کاویتاسیون در پمپ ها | چگونه از آن جلوگیری کنیم؟

کاویتاسیون چیست؟

کاویتاسیون یکی از پدیده‌های پیچیده‌ای است که در سیستم‌های هیدرولیکی و به ویژه در پمپ‌ها و پروانه‌های آبی رخ می‌دهد. این پدیده به طور خاص در سیستم‌های انتقال سیالات و در شرایط خاص فشار و دما مشاهده می‌شود.

علت ایجاد کاویتاسیون

کاویتاسیون زمانی رخ می‌دهد که فشار سیال در یک نقطه خاص به زیر فشار بخار آن سیال کاهش یابد. در این حالت، حباب‌های بخار کوچکی ایجاد می‌شوند که ممکن است به دلیل تغییرات سرعت و دما یا شرایط ویژه دیگر به وجود آیند. هنگامی که این حباب‌ها به نقاطی با فشار بالاتر حرکت می‌کنند، به سرعت متلاشی می‌شوند و این پدیده می‌تواند به تخریب فیزیکی اجزای سیستم منجر شود.

در واقع، علت اصلی کاویتاسیون تغییرات فشار و دما است. اگر فشار سیال به طور ناگهانی کاهش یابد، برای مثال در نقاطی که سرعت سیال افزایش می‌یابد، می‌توان انتظار داشت که کاویتاسیون رخ دهد. این حالت معمولاً در جایی اتفاق می‌افتد که جابه‌جایی‌های ناگهانی یا تغییرات دما و فشار به وجود آید.

عوامل مؤثر در ایجاد کاویتاسیون

1. تنش‌های هیدرولیکی: تغییرات ناگهانی در قرار گرفتن اجزا و لوله‌ها می‌تواند منجر به جابه‌جایی در فشار سیال شود.

۲. دمای سیال: در دماهای بالاتر، فشار بخار سیال نیز بالاتر می‌رود و احتمال ایجاد کاویتاسیون افزایش می‌یابد.

۳. ویسکوزیته سیال: سیالات با ویسکوزیته بالا معمولاً در برابر ایجاد حباب‌ها مقاومت بیشتری دارند.

برای این که بتوانید از بروز کاویتاسیون در پمپ ها جلوگیری کنید باید ابتدا به زبان ساده این مفهوم را بشناسید. در این شناخت لزوما دانستن انواع آن ضرورتی ندارد. نحوه تشکیل و عوامل ایجاد کاویتاسیون در انواع آن ها یکسان است و تغییر بنیادی خاصی وجود ندارد. این انواع بر اساس عدد کاویتاسیون متغیر می باشد. این عدد یک ضریب در فرمول ریاضی – فیزیک این پدیده است.

به عنوان مثال پدیده کاویتاسیون در پمپ آب، شیرها، لوله ها، پمپ های سانتریفیوژ، کاویتاسیون در پمپ هیدرولیک و … نیز به یک نحو تشکیل می شوند. شاید در برخی از فرمول های ریاضی و برخی از جزئیات فیزیکی میان این موارد مختلف تفاوت وجود داشته باشد. اما ما برای ساده تر بیان کردن کاویتاسیون در پمپ ها و راه های جلوگیری از آن ها قصد داریم همه این موارد را به صورت کلی و یکسان مورد بررسی قرار دهیم.

این بررسی کلی و ساده می تواند راه کارهایی خوبی برای جلوگیری از کاویتاسیون در پمپ ها به ما نشان بدهد. با ما همراه باشید تا بیشتر با این مفهوم آشنا شویم و به این سوال مهم پاسخ بدهیم که راه‌ های از بین بردن کاویتاسیون چه چیز هایی می تواند باشد؟

کاویتاسیون در پمپ ها، یک پدیده جذاب علمی

کاویتاسیون در پمپ ها گرچه یک رفتار مخرب برای اجزای مختلف و قطعات محسوب می شود اما از نظر علمی یک فرایند جذاب و زیباست که حتی کاربردهایی که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم، نیز پیدا کرده است. در واقع در پمپ های آب، یا لوله ها آن چیزی که باعث ایجاد جریان آب یا سایر سیالات می شود چیزی جر فشار نمی باشد. در کلام ساده تر اختلاف فشار باعث می شود که یک مایع از نقطه ای به نقطه ای دیگر برود.

