پدیده ی کاویتاسیون، کاربرد ها و تاثیرات آن

پدیده ی کاویتاسیون، کاربرد ها و تاثیرات آن

ترجمه: علیرضا گوهر شناس (دانشجوی فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی شیمی دانشگاه خلیج فارس – ورودی ۸۶)

در برخی از مواقع وقتی مایع جریان پیدا می کند، به علت افت فشار و پایین آمدن فشار مایع تا زیر فشار بخارش حباب های گازی تشکیل می شوند.به این پدیده کاویتاسیون (Cavitation) گفته می شود.کاویتاسیون اغلب به دو کلاس رفتاری گذرا و غیر گذرا تقسیم بندی می شود.کاویتاسیون گذرا فرایندی است که حباب یا فضای خالی در مایع به سرعت متلاشی و باعث ایجاد شوک می شود.این نوع کاویتاسیون معمولا در پمپ ها، پروانه های کشتی، پروانه های موتور و در بافت های آوندی گیاهان دیده می شود اما کاویتاسیون غیر گذرا فرایندی است که طی آن، حباب سیال در اثر انرژی وارد شده به آن از طرف میدان صوتی به صورت نوسانی اقدام به تغییر سایز و شکل می کند.چنین کاویتاسیونی در تمیز کردن فراصوتی استخرها مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین می توان آن را در پمپ ها و پروانه های صوتی مشاهده کرد.

به علت این که شوک های حاصل از کاویتاسیون آن قدر قوی هستند که بتوانند آسیب های قابل توجهی به اجزای متحرک بزنند، کاویتاسیون پدیده ای ناخوشایند است.به همین سبب در طراحی ماشین هایی مانند توربین ها و پروانه های کشتی به این امر توجه می شود و برطرف کردن پدیده کاویتاسیون یک شاخه اصلی در مبحث دینامیک سیالات است.

کاویتاسیون گذرا

کاویتاسیون گذرا برای اولین بار توسط لرد ریلی در اواخر قرن ۱۹ هنگامی که او متلاشی شدن حباب را در یک مایع مشاهده کرد، مورد بررسی رار گرفت.وقتی یک حجم مایع در معرض فشار پایین قرار می گیرد، ممکن است از هم گسیخته شود و یک حفره تشکیل دهد.به این پدیده سرآغاز کاویتاسیون گفته می شود و ممکن است در پشت تیغه پروانه ی یک کشتی که به سرعت می چرخد و یا برای هر سطح دیگری که در زیر آب با دامنه و شتاب کافی در حال ارتعاش باشد اتفاق افتد.یک رود خروشان هم می تواند باعث ایجاد کاویتاسیون در روی سطح سنگ ها شود، مخصوصا زمانی که افت شدیدی به وجود می آید مانند یک آبشار.از راه های دیگر تشکیل حباب های کاویتاسیون همراه با ذخیره سازی انرژی است مانند پالس شدید و متمرکز لیزری (Optic Cavitation) و یا تخلیه ی الکتریکی در یک جرقه.بخارات گاز از سطوح اطراف به درون فضاهای خالی می روند پس فضای خالی یا حفره ی ایجا شده، خلا کامل نیست اما به نسبت فشار بخار کمی دارد.چنین فشار کمی در حباب موجود در مایع و نیز فشار بالای مایع اطراف آن باعث می شود که اندازه ی حباب بسیار کوچک شود و به دنبال کم شدن حجم حباب دما و فشار در آن بسیار بالا می رود.در آخر اندازه ی حباب به کسری از اندازه ی اولیه اش می رسد.در این نقطه، گاز در فضای مایع با یک مکانیسم شدید و سریع پراکنده می شود و مقادیر قابل توجهی انرژی در قالب شوک صوتی و یا نور مرئی آزاد می کند.در نقطه افت کامل حباب، دمای گاز ممکن است به چند هزار کلوین و فشارش به چند صد اتمسفر برسد.

کاویتاسیون گذرا یا اینرسی ممکن است در میدان صوتی نیز اتفاق افتد.حباب های بسیار کوچکی که در مایع وجود دارند به وسیله ی میدان صوتی وادار به نوسان می شوند.اگر این میدان صوتی به اندازه ی کافی قوی باشد اندازه حباب افزایش می یابد و سپس حباب دچار فروپاشی خواهد شد.در امواج مافوق صوت از کاویتاسیون گذرای حباب های خلا برای مشاهده ی رفتار سطوح، مایعات و مواد آبکی استفاده می شود.

