【Günlük Soru】Kimya Mühendisliği Prensipleri 147: Kavitasyon Oluşumu (20 Ağustos)

Cevap: Santrifüj yağ pompasının emiş gücü, emiş seviyesindeki basınç ile kanatçıklar tarafından dışarı atılan sıvının oluşturduğu düşük basınç farkından elde edilir. Rotor girişindeki basınç ne kadar düşerse, emme kapasitesi o kadar artar. Ancak bu basınç doymuş buhar basıncının altına düştüğünde kabarcıklar oluşur ve sıvıda çözünmüş olan gazlar da dışarı çıkar. Bu küçük kabarcıklar hava akımıyla rotorun yüksek basınçlı bölgesine ulaştığında, çevrelerindeki daha yüksek sıvı basıncı etkisiyle yeniden yoğunlaşır ve hacimleri küçülür; adeta bir boşluk oluştururlar. Bu sırada çevredeki sıvı çok yüksek hızla bu boşluğa doğru akar ve çok yüksek yerel basınçlar oluşturarak rotor yüzeyine sürekli olarak darbe vurur. Bu tür yüksek hızlı ve yüksek basınçlı hidrolik darbeler nedeniyle kanat yüzeyleri yorgunluktan aşınır ve noktalı, petek benzeri bir yapıya bürünür. Bu buharlaşma-buharlaşma-çarpma-aşındırma olayına kavitasyon olayı denir. CYZ kendinden emişli santrifüj yağ pompasında kavitasyonun önlenmesi için kullanılabilecek yöntemler: (1) Santrifüj pompanın kendi kavitasyona karşı direncini artırma önlemleri: Bu önlemler esas olarak tasarım ve üretim birimleri tarafından uygulanır; örneğin kanatçığın giriş geometrisi değiştirilebilir, çift emişli kanatçıklar kullanılabilir veya kanatçığın giriş hızı düşürülüp giriş çapı genişletilebilir. (2) Kanat giriş kenar genişliğini uygun şekilde artırmak da kanatçık girişindeki göreceli hızı azaltabilir. (3) Kanatçıklar, kavitasyona dayanıklı malzemelerden üretilir. (4) Cihazın sınırlı kavitasyon marjını artırmak için, örneğin emiş tankındaki sıvı seviyesindeki basıncı yükseltmek ve geometrik montaj yüksekliğini uygun şekilde belirlemek, pompanın etkin kavitasyon marjını artırabilir. (5) Emiş hattındaki direnç kaybını azaltmak ve sıvı yüzeyindeki buharlaşma basıncını düşürmek, etkili kavitasyon marjını artırabilir.

Cevap: Santrifüj pompasının kanatçık girişindeki sıvı basıncı, taşınan sıvının sıcaklığındaki doymuş buhar basıncına düştüğünde, sıvı buhara dönüşür； Aynı zamanda sıvı içinde çözünmüş gazlar da sıvıdan dışarı çıkarak çok sayıda küçük hava kabarcığı oluşturabilir. Bu küçük kabarcıklar, sıvıyla birlikte kanatçık kanalının kritik değerden yüksek basınca sahip bölgelerine ulaştığında, kabarcık içindeki basınç buharlaşma basıncı iken dışarıdaki sıvı basıncı buharlaşma basıncından daha yüksek olduğu için, küçük kabarcıklar çevrelerindeki sıvı basıncının etkisiyle yeniden yoğunlaşarak yok olurlar. Rotorun içinde, oluşan küçük hava kabarcıkları yeniden yoğunlaşıp patladığında bir tür boşluk oluşur. Bu sırada çevredeki sıvı, çok yüksek hızlarla bu boşluğa doğru akar; sıvı parçacıkları birbirleriyle çarpışarak yerel hidrolik şoklar oluşturur ve böylece yerel basınç yüzlerce atmosfere ulaşabilir. Kabarcık ne kadar büyükse, yoğuşup patladığında oluşan yerel su darbesi basıncı da o kadar yüksek olur. Eğer bu kabarcıklar kanatçık metal yüzeyinin yakınında patlarsa, sıvı parçacıkları sayısız küçük mermi gibi metal yüzeye sürekli olarak çarpar. Bu tür hidrolik darbelerin hızı çok yüksektir ve frekansı saniyede 2500 keze kadar ulaşabilir; bu da malzemenin yüzeyinde kademeli olarak yorgunluk hasarlarına neden olur, metal yüzeyinde aşınmaya yol açar ve böylece çeşitli boyutlarda petek şeklinde delikler meydana gelir. Eğer oluşan kabarcıklar içinde oksijen gibi belirli aktif gazlar da bulunuyorsa, bu gazlar kabarcıkların yoğuşması sırasında açığa çıkan ısı sayesinde bölgesel sıcaklığı 200-300°C’ye kadar yükseltir. Bu durum, metallerde elektrokimyasal korozyona neden olarak metalin bozulma hızını artırır. Yukarıda bahsedilen gazın buharlaşması, yoğuşması, darbesi ve metali aşındırması gibi olguların bir araya gelmesine kavitasyon denir. Kavitasyon sürecinin istikrarsızlığı, pompanın titreşim ve gürültü üretmesine neden olur. Aynı zamanda kavitasyon sırasında kabarcıklar kanatçık kanallarını tıkadığı için hem debi hem de basınç düşer, verimlilik azalır; ciddi durumlarda pompa düzgün çalışamaz. Bu nedenle santrifüj pompaların çalışması sırasında kavitasyonun meydana gelmesi kesinlikle engellenmelidir. Kavitasyon meydana geldiğinde hemen pompayı durdurun, giriş valfini kapatın, pompayı tamamen boşaltın ve tekrar doldurun. Pompanın sıvıyla dolu olduğundan emin olduktan sonra çalıştırın.

