یکی از مهم‌ترین پدیده‌های موجود در پمپ‌ها پدیده کاویتاسیون است. حال ممکن است برای شما این سؤال ایجاد شود که پدیده کاویتاسیون چیست؟ این پدیده در اصل فرایندی است که در طی آن، حباب‌های بخار در مایع تشکیل می‌شوند. این پدیده در ماشین‌های توربو هیدرولیکی مانند پمپ‌ها رخ می‌دهد. در اصل توربوماشین هیدرولیکی یک ماشین مکانیکی دوار است که در آن انرژی بین سیال و ماشین به علت وجود حرکت دینامیکی منتقل می‌گردد. در طول پدیده کاویتاسیون هنگامی که این حباب‌ها به محل پرفشارتر می‌رسند منفجر شده و صدایی ایجاد می‌کنند که می‌تواند آسیب‌رسان باشد. به همین دلیل دانستن علل ایجاد و راهکارهای پیشگیری از کاویتاسیون مهم است. البته این پدیده در کنار مضرات خود دارای کاربردهای مختلف در صنایع نیز است.
پدیده کاویتاسیون چیست؟
پدیده کاویتاسیون، حفره‌زایی یا خوردگی پدیده‌ای مهم است که در موتور هیدرولیک رخ می‌دهد. در این پدیده حباب در ناحیه‌ای از مایع به دلیل کاهش فشار و یا فشار اندک تشکیل می‌شود و سپس در اثر افزایش فشار می‌ترکد. کاویتاسیون با ایجاد حباب و ترکیدن حباب در موتور هیدرولیک همراه است که می‌تواند آسیب‌رسان باشد.
علل وقوع پدیده کاویتاسیون در پمپ
دلایل مختلفی برای وقوع این پدیده وجود دارد. در اغلب مواقع این پدیده به علت کاهش فشار در ناحیه‌ای از جریان سیال رخ می‌دهد. در واقع زمانی که در یک سیستم هیدرودینامیکی (به خصوص پمپ‌ها) افت فشار اتفاق می‌افتد، اگر فشار سیال به فشار بخار نزدیک شود، سیال شروع به جوشش کرده و باعث ایجاد بخار می‌شود و می‌تواند در نهایت موجب کاویتاسیون شود. به طور کلی می‌توان گفت که افزایش سرعت سیال، کاهش جریان، افزایش دما، تخریب پروانه، شرایط نامطلوب جریان سیال و اعمال جریان برق بیش از توان پمپ از دلایل ایجاد کاویتاسیون هستند.
با کاربرد کاویتاسیون در صنایع گوناگون آشنا شوید
پس از درک اینکه کاویتاسیون چیست، شاید به نظر برسد که این پدیده دارای اثرات مضر است؛ اما باید گفت که کاویتاسیون به تنهایی مضر نیست و می‌توان از آن در صنایع مختلف استفاده کرد. حال ممکن است برای شما این پرسش ایجاد شود که کاربرد کاویتاسیون چیست و چگونه می‌توان از آن استفاده کرد؟
پدیده کاویتاسیون با کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی، از جمله پزشکی، صنایع غذایی، و تصفیه آب شناخته می‌شود. در پزشکی، کاویتاسیون برای درمان مشکلاتی مانند سنگ کلیه به کار می‌رود. با استفاده از امواج فراصوت، این پدیده قادر به شکستن سنگ‌های کلیوی و از بین بردن آن‌ها بدون نیاز به جراحی است. همچنین، در حوزه درمان سرطان از کاویتاسیون برای تخریب سلول‌های سرطانی و کاهش توده‌های سرطانی استفاده می‌شود.
از دیگر کاربردهای برجسته کاویتاسیون، استفاده در صنعت زیبایی و لاغری است. کاویتاسیون با ایجاد حباب‌های میکروسکوپی در بافت چربی و نابودسازی آن‌ها، به عنوان یکی از روش‌های غیرتهاجمی برای کاهش چربی و لاغری موضعی شناخته می‌شود. در صنایع غذایی، کاویتاسیون به‌ویژه در فرآیندهای همگن‌سازی شیر نقش کلیدی ایفا می‌کند. این پدیده با تجزیه چربی‌های شیر به ذرات ریزتر، یکنواختی بیشتر و کیفیت بهتری در محصولات لبنی ایجاد می‌کند. همچنین در فرآیند تصفیه آب، کاویتاسیون با تخریب میکروارگانیسم‌ها و آلودگی‌ها به بهبود کیفیت آب کمک می‌کند.