آغاز فرایند فیزیکی کاویتاسیون بسیار شبیه به جوشیدن است.تفاوت عمده ی بین این دو، مسیر ترمودینامیکی است که شکل یافتن حباب را شامل می شود.جوشیدن زمانی صورت می گیرد که فشار بخار محلی مایع از فشار پیرامون آن بالاتر رود و این امر باعث فراهم آوردن انرژی لازم برای تغییر فاز به گاز می شود.کاویتاسیون زمانی اتفاق می افتد که فشار محلی به فشاری پایین تر از فشار بخار اشباع افت کند.برای اتفاق افتادن کاویتاسیون ، حباب های کاویتاسیون مجموعا نیاز به یک سطحی برای جمع شدن دارند. این سطح می تواند توسط جداره ی مخزن، یا توسط ناخالصی های درون مایع یا با استفاده از جباب های کوچکی که هنوز در مایع حل نشده اند تامین گردد.در حال حاضر این را پذیرفته ایم که سطوح آب گریز، حباب های کوچک را پایدار می سازند. این حباب ها که از قبل موجود بوده اند وقتی در فشاری پایین تر از فشار مرزی قرار می گیرند به صورت بیکران شروع به رشد می کنند.به این فشار آستانه، فشار آستانه ی بلیک نیز می گویند.

فشار بخار در این جا با فشار بخار در هواشناسی که در آن برابر فشار جزیی آب در هواست، فرق دارد.فشار بخاری که به کاویتاسیون نسبت داده می شود به فشار بخار در شرایط تعادل اطلاق می شود. بنابراین به طور دقیق تر می توان آن را فشار بخار تعادلی یا فشار بخار اشباع تعریف کرد.

کاویتاسیون ناگذرا

کاویتاسیون ناگذرا به فرایندی اطلاق می شود که در آن حباب های کوچک در مایع در حضور یک میدان صوتی وادار به نوسان شوند.این امر زمانی صورت می گیرد که شدت میدان صوتی به اندازه ای باشد که بتواند باعث فروپاشی حباب ها شود. این نوع کاویتاسیون اثرات تخریبی کمتری نسبت به کاویتاسیون اینرسی یا گذرا دارد و اغلب برای تمیز کردن سطوح حساس مانند تراشه های سیلیکاتی مورد استفاده قرار می گیرد.

آسیب های کاویتاسیون

کاویتاسیون در بسیاری از موارد یک پیشامد ناخوشایند است. در دستگاه هایی چون پمپ ها و پروانه ها باعث ایجاد سر و صدای زیاد، خسارت به قطعات، لرزش و کاهش بازدهی می شود. زمانی که حباب های کاویتاسیون دچار فروپاشی می شوند، مایع به آن ها نیرو وارد می کند و به همین دلیل نقطه هایی با درجه حرارت بالا و شوک های قوی به وجود می آیند که این شوک ها باعث ایجاد سر و صدا می شوند.سر و صدای ایجاد شده توسط کاویتاسیون یک مشکل ویژه برای زیر دریایی های نظامی است و در حضور دستگاه های عمق یاب صوتی شانس پیدایش این پدیده بیشتر می شود. با وجود این که فروپاشی حفره ها یک فرایند کم انرژی است، اما پیدایش زیاد این فروپاشی ها می تواند باعث فرسایش فلزاتی چون فولاد در دراز مدت شود.حفره سازی که به وسیله ی فروپاشی حباب ها ایجاد می شود، بر روی اجزا فرسایش شدیدی ایجاد می کند و باعث کوتاهی عمر پمپ ها و پروانه ها خواهد شد.



پس از آن که بر روی سطح پدیده ی کاویتاسیون رخ داد آن سطح با روندی رو به افزایش شروع به فرسودن می کند.حفره های به وجود آمده از کاویتاسیون تلاطم جریان را زیاد می کند و شکاف هایی ایجاد می کند که این شکاف ها سبب شکل یافتن مکان هایی برای تجمع حباب های بیشتر کاویتاسیون می شوند.حفره های ایجاد شده باعث افزایش مساحت سطح قطعات می شوند و تنش هایی را بر روی آن قطعات باقی می گذارند و این باعث مستعد شدن سطح برای فرسایش خواهد شد.

