کاویتاسیون

پدیده کاویتاسیون موضوع جدیدی نیست بلکه سالهاست که روی سیستم پمپ ها تاثیر گذاشته و انواع پمپ ها را با مشکلات زیادی مواجه نموده است. با اینکه به نظر می رسد که مشکل از پمپ است می بایست به این مهم اشاره کرد با اینکه کاویتاسیون یکی از اشکالات سیستم پمپ به حساب می آید، پمپ ها به نوبه خود در پدید آمدن این مساله مسئول نیستند. حدودا 90 درصد مشکلاتی که پمپ آب با آن مواجه است از خود دستگاه نشئت نمی گیرد بلکه ناشی از بروز کاویتاسیون، طراحی ضعیف و بی کیفیت و همچنین عدم نگهداری و تعمیر درست می باشد. البته لازم به ذکر است که اثرات ناشی از پدیده کاویتاسیون در پمپ همانند لرزش می تواند منجر به آسیب های جدی و شدید مکانیکی شود و اثرات مربوط به این پدیده می تواند طول عمر پمپ را از 10 تا 15 سال به 2 سال کاهش دهد.اما در ابتدا می بایست بدانیم پدیده کاویتاسیون چیست و چگونه پدید می آید.

کاویتاسیون چیست؟

کاویتاسیون یا حفره زایی پدیده ای است که در آن فشار استاتیک در مایع یا سیال پایین تر فشار بخار سیال قرار گرفته که به موجب آن با حباب های کوچکی از گاز در درون سیال تشکیل می شوند. زمانی که فشار بالاتری به سیال وارد شود، این حباب ها در معرض این فشار می ترکند و امواج شوک یا ضربه ای ایجاد می کنند که می تواند به دستگاه آسیب برساند. در واقع قدرت این موج به گونه ای است که انگار این حبابهای پر شده از گاز همانند ساچمه ای با شدت زیاد به دیواره محفظه ای که از آن عبور می کنند برخورد و با فروپاشیدن به سوراخ شدن دیواره منجر می شوند.

کاویتاسیون می تواند همانطور که به آن اشاره شد روی طول عمر و عملکرد پمپ اثر منفی می گذارد و علاوه بر خود پمپ به قطعات پمپ همچون پروانه پمپ بیشترین آسیب را وارد می نماید. این پدیده همانطور که گفته شد زمانی که فشار مایع بسیار پایین است اتفاق افتاده و منجر به تبدیل مایع و سیال درون پمپ به بخار می شود، به عبارت بهتر حفره زایی ناشی از نبود فشار کافی در محفظه مکش پمپ و یا نبود NPSH یا ارتفاع مکش مثبت خالص به مقدار مناسب، و البته مواردی همچون فیلترهای مسدود شده، مسدود شدن لوله ها در محل مکش، طراحی لوله پمپ با کیفیت پایین، کار کشیدن از پمپ در سطحی بالاتر از آنچه در نمودار پمپ آمده است، می باشد.

زمانی که کاویتاسیون اتفاق می افتد و حبابهایی در فشار کم پدید می آیند، سیال در مسیر پمپ از محفظه مکش به سمت پروانه ها کشیده می شود و با چرخش در مسیر حرکت پروانه ها به دیواره پمپ برخورد می نماید و منفجر می شود و با این کار سوراخی را روی سطح پروانه و محفظه به وجود می آورد و همچنین موج ضربه ای ناشی از این پدیده منجر به لرزش پمپ و آسیب فیزیکی و در نهایت خرابی کامل پمپ می شود. با این تفاسیر بهتر است بیشتر درباره فشار بخار بدانید.

فشار بخار

با توجه به این نکته که برای سیالات مختلف فشار بخار متفاوت است ولی می بایست بیان کرد که در سطح ترکیب به خصوصی از فشار و دما، مایع به بخار تبدیل می شود. برای مثال آب در 100 درجه سانتی گراد به جوش می آید، در این حالت حباب های ناشی از فشار اتمسفری به سطح آب رانده شده و با ترکیدن بخار از سطح آب بالا می رود. در واقع این مساله نشان می دهد که فشار بار و دما تا حدی افزایش یافته اند که منجر به جوشیدن آب شده است. خاطر نشان می شویم که برای مایعات مختلف دمای مورد نیاز برای تبدیل مایع به بخار متفاوت است و در حقیقت فشار بخار نیز برای هر یک از سیالات متفاوت خواهد بود. با این حال رابطه بین دما و فشار بخار بسیار تنگاتنگ است و می بایست بدانید که یک بطری نیمه پر از آب در شرایط خلا بدون اضافه کردن حرارت به خودی خود شروع به جوشیدن می نماید.