Kavitasyon, pompanın akış kanalındaki sıvının yerel basıncının kritik basınca (genellikle buharlaşma basıncına yakın) düşmesi durumunda, sıvı içindeki hava çekirdeklerinin kabarcıklara dönüşmesi ve bu kabarcıkların bir araya gelmesi, hareket etmesi, bölünmesi ve yok olması sürecinin genel adıdır.

Santrifüj pompalardaki kavitasyon olayı nedir? Nasıl önlenir? Santrifüj pompasının kanatçık girişindeki sıvı basıncı, taşınan sıvının sıcaklığındaki doymuş buhar basıncına düştüğünde, sıvı buhara dönüşür ； Aynı zamanda sıvı içinde çözünmüş gazlar da sıvıdan dışarı çıkarak çok sayıda küçük hava kabarcığı oluşturabilir. Bu küçük kabarcıklar, sıvıyla birlikte kanatçık kanalının kritik değerden yüksek basınca sahip bölgelerine ulaştığında, kabarcık içindeki basınç buharlaşma basıncı iken dışarıdaki sıvı basıncı buharlaşma basıncından daha yüksek olduğu için, küçük kabarcıklar çevrelerindeki sıvı basıncının etkisiyle yeniden yoğunlaşarak yok olurlar. Rotorun içinde, oluşan küçük hava kabarcıkları yeniden yoğunlaşıp patladığında bir tür boşluk oluşur. Bu sırada çevredeki sıvı, çok yüksek hızlarla bu boşluğa doğru akar; sıvı parçacıkları birbirleriyle çarpışarak yerel hidrolik şoklar oluşturur ve böylece yerel basınç yüzlerce atmosfere ulaşabilir. Kabarcık ne kadar büyükse, yoğuşup patladığında oluşan yerel su darbesi basıncı da o kadar yüksek olur. Eğer bu kabarcıklar kanatçık metal yüzeyinin yakınında patlarsa, sıvı parçacıkları sayısız küçük mermi gibi metal yüzeye sürekli olarak çarpar. Bu tür hidrolik darbelerin hızı çok yüksektir ve frekansı saniyede 2500 keze kadar ulaşabilir; bu da malzemenin yüzeyinde kademeli olarak yorgunluk hasarlarına neden olur, metal yüzeyinde aşınmaya yol açar ve böylece çeşitli boyutlarda petek şeklinde delikler meydana gelir. Eğer oluşan kabarcıklar içinde oksijen gibi belirli aktif gazlar da bulunuyorsa, bu gazlar kabarcıkların yoğuşması sırasında açığa çıkan ısı sayesinde bölgesel sıcaklığı 200-300°C’ye kadar yükseltir. Bu durum, metallerde elektrokimyasal korozyona neden olarak metalin bozulma hızını artırır. Yukarıda bahsedilen gazın buharlaşması, yoğuşması, darbesi ve metali aşındırması gibi olguların bir araya gelmesine kavitasyon denir. Kavitasyon sürecinin istikrarsızlığı, pompanın titreşim ve gürültü üretmesine neden olur. Aynı zamanda kavitasyon sırasında kabarcıklar kanatçık kanallarını tıkadığı için hem debi hem de basınç düşer, verimlilik azalır; ciddi durumlarda pompa düzgün çalışamaz. Bu nedenle santrifüj pompaların çalışması sırasında kavitasyonun meydana gelmesi kesinlikle engellenmelidir. Kavitasyon meydana geldiğinde hemen pompayı durdurun, giriş valfini kapatın, pompayı tamamen boşaltın ve tekrar doldurun. Pompanın sıvıyla dolu olduğundan emin olduktan sonra çalıştırın.

