Kavitacija

Kavitacija (engl. cavity – znači šupljina) je pojava isparavanja vode na pritiscima nižim od atmosferskog i stvaranja mehura ili mehurova vodene pare. Nastaje u trenutku kada pritisak vode postaje jednak ili manji od pritiska zasićenja vodene pare. Kavitacijom se kod hidruličkih mašina podrazumijeva pojava diskontinuiteta ili „šupljina“ (mehura pare u vodi) u struji tečnosti.

• 
  Ogled sa propelerom u vodenom tinelu. Pojava kavitacije
• 
  Oštećenja na Francisovoj turbin usled kavitacije
• 
  Oštećenje usled kavitacije na ploči ventila za hidrauličnu pumpu.

Isparavanje vode, kao što je poznato iz termodinamike, nastaje pri temperaturi od 100 °C kod atmosferskog pritiska, međutim kod hidrauličkih mašina pojava isparavanja nastaje kod okolne temperature vode (5—20 °C), ali sada pri pritiscima znatno nižim od atmosferskog pritiska. Kod vodnih turbina kavitacija se javlja na mjestima najnižeg pritiska. Po pravilu su to mesta u blizini izlaznog brida lopatice rotora na potpritisnoj strani. Voda na ovim mjestima ima najniži pritisak zato što je kompletnu energiju (koja je uglavnom bila sadržana u pritisku) predala lopatici rotora.

Prikaz kavitacije na Zupčastoj pumpi.

Istorija

Inercijalna kavitacija

Prvi naučnik koji je proučavao kavitaciju bio je John Rayleigh, krajem 19. veka. On je uočio pojavu kavitacije kod toka vode u rekama, posebno ispod vodopada - gde voda zbog ove pojave izaziva znatnu eroziju u kamenju na koje pada.

Kasnije je uočeno da kavitacija nastaje pri svakom snažnom impulsnom udaru energije u čvrstu prepreku, tako postoje optička kavitacija, koja nastaje udarom snažnog zraka lasera i električna kavitacija - na primer na svećicama vozila na benzinski pogon.

Treba napomenuti da je energija kavitacije neverovatno visoka: prilikom implozije mehurića gasa temperatura iznosi nekoliko hiljada °C, pritisak nekoliko stotina bara, a stvara se i svetlost (sonoluminiscencija). Ma koliko ovi podaci izgledali neverovatni, ustanovljeni su pri laboratorijskim merenjima kavitacije, jer je njeno sprečavanje jedno od glavnih područja proučavanja hidrodinamike, obzirom da rad u kavitacionom režimu izaziva znatna oštećenja i nepouzdanost u radu hidrodinamičkih uređaja, te se po svaku cenu nastoji izbjeći.

Neinercijalna kavitacija

Neinercijalna kavitacija je postupak kontrolisanog nastajanja sitnih mehurića gasa uz dovođenje energije spolja - najčešće akustične (zvučne). Ova energija prisiljava mehuriće plina da titraju određenom frekvencijom i po određenom obrascu prije implozije, i na taj način vrše koristan rad. Ovako nastaje mnogo manja pojava erozije, a koristi se u ultrazvučnim kadama za čišćenje precizno izrađenih dijelova od osetljivih materijala, na primer dijelova hidrodinamičkih upravljačkih sistema - ventila i slično, silikonskih brtvi i drugih delova, čija je izrada vrlo precizna i skupa, a materijal osetljiv na druge načine čišćenja i popravka.

Pojava hidrodinamičke kavitacije

Ukoliko pritisak vode padne ispod pritiska zasićenja vodene pare, dolazi do snažne promjene iz tekućeg u gasovito stanje, čime se stvaraju diskontinuiteti u toku, šupljine (mehure pare okružene tečnošću). Mehur pare nakon isparavanja u području nižeg pritiska tokom fluida dolazi u područje višeg pritiska u kojem trenutno implodira pretvarajući se u tečnost (kondenzuje). Tada dolazi do naglog povećanja pritiska radi sudara fronta vode sa svih strana mehura pare. Kako je tok tečnosti konstantan, to je i pojava formiranja mehura pare i njenog kasnijeg implodiranja takođe konstantna.