کاویتاسیون کاربردهای بی‌شماری در صنایع دیگر نیز دارد، از جمله در پالایشگاه‌ها، تولید مواد شیمیایی و حتی بهینه‌سازی سوخت. روز به روز، تحقیقات جدید به کشف کاربردهای نوین این پدیده منجر می‌شود و دامنه استفاده از آن گسترش می‌یابد.
مراحل شکل‌گیری پدیده کاویتاسیون
شرایطی را در نظر بگیرید که در یک جریان مایع، یک جسم نظیر پره‌های چرخان وجود داشته باشد. بر اثر برخورد این پره‌ها با مایع، تغییری در فشار ایجاد می‌شود و ناحیه‌ای از سیال به خلأ نزدیک می‌شود.
کاویتاسیون می‌تواند به مرور زمان باعث خراب شدن یک قطعه و حتی نابودی و از بین بردن کارایی آن شود.
در چنین حالتی فشار ناحیه‌ای از سیال به شدت کاهش می‌یابد و اصطلاحاً وارد حالت اشباع می‌شود. این موضوع باعث تشکیل حباب خواهد شد. پس از تشکیل حباب، بر اثر برخورد این حباب‌ها با پره، مجدداً فشار افزایش یافته و این موضوع باعث نابودسازی و ترکیدن حباب‌ها می‌شود. در این حالت جهت حفظ پیوستگی سیال، سیالات پیرامون به آن ناحیه هجوم آورده و باعث ایجاد یک تونل پرفشار به نام میکروجت می‌شوند. برخورد این میکروجت با قطعه باعث ایجاد تخریب در آن می‌شود و می‌تواند به مرور زمان آن را نابود سازد.
همین حالا اطلاعات خود را درباره انواع پمپ در صنعت پتروشیمی افزایش دهید
انواع کاویتاسیون در پمپ
یکی از بسترهای اصلی ایجاد پدیده کاویتاسیون، پمپ است. انواع مختلف کاویتاسیون در پمپ وجود دارند. شناسایی انواع کاویتاسیون در پمپ به شما کمک می‌کند تا به‌سرعت آن را تشخیص دهید و از بروز آن جلوگیری کنید. حال ممکن است برای شما این سؤال ایجاد شود که انواع کاویتاسیون چیست؟ در پاسخ به این سوال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
کاویتاسیون تبخیری (Vaporisation)
این نوع کاویتاسیون یکی از اصلی‌ترین انواع کاویتاسیون است که در پمپ‌ها به طور معمول رخ می‌دهد. علت اصلی ایجاد این نوع کاویتاسیون، پایین بودن مقدار مطلق مکش مثبت (NPSHA) نسبت به مقدار مطلق مثبت (NPSHR) است که برای کارکرد مناسب پمپ لازم بوده و توسط شرکت تهیه‌کننده ارائه می‌شود. برای جلوگیری از ایجاد این نوع کاویتاسیون تنها یک راه وجود دارد و آن، بالا نگه‌داشتن نسبت NPSHA به NPSHR است.
کاویتاسیون گردابی (Turbulence)
در این نوع کاویتاسیون جریان سیال مناسب لوله، فیلتر، دریچه و یا زانویی نیست و می‌تواند یک اختلاف فشار در کل سیال ایجاد کند و از این طریق باعث ایجاد جریان گرداب و به دنبال آن باعث آسیب گردد.
سندرم پره (Vane Syndrome)
در بررسی اینکه انواع کاویتاسیون چیست می‌توان به سندرم پره هم اشاره کرد؛ اما سندرم پره چیست؟
سندرم پره می‌تواند در زمان کوتاهی، عملکرد یک قطعه را کاملا مختل کند.
در شرایطی که قطر پروانه و یا ضخامت پوشش محفظه زیاد باشد، این نوع از کاویتاسیون رخ می‌دهد. در این حالت کاهش حرکت سیال و افزایش سرعت مایع، سبب گرم شدن مایع و ایجاد حباب در آن می‌شود.
