Кавитация двигателя что это
Кавитация
Причины депрессии бывают трех видов:
Резюме
Происхождение кавитации
На сегодняшний день известно, что депрессия может иметь три различных причины:
Различные виды кавитации
Связь между давлением и радиусом пузыря
В любом случае, пузырь растет из-за депрессии. Поэтому для изучения этого явления необходимо изучить взаимосвязь между давлением жидкости (вдали от пузыря) и радиусом пузыря (рассматриваемого как сферический). Для этого полагаются на природу газа, давление Лапласа и, возможно, модуль упругости жидкости.
Кавитация при высоком числе Рейнольдса
Независимо от происхождения кавитация имеет два разных эффекта:
Вот почему контроль явления кавитации важен в гидродинамике: он представляет собой предел из-за потери эффективности или даже разрушения (пропеллеров и насосов), которое это может вызвать. Воздействие на них всегда происходит в точках максимальной скорости: внутри вихревой гидравлики и снаружи одноканальной и многоканальной гидравлики (см. Следующие фотографии).
Кавитация
Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков воздуха в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну.
Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.
Содержание
Обзор
Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».
Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.
Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.
Вредные последствия
Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.
Поэтому кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы.
Когда схлопываются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать повреждения. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны, излучаемые расходомером, что приводит к искажению его показаний.
Полезное применение кавитации
Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда «Шквал», в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 500 км/ч. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины. [2]
Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.
В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).
Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.
Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твердых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения.
Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива.
Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей, которые часто используются для повышения эффективности горения или утилизации обводнённых видов топлива.
Применение в биомедицине
Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках и мочеточнике посредством ударной волны литотрипсии. Литотриптор — прибор, предназначенный для разрушения камней в мочеполовом тракте без открытого хирургического вмешательства.
В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения макромолекул внутрь биологических клеток (сонопорация).
Кавитация, создаваемая прохождением ультразвука в жидкостной среде, используется в работе хирургических инструментов для бескровного иссечения тканей плотных органов (см. CUSA).
Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налет («налет курильщика»), а также косметологии.
Лопастные насосы и винты судов
В местах контакта жидкости с быстро движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т. д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит «схлопывание» пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением (при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твердых объектов. Их как бы «разъедает». Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна — полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчете насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют «режимом суперкавитации».
Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания
Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи зоны всасывания, где жидкость встречается с лопастями насоса. Вероятность возникновения кавитации тем выше,
Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса
У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости в уплотнении возможно появление кавитационных явлений, что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях режим кавитации в рабочем колесе насоса возможен при резком падении давления в системе отопления или водоснабжения: например, при разрыве трубопровода, калорифера или радиатора. При резком падении давления в зоне рабочего колеса насоса образуется вакуум, вода при низком давлении начинает вскипать. При этом напор резко падает. Режим кавитации приводит к эрозии рабочего колеса насоса, и насос выходит из строя.
Кавитация в двигателях
Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. В результате в стенках цилиндра образовываются отверстия, которые приводят к тому, что охлаждающая жидкость начинает попадать в цилиндры двигателя. Предотвратить нежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждающую жидкость, которые образуют защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.
Сосудистые растения
Кавитация происходит в ксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится таким большим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клетки растения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправить кавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для других растений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. В некоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурное понижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторых видов растений, что вызывает опадание листьев.
Предотвращение последствий
Наилучшим методом предотвращения вредных последствий кавитации для деталей машин считается изменение их конструкции таким образом, чтобы предотвратить образование полостей либо предотвратить разрушение этих полостей возле поверхности детали. При невозможности изменения конструкции могут применяться защитные покрытия, например, газотермическое напыление сплавов на основе кобальта.
В системах гидропривода часто используют системы подпитки. Они, упрощённо говоря, представляют собой дополнительный насос, жидкость от которого начинает поступать через специальный клапан в гидросистему, когда в последней давление падает ниже допустимого значения. Если давление в гидросистеме не опускается ниже допустимого, жидкость от дополнительного насоса идёт на слив в бак. Системы подпитки установлены, например, во многих экскаваторах.
