ضرورت در نظر گرفتن کاویتاسیون در پمپ ها

امروزه، ضرورت در نظر گرفتن کاویتاسیون در پمپ ها، سیستمهای پمپینگ خواستار 20 درصد انرژی الکتریکی جهان هستند و در حدود 25 تا 50 درصد در عملکردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. در نتیجه بهبودی عملکردهای انرژی و کاویتاسیون پمپها مهم به نظر میرسد.

کاویتاسیون چیست؟

حُفرهزایی یا کاویتاسیون (Cavitation) پدیدهای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی مایع و ایجاد حبابهایی شود. این پدیده در پروانه کشتیها، اژدرها و پمپهای سانتریفیوژ و سرریز سدها رخ میدهد. در این پدیده که معمولاً در مایعات با حرکت متلاطم به دلیل اختلاف فشار در مایع رخ میدهد، فشار موضعی کمتر از فشار بخار مایع میشود.یکی از روشهای بهبود وضعیت کاویتاسیون پمپها، استفاده از ایندیوسر میباشد. ایندیوسرها برای جلوگیری از کاویتاسیون پمپهای آب، پمپهای سوخت مایع و موتور توربو پمپهای راکت با سوخت مایع استفاده میشوند. ایندیوسرها مولفهی مهمی در بهبود وضعیت مکش پمپها میباشند. در این تحقیق، تحلیل عددی بروز پدیدهی کاویتاسیون در ایندیوسر پمپ صورت میگیرد. در گام نخست، تعدادي از معادلات حاكم، استخراج و مورد بحث قرار خواهد گرفت كه اين معادلات براي پيشبيني شروع، تعداد پروسه انتقال، نيروي كاويتاسيون و مقدار حجم بخار در يك سلول براي سيال تراكم ناپذير، غير دايم و دو بعدي به كار خواهد رفت. در این خصوص، از تعدادی مقالات معتبر لاتین ISI و همچنین تحقیقاتی که در مورد انجام گرفته شده است کمک گرفته خواهد شد.

در پدیدهی کاویتاسیون که معمولاً در مایعات با حرکت متلاطم به دلیل اختلاف فشار در مایع رخ میدهد، فشار موضعی کمتر از فشار بخار مایع میشود. این امر باعث میشود تا مثلاً آب که در شرایط متعارف در ۱۰۰ درجه سانتیگراد شکل گازی پیدا میکند، در دماهایی پایینتر زودتر به صورت گاز درآید. حبابهای گازی ایجاد شده زمانی که دوباره به منطقه پرفشارتر وارد میشوند، معمولاً منفجر میشوند. این ترکیدن حبابها شوکی موجوار ایجاد میکند که صدادار است و میتواند از طریق خوردگی حبابی به پروانههای کشتی آسیب برساند. کاويتاسيون پديدهي پيچيدهاي است که از پيشينهاي طولاني در تحقيقات مکانيک سيالات برخوردار است. با اين وجود، هنوز بسياري از تاثيرات ناشي از کاويتاسيون به صورت کامل تشريح نشده است. کاويتاسيون، سر و صداي زياد به همراه ارتعاشات شديد در توربو پمپ ايجاد ميکند که از جمله مشکلات احتمالي در سيستمهاي سيالاتي ميباشد. اينگونه مسائل، اگر در طول يک مدت طولاني در سيستم به وقوع بپيوندند، ممکن است خسارات زيادي به بار آورند. اين پديده، بخارشدن و انبساط سريع سيال در اثر کاهش فشار در يک ناحيه از سيستم ميباشد.