همین مفهوم کوتاه و کوچک فیزیکی کافی است تا انواع پمپ ها با هدف ایجاد اختلاف فشار و در نهایت ایجاد جریان از یک نقطه به نقطه ای دیگر طراحی و تولید شود. اما مسئله ای که وجود دارد این است که اگر سرعت جریان آب زیاد باشد، یا گرمای درون لوله یا پمپ افزایش پیدا کند یا بر اساس اختلاف سطح ممکن است برخی از قطرات آب یا سایر سیالات به بخار تبدیل شود. این بخار آب در فضای بسته لوله یا پمپ قرار دارد و جای فراری ندارد.

مشکل اصلی زمانی ایجاد می شود که در دو طرف پمپ اختلاف فشار وجود دارد. از این رو بخار یا همان حباب آب که در فشار اتمسفری خاصی تشکیل شده بود به سبب تغییر فشار منفجر می شود و این جاست که این بخارهای کوچک قادر هستند نیرویی به اندازه 100 اتمسفر تولید کنند. این نیرو به اندازه ای می باشد که قادر است به اندازه خود حباب آب، قطعه ای از فولاد را جدا کند!

در فیزیک یک اصل اساسی وجود دارد و آن این است که هر چه سطحی که نیرو به آن وارد می شود کوچک تر باشد عملا قدرت بالاتری منتقل می شود. بر همین اساس می توان حدس زد که تکه های کوچک قطعات مختلف پمپ یا لوله چه حس و حالی در برابر گلوله های کوچک اما قدرتمند آب دارند! این پدیده را به طور خلاصه کاویتاسیون در پمپ ها می نامند. هرچه این داستان تکرار شود تخریب بالاتری اتفاق می افتد و ممکن است حتی باعث سوراخ شدن لوله، پروانه یا سایر قطعات شود.

کاویتاسیون در علم پزشکی

اما نکته مهم اصلی اینجاست که این پدیده لوزما همیشه بد و مخرب نیست. یکی از مهمترین فناوری هایی که امروز در علم پزشکی وجود دارد که به کمک آن پزشکان قادر هستند سنگ کلیه یا سنگ کیسه صفرا را خورد کنند دقیقا همین کاویتاسیون می باشد. بنابراین این پدیده ذاتا یک پدیده منفی تلقی نمی شود. اما اگر قرار باشد مانند پدیده ضربه قوچ درون پمپ آب ما قرار بگیرد و بخواهد پروانه یا سایر قطعات پمپ را نابود کند باید از ایجاد آن جلوگیری کنیم.

کاویتاسیون ثانویه

نکته مهم دیگر در مورد کاویتاسیون ثانویه است. در ادامه داستانی که در مورد کاویتاسیون در پمپ ها توضیح دادیم باید بگوییم که این حباب ها عملا تمایل زیادی به محل تخریب شده قبلی دارند و علاقه دارند تا کار سایر حباب ها را خودشان ادامه بدهند. از این رو وقتی یک حباب دیگر بر محل ترکیدن حباب قبلی تشکیل می شود به آن کاویتاسیون ثانویه گفته می شود.

نحوه تشخیص

از راه های تشخیص کاویتاسیون میتوان به هوا کشیدن پروانه اشاره کرد. با ورود هوا به پمپ، آثار لرزش و صدا مشابه به کاویتاسیون (مشابه ویدیو زیر) ظاهر می‌شود. اما چگونه به تشخیص نهایی برسیم؟

 

 

 

 

 

 

 

View this post on Instagram

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A post shared by صنایع پمپ سازی آبروان (@pumpabravan)

 

ابتدا شیرخروجی پمپ را ببندید. اگر با انجام این کار صدا قطع یا کمتر شد، مشکل از کاویتاسیون بوده است و میتوانید با افزایش فشار مکش، مشکل را حل کنید. در غیر اینصورت، مشکل از هوا کشیدن پروانه است. میتوانید با بستن راه نفوذ هوا یا تخلیه دائمی هوا، مشکل را حل کنید.

