Wir nennen Kavitation (von lat. cavus , "Loch") die Entstehung und radiale Schwingung von Gas- oder Dampfblasen in einer Flüssigkeit, die einem Vakuum ausgesetzt ist. Wenn dieses Vakuum hoch genug ist, kann der Druck unter den gesättigten Dampfdruck fallen , und es ist wahrscheinlich, dass sich eine Dampfblase bildet.
Die Ursachen von Depressionen sind von dreierlei Art:
Depressionen können drei bisher bekannte Ursachen haben:
In jedem Fall ist es die Depression, die die Blase wachsen lässt. Um dieses Phänomen zu untersuchen, ist es daher notwendig, die Beziehung zwischen dem Druck der Flüssigkeit (von der Blase entfernt) und dem Radius der Blase (als kugelförmig betrachtet) zu untersuchen. Dabei verlässt man sich auf die Beschaffenheit des Gases, den Druck von Laplace und möglicherweise den Elastizitätsmodul der Flüssigkeit.
Unabhängig von der Ursache hat Kavitation zwei verschiedene Auswirkungen:
Aus diesem Grund ist die Beherrschung des Kavitationsphänomens in der Hydrodynamik von wesentlicher Bedeutung: Es stellt eine Grenze dar, da es zu Effizienzverlust oder sogar Zerstörung (der Propeller und Pumpen) kommen kann. Die Einwirkungen auf diese sind immer an den höchsten Geschwindigkeitspunkten: innerhalb der Wirbelhydraulik und außerhalb der Ein- und Mehrkanalhydraulik (siehe folgende Fotos).
Kavitation hat vor allem bei ölhydraulischen Hochdruckpumpen eine destruktive Wirkung : Die Mikroexplosionen zerreißen das Material und zerstören die Pumpe. Die häufigsten Ursachen sind ein verstopfter Saugfilter oder ein Lufteinlass an der Absaugung.
Kreiselpumpe durch Kavitation zerstört.
Detail des Kavitationsverschleißes eines Laufrades.
Detail des Kavitationsverschleißes eines Laufrades.
Ölhydraulisches Pumpeneis durch Kavitation zerstört.
Um dieses Phänomen vorherzusagen, führen wir den erwähnten dimensionslosen Kavitationsparameter ein . Es ist definiert durch:
Mit :
Bei zwei Strömungen ähnlicher Geometrie mit gleichem σ tritt an homologen Punkten Kavitation auf, wenn sie die gleiche Reynolds-Zahl haben .
In ähnlicher Weise ist der NPSH ( Net Positive Suction Head ) der minimale Druckzuschlag , der auf Höhe des Pumpeneinlasses zum Sättigungsdampfdruck hinzugefügt werden muss , damit der Druck im Inneren desselben nicht kleiner sein kann als . Der NPSH wird durch den folgenden Ausdruck definiert:
Diese Art von Kavitation tritt häufig bei Schiffspropellern auf. Im Herzen eines Wirbels bildet sich eine große Vertiefung, die das Wasser in diesem Bereich verdampfen lässt.
Die bekanntesten Kavitationsfälle gehen auf die 1930er bis 1940er Jahre zurück , als die großen Linienschiffe ( Bremen , Queen Mary , Normandie ) um den Geschwindigkeitsrekord für die Überquerung des Atlantiks kämpften . An diesen Propellern konnten wir Erosionen und Metallrisse feststellen, die bis zu 14 Zentimeter tief gehen konnten.
Dieses Erosionsphänomen kann auch auftreten, wenn die Flügel des Propellers durch Wirbelwirkung oder Ventilation Luft ansaugen , wie bei einem Jetski .
Kavitation durch aufgesetzte TascheAngesetzte Taschenkavitation, auch Vorderkantenkavitation oder Eintrittskavitation genannt, entsteht an einem Einfallsprofil, in hydraulischen Anlagen oder an Triebwerken. Es zeichnet sich durch eine an der Vorderkante angebrachte Dampftasche aus, die Erosionen an den Oberflächen erzeugt, an denen es wächst. Diese Dampfhohlräume werden von der Strömung mitgerissen und implodieren in der Kompressionszone. Sie führen zu einer Leistungsverschlechterung sowie zu einer Erhöhung des Geräuschpegels.
Separate BlasenkavitationKavitation tritt auf, wenn der Einfall der Strömung an den Vorderkanten nahe Null ist. Die Dampfblasen erfahren in den Depressionszonen eine explosionsartige Expansion, die dann in den Kompressionszonen implodiert. Diese Art der Kavitation tritt vor allem am Austritt der Schaufeln von Francisturbinen auf der Extradosseite sowie in den Pumpen nahe dem optimalen Betriebspunkt auf (siehe Video). Diese Pulsationen sind die Quelle von Kavitationsgeräuschen bei hydraulischen Maschinen.