اثر کاویتاسیون بر پمپ

با توجه به آنچه گفته شد کاویتاسیون می تواند منجر به زوال عملکرد، آسیب مکانیکی، صدا (نویز) و لرزش شود که در نهایت موجب خراب شدن و از کار افتادن پمپ می شود. لرزش که یکی از اثرات و نشانه های اصلی و رایج کاویتاسیون است که به دلیل موج شوک یا ضربه ای که به پروانه و محفظه ها وارد می شود، به دلیل ضربه های متناوب روی سطح قطعات فلزی در راستای ترکیدن حبابهای گاز، رخ می هد. این مساله می تواند جهت گردش سیال به دور پروانه را تغییر دهد. از این رو لرزش در پمپ یکی از اولین نشانه هایی است که از روی آن می توان بروز پدیده حفره زایی را تشخیص داد و سریعتر اقدام به برطرف کردن مشکل نمود. لرزش می تواند مشکلات زیادی برای قطعات پمپ همچون محور، یاتاقان ها و آب بند به وجود آورد.

همانطور که از عکس ها مشاهده می شود، کاویتاسیون به پروانه و پره آن آسیب زده و منجر به سایش پروانه و همچنین بروز سوراخ در سطح پره ها یا وین در پروانه شده است.

انواع کاویتاسیون در پمپ

تا به اینجا بحث با پدیده کاویتاسیون و اینکه چطور روی پمپ اثر منفی می گذارد و منجر به خرابی پمپ و البته پروانه های پمپ آب می شود اشاره کردیم. توجه داشته باشید که این اتفاق در پمپ هایی همچون پمپ شناور، پمپ گریز از مرکز و پمپ فشار قوی پدید می آید که دارای پروانه هایی هستند که با چرخیدن خود نیروی گریز از مرکزی پدید آورده و سیال را به سطح پمپاژ می نمایند. توجه داشته باشید که هر چقدر سرعت چرخش پروانه ها بیشتر باشد، قسمت هایی از محیط پروانه که دارای فشار کمتری است بیشتر می شود و در نتیجه سیال به دلیل اختلاف فشار بین این قسمت و همچنین پیرامون پروانه که دارای فشار بیشتری است از طریق نازل ورودی به درون پمپ کشیده می شود. این نقاط کم فشار می توانند تا جایی فشار کم در سیال ایجاد نمایند که مایع را به نقطه فشار بخار برساند و زمانی که به این نقطه برسد همانطور که پیش تر گفته شد منجر به آسیب به پروانه و پمپ می شوند. اما انواع کاویتاسیون در پمپ در دو بخش و به دو شکل متفاوت می تواند اتفاق بیافتد؛

کاویتاسیون در قسمت محفظه مکش

زمانی کاویتاسیون در قسمت محفظه مکش اتفاق می افتد که پروانه ها دچار موج شوک حاصل از این پدیده و حفره زایی شوند. در واقع در طی این فرآیند به این خاطر که روی پروانه با این شوک در ارتباط است بیشترین آسیب و خرابی را تجربه می نماید. حتی در برخی از این موارد حجم این حباب ها آنقدر بزرگ است که می تواند بخش بزرگی از پروانه را تخریب و از پروانه جدا نماید و یا با تشکیل حباب های کوچک و برخورد این حباب ها به صورت ساچمه ای با پروانه می تواند سایش و منفذهای زیادی در پروانه ایجاد نماید و ظاهری شبیه به اسفنج به خود می گیرد. معمولا کاویتاسیون در محفظه مکش با صدایی همانند شن و سنگ ریزه که به سطح و دیواره برخورد می کند تشخیص داده می شود.

کاویتاسیون در محفظه خروجی

کاویتاسیون در محفظه خروجی یا رانش زمانی اتفاق می افتد که فشار خروجی بسیار زیاد است و به طور معمول این اتفاق در پمپی می افتد که پمپ با 10 درصد کمتر از کارایی در نقطه راندمان بهینه خود کار می کند و به عبارت دقیق تر این مساله به انتخاب پمپ نا مناسب برای نیاز شما بر می گردد. هر چقدر فشار خروجی بیشتر در محفظه خروجی بیشتر باشد باعث می شود که حجم زیادی از سیال به جای اینکه از لوله خروجی رانش نماید در خود پمپ به گردش در آید و در این حالت سیال به دور پروانه گردش می نماید و می بایست برای این گردش از منفذهای کوچکی عبور نمایند که بین پروانه و محفظه پمپ وجود دارد که دارای سرعت و شتاب زیادی است. این فرآیند به ایجاد وکیوم یا خلائی در دیواره محفظه کمک نموده و حالتی شبیه به اثر ونتوری رخ می دهد که در این شرایط سیال تبدیل به بخار می شود. پمپی که تحت این شرایط کار می کند دچار سایش زودرس در لبه پره پروانه های خود می شود و در نهایت یاتاقان ها و آب بندهای مکانیکی آسیب دید و حتی در موارد وخیم تر محور پروانه می شکند. صدایی که از این فرآیند ایجاد می شود شبیه به ترکیدن حباب مفصل استخوان است.