Другие области применения
Кавитация применяется для стабилизации игольчатых пуль подводных боеприпасов (например, боеприпасы автомата АПС или патроны 5.45×39 ПСП для автомата АДС), для увеличения скорости торпед (Шквал и Барракуда).
Число кавитации
Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):
, где
— гидростатическое давление набегающего потока, Па;
— давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
— плотность среды, кг/м³;
— скорость потока на входе в систему, м/с.
Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости 
, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.
В зависимости от величины 
можно различать четыре вида потоков:
Измерение
Кавитация в насосах: что за явление и как с ним бороться
При определенных условиях в насосе возникает явление кавитации. Оно негативно влияет на работу аппарата, неизбежно приводит к его повреждению. Некоторые меры способны минимизировать кавитационный эффект.
Физически кавитацию можно объяснить тем, что в любой жидкости неизбежно содержится определенный объем растворенного газа.
Кавитация также обусловлена гидродинамическими характеристиками рабочих органов насосного аппарата, например линии тока могут отклоняться от стандартных траекторий, увеличивается частота вращения либо сжатия потока. При этом явление может возникнуть и на движущихся, и на неподвижных зонах проточной части оборудования. Кавитация является очень распространенной причиной поломки оборудования (она занимает второе место, на первом же находится неправильная центровка вала).
Причины появления кавитационного эффекта
Более подробно причину кавитации можно объяснить следующим образом. Гидравлический насос имеет сторону всасывания рабочей среды и сторону нагнетания. Когда на первой из них давление падает до давления насыщения паров (может стать гораздо меньше атмосферного), в жидкости образуются пузырьки пара, она начинает «кипеть». Чем ниже показатель давления, тем, соответственно, пузырьков будет больше.
После этого жидкость поступает в зону нагнетания. Давление там уже будет выше атмосферного. В результате пузырьки «схлопываются», образуя ударную волну. Порой при таком местном гидроударе давление превышает 10 тысяч бар. Кинетическая энергия частиц трансформируется в энергию упругой деформации. Насосные агрегаты не рассчитаны на подобные нагрузки, поэтому неизбежно возникают повреждения.
Выделяют 3 кавитационные стадии:
1) Начальная. На данном этапе кавитационная область еще отсутствует;
2) Развитая. Имеются кавитационные пустоты (каверны);
3) Суперкавитация. Обтекаемый элемент полностью располагается в области кавитационной каверны.
Последствия кавитации в насосном оборудовании
Кавитация очень сильно влияет на исправность работы насосного устройства. Данное явление недопустимо даже в небольших масштабах в силу своего разрушительного влияния. Так, при схлопывании кавитационных пустот возникает шум (или характерное потрескивание в области входа в рабочее колесо), а также вибрация, причем чем больше габариты насоса, тем эти показатели будут больше.
Снижение характеристик насосного агрегата при развитой степени кавитации будет отличаться у насосов различной степени быстроходности. Причем параметры будут резко уменьшаться в случае низкой быстроходности и постепенно — при высокой. Если же кавитационная область полностью занимает сечение канала, подача насосного аппарата прекращается.
При продолжительной работе аппарата в условиях кавитации разрушаются материалы, из которых он изготовлен. Это явление называется питтинг, или точечное разрушение. Оно случается даже на начальном этапе кавитации.
Нужно различать разрушение по причине кавитации от коррозийного и эрозийного разрушения. Например, коррозия — последствие химического либо электролитического воздействия рабочей среды на металл, из которого изготовлен насос. Эрозия же случается из-за отрыва металлических частиц твердыми веществами, которые содержатся в перекачиваемой жидкости (к примеру, песок).
Как минимизировать данное явление
Явление кавитации в насосном оборудовании возможно предупредить. С этой целью разработаны специальные формулы. Согласно им кавитация менее вероятна, когда увеличивается высота подпора (то есть снижается высота всасывания), возрастает давление на поверхности жидкой среды.
Помимо этого, каждый агрегат имеет свой кавитационный запас. Также вероятность появления кавитации возрастает вместе с плотностью жидкости.
Важно знать, что кавитацию увеличивают потери напора на всасывающей линии. Поэтому, чтобы минимизировать явление, нужно обеспечивать «сплошной поток».
