کاویتاسون چیست؟
کاویتاسیون فرایندی است که طی آن، در ناحیه ای که مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل میگیرد. این فرایند ممکن است در هر نوع توربوماشین مانند انوع پمپ ها و توربین ها به وقوع بپیوندد و علاوه بر کاهش بازده عمر دستگاه را کاهش دهد.
پدیده کاویتاسون
کاویتاسیون مشابه پدیده جوشش می تواند باشد، در کاویتاسیون این افزایش دمای مایع که به وجود می آید به وسیله انتقال حرارت از سطوح جامد است. کاویتاسیون cavitation یک موج شوک در سیال تولید می کند و این موج باعث ایجاد ارتعاشات مکانیکی و صدایی قابل شنیدن می شود. این پدیده قابل تشخیص می باشد.
از آنجاییکه انتقال آب کندانس به دی اریتور و همچنین انتقال آب از دی اریتور به بویلر در دمای بالای صورت میگیرد، بروز پدیده کاویتاسیون از مهم ترین موارد در انتخاب پمپ برای دیگ خانه است.
پمپ های سانتریفیوژ در موتور خانه های دیگ بخار کاربرد وسیعی دارد که مهمترین آنها پمپ های تغذیه بویلر و پمپ های کندانس (انتقال آب از تانک کندانس به دی اریتور ) هستند.
مکانیسم کاویتاسیون زمان ایجاد
زمانی که مایع تحت فشار کاهش یافته قرار گیرد، حبابهای گاز یا بخار در آن تشکیل میشوند. با بازگشت فشار به حالت طبیعی یا افزایش آن، این حبابها سریعا ترکیده و انرژی زیادی آزاد میکنند که میتواند باعث ایجاد امواج شوک و گرما شود.
کاربرد کاویتاسون
همانطور که گفتیم کاویتاسیون و ضربه قوچ اثرات مخرب زیادی را به یک سیستم آبی می گذارد.
کاویتاسون به خودی خود یک پدیده مخرب نیست و در صنایع زیادی کاربرد دارد. مانند صنایع پزشکی و بسیاری از صنایع دیگر که اصلا خود این مجموعه ها به دنبال به وجود آوردن این پدیده بوده تا از اثرات آن بهره مند شوند.
در علم پزشکی از پدیده کاویتاسون فرا صوت برای از بین بردن سنگ کلیه یا سلول های سرطانی و در بسیاری موارد سلول های چربی و لاغری استفاده می شود.
این پدیده در صفت خوراکی و لبنیات در یک مرحله از تولید شیر مورد استفاده قرارمیگیرد و چربی طبیعی بالای سطح شیر که جمع میشود با فرایند همگن سازی در هم میشکند و در نهایت محصول یکنواخت ایجاد می کند.
حتی این پدیده کاویتاسیون در تصفیه آب نیز کاربرد های بسیاری نیز دارد.
پدیده کاویتاسیون (Cavitation) به معنای ایجاد و ترکیدن حبابهای گاز یا بخار در یک مایع است. این پدیده بهطور معمول در اثر تغییرات سریع فشار در مایع رخ میدهد. کاویتاسیون در علم پزشکی کاربردها و اثرات مختلفی دارد که در ادامه توضیح داده میشود:
کاربردهای کاویتاسیون در پزشکی
سونوگرافی پزشکی (Ultrasound)
در اولتراسوند درمانی، امواج فراصوت با فرکانس بالا میتوانند کاویتاسیون ایجاد کنند. این فرآیند به دو صورت عمل میکند:
- کاویتاسیون پایدار: حبابها بدون ترکیدن نوسان میکنند و باعث میشوند بافتها به آرامی ماساژ داده شوند یا حرکت کنند.
- کاویتاسیون موقت: حبابها ترکیده و انرژی شدیدی آزاد میکنند که میتواند برای تخریب سلولها یا آزادسازی دارو استفاده شود.
تخریب بافتهای هدف (HIFU)
- در تکنیک اولتراسوند متمرکز با شدت بالا (HIFU)، از کاویتاسیون برای تخریب سلولهای سرطانی یا دیگر بافتهای غیرطبیعی استفاده میشود.
