به تشکیل ذرات ریز حباب در مایعات کاویتاسیون گفته می شود. کاویتاسیون پدیده ایست که صرفا در مایعات رخ می دهد. در پدیده کاویتاسیون ابتدا حباب در سیال تشکیل شده و پس از آن حباب ها با از بین رفتنشان باعث تخریب اجسام می شوند. کاویتاسیون زمانی اتفاق می افتد که مایع به حالت اشباع نزدیک شده باشد. حالت اشباع یعنی مایع در آستانه تبخیر و بخار شدن قرار داشته باشد. حالت اشباع در اثر افزایش دما همچون تبخیر آب در هنگام جوشاندن آن و کاهش فشار روی مایع رخ می دهد. این مسئله یعنی هرچه دمای سیال زیاد و فشار روی آن کم شود سیال راحت تر به حالت تبخیر در می آید.
با توضیحات داده شده در مورد رفتار مایعات در بالا به بررسی پدیده کاویتاسیون و دلیل بوجود آمدن حباب در پمپ ها بپردازیم:
یک پروانه پمپ آب را در نظر بگیرید که به سرعت در حال چرخش است پروانه در حین برخورد با ذرات آب باعث تغییرات فشار در این ذرات شده که این تغییرات فشار باعث می شود در ناحیه ای از پروانه فشار بشدت کاهش یابد و مایع به حالت اشباع برسد در این هنگام است که حباب ها در مایع ایجاد می شوند (این اتفاق در نزدیکی مرکز پروانه رخ می دهد) با چرخش پروانه این حباب ها از ناحیه کم فشار به سمت ناحیه پر فشار در لبه پروانه رفته و شروع به ترکیدن کرده و حفره هایی را ایجاد می کند.
پس از نابودی حباب ها، سیال پیرامون حفره برای آنکه پیوستگی سیال را حفظ کند با سرعت به سمت حفره ها رفته و باعث ایجاد یک تونل پر فشار می شوند. در شکل زیر در 4 مرحله توضیحات بالا نشان داده شده است همانطور که در شکل مشاهده می کنید هر برخوردی از تونل های پر فشار با سطح مقطع جسم باعث تخریب کوچکی در جسم شده و به مرور زمان باعث از بین رفتن جسم می شود.
پدیده کاویتاسیون در پمپ ها و اثرات مخرب آن:
در تعیین و انتخاب پمپ ها یکی از پارامترهایی که باید بطور دقیق بررسی شود هد مکش مثبت خالص (NPSH) می باشد. NPSH عبارتست از انرژی سیال در لحظه ورود به پمپ تا به بخار تبدیل نشود اکنون دو مسئله مطرح می گردد: 1- پمپ در هنگام مکش به چه میزان انرژی سیال را نیاز دارد تا آنرا بخار نکند که به آن NPSH r گویند 2- سیال در هنگام ورود به پمپ چه میزان انرژی لازم دارد تا به بخار تبدیل نشود که به آن NPSH a گویند. NPSH r توسط شرکت سازنده گزارش می شود وNPSH a با توجه به موقعیت نصب پمپ محاسبه می شود این نکته حائز اهمیت است که NPSH a همواره باید بزرگتر از NPSH r باشد. حالا با توجه به مطالب و مسائل بیان شده به پدیده کاویتاسیون می پردازیم.
هنگامیکه پمپ در ارتفاع های فوق العاده بالا کار می کند فشار مکش کمی در ورودی پمپ بوجود می آید، فشار آنقدر کم می شود که حالت خلا تشکیل شده و چنانچه فشار در لوله پایین تر از فشار بخار باشد سیال به بخار تبدیل شده و ورود سیال به داخل پمپ متوقف می شود به این نقطه، نقطه شکست گویند. وقتی فشار ورودی به نقطه بخار سیال رسید ، بخار حباب هایی را زیر مقطع پره های پروانه تشکیل می دهد زمانیکه حباب ها از منطقه کم فشار ورودی به سمت نوک پره ها می رسند شروع به ترکیدن کرده و این عمل نیروی زیادی را از طریق سیال به پره ها اعمال می کند. این نیرو معمولا آنقدر زیاد است که تکه هایی از پره ها را جدا کرده و باعث ایجاد چاله هایی در آن می گردد در حین این اتفاق اگر عمل کاویتاسیون شدید صورت پذیرد ارتعاشات و سر و صدای زیادی ایجاد می شود ولی در کاویتاسیون های ملایم ممکن است هیچگونه صدایی ایجاد نشود و فقط باعث کاهش راندمان پمپ و سایش های جزئی اجزا پمپ گردد.
در شکل زیر تخریب چند پروانه در اثر پدیده کاویتاسیون را مشاهده می کنیم.
در پمپ های گریز از مرکز پیشنهاد می شود تا از 5 مورد زیر پرهیز شود:
1 – هد های بسیار پایین تر از از هد حداکثر
2- دبی بسیار بالاتر از دبی حداکثر
3- NPSH پایین تر از توصیه شرکت سازنده
4- سیال با دمای بالاتر از آنچه که سیستم طراحی شده
5- سرعتی بیشتر از چیزی که سازنده توصیه کرده است
راه حل های متفاوتی برای جلوگیری از پدیده کاویتاسیون وجود دارند که بطور اجمالی به بیان آن ها می پردازیم:
1 – کاهش سرعت گردش پمپ البته این عمل باعث کاهش دبی پمپ و افزایش ابعاد پمپ می گردد و همیشه راه حل مناسبی نیست
2- استفاده از پمپ های دو لول یا دو مکشه زیرل NPSH کمتری نسبت به پمپ های تک مکشه دارند.
3- استفاده از پمپی با همان ظرفیت دبی و البته با هد پایین تر از پمپ اصلی در واقع وظیفه اصلی این پمپ بوجود آوردن و تامین NPSH a مورد نیاز برای پمپ اصلی می باشد و اینکه این پمپ بصورت سری با پمپ اصلی بسته می شود.
4- استفاده از پمپ های مخصوصی که برای NPSH a پایین طراحی گردیده اند.
5- استفاده از پیش ران ها ، INCUDER ها که قطعات مارپیچی می باشند و وظیفه آن ها افزایش فشار سیال قبل از ورود به پمپ می باشند البته این روش قابلیت اطمینان کمتری نسبت به روش های قبلی دارد و ترجیحا بهتر است از روش های قبلی یا ترکیبی از آن ها استفاده شود.
البته روش های گفته شده در شرایط طراحی در NPSH های پایین می باشد و در حالت عادی با انتخاب صحیح پمپ نیازی به انجام روش گفته شده نداریم مگر در موارد خاص و استثنایی.
