjain helyi nyomásváltozás következik be. Ha a nyomás egy ponton a telített gőznyomás alá esik, a közeg integritása sérül. Vagy egyszerűbben a folyadék felforr. Ezután, amikor a folyadék nagyobb nyomású területre kerül, a gőzbuborékok "összeomlanak", ami zajjal, valamint nagyon magas nyomású mikroszkopikus területek megjelenésével jár (amikor a buborékok falai ütköznek). Ez a szilárd tárgyak felületének megsemmisüléséhez vezet. Mintha "korrodálnák". Ha az alacsony nyomású zóna elég nagy, kavitációs üreg keletkezik - egy gőzzel töltött üreg. Ennek eredményeként a lapátok normál működése megszakad, és akár a szivattyú teljes meghibásodása is lehetséges. Érdekes, de vannak olyan példák, amikor a kavitációs üreget speciálisan lefektetik a szivattyú kiszámításakor. Azokban az esetekben, amikor lehetetlen elkerülni a kavitációt, egy ilyen megoldás elkerüli a kavitáció pusztító hatását a szivattyú munkarészeire. Azt a rezsimet, amelyben stabil kavitációs üreg figyelhető meg, „szuperkavitációs rezsimnek” nevezik.

Lapátos szivattyúk. Kavitáció a szívóoldalon

A kavitációs zóna általában a szívózóna közelében figyelhető meg, ahol a folyadék találkozik a szivattyú lapátjaival. Minél nagyobb a kavitáció valószínűsége

annál alacsonyabb a nyomás a szivattyú bemeneténél;
minél nagyobb a munkatestek mozgási sebessége a folyadékhoz képest;
minél egyenetlenebb a folyadék áramlása egy szilárd test körül (a penge nagy ütési szöge, meggyűrődések, felületi egyenetlenségek stb.)

Centrifugális szivattyúk. Kavitáció a járókerék tömítésében

A klasszikus centrifugálszivattyúknál a nagynyomású területből származó folyadék egy része a járókerék és a szivattyúház közötti résen át az alacsony nyomású területre jut. Ha a szivattyú a tervezési módtól jelentős eltéréssel működik a növekvő nyomónyomás irányában, a járókerék és a ház közötti tömítésen keresztüli szivárgási sebesség megnő (a szívó- és nyomóüregek közötti nyomásesés növekedése miatt ). A tömítésben lévő folyadék nagy sebessége miatt kavitációs jelenségek léphetnek fel, amelyek a járókerék és a szivattyúház tönkremeneteléhez vezethetnek. Általános szabály, hogy háztartási és ipari esetekben a szivattyú járókerekében a kavitációs mód lehetséges a fűtési vagy vízellátó rendszer éles nyomásesésével: például, ha egy csővezeték, fűtőtest vagy radiátor eltörik. A szivattyú járókerék területén a nyomás éles esésével vákuum képződik, a víz alacsony nyomáson forrni kezd. Ebben az esetben a nyomás erősen csökken. A kavitációs mód a szivattyú járókerék eróziójához vezet, és a szivattyú meghibásodik.

Kavitáció a motorokban

Néhány nagy dízelmotor kavitációt szenved a nagy kompresszió és a kis hengerfal miatt. Ennek eredményeként lyukak képződnek a henger falán, ami ahhoz vezet, hogy a hűtőfolyadék elkezd bejutni a motor hengereibe. A nemkívánatos jelenségek megelőzhetők a hűtőfolyadékhoz hozzáadott kémiai adalékok segítségével, amelyek védőréteget képeznek a hengerhüvely típusú külső (külső) falakon. Ez a réteg ugyanazon kavitációnak lesz kitéve, de képes megjavítani magát.