کاربرد ها در مهندسی شیمی

در صنعت کاویتاسیون در همگن سازی یا اختلاط و تجزیه کردن ذرات معلق در کلوئید های مایع مانند مخلوط های رنگ و یا شیر کاربرد زیادی دارند.بسیاری از دستگاه های مخلوط کن صنعتی بر این مبنا طراحی و ساخته می شوند.معمولا کاویتاسیون را با استفاده از طراحی پروانه و یا با گذراندن مخلوط از یک دهانه ی حلقوی که دارای روزنه ی ورودی تنگ و خروجی گشاد است ایجاد می کنند.در مورد دوم کاهش شدید فشار زمانی که مایع در مجرای گشادتر شتاب می گیرد سبب وقوع کاویتاسیون می شود.این روش می تواند توسط دستگاه های هیدرولیک که سایز روزنه ی ورودی را کنترل می کنند و نیز اجازه ی تنظیم دینامیک در طول فرایند را دارند و یا اصلاحاتی برای انواع مواد انجام می دهند، کنترل شود.سطح خارجی این گونه شیرهای اختلاط به علت این که انفجار حبابی ناشی از کاویتاسیون در آن ها رخ می دهد، دچار تنش های سهمگینی خواهد شد و معمولا آن ها را از مواد بسیار سخت مثل فولاد ضد زنگ، آلیاژهای سخت و یا حتی پلی کریستالین حباب زایی در دستگاه های خالص سازی آب نیز مورد استفاده قرار می گیرد که در این مورد شرایط نهایی کاویتاسیون می تواند آلودگی ها و مولکول های آلی را در هم شکند و آب را خالص سازی کند.آنالیز طیفی نورهای گسیل شده در واکنش های Sonochemical مکانیزم های شیمیایی و پلاسمایی انتقال انرژی را آشکار کرد.نور گسیل شده از حباب های کاویتاسیون را sonoluminesense نام گذاری کرده اند.

کاربرد در شویندگی

در صنعت شویندگی، کاویتاسیون نیروی کافی برای غلبه بر نیروهای چسبندگی اجزا را دارد و آلودگی ها را پاک می کند. فشار مرزی که برای بنیاد نهادن کاویتاسیون لازم است وابستگی شدیدی به پهنای پالس و توان ورودی دارد.این روش را با استفاده از تولید کاویتاسیون صوتی کنترل شده در سیال پاک کننده اجرا می کنند و در نتیجه ی تشکیل و فشرده سازی و در آخر انفجار گاز درون حباب، ذرات به سرعت به اطراف پرتاب می شوند و آلودگی ها و اجزای ناپاک برداشته می شوند و توسط آن سیال انتقال داده می شوند بنابراین آلودگی ها دیگر به سطح تمیز شده نمی چسبند.

پمپ ها و پروانه ها

کاویتاسیون را عمدتا در پروانه ها، پمپ ها و یا در مکان هایی که برای جریان مایع محدودیت ایجاد می شود می توان مشاهده کرد. هنگامی که تیغه های پروانه ی پمپ یا پروانه ی کشتی یا زیر دریایی در سیال به حرکت در می آیند، مکان هایی کم فشار در محل هایی که سرعت سیال زیاد است شکل می گیرند که در پشت تیغه به حرکت در می آیند.هرچه تیغ ها تند تر حرکت کنند فشار کمتری اطراف آن ایجاد خواهد شد. زمانی که این فشار به فشار بخار برسد سیال تبخیر می شود و حباب های کوچکی از گاز شکل می یابند.این پدیده کاویتاسیون است.به هنگام فروپاشی، این حباب ها باعث ایجاد شوک های بسیار قوی در سیال می شوند که ممکن است قابل شنیدن باشند و باعث صدمه دیدن تیغه ها شوند اما کاویتاسیون در پمپ ها ممکن است به دو صورت شکل گیرد.