Strujanje fluida je uglavnom, pogotovo kod vodnih turbina, turbulentno što je karakterizirano fluktuacijama brzina i pritiska, koje su naročito intenzivne u graničnom sloju (uz čvrstu stenu). Ako se ovakve fluktuacije pritiska pojave pri pritisku koji odgovara lokalnom pritisku zasićenja vodene pare, doći će do trenutnog intenzivnog procesa formiranja i gotovo istovremenog kolabiranja mehura pare, stvarajući vrlo visoke pritiskove u centru mehura, kao posljedica sudara nadolazećih frontova vode sa svih strana kolabirajućeg mehura.

Kao posljedica intenzivnog prelaska iz tekućeg u gasovitih stanje i obrnuto, pojavljuju se značajna pulsirannja pritiska (2000 Pa – 10000 bar) vrlo visokih frekvencija (10 – 20 kHz). Kavitacija je naročita nepogodna ako se pojavljuje blizu metalnih površina. Tada usled naglih promjena pritiska (2000 Pa – 10000 bar) dolazi do otkidanja metala sa metalnih površina (kod turbina to su lopatice rotora).

Kavitacija nije karakteristična samo za rotacione mašine. Ona se pojavljuje u svim situacijama kada pritisk vode padne ispod pritiska zasićenja vodene pare za danu temperaturu (primer ventili).

Negativni utjecaji kavitacije

• kavitacijska erozija
• nagli pad snage radi pada gustine fluida (dvofazni fluid; voda + para)
• pad stepena iskorištenja turbine ili pumpe
• vibracije
• šum
• bljeskovi

U novije vreme, kavitacija se izbjegava konstrukcijom posebnog oblika krila brodskih turbina. Kavitacija zahtijeva površinu na kojoj bi se dogodila implozija, pa da izvrši svoj negativni uticaj na materijal turbine. Posebnom konstrukcijom hidrodinamičkog krila, pojava kavitacija se događa "u praznom prostoru iza propelera", te tako ne oštećuje brodski turbina.

Kavitacija kod pumpi

Ako u nekoj tački unutar pumpe apsolutni pritisak kapljevine postane niži od pritiska zasićenja para te kapljevine, u njoj započinje isparavanje i stvaranje mjehurića pare. Kad, nošeni strujom fluida unutar pumpe, mjehurići pare dospiju u područje apsolutnog pritiska višeg od pritiska zasićenja para, trenutno kondenziraju u obliku implozije, a njihove prostore popunjava kapljevina, uslijed čega nastaje hidraulični udar, pri kojem pritisak trenutno poraste i do nekoliko hiljada bara. Tako nastaje kavitacija kod pumpi (pumpe, sisaljke).

Direktna posljedica kavitacije jest razaranje materijala stijenki pumpe, tzv. kavitacijska erozija. Pojava kavitacije praćena je karakterističnim šumom i vibracijama, a rad pumpe postaje nejednolik i nemiran, smanjuju se visina dobave, protok i djelotvornost.

Kavitacija nastaje i stvaranjem mjehura plina otopljenog u nafti. U tom slučaju, kavitacijski mjehuri nastaju čim se pritisak snizi ispod pritiska zasićenja nafte. Kad pritisak ponovno poraste, mjehuri nestaju bez erozijskog đelovanja, jer stlačivost plina prigušuje imploziju i hidraulički udar. Zato takva kavitacija ne razara materijal pumpe, ali ima sve ostale negativne učinke na njen rad.

Na pojavu kavitacije utječu uslovi na usisu pumpe. Ako su ti uslovi takvi da ni u jednoj tački unutar pumpe pritisak neće biti niži od pritiska zasićenja kapljevine plinovima, kavitacija se ne će pojaviti. Minimalni uslovi na usisu pumpe nužni za sprječavanje kavitacije poznati su pod nazivom neto-pozitivna usisna visina pumpe i određuje se eksperimentalno.