Интересно, что на сегодняшний день не существует материалов, абсолютно стойких к кавитационному эффекту. Все они из-за него разрушаются, только одни медленнее, а другие быстрее. Есть материалы более стойкие, одновременно с механической прочностью они обладают химической устойчивостью. Примером является бронза. А вот углеродистая сталь, чугун очень подвержены кавитационному разрушению (у чугуна это происходит за счет быстрого разрушения включений графита в его составе). Использование кавитационно стойких материалов обеспечивает непродолжительную работу насосного устройства при частичной кавитации. Это целесообразно, например, если аппарат испытывает кратковременную перегрузку.
Чтобы уменьшить физические последствия кавитации, производители применяют разного рода твердые напыления, а также закалку самых уязвимых элементов насоса. Однако это практикуется не так часто, поскольку данные методы не очень эффективные и при этом дорогостоящие.
Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение
Для отопления помещений или нагрева жидкостей зачастую применяются классические приспособления – тэны, камеры сгорания, нити накаливания и т.д. Но наряду с ними применяются устройства с принципиально иным типом воздействия на теплоноситель. К таким устройствам относится кавитационный теплогенератор, работа которого заключается в формировании пузырьков газа, за счет которых и возникает выделение тепла.
Устройство и принцип работы
Принцип действия кавитационного теплогенератора заключается в эффекте нагрева за счет преобразования механической энергии в тепловую. Теперь более детально рассмотрим само кавитационное явление. При создании избыточного давления в жидкости возникают завихрения, из-за того, что давление жидкости больше чем у содержащегося в ней газа, молекулы газа выделяются в отдельные включения – схлопывание пузырьков. За счет разности давления вода стремиться сжать газовый пузырь, что аккумулирует на его поверхности большое количество энергии, а температура внутри достигает порядка 1000 — 1200ºС.
При переходе кавитационных полостей в зону нормального давления пузырьки разрушаются, и энергия от их разрушения выделяется в окружающее пространство. За счет чего происходит выделение тепловой энергии, а жидкость нагревается от вихревого потока. На этом принципе основана работа тепловых генераторов, далее рассмотрите принцип работы простейшего варианта кавитационного обогревателя.
Простейшая модель
Посмотрите на рисунок 1, здесь представлено устройство простейшего кавитационного теплогенератора, который заключается в нагнетании насосом воды к месту сужения трубопровода. При достижении водяным потоком сопла давление жидкости значительно возрастает и начинается образование кавитационных пузырьков. При выходе из сопла пузырьки выделяют тепловую мощность, а давление после прохождения сопла значительно снижается. На практике может устанавливаться несколько сопел или трубок для повышения эффективности.
Идеальный теплогенератор Потапова
Идеальным вариантом установки считается теплогенератор Потапова, который имеет вращающийся диск (1) установленный напротив стационарного (6). Подача холодной воды осуществляется с трубы расположенной внизу (4) кавитационной камеры (3), а отвод уже нагретой с верхней точки (5) той же камеры. Пример такого устройства приведен на рисунке 2 ниже:
Рис. 2: кавитационный теплогенератор Потапова
Но широкого распространения устройство не получило из-за отсутствия практического обоснования его работы.
Основная задача кавитационного теплогенератора – образование газовых включений, а от их количества и интенсивности будет зависеть качество нагрева. В современной промышленности существует несколько видов таких теплогенераторов, отличающихся принципом выработки пузырьков в жидкости. Наиболее распространенными являются три вида:
Помимо вышеперечисленных видов существует лазерная кавитация, но промышленной реализации этот метод еще не нашел. Теперь рассмотрим каждый из видов более детально.
Роторный теплогенератор
Состоит из электрического двигателя, вал которого соединен с роторным механизмом, предназначенным для создания завихрений в жидкости. Особенностью роторной конструкции является герметичный статор, в котором и происходит нагревание. Сам статор имеет цилиндрическую полость внутри – вихревую камеру, в которой происходит вращение ротора. Ротор кавитационного теплогенератора представляет собой цилиндр с набором углублений на поверхности, при вращении цилиндра внутри статора эти углубления создают неоднородность в воде и обуславливают протекание кавитационных процессов.