گردش مجدد داخلی (Internal Re-circulation) یا کاویتاسیون تخلیه (Discharge Cavitation)
زمانی که نیروی خروجی پمپ بسیار زیاد باشد و منجر به افزایش فشار خروجی شود، جریان سیال نمی‌تواند به‌راحتی از پمپ خارج شود؛ در چنین شرایطی کاویتاسیون تخلیه ایجاد می‌شود. در این حالت از کاویتاسیون، سرعت بالای حرکت سیال بین پروانه محفظه باعث ایجاد حباب می‌شود. در چنین شرایطی امواج حاصل از فروپاشی حباب‌ها می‌تواند باعث شکستن شفت پروانه شود. حال ممکن است این سؤال پیش بیاید که علت ایجاد این نوع کاویتاسیون چیست؟ در پاسخ به این سوال باید گفت که گرفتگی فیلترها، مشکل در لوله‌کشی، مسدود شدن راه خروجی لوله‌ها و کار کردن پمپ روی منحنی آن سبب ایجاد کاویتاسیون تخلیه می‌شود.
همین حالا انواع پمپ خانگی را بررسی کنید و با قطعی پی در پی آب خداحافظی کنید
کاویتاسیون مکش هوا (Suction Cavitation)
در برخی شرایط ممکن است دریچه‌های پمپ یا سایر نقاط آن خراب شده باشند و جریان هوا به داخل پمپ کشیده شود. در این حالت اگر پدیده کاویتاسیون رخ دهد، به آن کاویتاسیون مکش هوا می‌گویند. بروز چنین خرابی باعث می‌شود که پمپ در شرایط خلأ و کمبود جریان مایع قرار بگیرد. نتیجه این اتفاق نیز ایجاد حباب‌هایی در پروانه است. این حباب‌ها با رسیدن به سطح خروجی پمپ باعث تغییر جریان سیال شده و پس از فروپاشی در مجاورت صفحه پروانه باعث شکسته شدن آن به قطعات مختلف می‌شوند. مسدود شدن صافی‌ها، گرفتگی داخل لوله، مکش ضعیف و ایجاد مشکلاتی در شیوه لوله‌کشی از دیگر عواملی هستند که می‌توانند باعث ایجاد کاویتاسیون مکش هوا شوند.
نشانه های کاویتاسیون
حال نوبت به آن می‌رسد تا بدانید نشانه‌های کاویتاسیون چیست تا بتوانید این مشکل را به سرعت پیدا و رفع کنید. بررسی عملکرد پمپ برای یافتن ایرادات احتمالی در ساختار یا مکانیک آن ضروری است. برای آن که بتوانید کاویتاسیون در پمپ را به سرعت تشخیص دهید باید به هرگونه ارتعاشات ناگهانی در پمپ، ایجاد سروصدای غیرمعمول، افزایش ناگهانی انرژی مصرفی و کاهش جریان خروجی توجه داشته باشید. از طرف دیگر باید توجه داشته باشید که اگر پروانه دچار تخریب تدریجی یا فرسایش شده باشد یا آب‌بندی و یاتاقان خراب شوند، ممکن است نشانه‌های کاویتاسیون باشند.
راه‌های جلوگیری از وقوع پدیده کاویتاسیون چیست؟
بررسی شرایط پمپ به صورت منظم برای یافتن هرگونه ایراد احتمالی از مهم‌ترین راه‌های جلوگیری از ایجاد کاویتاسیون است.
برای هر نوع کاویتاسیون، راهکار متفاوتی وجود دارد که می‌تواند از بروز آن جلوگیری کرده و سلامت پمپ را حفظ کرد.
بسته به نوع کاویتاسیون راهکارهای مختلفی برای جلوگیری از ایجاد آن وجود دارد که به معرفی آن‌ها می‌پردازیم:
- کاهش سرعت موتور، نصب القاکننده پروانه، افزودن یک بوستر پمپ، کاهش دمای پمپ و سیال و سایر قطعات، افزایش سطح مایع در ناحیه مکش و افزایش قطر پروانه می‌تواند به پیشگیری از ایجاد کاویتاسیون تبخیری کمک کنند.
- برای جلوگیری از کاویتاسیون گردابی شما می‌توانید اندازه خط مکش پمپ را زیاد کنید، از وارد کردن فشار بیش از حد به پمپ اجتناب کنید و قطعات پمپ را به طور منظم بررسی نمایید.