Neto-pozitivna usisna visina uronjivih centrifugalnih pumpi u naftnim bušotinama jednaka je hidrauličkim gubicima između pritiska u zaštitnim cijevima na razini impelera prvog stepena pumpe i ulaza u impeler, te visini zbog razlike brzina. Stoga raspoloživi pritisak u zaštitnim cijevima na razini impelera prvog stepena pumpe mora biti jednak ili veći od pritiska određenog neto pozitivnom visinom određene pumpe.

Postoje dvije osnovne vrste kavitacije koje se javljaju u različitim fazama rada pumpe, ali obje su rezultat iste pojave:

• Usisna ili klasična kavitacija javlja se na impeleru pumpe prilikom usisa i potiskivanja tečnosti ka potisnom ventilu (komori). Uslove za kavitaciju stvara kretanje impelera kroz pumpanu tečnost.
• Potisna ili recirkulaciona kavitacija je rezultat promjene pritiska prilikom izlaska tečnosti iz pumpe, na potisnom ventilu. Javlja se zbog toga što ventil tehnički ne može da propusti svu tečnost da izađe u jednom trenutku, tako da različite brzine kretanja tečnosti izazivaju minijaturne promjene u inače jednakom pritisku tečnosti. Čak i tako male promjene pritiska dovoljne su da dođe do pojave kavitacije.

Kavitacija kod motora

Manje je poznato da pojava kavitacije uzrokuje oštećenja i u većim dizelskim motorima. U motorima do kavitacije dolazi zbog visokog stepena kompresije i male površine zidova cilindara. Vibracije zidova cilindara koje zbog toga nastaju, uzrokuju pojavu oblasti niskog i visokog pritiska u rashladnoj tečnosti motora, što izaziva kavitaciju spoljnih zidova cilinadarskih prostora u motoru. Rezultat je pojava "pitinga" - ljuštenja zidova cilindara, što u uznapredovaloj fazi može da dovede do prodora rashladne tečnosti u cilindar. Ovu pojavu moguće je izbjeći dodavanjem određenih hemikalija u rashladnu tečnost, koje stvaraju zaštitni film na zidu cilindra. Taj film je izložen kavitaciji, ali se iznova sam izgrađuje dok god u rashladnoj tečnosti ima dovoljno hemikalija.

Težnja za smanjivanjem dimenzija motora bila je uzrok konstrukcije manjeg obujma rashladne tečnosti koja zbog toga mora da struji većom brzinom. Počevši od 1980, zbog navedenog je primećen utjecaj kavitacije i kod manjih benzinskih motora, posebno na dijelove motora izrađene od aluminija i njegovih legura. Sprječavanje ove pojave kod manjih motora vrši se dodavanjem inhibitora korozije (na bazi silikata) u rashladnu tečnost. Krajnji rezultat je ipak, povremeno stvaranje dubokih kratera koji čak mogu da probiju glavu motora, ako motor dugo radi na visokim brojevima okretaja, a time i na visokim temperaturama rashladne tečnosti. Daljnja istraživanja pokazala su da se ova pojava može spriječiti dodavanjem organskih inhibitora korozije, a najbolje je konstruisati motor tako da se rashladna tečnost ne hladi u kavitacionom režimu, dakle veća količina rashladne tečnosti u motoru, što joj omogućuje da funkciju hlađenja motora obavi strujeći manjom brzinom.

Kavitacija kod homogenizacije mlijeka

Cilj homogenizacije mlijeka je povećanje stabilnosti emulzije mliječne masti, odnosno spriječavanje izdvajanja masti na površinu stajanjem mlijeka. Međutim, postoji i niz drugih pozitivnih efekata. Ovo se postiže smanjenjem prosječnog prečnika masnih globula. Dakle, njome se usitnjavaju i ujednjačuju kuglice mliječne masti. Prečnik globula u nehomogenizovanom mlijeku se mijenja od 0,1-15 mm, dok se poslije homogenizacije dobijaju vrijednosti prečnika 0,1 do 2 mm.