Bildung von Kavitationsblasen in einer Zahnradpumpe.
Kavitationsschaden an einem Jetski, konzentriert auf die äußere Kante des Triebwerks, wo die Blattgeschwindigkeit am größten ist.
Francis-Turbine von 1956 mit durch Kavitation erodierten Vorderkanten der Schaufeln.
Kavitationsschaden an einer Kreiselpumpe .
In der Industrie wird durch den Einsatz von thermoplastischem Polyamid 11 (Handelsname Rilsan PA 11 ) in den Rohren oder in der Beschaufelung von Turbinen die Kavitationsbeständigkeit verbessert, indem die Strömung des Fluids gefördert wird . Diese Behandlung verhindert nicht nur Kavitation, sondern schützt auch Metallteile vor Korrosion, Verstopfung und Abrieb. Bei einer Kaplan-Turbine erhöht die Verbesserung des Gleitens des Wassers auf der Schaufel den Wirkungsgrad um 10 % .
Das Auftragungsverfahren für Polyamid 11 wird aus einem Pulver unterschiedlicher Korngrößen hergestellt : eine Dicke von 120 µm bis 150 µm wird für elektrostatische Abscheidungen und bis zu 600 µm für Wirbelschichtabscheidungen verwendet .
Vermeidung von KavitationIm Rahmen der Predictive Industrial Maintenance kann das Auftreten von Kavitationsphänomenen mittels Ultraschalldetektoren antizipiert werden , bevor es zerstörerisch wird. Insbesondere bei einer Francis-Turbine ermöglicht die Analyse des Schwingungsverhaltens, das Auftreten von Kavitation an der Eintrittskante zu antizipieren.
Aber umgekehrt kann ein gutes Verständnis des Phänomens es ermöglichen, es zu nutzen.
Es wurden verschiedene Anwendungen zur Reinigung vorgeschlagen, wie beispielsweise das Ultraschallbad , wie beispielsweise beim Optiker die Reinigung von Brillen.
Sonochemie und SonolumineszenzUltraschall wird als Aktivierungsmethode für bestimmte chemische Reaktionen ( Sonochemie ) verwendet. Einerseits fördert Ultraschall wie bei der Ultraschallreinigung die Trennung von Feststoffpartikeln oder Flüssigkeitströpfchen der Reagenzien (falsche Sonochemie), andererseits führen die in bestimmten Blasen erreichten Temperatur und Druck zu ungewöhnlichen chemischen Reaktionen.
In einigen Fällen werden im angeregten Zustand Radikale erzeugt , die zur Lichtemission führen, ein Phänomen, das als Sonolumineszenz bezeichnet wird . Dieses Phänomen wurde erstmals 1934 bei Sonarexperimenten von H. Frenzel und H. Schultes an der Universität zu Köln beobachtet und wissenschaftlich beschrieben .
SonofusionEinige Forscher glauben, dass es möglich ist, diese akustischen Phänomene zu nutzen, um eine Kernfusion zu erreichen :
Ultraschall ( extrakorporale Lithotripsie ) zerstört Blasen- und Nierensteine.
Verwendung in der ÄsthetikLipokavitation wird bei Schlankheitsbehandlungen zur Bekämpfung von lokalisiertem Fett eingesetzt und wirkt gegen Cellulite . Kavitationsgeräte verwenden sehr niederfrequenten Ultraschall, der tief auf die Fettzelle einwirkt, die die Fettvakuole enthält.
Je niedriger die Frequenz, desto tiefer dringen sie ein. Schlankheitsgeräte der ersten oder zweiten Generation verwenden Ultraschall mit sehr niedriger Frequenz oder hoher Frequenz.
Die Lipokavitation eignet sich für Menschen, die mit bestimmten, mit Fettablagerungen gefüllten Bereichen (wie zum Beispiel den Wölbungen) nicht zufrieden sind, sich aber auch nicht einer Operation wie einer Fettabsaugung unterziehen möchten .
Auswirkungen auf die medizinische DiagnoseAufgrund der negativen Spitzendrücke des diagnostischen Ultraschalls besteht ein medizinisches Risiko und die Gefahr einer Kavitation im Körper. Dies kann aufgrund von Stoßwellen unerwünschte thermische oder mechanische Auswirkungen haben . Einige Nebenwirkungen wurden bereits in in-vivo- Tierstudien beobachtet . Weiterhin wird angenommen, dass Kontrastmittel die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kavitation erhöhen. Obwohl keine unerwünschten Wirkungen von Ultraschall beobachtet wurden, sind unter Berücksichtigung der zahlreichen klinischen Studien am Menschen nach derzeitigem Kenntnisstand jedoch Schäden möglich. Zur sicheren Anwendung von Ultraschall sind die Empfehlungen und Empfehlungen der „World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology“ zu beachten.