- کاربردها:
- درمان تومورها (بهویژه سرطان کبد، پروستات و پستان)
- کاهش تودههای فیبروئیدی رحم
دارورسانی هدفمند
- کاویتاسیون در ترکیب با نانوذرات یا کپسولهای دارویی استفاده میشود. ترکیدن حبابها میتواند دارو را به نواحی هدف برساند یا غشای سلولی را بهطور موقت نفوذپذیر کند.
لیپوساکشن غیرتهاجمی (Ultrasound Cavitation)
- در روشهای زیبایی و کاهش چربی، کاویتاسیون برای تجزیه سلولهای چربی استفاده میشود. امواج فراصوت باعث ترکیدن سلولهای چربی شده و چربی بهصورت مایع در بدن متابولیزه میشود.
۳. اثرات ناخواسته کاویتاسیون
- در برخی شرایط، کاویتاسیون ممکن است باعث آسیب به بافتهای مجاور یا تولید گرمای بیشازحد شود.
- آسیب ناشی از امواج شوک میتواند در صورتی که کنترلشده نباشد، به سلولهای سالم نیز آسیب برساند.
نیروی کاویتاسیون چقدر است؟
هنگامی که حباب ها از ناحیه کم فشار به ناحیه پر فشار منتقل میشود میترکد و با سرعت صوت به دیواره های داخلی پمپ ضربه میزند. که این اتفاق صدایی بسیار زیادی را ایجاد میکند. (مانند صدای برخورد سنگ با فلز)
نشانه های کاویتاسیون
هر زمانی که مشکلی مکانیکی در پمپ رخ داد، باید عملکرد پمپ بازبینی شود. بررسی علائم اولیه کاویتاسیون بسیار ضروری است. علایم زیر می تواند نشان دهنده شروع کاویتاسیون در پمپ باشد:
- سر و صدا
- کاهش جریان خروجی
- خرابی یاتاقان یا آب بندی
- افزایش ناگهانی انرژی مصرفی
- تخریب تدریجی یا فرسایش پروانه
- ارتعاشات ناگهانی
در صورتیکه در دهانه مکش پمپ ها فشار مایع کمتر از فشار بخار شود در آنجا عمل تبخیر اتفاق میوفتد و بخشی از آب بخار میشود. بخار پس از گذر از پروانه وارد محدوده فشار بالا میشود. با بالا رفتن حباب بخار میترکد و پدیده کاویتاسیون اتفاق میوفتد. از آنجاییکه این اتفاق شایع ترین نوع کاویتاسیون میباشد و حدود 70 درصد کاویتاسیون ها را در بر میگیرد به آن کاویتاسیون کلاسیک میگویند.
ارتفاع مکش مثبت خالص
در پمپ های گریز از مرکز پدیده کاویتاسیون اتفاق میوفتد که ارتفاع مکش مثبت خالص از آنچه که در کارخانه سازنده توصیه نموده است متر باشد. پس برای تحلیل شرایط بروز این پدیده لازم است هم شرایط مکش پمپ وهم مشخصه های آن مورد بررسی قرار گیرند. برای تحلیل این شرایط، NPSH به دو دسته تقسیم بندی میشود.
- خالص ارتفاع مثبت مورد نیاز در قسمت مکش پمپ NPSHR
- خالص ارتفاع مثبت قابل دسترس در قسمت مکش پمپ NPSHA
NPSHR را میتوان انرژی پتانسیل مورد نیاز (هد بر حسب متر) در قسمت مکش پمپ مازاد بر فشار بخار مایع (بر حسب متر) در دمای انتقال تعریف کرد که امکان بهره برداری از پمپ بدون بروز پدیده کاویتاسیون در آن را میسر میسازد. این پارامتر به مشخصه های رفتاری و طراحی، دبی جریان ، سرعت دورانی پروانه و … بستگی داشته و از سوی کارخانه های سازنده پمپ براساس قط های مختلف پروانه در اختیار مشتریان قرار داده میشود.
