В предыдущем обсуждении мы выяснили, зачем нужен такой показатель, как NPSH (Net Positive Suction Head) - конечный положительный напор на входе в насос, при котором он может работать согласно своей заводской характеристике. Другими словами, параметр NPSH является сравнительной характеристикой насоса, необходимой для оценки возможности его работы в конкретной гидравлической системе в конкретных эксплуатационных условиях без риска кавитации.
Отступая от узкоспециализированных технических терминов, таких как число Рейнольдса, закон Бернули, сплошность потока и прочих, попробуем описать явление кавитации для понимания ее природы.
Сформулирую определение следующим образом: кавитация (от английского cavity – полость, впадина) – образование множества пузырьков пара в областях локального пониженного давления при неравномерном течении потока жидкости.
Это явление возникает только тогда, когда величины скоростей потока жидкости кратковременно, но существенно начинают различаются в разных точках сечения этого потока. Это происходит в основном при условии наличия:
- высоких скоростей потока жидкости (более 2-3 м/с для воды);
- резкого изменения направления потока жидкости;
- резкого изменения площади сечения потока;
- локального препятствия в потоке жидкости.
В этом случае за точкой внезапно возникшего препятствия (или за препятствием) возникает своего рода карман (на рисунках выделен красным цветом), в котором происходит резкий отрыв потока жидкости от ограничивающей его стенки. Это происходит из-за невозможности быстро изменить направление течения потока вследствие наличия у него массы и скорости, а значит инерции. Из-за расслоения потока и невозможности быстро заполнить образовавшиеся пустоты в этих карманах резко падает давление жидкости, а значит, создаются условия для образования пузырьков пара, то есть локального вскипания жидкости. Для примера: при нормальном атмосферном давлении (1 бар) вода кипит при 100 °С, но если давление упадет до 10% от него(0,1 бар), то вода будет кипеть уже при 46 °С, если до 5% (0,05 бар) то вода закипит при 33 °С. Величина падения давления зависит от скорости потока.
Далее образовавшиеся пузырьки пара за счет неравномерного течения жидкости в кармане частично увлекаются основным потоком, а также частично продолжают циркулировать в кармане. Попадая в область большего давления пузырьки пара оказываются переохлажденными, поэтому при наличии внешнего возмущения они практически мгновенно коллапсируют, т.е. схлопываются. Схлопываются они особым образом (рисунок) внутрь себя, но в направлении к точке приложения возмущения. При этом порождается микро ударная волна со скоростью, превышающей скорость звука. Если этим внешним возмущением является препятствие, например, стенка трубы или рабочее колесо, то каждый коллапсирующий пузырек выбивает микроскопическую частичку металла с поверхности. Если этот пузырек один, то ничего страшного не произойдет, но если их садится на поверхность рабочего колеса насоса миллиарды в минуту, то очевидно, скоро от колеса ничего не останется:
Стоит также отметить, что любое местное сопротивление может привести к кавитации, например, частично закрытая задвижка или клапан, засоренный фильтр, некачественно сваренный сварной шов и прочее.
Следует обратить внимание, что чем выше температура и чем ниже давление потока, тем вероятнее возникновение кавитации. Поэтому наиболее подвержены данному явлению системы теплоснабжения, горячего водоснабжения и канализации, соответственно при их эксплуатации необходим тщательный контроль за параметрами их работы для своевременного выявления и устранения отклонений.
Таким образом, кавитация является весьма вредным явлением, ведущим к тяжелым последствиям. Поэтому очень важно контролировать температуру, давление и расход жидкости (а значит скорость потока) в системе, особенно в местах, где есть риск возникновения кавитации: за и перед фильтрами, на теплообменниках, перед насосами, по системе трубопроводов в целом в «узких местах». Также необходимо строго соблюдать все требования завода-изготовителя оборудования, включая такое понятие, как NPSH, о котором мы говорили ранее.
Иллюстрации, использованные в данной статье взяты из открытого доступа с использованием поисковой системы "Яндекс картинки"