Kavitasyon: Santrifüj pompalarının kanatçıkları yüksek hızda döndüğünde büyük bir santrifüj kuvveti oluşturur. Bu santrifüj kuvvetinin etkisiyle sıvının dinamikleri, pompanın girişinde atmosfer basıncından daha düşük bir vakum oluşmasına neden olur. Sıvının basıncı, o sıcaklıkta sıvının buharlaşma basıncına düştüğünde sıvı buharlaşmaya başlar ve kabarcıklar oluşur. Ayrıca basınç azaldığında, sıvıda çözünmüş gazlar genellikle buharlaşmadan önce serbest kalır ve kabarcıklar oluşturur. Böylece, hareket halindeki sıvıda oluşan kabarcıklar sıvıyla birlikte akar. Kabarcıklar, statik basınç doymuş buhar basıncını aşan bölgeye ulaştığında, kabarcık içindeki gaz aniden yoğunlaşarak kabarcığın patlamasına neden olur. Kabarcıklar patladığında, çevresindeki sıvı yüksek hızla kabarcığın merkezine doğru hareket eder; bu da yüksek frekanslı bir su çekiç etkisi oluşturur, kanatçık yüzeyine darbe vurur ve gürültü ile titreşim meydana getirir. Bu tür kabarcıkların oluşması ve patlaması süreci tekrar tekrar gerçekleştiğinde, bu bölgedeki kanatçık yüzeyine zarar verir; bu da pompanın debisini azaltır, basıncını düşürür ve verimliliğini düşürür. Bu fenomena kavitasyon olarak adlandırılır. Kavitasyonu önleme önlemleri: 1. Geometrik emiş yüksekliğini azaltmak veya geometrik geri akış yüksekliğini artırmak 2. Emilen sıvının hidrolik kaybını azaltmak 3. Pompalar yüksek debide çalışırken kavitasyon marjının artırılması gerekir. Etkili kavitasyon marjı azaldığından, yeterli bir marjın olmasına dikkat edilmelidir; aksi takdirde yüksek debide uzun süreli çalışmaktan kaçınılmalıdır. Bazen pompanın basıncı çok yüksek seçilir. Aslında pompa yüksek debide çalıştığında kavitasyon oluşması kolaydır; bu durum pompa seçimi sırasında dikkate alınmalıdır. 4. Aynı devir ve debi altında, çift emişli pompalarda kavitasyon oluşması zordur. 5. Pompada kavitasyon meydana geldiğinde, debiyi azaltmak veya hızı düşürerek çalıştırmak gerekir. 6. Kavitasyona karşı dirençli malzemeler kullanın.