U ventilu separatora, pri ulazu u razmak ventila, energija pritiska se pretvara u energiju brzine. Poslije hiljaditog dijela sekunde na izlazu iz ventila, dolazi ponovo do velike promjene brzine u pritisak, što uzrokuje turbulenciju. Uslijed ovog intezivnog mehaničkog tretmana, prvo na ulazu u uski razmak ventila dolazi do deformacije i razvlačenja masne globule, a pri izlazu do konačnog cijepanja na sitnije kuglice (kavitacija). Pri tome dolazi do regeneracije membrane masne kuglice adsorpcijom proteina iz mlijeka.

Dakle, mliječna mast se i poslije homogenizacije nalazi u formi masnih globula, a ne kao slobodna mast. Homogenizacija je za ono mlijeko koje je namijenjeno dužem čuvanju, ili za izradu proizvoda namjenjenih dužem čuvanju (koncentrirani mliječni proizvodi). Kako pasterizirano mlijeko nije proizvod duge trajnosti (samo par dana), potrebno ga je homogenizirati za dužu trajnost.

Kavitacija kod liječenja bubrežnih kamenaca

Izvantjelesno razbijanje bubrežnih kamenaca ili litotripsija šoknim valovima (engl. Edžtracorporeal Shock Njave Lithotripsy - ESNjL), metoda je koja je od 1982. godine, od kada je uvedena u kliničku primjenu, donijela “revoluciju” u liječenju kamenaca bubrega i mokraćovoda. Naime, postupak razbijanja kamenaca obavlja se ambulantno, nema potrebe za anestezijom te, ako nema komplikacija, bolesnik je vrlo brzo nakon zahvata spreman za uključivanje u uobičajene životne aktivnosti. Princip se temelji na koordinaciji generatora šoknog vala, fokusiranju šoknog vala i lokaliziranju šoknog vala. Njihovu koordinaciju nadgleda kompjutorski program. Generatori su elektrohidraulički, elektromagnetski, piezoelektrični i mikroeksplozivni. Razbijanje kamenaca prati se rendgenskim ili ultrazvučnim aparatima. Princip razbijanja temelji se na emitiranju šoknog vala koji prodire kroz kamenac. Dio vala napreduje prema suprotnoj strani kamenca, a dio se vraća prema novom valu, izazivajući dodatni pritisak koji potpomaže usitnjavanje. Javlja se fenomen kavitacije, pri čemu razlika u pritisku stvara male mjehuriće plina u tekućem mediju, koji su vrlo nestabilni i potpomažu usitnjavanje. Usitnjene dijelove kamenca bolesnik spontano izmokri. Ponekad je potrebno prije litotripsije postaviti bolesniku tzv. "Double J" endoprotezu u mokraćovod, da ga usitnjeni komadi kamenca ne začepe i onemoguće normalan prolazak mokraće do mokraćnog mjehura.

Kavitacija i beton

Kavitacija je posledica promene preseka, otklona odnosno geometrije hidrauličnog toka. Tok se odvaja od površine korita, pa zato na površini nastaju područja niskog pritiska, a u njima mehurići zraka. Mehurići putuju na statičko područje, tj. onamo gde su pritisci veći, te tamo iznenada pucaju. Prilikom pucanja u tekčnosti nastaju valovi pritisaka, nalik onima prilikom eksplozije. Kavitaciju možemo najlakše izbeći odgovarajućim hidrauličnim projektovanjem. Dođe li do oštećenja betona, ono ima oblik jamica.

Dodatna literatura

• For cavitation in plants, see Plant Physiology by Taiz and Zeiger.
• For cavitation in the engineering field, visit [1]
• Kornfelt, M. (1944). „On the destructive action of cavitation”. Journal of Applied Physics. 15. 
• For hydrodynamic cavitation in the ethanol field, visit [2] and Ethanol Producer Magazine: "Tiny Bubbles to Make You Happy" [3]
• Barnett, S. (1998). „Nonthermal issues: Cavitation—Its nature, detection and measurement;”. Ultrasound in Medicine & Biology. 24: S11—S21. doi:10.1016/s0301-5629(98)00074-x. 
• For Cavitation on tidal stream turbines, see „Cavitation inception and simulation in blade element momentum theory for modelling tidal stream turbines”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 227: 479. doi:10.1177/0957650913477093.