Kavitációs szám

A kavitációs áramlást egy dimenzió nélküli paraméter (kavitációs szám) jellemzi:

\mathrm{X} ={\frac {2(P-P_{s})}{\rho V^{2}}}

, ahol

$P$ — a bejövő áramlás hidrosztatikus nyomása, Pa; a folyadék telített gőzeinek nyomása egy bizonyos környezeti hőmérsékleten, Pa; — közepes sűrűségű, kg/m³; az áramlási sebesség a rendszer bemeneténél, m/s.
$P_{s}$
$\rho$
$V$

Ismeretes, hogy a kavitáció akkor következik be, amikor az áramlás eléri a határsebességet , amikor az áramlásban lévő nyomás egyenlővé válik a párolgási nyomással (telített gőzök). Ez a sebesség megfelel a kavitációs kritérium határértékének. $V=V_{c}$

A nagyságtól függően négyféle áramlás különböztethető meg: $\mathrm{X}$

pre-kavitációs - folyamatos (egyfázisú) áramlás , $\mathrm{X} >1$
kavitáció - (kétfázisú) áramlás a , $\mathrm{X} \kb. 1$
film - a kavitációs üreg stabil elválasztásával a folyamatos áramlás többi részétől (filmkavitáció ) $\mathrm{X} <1$
szuperkavitációs - at . $\mathrm{X} \ll 1$

Méret

A kavitáció szintjét (általában relatív mértékegységekben) kavitométernek nevezett műszerek segítségével mérik [5] .

Lásd még

Jegyzetek

↑ (lásd például Bashta T. M. "Gépépítő hidraulika", M .: "Műszaki", 1971, 44-46. o.)
↑ Kavitáció // Kazahsztán. Nemzeti Enciklopédia . - Almati: Kazah enciklopédiák , 2005. - T. III. — ISBN 9965-9746-4-0 . (Orosz) (CC BY SA 3.0)
↑ tesztjelentés: http://cavitron.ru/documents Archiválva : 2013. október 23. a Wayback Machine -nél
↑ CJSC "Atlant" - ultrahangos telepítés "Hammer" . Hozzáférés dátuma: 2010. december 29. Az eredetiből archiválva : 2014. március 5. (határozatlan)
↑ Kavitométer . Letöltve: 2022. július 1. Az eredetiből archiválva : 2022. június 5. (határozatlan)

Irodalom

Birkhoff G., Sarantonello E. Fúvókák, nyomok és barlangok. per. angolról. M.: Mir, 1964. 466s.
Kornfeld M. Folyadékok rugalmassága és szilárdsága. M. : GITTL, 1951. 200-as évek.
Knapp R., Daly J., Hammit F. Kavitáció. Moszkva : Mir, 1974. 678 p.
Akulichev VA Kavitáció kriogén és forrásban lévő folyadékokban. M .: Nauka, 1978. 280c.
Levkovsky Yu. L. A kavitációs áramlások szerkezete. L.: Hajóépítés, 1977. 222p.
Ivanov AN A kialakult kavitációs áramlások hidrodinamikája. L.: Hajóépítés, 1980. 237p.
Pirsol I. Kavitáció / Per. angolról. Yu. F. Zhuravlev; Szerk., előszóval. és további L. A. Epstein .. - M . : Mir , 1975. - 96 p. — ( A tudomány és a technika világában ). (reg.)
Pernik AD A kavitáció problémái. 2. kiadás Leningrád: Hajógyártás, 1966. 435 p.
Rozhdestvensky VV kavitáció. L.: Hajóépítés, 1977. 248c.
Fedotkin I. M., Gulyi I. S. Kavitáció, kavitációs berendezések és technológia, ipari felhasználásuk (kavitációs készülékek elmélete, számításai és tervezései). 1. rész. - K .: Polygraphkniga, 1997. - 940 p.
A. Gavrilov. Cabines Russie magazin, 2011. március [1]

Szótárak és enciklopédiák

Bibliográfiai katalógusokban
BNE : XX4661462 BNF : 119793369 GND : 4163525-5 J9U : 987007284987105171 LCCN : sh85021547 NDL : 00566940 NKC : ph516962 SUDOC : 027837939

↑ A. Gavrilov. kavitáció . Mediolan . CabinesRussie magazin (2011. március). Letöltve: 2019. november 24. Az eredetiből archiválva : 2012. július 9.. (határozatlan)