Рис. 3: конструкция генератора роторного типа
Количество углублений и их геометрические параметры определяются в зависимости от модели вихревого теплогенератора. Для оптимальных параметров нагрева расстояние между ротором и статором составляет порядка 1,5мм. Данная конструкция является не единственной в своем роде, за долгую историю модернизаций и улучшений рабочий элемент роторного типа претерпел массу преобразований.
Одной первых эффективных моделей кавитационных преобразователей был генератор Григгса, в котором использовался дисковый ротор с несквозными отверстиями на поверхности. Один из современных аналогов дисковых кавитационных теплогенераторов приведен на рисунке 4 ниже:
Рис. 4: дисковый теплогенератор
Несмотря на простоту конструкции, агрегаты роторного типа достаточно сложные в применении, так как требуют точной калибровки, надежных уплотнений и соблюдения геометрических параметров в процессе работы, что обуславливает трудности их эксплуатации. Такие кавитационные теплогенераторы характеризуются достаточно низким сроком службы – 2 — 4 года из-за кавитационной эрозии корпуса и деталей. Помимо этого они создают достаточно большую шумовую нагрузку при работе вращающегося элемента. К преимуществам такой модели относится высокая продуктивность – на 25% выше, чем у классических нагревателей.
Трубчатые
Статический теплогенератор не имеет вращающихся элементов. Нагревательный процесс в них происходит за счет движения воды по трубам, сужающимся по длине или за счет установки сопел Лаваля. Подача воды на рабочий орган осуществляется гидродинамическим насосом, который создает механическое усилие жидкости в сужающемся пространстве, а при ее переходе в более широкую полость возникают кавитационные завихрения.
В отличии от предыдущей модели трубчатое отопительное оборудование не производит большого шума и не изнашивается так быстро. При установке и эксплуатации не нужно заботиться о точной балансировке, а при разрушении нагревательных элементов их замена и ремонт обойдутся куда дешевле, чем у роторных моделей. К недостаткам трубчатых теплогенераторов относят значительно меньшую производительность и громоздкие габариты.
Ультразвуковые
Данный тип устройства имеет камеру-резонатор, настроенную на определенную частоту звуковых колебаний. На ее входе устанавливается кварцевая пластина, которая производит колебания при подаче электрических сигналов. Вибрация пластины создает волновой эффект внутри жидкости, который достигая стенок камеры-резонатора и отражается. При возвратном движении волны встречаются с прямыми колебаниями и создают гидродинамическую кавитацию.
Рис. 5: принцип работы ультразвукового теплогенератора
Далее пузырьки уносятся водным потоком по узким входным патрубкам тепловой установки. При переходе в широкую область пузырьки разрушаются, выделяя тепловую энергию. Ультразвуковые кавитационные генераторы также обладают хорошими эксплуатационными показателями, так как не имеют вращающихся элементов.
Применение
В промышленности и в быту кавитационные теплогенераторы нашли реализацию в самых различных сферах деятельности. В зависимости от поставленных задач они применяются для:
Плюсы и минусы
В сравнении с другими теплогенераторами, кавитационные агрегаты отличаются рядом преимуществ и недостатков.
К плюсам таких устройств следует отнести:
К недостаткам кавитационных теплогенераторов следует отнести:
КТГ своими руками
Наиболее простым вариантом для реализации в домашних условиях является кавитационный генератор трубчатого типа с одним или несколькими соплами для нагревания воды. Поэтому разберем пример изготовления именно такого устройства, для этого вам понадобится:
Перед соединением всех элементов желательно нарисовать схему их расположения на бумаге, стенах или на полу. Места расположения необходимо размещать вдали от легковоспламеняемых элементов или последние нужно убрать на безопасное расстояние от системы отопления.
Соберите все элементы, как вы изобразили на схеме, и проверьте герметичность без включения генератора. Затем опробуйте в рабочем режиме кавитационного теплогенератора, нормальным нарастанием температуры жидкости считается 3- 5ºС за одну минуту.