- تنها راه پیشگیری از کاویتاسیون سندرم پره ایجاد فاصله مناسب بین پروانه و محفظه آن است. این فاصله باید حداقل ۴% قطر پروانه باشد.
- رفع هرگونه انسداد لوله، تمیز کردن فیلتر، نصب صحیح check valve، باز بودن شیر تخلیه و ارزیابی فشار در خط تخلیه از راه‌های جلوگیری از کاویتاسیون تخلیه است.
- بررسی منظم واشرهای اتصال در هر لوله، تأیید سلامت لوله‌ها و بررسی اتصالات و دریچه‌ها مانع از ایجاد کاویتاسیون مکش هوا می‌شود. البته پیشگیری از این نوع کاویتاسیون نسبت به سایر انواع آن سخت‌تر است.
فاکتورهای موثر در کاویتاسیون در پمپ چیست؟
پس از بررسی انواع کاویتاسیون و راه‌های پیشگیری از آن، باید بدانید فاکتورهای مهم در ایجاد کاویتاسیون چیست. از مهم‌ترین عوامل ایجاد کاویتاسیون در پمپ می‌توان به انسداد فیلترها یا راه‌های خروجی پمپ، لوله‌کشی اشتباه و غیراصولی، مسدود شدن لوله در سمت تخلیه پمپ، محدودیت در هد مکش و کارکردن پمپ در فاصله نسبتاً زیاد از محل عملکرد آن اشاره کرد.
سخن پایانی
پدیده کاویتاسیون به تشکیل حباب‌های بخار در مایعات ناشی از افت فشار در نقاط خاص گفته می‌شود که می‌تواند به تخریب تجهیزات منجر شود. پدیده کاویتاسیون یکی از چالش‌های مهم در عملکرد پمپ‌ها است که به دلایل مختلفی رخ می‌دهد و می‌تواند عملکرد آن‌ها را مختل کند. انواع مختلف کاویتاسیون، از جمله کاویتاسیون بخار، کاویتاسیون ناشی از انسداد یا کاویتاسیون هوا، می‌توانند به تخریب قطعات داخلی پمپ منجر شوند. بنابراین، پیشگیری از این پدیده از اهمیت بالایی برخوردار است. برای جلوگیری از کاویتاسیون، انجام بررسی‌های دوره‌ای، اطمینان از درست بودن اتصالات و قطعات، و رفع سریع هرگونه نقص ضروری است. در نهایت، هرچند کاویتاسیون می‌تواند به پمپ‌ها آسیب برساند، این پدیده در برخی صنایع مانند پزشکی و تصفیه آب کاربردهای مفیدی دارد و تحقیقات همچنان در حال گسترش دامنه استفاده‌های آن هستند.
گروه صنعتی تلمبه موتور غرب- وست پمپ
سؤالات متداول
انواع کاویتاسیون در پمپ چیست؟
انواع کاویتاسیون شامل تبخیری، گردابی، مکش هوا، تخلیه و سندرم پره است که هرکدام به دلایل مختلفی ایجاد می‌شوند.
آیا می‌توان از ایجاد کاویتاسیون جلوگیری کرد؟
بله. با بررسی منظم عملکرد و قطعات پمپ می‌توان هرگونه آسیب احتمالی را به‌سرعت شناسایی و از بروز کاویتاسیون جلوگیری کرد.
نشانه‌های کاویتاسیون در پمپ چیست؟
ارتعاشات ناگهانی، سروصدا، افزایش انرژی مصرفی، کاهش جریان خروجی، فرسایش پروانه و تخریب یاتاقان از نشانه‌های کاویتاسیون هستند.
چه عواملی باعث ایجاد کاویتاسیون در پمپ می‌شوند؟
مسدود شدن صافی‌های خروجی، لوله‌کشی اشتباه، بسته شدن لوله در سمت تخلیه و فاصله زیاد بین کارکرد و محل عملکرد پمپ از فاکتورهای مؤثر در کاویتاسیون هستند.
کاویتاسیون در صنایع چه کاربردی دارد؟
از بین بردن سنگ کلیه، درمان سرطان، لاغری، همگن‌سازی شیر و تصفیه آب از کاربردهای کاویتاسیون در صنایع مختلف است.