۱- کاویتاسیون مکنده: زمانی صورت می گیرد که مکش پمپ تحت شرایط فشار کم یا خلا زیاد قرار بگیرد و در مرکز پروانه مایع به بخار تغییر فاز دهد. این بخار توسط پمپ تخلیه می شود. چون دیگر در این مکان خلا وجود ندارد فشار افزایش می یابد و آن حباب دوباره به فاز مایع باز می گردد.با این عمل انفجاری بسیار سریع انجام می شود و به سطح پروانه آسیب می رساند.پروانه ای که دچار کاویتاسیون مکنده می شود بر روی سطحش تکه هایی از فلزاتی که از جا کنده شده اند ایجاد می شود که ظاهر پروانه را اسفنجی شکل می کند.هر دو حالت باعث خرابی زود رس پمپ خواهد شد.کاویتاسیون مکنده را می توان از شنیده شدن صدایی شبیه به پاشیده شدن سنگریزه، در پمپ تشخیص داد.

۲- کاویتاسیون تخلیه: کاویتاسیون تخلیه زمانی پیش می آید که فشار تخلیه پمپ بسیار بالا باشد.این پدیده بیشتر در پمپ هایی اتفاق می افتد که بازدهی آن ها کمتر از ۱۰ درصد بیشترین بازده است. فشار زیاد باعث می شود که سیال عمدتا به جایی که به سمت راه خروج برود در پمپ شروع به چرخش کند. وقتی که مایع درون پمپ جریان می یابد باید از میان شیارهای بین پروانه و بدنه ی پمپ با سرعت بسیار بالا عبور کند.این سرعت بالا باعث ایجاد خلا بر روی دیواره پمپ می شود که این خود مایع را به بخار تبدیل می کند.پمپی که دچار چنین وضعیتی شود بر روی تیغه ها و بدنه ی آن فرسایش زودرس ایجاد خواهد شد.به علاوه به علت فشار بالا خرابی زودرس بخش های مکانیکی و درزهای پمپ دور از انتظار نیست.در بدترین حالت این امر می تواند باعث شکسته شدن شفت پروانه شود.

کاویتاسیون در موتورها

تعدادی از موتور های دیزل بزرگ به علت تراکم بالا و کوچک شدن ابعاد سیلندر دچار کاویتاسیون می شوند.ارتعاشات دیواره ی سیلندر یک جریان متناوب پر فشار و کم فشار در ماده ی خنک کننده در مقابل دیواره ی سیلندر ایجاد می کند.نتیجه ی آن وقوع حفره هایی در بدنه ی سیلندر خواهد بود و این امر در نهایت باعث ورود سیال خنک کننده به داخل سیلندر و ورود گازهای حاصل از احتراق به ماده ی خنک کننده می شود.

اجتناب از این پدیده امکان پذیر است. می توان مواد شیمیایی به سیال خنک کننده اضافه کرد تا یک لایه ی محافظ بر روی بدنه ی خارجی ایجاد کند.کاویتاسیون باعث آسیب رساندن به این لایه می شود اما چون این قابلیت ترمیم خود را دارد آسیبی به دیواره ی اصلی نخواهد رسید.

حدودا از دهه ی ۱۹۸۰ طرح حهای جدید موتور های بنزینی کوچک تر هم دچار کاویتاسیون شدند.اما علت نیاز به موتور های سبک و کوچک استفاده ی کمتر از حجم سیال و نیز افزایش سرعت در سیال خنک کننده است.این امر باعث افزایش سریع تغییرات در سرعت سیال و بنابراین تغییرات سریع در فشار استاتیک در مکان هایی که انتقال حرارت زیاد است می شود. در جایی که حباب های بخار بر روی سطح دچار فروپاشی می شوند، این حباب ها باعث از هم گسیختگی لایه های اکسیدی محافظ (مواد آلومینیومی) و پس از آن موجب رسیدن آسیب های متعدد به لایه های جدید و از بین بردن موانع ضد فرسایش خواهند شد.مشکل نهایی تاثیر دما بر واکنش پذیری الکتروشیمیایی مواد فلزی و آلیاژ های آن ها است که به موجب آن شکل گیری حفره های عمیق است که می توانند بدنه ی موتور را در چند ساعتی که با سرعت و توان بالا کار می کند سوراخ کند. این اثرات مخرب را می توان با استفاده از موانع فرسایشی آلی و نیز طراحی مناسب بدنه ی موتور پیشگیری کرد.

منبع:انجمن مهندسی شیمی