چطور از بروز کاویتاسیون جلوگیری نماییم؟

از آنجایی که همه انواع پمپ نیاز به جریان ورودی مناسب هستند تا بتوانند به خوبی راندمان مورد نیاز را ارائه نمایند، توجه به این نکته که لوله های ورودی می بایست به درستی طراحی و ساخته شوند می توانند قابلیت بهره وری از پمپ را افزایش داده و همچنین از بروز مشکلات پمپ جلوگیری نماید. در صورتی که فرض ما عدم تغییر شرایط مکش و ویژگی های سیال در حین عملیات باشد، می توان از بروز کاویتاسیون در مراحل اولیه جلوگیری کرد. برای اینکه این مساله امکان پذیر باشد می بایست درک درستی از ارتفاع مکش مثبت خالص یا NPSH داشته باشید؛

NPSH یا ارتفاع مکش مثبت خالص به معنی اختلاف یا تفاوتی است که بین فشار موجود در ورودی پمپ و فشار بخار در مایع وجود دارد. همانطور که اشاره شد فشار بخار برای سیالات مختلف متفاوت است و با دما و فشار اتمسفر تغییر خواهد کرد. فشار موجود در ورودی پمپ آنچیزی است که پس از کسر استهلاک، کاهش سرعت هد و تلفات ورودی و خروجی (افت مکش) در سیستم پمپ در قسمت مکش باقی می ماند. به همین خاطر در هنگام طراحی پمپ می بایست به دقت میزان این تلفات و استهلاک را اندازه گیری و تخمین زد تا در حین عملیات فشار خالصی که باقی می ماند برای پمپ به اندازه کافی باشد و منجر به کاهش فشار در محفظه ورودی نشود. از این رو تامین NPSHa مناسب برای پمپ اهمیت زیادی دارد چرا که می تواند فشار سیال را بالاتر از فشار بخار نگاه دارد. از طرفی در حین عملیات پمپ می توان تست ها و یا آزمون هایی را برای اندازه گیری این معیار انجام داد تا از مقدار مناسب آن اطمینان حاصل نمود و از بروز کاویتاسیون در لوله ورودی جلوگیری نمود.

سوالات پر تکرار پیرامون موضوع کاویتاسیون

1. کاویتاسیون چیست؟ پدیده کاویتاسیون در اثر کاهش فشار موجود در سیال و پایین تر قرار گرفتن آن از فشار بخار به وجود می آید که منجر به تشکیل حباب های هوایی می شود که می تواند به دلیل قرار گرفتن در مسیر جریان سیال با سرعت به دیواره و پروانه پمپ در مسیر خود برخورد کند و از هم بپاشد و در نهایت منجر به بروز شوک ضربه ای در پمپ و همچنین سوراخ شدن پروانه و البته سایش پمپ می شود.
2. کاویتاسیون چه زمانی اتفاق می افتد؟ این پدیده زمانی اتفاق می افتد که سیال در فشار کم تبدیل به بخار می شود و معمولا نتیجه نبود فشار کافی در قسمت مکش پمپ یا نبود ارتفاع مکش مثبت خالص موجود به مقدار کافی است. زمانی که کاویتاسیون اتفاق می افتد حباب هوا در فشار کم تشکیل می شود.
3. چه چیز منجر به رخ دادن کاویتاسیون می شود؟ نبود ارتفاع مکش مثبت خالص موجود در ورودی پمپ یا به عبارت دقیق تر محفظه مکش، نبود فشار کافی در پمپ به طور کلی، فیلترهای مسدود شده، مسدود شدن لوله ها در محل مکش، طراحی لوله پمپ با کیفیت پایین، کار کشیدن از پمپ در سطحی بالاتر از آنچه در نمودار پمپ همگی از مواردی می باشند که می توانند منجر به کاویتاسیون شوند.
4. انواع کاویتاسیون چه اثار مخربی را برای پمپ های گریز از مرکز به دنبال دارند؟ کاویتاسیون در دو شکل مختلف در پمپ بروز می نماید و دو نوع دارد، اولین مورد کاویتاسیون در قسمت محفظه مکش می باشد که موجب فرسایش و سوراخ شدن پروانه و پره هایی که در مرکز پروانه قرار دارند می شود. کاویتاسیون در محفظه خروجی که منجر به ایجاد اثر ونتوری بین دیواره محفظ پمپ در اثر برگشت جریان سیال به سمت پروانه ها به جای رانش از طریق لوله خروجی به سمت بیرون که منجر به سایش در پره های بیرونی پروانه و همچنین تخریب و سوراخ شدن دیواره محفظه پمپ به دلیل عبور از منفذ کوچک که حد فاصل لبه پروانه و دیواره، می شود.
5. چطور از بروز کاویتاسیون جلوگیری نماییم؟ پیش از استفاده از پمپ می بایست محصولی را انتخاب نمایید که از طراحی درست آن اطمینان داشته باشید و مطمئن باشید محصولات برند مد نظر شما با بالاترین کیفیت ممکن ساخته می شوند تا پمپ شما طول عمر بیشتری داشته باشد و بتواند ارتفاع مکش مثبت خالص کافی را فرآهم آورد. در حین عملیات پمپ می بایست همواره تست هایی را برای سنجیدن میزان NPSH موجود در ورودی پمپ یا محفظه مکش صورت دهید.

منابع مقاله:

• Cavitation در ویکی پدیا.
• Pump cavitation and how to avoid it در Xylem Applied Water Systems.