کاویتاسیون در پمپ‌های سانتریفیوژ

پمپ‌های سانتریفیوژ به عنوان یکی از پرکاربردترین نوع پمپ‌ها در صنعت شناخته می‌شوند. این پمپ‌ها به دلیل طراحی خاص خود و استفاده از نیروی گریز از مرکز، قادر به جابه‌جایی سیال‌ها با سرعت بالا هستند. با این حال، این سرعت بالای جابه‌جایی ممکن است باعث کاهش فشار در بعضی از نقاط پمپ شود و در نتیجه، خطر ایجاد کاویتاسیون را به همراه داشته باشد.

تأثیرات کاویتاسیون بر پمپ‌های سانتریفیوژ

• کاهش کارایی: کاویتاسیون می‌تواند منجر به کاهش کارایی پمپ و افزایش مصرف انرژی شود.
• تخریب اجزا: حباب‌های بخار هنگام متلاشی شدن می‌توانند به شدت به دیواره‌های پمپ آسیب زده و موجب خرابی آنها شوند.
• لرزش و سر و صدا: کاویتاسیون منجر به ایجاد لرزش‌های ناخواسته و صدای زیاد در عملکرد پمپ می‌شود که می‌تواند روند کار را تحت تأثیر قرار دهد.

فرمول کاویتاسیون و محاسبات آن

فشار استاتیک (Static Pressure) در تمام جریان ‌ها، با استفاده از رابطه‌ زیر به دست می‌آید:

• C_p ضریب فشار
• P₁ فشار استاتیک مرجع                 

 U سرعت مرجع است که در پمپ‌‌ها با سرعت نوک پره ورودی برابر قرار داده می‌شود.

  در پدیده کاویتاسیون، C_p یک سیال تراکم ناپذیر بوده که درون یک مرز جریان دارد و تابعی از هندسه مرزها و عدد رینولدز است. توجه کنید که عدد رینولدز در یک پمپ به شکل زیر تعریف می‌شود:

 در رابطه بالا به ترتیب سرعت دوران پروانه، ویسکوزیته سینماتیک و شعاع نوک پره پروانه در ورودی پمپ را نشان می‌دهند.

رابطه C_p را برای نقطه‌ای از پمپ که کمترین فشار را دارد به شکل زیر بازنویسی می‌کنیم:

عدد کاویتاسیون:

عدد شروع کاویتاسیون:

در صورتی که کاویتاسیون زمانی شروع شود که P_min= P_v است، عدد شروع کاویتاسیون مطابق رابطه زیر برابر با منفی ضریب فشار مینیموم است. در غیر این صورت، این دو پارامتر مقادیر متفاوتی دارند.

در منابع مختلف سرعت مرجع به شکل پارامتر‌های مختلفی در نظر گرفته می‌شود. در برخی از آن‌ها سرعت نوک پره و در برخی دیگر سرعت نسبی سیال در ورودی به عنوان سرعت مرجع در نظر گرفته می‌شود.

در پمپ‌ها و توربین‌ها پارامتری تحت عنوان «فشار مکش مثبت خالص» NPSP  نمایش داده می‌شود و رابطه آن به شکل زیر است.

در این رابطهP^t₁، مطابق با رابطه زیر تعریف می‌شود.

پارامتر‌های دیگری نیز در پمپ‌ها و توربین‌ها مانند هِد مکش مثبت خالص و انرژی مکش مثبت خالص موجود هستند که به ترتیب با نماد NPSH  و NPSE  نمایش داده می‌شوند و رابطه آنها به شکل زیر است:

با استفاده از این روابط، سرعت مخصوص مکش به شکل زیر معرفی می‌شود.