“Kimya Mühendisliği İlkeleri” Tianjin Üniversitesi baskısının ilk cildine göre, kavitasyon şu şekilde tanımlanır: Kanat girişi yakınlarındaki en düşük basınç, taşınan sıvının sıcaklığındaki doymuş buhar basıncına eşit veya ondan küçük olduğunda, sıvı bu bölgede buharlaşır ve kabarcıklar oluşur; bu kabarcıklar da sıvıyla birlikte düşük basınçlı bölgeden yüksek basınçlı bölgeye doğru hareket eder； Yüksek basınç altında kabarcıklar hızla yoğunlaşır veya patlar. Bu sırada çevredeki sıvı, önceki kabarcığın bulunduğu alana çok yüksek bir hızla akar ve çarpma noktasında son derece yüksek bir darbe basıncı oluşur; ayrıca darbe frekansı da çok yüksektir ； Darbe etkisi nedeniyle pompa gövdesi titreşir ve gürültü oluşur; ayrıca kanatçık ve pompa gövdesinin belirli bölgeleri sürekli büyük darbeler altında kaldığı için malzemenin yüzeyi yorulur. Bu durum, başlangıçta korozyon oluşmasından çatlakların meydana gelmesine kadar ilerler ve sonunda kanatçık veya pompa gövdesi hasar görür. Bu fenomene kavitasyon denir. Önleme ve kontrol yöntemleri şunlardır: ⑴ Pompanın montaj yüksekliği, izin verilen emiş vakum yüksekliğinden mutlaka daha düşük olmalıdır. ⑵ Pompa gövdesinin montajı sırasında sağlanan etkili kavitasyon marjı, pompa gövdesinin ihtiyaç duyduğu kavitasyon marjından daha büyüktür. ⑶Sıvı taşıma işlemi sırasındaki sıcaklık çok yüksek olmamalıdır.

Pompanın en düşük basınçlı bölgesindeki basınç, aynı sıcaklıkta sıvının doygun buhar basıncına eşit olduğunda, sıvı hızla buhara dönüşür ve büyük miktarda kabarcık oluşur. Bu durum, kanatçık yüzeyinde veya pompa iç kabuğunun yüzeyinde çatlaklar meydana getirir; pompa titreşir ve gürültü üretir. Ayrıca pompanın debisi ve basıncı belirgin şekilde düşer. Bu fenomene kavitasyon fenomeni denir. Kavitasyon oluşmamasını sağlamak için uygun montaj yüksekliği belirlenir.

Akışkanın yüksek hızda akması ve basınç değişiklikleri altında, akışkanla temas halindeki metal yüzeylerde mağara benzeri korozyon hasarlarının meydana gelmesi olayı; sıvının katı yüzeyle temas ettiği yerdeki basıncı, buhar basıncından düşük olduğunda, katı yüzeyin yakınında kabarcıklar oluşur. Ayrıca, sıvıda çözünmüş gazlar da çökebilir ve kabarcıklar oluşturabilir. Daha sonra, kabarcıklar sıvının basıncının kabarcık basıncını aştığı yerlere ulaştığında patlar ve bu patlama anında çok büyük bir darbe kuvveti ile yüksek sıcaklık oluşur. Katı yüzeyler bu tür darbe kuvvetlerine defalarca maruz kaldığında, malzeme yorgunluktan ayrılır ve yüzeyde küçük çukurlar oluşur; bu durum zamanla süngerimsi bir yapıya dönüşür. Hava erozyonunu önlemenin birçok yolu vardır; örneğin santrifüj pompalara şartel valfler takmak, pompanın kendi hava erozyonuna karşı direncini artırmak ve giriş düzeneğinin etkin hava erozyonu marjını yükseltmek gibi yöntemler bulunmaktadır

Santrifüj pompalardaki kavitasyon olayı nedir? Nasıl önlenir? Cevap: Santrifüj pompaların yalnızca boşta dönebilmesi, ancak sıvı taşıyamaması durumu. Önlemler: Santrifüj pompası çalıştırılmadan önce sıvıyla doldurulmalıdır.

Santrifüj pompasının gövdesinde hava bulunduğunda, havanın yoğunluğu sıvının yoğunluğundan çok daha düşük olduğu için daha az santrifüj kuvveti oluşur. Böylece, depo seviyesinin üstündeki ile pompanın emiş ağzındaki basınç farkı, depodaki sıvının pompaya itilmesi için yeterli olmaz; yani santrifüj pompada kendinden emiş özelliği bulunmaz ve bu da pompanın sıvı taşıyamamasına neden olur. Bu duruma “hava yutma fenomeni” denir. 1. Pompanın montaj yüksekliği, izin verilen emiş yüksekliğini aşmamalıdır. 2. Emiş hattındaki sıvının akış hızı ve direnci aşırı yüksek olduğunda, montaj yüksekliği düşürülmelidir.