کاویتاسیون در پمپ ها

هنگامي که جريان از یک توربو پمپ میگذرد، يک منطقهي کم فشار در جريان و عمدتاً در پشت ایندیوسر به سرعت شکل ميگيرد. ايجاد اين ناحيه در اثر تغيير ناگهاني سرعت جريان در اين نواحي ميباشد. هنگامي که فشار در اين ناحيه از مقدار فشار بخار مايع کمتر گردد، مايع شروع به بخارشدن ميکند. بخار ايجاد شده به صورت حبابهايي ظاهر ميگردد. همچنانکه حبابها به همراه جريان به سمت پايين دست جريان ميروند، فشار جريان دوباره به سمت مقادير حالت عادي خود باز ميگردد (يعني فشار افزايش مييابد)، در نتيجه حبابها در اثر اين افزايش فشار، شروع به ترکيدن ميکنند. در اثر انفجار حبابها، افزايش فشار محلي بسيار بالايي در ناحيهي اطراف حباب ايجاد ميگردد. اين فشار توسط دستگاههاي اندازهگيري فشار تا حدود دويست برابر فشار محلي اندازهگيري شده است[5]انفجار اين حبابهای کوچک، اثرات مخرب زيادي در سيستم ايجاد ميکند.
کاویتاسیون در لحظه و مکانی شکل میگیرد که فشار سیال به مقدار بحرانی افت کند (مقدار هیدرو استاتیک) و موجب خوردگی و ناصافی سطح جامد همجوار سیال میگردد و با فشار بخار سیال همخوانی دارد. علت آن حبابهای کوچکی میباشد، که از بخار سیال بوجود آمده است و در امتداد جریان سیال حرکت مینمایند. این حبابها در ناحیهی پر فشار منفجر میشوند و فشاری ایجاد میکنند که منجر به لرزش مکانیکی، صدا، سائیدگی و متخلخل نمودن دیواره سطوح جامد مرتبط با سیال میشود. اگر کاهش فشار سیال در حد بخار سیال باشد، مایع تبخیر و به شکل تودهی بخار در میآید، بطوریکه حبابهای بخار جریان مییابند و بطرف خروجی توربو پمپ حرکت میکنند. فشار در آنجا بازیابی میشود و حبابها تحت فشار زیاد میترکند و باعث غرش و صدای ترکیدن میشود. تقطیر شدن (چگالیدن) حبابها نه تنها صدای بارش تولید میکند، بلکه ایجاد کننده تنش در دیواره لولهها و بدنه پمپ میباشد و میتواند پرهی را دچار آسیب کند.

مشکلات حاصل از کاویتاسیون

کاویتاسیون همواره برای بهرهبرداران و تعمیرکاران صنایع، به عنوان یک موضوع نگران کننده میباشد، چرا که بروز این پدیده میتواند موجب کاهش بهرهوری و سودآوری سیستم شود. این پدیده نه تنها باعث کاهش ظرفیت حجمی تجهیز شده، بلکه موجب تخریب مادی قطعات، نویز و ارتعاش زیاد نیز میگردد. به صورت تئوری، پدیدة کاویتاسیون میتواند در تمامی تجهیزات و اتصالات یک سیستم که در آنها فشار کاهش مییابد، رخ دهد؛ بنابراين، در ایندیوسر توربوپمپها، با توجه به ماهيت رفتار چرخشی جریان در آنها، بروز اين مشکل به صورت ذاتى وجود خواهد داشت؛ درك ذات طبيعى پديدهی کاويتاسيون و آشنايى با تکنيکها و تجهيزات کنترل اين پديده، موثرترين راه براى دورى جستن از نتايج منفى کاويتاسيون ميباشد.

پمپها به طور وسيعي در صنايع مختلف کاربرد دارند و اهميت بررسي موضوع نيز بر همين اساس است که اثرات کاويتاسيون روي پمپهاي کنترلی و همچنين روي بيشتر فرآيندهاي کنترل متنوع و در اکثر موارد تخريبي هستند از جمله اين اثرات ميتوان به موارد زير اشاره کرد:
- ايجاد نويز (سر و صداي ناهنجار)
- ارتعاشات شديد در قسمتهاي متصل به پمپ، در واحد صنعتي
- خفگي جريان
- تغيير در خصوصيات سيال
- خوردگي قطعات پمپ
- خرابي و از کار افتادگی پمپ