سرعت مشخصه‌ مکشی که در آن کاویتاسیون آغاز می‌شود را سرعت مشخصه مکش شروع می‌‌نامند. این پارامتر با نماد S_i نشان داده می‌شود و می‌توان آن را بر حسب پارامتر‌های مختلف پمپ مطابق با رابطه زیر تعریف کرد.

پارامتر مهم دیگری که در کاویتاسیون تعریف می‌شود، «ضریب کاویتاسیون توما است که با نماد و به شکل زیر تعریف می‌شود.

مخرج عبارت بالا، افزایش فشار کلی در طول پمپ را نشان می‌دهد. رابطه ضریب کاویتاسیون توما، برحسبS  و به شکل زیر نمایش داده می‌شود.

در این رابطه N سرعت مشخصه را نشان می‌دهد. نکته دیگر این است که کاویتاسیون معمولا در ورودی پمپ رخ می‌دهد، بنابراین ضریب کاویتاسیون توما، پارامتر مفیدی در کاویتاسیون نیست زیرا مخرج این عبارت به پدیده کاویتاسیونی که معمولا در ورودی پمپ رخ می‌دهد مرتبط نیست.

جلوگیری از کاویتاسیون در پمپ

قبل از این که بخواهیم به این موضوع بپردازم بهتر است به این نکته توجه داشته باشید که بعد از کاویتاسیون در پمپ ها و تخریب قطعات عملا شما کار چندانی نمی توانید بکنید و باید قطعات را تعویض کنید. قطعاتی که دچار این موضوع و چالش می شوند عملا دیگر کارکرد مناسبی نخواهند داشت و توانایی خودشان را به مرور زمان از دست می دهند.
بنابراین تنها راهکاری که در اختیار ما قرار دارد، چیزی جز جلوگیری از این اتفاق نیست. تمام داستان کاویتاسیون در پمپ ها را بیان کردیم که در نهایت بتوانیم راهکاری برای فرار از این مسئله در پمپ های مختلف پیدا کنیم. با توجه به این که این داستان علمی، یک مفهوم پیچیده است، به نظر می رسد که جلوگیری از کاویتاسیون در پمپ ها نیز خود به خود، کار سختی باشد.

اما واقعیت این است که برخی کارهای ساده می تواند درصد کاویتاسیون در پمپ ها را بسیار کمتر کند و عملا این کار موجب طولانی تر شدن عمر قطعات پمپ و لوله انتقال جریان خواهد شد. 4 مورد از این کارهای ساده عبارتند از:

• لوله و پمپ را به درستی درز گیری کنید. وجود یک درز کوچک باعث تغییر فشار جریان آب می شود و این موضوع کمک بزرگی به ایجاد کاویتاسیون در پمپ ها می کند. شما با یک درزگیری ساده می توانید جلوی این موضوع را بگیرید.
• تا جایی که می توانید کاری کنید که دمای پمپ و لوله مناسب باشد و از دمای خاص بیشتر نشود. هر چه دمای لوله یا پمپ افزایش پیدا کند عملا بیشتر کاویتاسیون در پمپ ها ایجاد می شود.
• سرعت پمپ را در حد متوسط قرار دهید. هر چه سرعت پمپ بیشتر باشد احتمال ایجاد کاویتاسیون در پمپ ها نیز بالاتر می رود.
• سعی کنید اختلاف فشار سطح متناسبی میان مبدا و مقصد برقرار کنید. در کلام ساده تر میان منبع و مصرف کننده تراز مناسبی ایجاد کنید. این شب هر چقدر تند تر باشد عملا کاویتاسیون در پمپ ها بیشتر رخ می دهد.
  همانطور که می بینید، چند کار ساده و شاید پیش و پا افتاده می تواند جان قطعات لوله یا پمپ شما را نجات بدهد و عمر چند برابری به آن ها ببخشد!