Kavitacija - teorijski osvrt

Default kategorija
- Default child

Pod kavitacijom podrazumeva se stvaranje parnih mehurova u tečnosti koja struji. Pri kavitaciji formira se mehur ili kaverna, te je otuda kavitacija i dobila ime. Kavitacija je neželjena pojava u hidrosistemima jer je praćena: šumom, vibracijama, erozijom (uništenjem) materijala, povećanim gubitkom energije itd. Kavitacija nastaje kada pritisak tečnosti ima kritičnu vrednost, tj. kada dostigne vrednost pritiska isparavanja tečnosti na temperaturi tečnosti.

Istorija shvatanja pojave kavitacije

Po prvi put kavitacija je ispitivana na ratnom brodu “Dering” 1894. godine. Tada je pojava isparavanja tečnosti na predlog Fruda nazvana kavitacijom. Kasnije je čitava plejada naučnika (Kirhov, Gelgolmc, Vagner, Žukovski, Capligin, Sedov i dr.) radila na problemima kavitacije. Medutim, iako poznavanje pojave kavitacije datira s kraja XIX veka, treba reći da svi fenomeni vezani za ovu pojavu nisu još uvek u potpunosti rasvetljeni. Razlog tome je što kavitacija predstavlja veoma složenu pojavu, a sa aspekta: hidrodinamike, termodinamike, kao i hemijških i električnih uticaja.

Kada pri strujanju tečnosti iz bilo kojih razloga dođe do smanjenja pritiska, ali tako da pritisak u tečnosti dostigne vrednost pritiska isparavanja na temperaturi tečnosti, formiraće se prvi mehurići pare koji predstavljaju početak kavitacije. Smanjenje pritiska može biti prouzrokovano prekomernim padom pritiska (u usisnim cevovodima), ili na mestima lokalnih ubrzanja struje tečnosti. Pri lokalnim ubrzanjima struje tečnosti brzina strujanja raste, ali istovremeno pritisak opada, čime se stvara plodno tlo za nastajanje kavitacije. Mesta u hidrosistemima u kojima se javIja polje minimalnog pritiska su: usisi pumpi, lokalni otpori, vrtložne zone i sl. [pogledati video sa linka na kraju teksta]

Ako je kavitacija izazvana smanjenjem pritiska, a na račun lokalnog povećanja brzine, naziva se hidrodinamička kavitacija. Medutim, kavitacija može biti izazvana akustičnim talasima, te se takva kavitacija zove akustična.

Formiranje prvih mehurova naziva se početni stadijum kavitacije. U uslovima daljeg prisustva polja sniženog pritiska intenzifikuje se nastajanje mehurova razvijena kavitacija. Formirani mehurovi bivaju nošeni strujom tečnosti, i kada nizvodno dođe do porasta pritiska (zbog prisustva pumpe ili zbog smanjenja brzina) prestaju uslovi održanja parnog mehura. U tim uslovima dolazi do kondenzacije mehura, što je propraćeno erozijom materijala na čijim se površinama kavitacija završava.

Početna faza nastajanja parnih mehurova zavisi od mnogo faktora, i to:

fizičkih i termodinamičkih svojstava tečnosti (površinskog napona, pritiska isparavanja, viskoznosti i dr.),
sadržaja nerastvorenih gasova u tečnosti,
naponskog stanja,
vremena prolaza tečnosti kroz kavitacionu zonu.

Promena agregatnog stanja

Poznato je da postoje tri agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Sa aspekta kavitacije interesantno je tečno i gasovito agregatno stanje i prelaz iz jednog u drugo.

Prelaz tečnog u gasovito stanje zove se isparavanje. Molekuli tada menjaju međusobna rastojanja, te se njihova potencijalna energija povećava.

Pri suprotnom procesu, prelasku gasovitog u tečno agregatno stanje, javlja se proces koji se zove kondenzacija.

Isparavanje tečnosti vrši se u većoj ili manjoj meri na svim temperaturama. Pri jednoj određenoj temperaturi, koja zavisi od pritiska tečnosti, nastaje burno isparavanje u celoj zapremini tečnosti. Isparena tečnost obrazuje mehurove koji se usled sile potiska kreću naviše ako je ključanje u “mirnoj” tečnosti, ili bivaju odnešeni strujom tečnosti ako tečnost struji. Ovo burno isparavanje tečnosti poznato je pod nazivom ključanje. Zavisnost temperature ključanja vode od pritiska prikazana je na dijagramu na slici 1.

Kavitacija - termodinamički i hidraulički fenomen

Slika 1. Zavisnost tenperature ključanja vode od pritiska

Sa p-V dijagrama uočavaju se oblasti u kojima su homogene faze, kao i oblasti u kojima se menja faza.

Posmatraće se proces pri konstantnoj temperaturi t1 a pri smanjenju pritiska (kriva ABCD). Fluidu stanja A smanjuje se pritisak. Pri smanjenju pritiska do tačke B fluid će biti u tečnom stanju. U tački B počinje isparavanje.

Pritisak za vreme isparavanja ostaje konstantan. Isparavnanje je na dijagramu prikazano pravom linijom BC. Izmedu tačaka B i C fluid se nalazi i u tečnom i u gasovitom stanju (vlažna para). Proces isparavanja se odvija sve dok celokupna tečnost ne ispari, fluid će u tački C sav biti u gasovitom stanju (stanje suve pare). Daljim opadanjem pritiska do tačke D dolazi do pregrevanja pare.

Pri suprotnom procesu, kada pritisak raste važi slično objašnjenje, s tim što u tački C počinje kondenzacija pare a u tački B se završava.

Na dijagramu je prikazana kritična izoterma t1 koja u tački k ima prevoj. Tačka k naziva se kritična tačka, i u njoj tečnost direktno prelazi u stanje suve pare. Vrednost pritiska, temperature i zapremine u toj tački zovu se kritičnom. Tako, na primer, za vodu kritične vrednosti su: tk = 374°C, pk = 222,2 bar, vk= 5.14 cm3/g.

Na p- V dijagramu deo krive kome pripadaju tačke K i B naziva se donja granična kriva, a deo krive kome pripadaju tačke K i C naziva se gornja granična kriva.

Sa aspekta proučavanja kavitacije za određenu vrstu radne tečnosti interesantno je područje na nižim temperaturama, a oko donje granične krive.

Uticaj nerastvorenih gasova

U tečnosti postoje nerastvoreni gasovi, koji se nalaze u obliku mehurića koji mogu da imaju dimenzije, čak, do 10-8 mm, a što zavisi od pritiska tečnosti.

Smatra se da ovi nerastvoreni mehurići gasa predstavljaju začetnike kavitacije. Mehurići gasa nošeni strujom rečnosti dolaze u polje sniženog pritiska koji odgovara temperaturi isparavanja. Tom prilikom difuzijom kroz površinu mehura ustrujava para, čime zapremina mehura raste. Kada mehur odnešen tečnošću dođe u polje povećanog pritiska dolazi do kondenzacije pare, a time se mehur smanjuje. Ova pojava naziva se gasna kavitacija. Gasni mehur se tom prilikom može smanjiti na dimenzije koje dozvoljava stišljivost gasa. Pri smanjenju mehura temperatura gasa raste, što se naziva luminiscencija gasa.

Količina nerastvorenih gasova u tečnosti (do pritiska 300 bar) može da se odredi kao: