Kavitaatio

Kavitaatiota tuottavat potkurit

Kavitaatio ( latinankielisestä cavitaresta "onttoon") on höyryllä täytettyjen onteloiden ( höyrykuplien ) muodostuminen ja liuottaminen nesteisiin . Tehdään ero kahden rajatapauksen välillä, joiden välillä on monia siirtymämuotoja:

  • Sisään höyryä kavitaatiota tai kova ( ohimenevä ) kavitaatio , ontelot sisältävät pääasiassa höyryä ympäröivään nesteeseen. Tällaiset ontelot romahtavat ulkoisen paineen vaikutuksesta kuplan syöpymisen kautta (mikroskooppinen höyryvasara ).
  • Jossa pehmeä kaasu kavitaatiota , kaasut liuenneen nesteeseen syöttää onteloiden ja vaimentaa niiden romahtaa, joilla on stabiili kaasu kavitaatio ne estävät sen.

Kavitaatio numero kuvaa taipumusta nesteen kavitoi.

syistä

Kavitaation yleisimmät syyt ovat nesteen nopeasti liikkuvat esineet , esim. B. juoksupyörät on keskipakopumput , vesiturbiinien tai potkurit . Mukaan Bernoullin lakia , sitä suurempi on nopeus , alentaa staattisen paineen nestettä . Jos staattinen paine laskee nesteen haihtumispaineen alapuolelle, muodostuu höyrykuplia. Nämä kuljetetaan sitten yleensä virtaavan nesteen mukana korkeamman paineen alueille. Kun staattinen paine nousee jälleen höyrynpaineen yläpuolelle , höyry tiivistyy yhtäkkiä onteloissa ja höyrykuplat romahtavat. Äärimmäisiä paine- ja lämpötilahuippuja esiintyy.

Kavitaation syy, erityisesti keskipakopumpuissa, on paikallinen painehäviö siipipyörän siipikanavan sisääntulossa. Ne liittyvät väistämättä terän etureunojen ympärillä tapahtuvaan virtaukseen ja energiansiirtoon siipipyörän siivistä pumpattavaan nesteeseen. Kavitaatio voi tapahtua myös pumpun muissa kohdissa, joissa paine laskee paikallisesti, esimerkiksi staattorin siipien, kotelokielien, halkaisurenkaiden jne. Etureunoissa.

Muita syitä ovat joko pumpattavan nesteen lämpötilan nousu, paineen lasku pumpun tulopuolella, liian korkea geodeettinen imupää tai tulopään lasku.

Kavitaation laukaisevat voimakkaat paineen vaihtelut voidaan tuottaa myös ultraäänellä . Kavitaatio tapahtuu värähtelyn paineminimissä.

Höyrykuplien ilmiö, joka syntyy, kun nesteet kiehuvat ja joskus romahtavat uudelleen, ei ole kavitaatio, koska sitä ei laukaise paineen vaihteluilla, vaan lämpötilan muutoksilla.

Kavitaatiokuplien muodostuminen ja syöpyminen

1013,25  hPa: n paineessa , joka vastaa normaalia ilmanpainetta , vesi haihtuu 100 ° C: ssa. Suuremmassa paineessa haihdutuslämpötila on korkeampi, alemmassa paineessa matalampi. Esimerkiksi vesi haihtuu järjestelmän paineessa, joka on alle 23,37 hPa 20 ° C: n lämpötilassa.

Kun vesi haihtuu, muodostuu kuplia, koska vesihöyry 20 ° C: ssa vaatii paljon suuremman tilan kuin nestemäinen vesi. Jos vedenpaine nousee uudelleen, haihtumisprosessi pysähtyy jälleen, kavitaatiokuplan muodostama vesihöyry tiivistyy höyrykuplan ulkoseinälle ja jo muodostuneet höyrykuplat romahtavat yhtäkkiä. Aiemmin tilantarve yhtäkkiä tulee pienemmäksi, vesi on täyttää tämä tila uudelleen ja virtaa takaisin kuin luhistumisen , joka luo erittäin vahva - vaikkakin lyhytaikaiset - paineiskujen vedessä , joka voi olla useita 100  MPa (1 MPa = 10  bar  = 1 N / mm2). Tämä prosessi luo paineaaltoja, joissa on korkeat painehuiput.

Jos höyrykuplat ovat lähellä tai suoraan kiinteän seinän päällä, esim. B. juoksupyörän siivet, räjähdys luo nestesuihkun (mikrosuihkun), joka osuu seinään tai siipipyörän lapaan suurella nopeudella ja asettaa sille korkeat vaatimukset äkillisen painekuormituksen vuoksi; siksi kraatterin muotoinen materiaalieroosi sekoittuu kavitaation tapahtuessa.

Kavitaatio vaihdepumpussa

Vaikutukset

Mekaaniset vauriot

Jos kavitaatio tapahtuu kiinteiden esineiden, kuten aluksen potkurin , pinnalla , se voi johtaa niin kutsuttuun kavitaatiokorroosioon. Kun edellisessä kappaleessa "Kavitaatiokuplien muodostuminen ja syöpyminen" kuvatut ontelot imeytyvät, esiintyy hetkeksi erittäin korkeita kiihtyvyyksiä , lämpötiloja ja paineita. Nämä mekaaniset jännitykset muuttavat pintamateriaalia mikroskooppisissa osissa ja jonkin ajan kuluttua suuremmat hiukkaset irtoavat pinnasta.

Kavitaatio ei siis ole toivottavaa hydrauliikassa , koska se paitsi vahingoittaa materiaalia myös vähentää tehokkuutta . Kavitaation estämiseksi pumpuissa nesteen lämpötila pumpussa ei saa olla liian korkea tai pumpun imupaine ei saa olla liian matala. Korkeat lämpötilat syntyvät, kun pumppu käy imemättä nestettä. Tällöin esimerkiksi neste tulisi pumpata takapesulinjassa tai pumppu olisi kytkettävä pois päältä. Kavitaatiovaurioita esiintyy esimerkiksi keskipakoisten palopumppujen yhteydessä, jos pumppu kytketään päälle vain linjan paineen ylläpitämiseksi, mutta sammutusvettä ei ime pois. Tapauksessa nestemäinen rengas tyhjiö pumput , suhde paineen ja lämpötilan pumpun kammiossa ei saa alittaa design-riippuvainen arvo, jotta vältetään kavitaatiovaurio.

Raketti tekniikka, kavitaatio johtaa epäsäännöllinen palaminen ja vahingoittaa keskipako- pumput ohjaavat mukaan kaasu turbiinit . Raketeissa näiden pumppujen on toimitettava suuria määriä polttoainetta korkeassa paineessa, ja siksi ne ovat erityisen alttiita kavitaatiolle. Sitä pienennetään asettamalla koko polttoainesäiliö erittäin pieneen ylipaineeseen ja ylläpitämällä tämä ylipaine lisäämällä paineistettua kaasua säiliön tyhjentyessä.

Melun kehitys

Melu, joka syntyy implodoitaessa (räjähdys, kolinaa), jolla kumottiin sukellusveneiden naamiointi - veneet voidaan sijoittaa passiivisella kaikuluotaimella . Matalan kavitaation potkurien kehityksen jälkeen kavitaatiolla ei ole enää merkitystä sukellusveneen sijainnissa tietyllä nopeudella sukelluksen syvyydestä riippuen. Matalan kavitaation potkurit voidaan tunnistaa voimakkaasti kaarevien teriensä avulla, joilla ne liukuvat hitaammin ja huomattavasti hiljaisemmin veden läpi. Suurilla nopeuksilla matalissa sukellussyvyydessä matalan kavitaation potkuri menettää kuitenkin myös kavitaatiota vähentävän kykynsä. Kavitaation välttämiseksi sukellusveneen on joko mentävä syvemmälle veden paineen nostamiseksi tai sen nopeuden vähentämiseksi.

Sotilaallisten pinta-alusten tapauksessa käytetään myös matalan kavitaation ruuveja ja melunvaimennusjärjestelmiä, esim. B. preeria-naamiointijärjestelmä yhdysvaltalaisilla aluksilla.

Vaikutukset lääketieteellisessä diagnostiikassa

Kanssa sonographies on lääketieteellisen diagnostiikan, olemassa se vaara, että vahva energiat (erityisesti negatiivinen huippu paineet ultraäänen) aiheuttaa kavitaatiota kehossa. Tällä voi olla haitallisia termisiä tai mekaanisia vaikutuksia. Esimerkiksi vapaiden radikaalien tai iskuaaltojen muodostuminen voi tuhota kudososat. Joitakin mahdollisia vaikutuksia on jo havaittu eläinkokeissa in vivo . Uskotaan myös, että varjoaineet lisäävät kavitaation esiintymisen todennäköisyyttä.

Vaikutukset luonnossa

Tutkimus, jonka Israel Institute of Technology osoittaa, että suurin nopeus, jolla delfiinejä uivat rajoittaa kavitaatio vaikutus . Tietyn nopeuden yläpuolella oleva kaudevien kipu on rajoittava tekijä. Joillakin kaloilla, kuten tonnikalalla , ei ole kipu-reseptoreita hännän evässä. Siksi ne etenevät nopeusalueille, joissa kavitaatiovaikutukset syntyvät.

Popcocks pystyvät luomaan kavitaatiokuplan sulkemalla kynnet erittäin nopeasti. Virtsarakon romahtamisen yhteydessä tapahtuva räjähdys on yhtäältä näiden eläinten samankaltainen; toisaalta vapautunut energia voi olla riittävä saalistajien tainnuttamiseen tai tappamiseen.

Sovellukset

tekniikkaa

  • Puhdistettaessa esineitä ns. Ultraäänihauteissa , joissa pintalika poistetaan kavitaation avulla. Kavitaatio syntyy ultraäänellä . Ultraäänen mekaanista puhdistusvaikutusta voidaan edelleen parantaa käyttämällä erityisesti sovitettuja puhdistusnesteitä ja nostamalla kylvyn lämpötilaa.
  • Sotilasalalla käytetään torpedoja, jotka liikkuvat hyvin suurella nopeudella veden alla keinotekoisesti muodostetussa ontelossa. Tämä tekniikka kehitettiin ensimmäisen kerran olevan valmis käytettäväksi Venäjän laivastossa, ja siitä on tullut tunnetuksi superkavitaatio .
  • Sonokemia : Kuplien romahtamisen yhteydessä syntyvät korkeat energiat mahdollistavat sonokemialliset reaktiot.
  • Elintarviketeollisuudessa kavitaatiota käytetään korkeapainehomogenisaattoreissa rasvapisaroiden hajottamiseksi.

eläintiede

  • Popcocks pystyy muodostamaan kavitaatiokuplia ja käyttämään niitä taistelussa lajilajeja vastaan ​​tai saaliin kiinni saamiseksi.
  • Jos mantis-katkarapun saalis menettää saaliinsa, se voi osua ja tainnuttaa lakon aikana syntyneen kavitaatiokuplan ja voidaan sitten siepata.

Katso myös

kirjallisuus

nettilinkit

Wikisanakirja: Kavitaatio  - selitykset merkityksille, sanan alkuperälle, synonyymeille, käännöksille
Commons : Kavitaatio  - kuvien, videoiden ja äänitiedostojen kokoelma

Yksittäiset todisteet

  1. ↑ J.Jenne: Kavitaatio biologisessa kudoksessa. Julkaisussa: Ultraääni lääketieteessä. 22, s. 200-207, doi: 10.1055 / s-2001-17913 .
  2. ↑ Delfiinit uivat niin nopeasti, että sattuu. Julkaisussa: newscientist.com. 28. maaliskuuta 2008, luettu 5. tammikuuta 2015 .
  3. ↑ M. Versluis, B. Schmitz, A. von der Heydt, D. Lohse: Kuinka katkaiseva katkarapu snap: kautta kavitoivat kuplia . Julkaisussa: Science . nauha 289 , ei. 5487 . New York, NY 22. syyskuuta 2000, s. 2114-2117 , PMID 11000111 .
  4. ↑ B. Freudig, S. Tesch, H. Schubert: tuotanto emulsioiden korkean paineen homogenisaattorit - Osa 2: merkitys kavitaatio että pisaran koon pienentämiseen . Julkaisussa: Chemical Engineer Technology . 74, nro 6, 1. kesäkuuta 2002, ISSN  1522-2640 , s.880-884. doi : 10.1002 / 1522-2640 (200206) 74: 6 <880 :: AID-CITE880> 3.0.CO; 2-O .
  5. ↑ SN Patek, WL Korff, RL Caldwell: Mantis-katkarapujen tappava isku . Julkaisussa: Nature . 428, 2004, s. 819-820. doi : 10.1038 / 428819a . "Ei"
  6. ↑ SN Patek, RL Caldwell: Biologisen vasaran äärimmäiset iskut ja kavitaatiovoimat: riikinkukonmyrskyn iskut . Julkaisussa: Journal of Experimental Biology . 208, 2005, s. 3655-3664. doi : 10.1242 / jeb.01831 . PMID 16169943 . "Ei"