NPSHA جز مشخصه های سیستم پمپاژ بوده و به عوامل متعددی از قبیل فشار محیط، خواص فیزیکی مایع، قط لوله مکش و… بستگی دارد. از نظر تئوری در صورتیکه NPSHA از NPSHR پمپ، در دبی بهره برداری بیشتر باشد کاویتاسیون اتفاق نمی افتد. اکثر سازندگان پمپ های گریز از مرکز توصیه میکنند که جهت اطمینان از بروز پدیده کاویتاسیون بهتر است که NPSHA حداقل 0/5 متر از NPSHR بیشتر باشدو در بعضی مراجع توصیه شده است که NPSHA برای آب باید حدود 20 درصد از NPSHR بیشتر باشد ولی مقدار اختلاف نباید از 0/5 متر کمتر باشد.
راه های پیشگیری از کاویتاسیون کلاسیک
1-کاهش دمای سیال :
ساده ترین راه برای جلوگیری از پدیده کاویتاسیون کاهش دمای سیال است. کاهش دمای سیال سبب میشود PV کاهش یابد و در نتیجه NPSHA بزرگ تر شده و مانع از بروز پدیده کاویتاسیون میشود. نکته مهم درکاهش دما ریتم تغییرات PV در دمای مختلف است.
کاهش PV آب کاهش دما در محدوده دمایی 80-100 درجه سانتی گراد با شیب تند تری نسبت به دماهای دیگر اتفاق میوفتد.
2-افزایش هد استاتیکی در مکش :
برای آنکه پمپ بتواند آب 100 درجه سانتی گراد (دمای آب تغذیه بویلر) را بدون بروز پدیده کاویتاسیون مکش نماید میتوان با افزایش هد استاتیکی NPSHA را افزایش داد .
ساده ترین راه برای کاهش ایجاد پدیده کاویتاسیون در پمپ ها افزایش فشار ورودی آن و کاهش فاصله بین پمپ و مخزن یعنی درواقع کاهش ارتفاع پمپ و یا افزایش ارتفاع مخزن آب امکان پذیراست.
برای اجرای این مهم دو راه کار پیشرو است :
الف ) نصب دی اریتور در ارتفاع :
ساده ترین راه برای افزایش هد استاتیکی ایجاد مثبت با بالا بردن محل نصب دی اریتور است. بدین ترتیب فشار ستون آب در مکش پمپ سبب میشود NPSHA مورد نیاز تامین شود و در نتیجه کاویتاسیون بروز نکند. ارتفاع استاندارد بدین منظور معادل 9 متر ستون آب است که متاسفانه در اکثر دیگ خانه های کشورمان قابلیت اجرا ندارد.
ب) استفاده از دی اریتور های مناسب برای سقف کوتاه:
این نوع دی اریتور های میتوانند با ایجاد فشار استاتیک مصنوعی توسط فشار بخار در محفظه دی اریتور فشار مثبت مورد نیاز پمپ را تامین کنند.
3-ایجاد تغییرات در سامانه لوله کشی و پمپ شامل :
الف) کاهش سرعت ( با افزایش قط لوله مکش ) که موجب کاهش HF خواهد شد.
ب) کاهش NPSHR با تغییر قطر لوله و دور پمپ
NPSHR پمپ های سانتریفیوژ در دبی عملکرد آنها توسط سازندگان در غالبیک منحنی ارائه میشود. سازندگان پمپ تلاش میکنند پمپ هایی تولید کنند که اصطلاحا low npsh باشند. یعنی بتوانند با حداقل NPSHA سیال را بدون بروز کاویتاسیون مکش نماید.
NPSHR پمپ ها با حرکت نقطه عملکرد پمپ به سمت راست افزایش میابد. ریتم این افزایش با حرکت نقطه عملکرد پمپ به سمت راست (محدوده جریان بالا، هد پایین) با شیب تند تری افزایش میاید.
4- استفاده از مکمل های خنک کننده
در تعمیرات و نگهداری دستگاه ها برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسون Cavitation باید در صنایع و موتورها از مکمل خنک کننده افزودنی در موتورهای دیزلی به صورت جدی استفاده شود.