In der Zahnheilkunde wird Ultraschall zur Zahnsteinentfernung verwendet und ist das am häufigsten verwendete Mittel. Über die mit Zahnstein bedeckten Zahnoberflächen wird eine mit hoher Frequenz vibrierende feine Metallspitze geführt, die das Ablösen dieser ermöglicht. Es wird ständig Wasser gesprüht, was sowohl die Kühlung des Prozesses als auch die Entfernung von Kesselstein durch Kavitation ermöglicht. Gleichzeitiges Absaugen entfernt kontinuierlich Wasser, Kalkablagerungen und Speichel.
In der Lebensmittelindustrie wird leistungsstarker Ultraschall verwendet , um die Qualität von Lebensmitteln, ihre Textur (Homogenisierung, Emulgierung, Gelierung) sowie ihre Konservierung zu verbessern .
Kavitationsblasen, die durch diesen Ultraschall in Flüssigkeiten erzeugt werden, können verwendet werden:
Die Ultraschall-Kavitationstechnik wird auch verwendet, um Pflanzenzellen zu dissoziieren, intrazelluläres Material zu extrahieren und so den Extraktionsprozess der gewünschten Wirkstoffe zu verbessern.
Dies ist insbesondere bei Safran der Fall, dem teuersten Gewürz der Welt (ca. 14 Euro pro Gramm), da zwischen 100.000 und 200.000 Krokusblüten benötigt werden , um 1 Kilogramm dieses Gewürzes zu extrahieren . Die bei dieser Pflanze ( Crocus sativus ) angewandte Ultraschalltechnik ermöglicht die Extraktion von mehr als 150 flüchtigen Aromastoffen sowie nichtflüchtigen Wirkstoffen.
Eine wissenschaftliche Studie hat gezeigt, dass Ultraschall (in) :
Kavitation ist ein Phänomen, das verwendet wird, um die Leistung der Bohrlochtechnik sowohl in der Ölindustrie als auch in der Gasindustrie zu verbessern. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es die positiven Effekte von Vibrations- und Drehbohrverfahren kombiniert, indem es kombiniert:
Das Ultraschall-Reinigungssystem wird verwendet, um die Reinigung von kontaminierten oder korrodierten Kohlenwasserstoff-Verarbeitungsanlagen zu verbessern. Das System verwendet eine Kombination aus Ultraschall, Chemikalien und Wärme, um hervorragende Reinigungsergebnisse zu erzielen und gleichzeitig weniger Energie und Wasser zu verbrauchen. Es reduziert auch den Abfall erheblich. Die Einheit ist beweglich und kann in einer Waschanlage installiert wird Raffinerie oder an Bord einer Plattform offshore .
Bei weichen Klebstoffen entsteht Kavitation durch die Kraft, mit der das Material gezogen wird, um die Verklebung aufzubrechen. Das Wachstum von Hohlräumen verursacht eine starke Verformung des Materials und die Entstehung von Gasblasen. Die induzierte Depression ist der Ursprung des Kavitationsphänomens.
Die Superkavitation ist die Verwendung von Kavitationseffekten, um eine große Gasblase in einer Flüssigkeit zu erzeugen , die es einem Objekt ermöglicht, sich mit hoher Geschwindigkeit in dieser Flüssigkeit zu bewegen, die vollständig von der Blase umgeben ist. Der Hohlraum ( das heißt die Blase) verringert die Reibung auf dem Objekt und macht Superkavitation eine sehr attraktive Technologie und aus gutem Grunde: die Reibung im Wasser ist etwa 1000 - mal höher als in Wasser. Luft . Superkavitation wird in der Magnetohydrodynamik (MHD) ziemlich gut untersucht .
Kavitation wird in der Natur auf recht einzigartige Weise von der Pistolengarnele ausgenutzt, bei der eine ihrer Krallen im Vergleich zur anderen überentwickelt ist. Beim Schließen dieser enormen Klemme entsteht eine sehr heftige Strömung, die eine hydrodynamische Kavitationsblase erzeugt, die durch Implosion eine Stoßwelle aussendet , die das umgebende Plankton herausschlagen oder sogar töten kann . Laut einem Artikel in der Fachzeitschrift Science glaubte man lange, dass das Geräusch von der Klemme selbst käme, bevor ein niederländisches Team mit einer schnellen Kamera das Auftreten einer Kavitationsblase demonstrierte. Dasselbe Team hat auch gezeigt, dass diese Blase lumineszierend ist. Laut einem Dokumentarfilm ist es Sonolumineszenz , ein kurzzeitiger Hot Spot mit einer Temperatur von mindestens 5.000 Kelvin, ein Lichtblitz und eine Stoßwelle , mit der die Garnele ihre Beute fängt . Ein vergleichbares Phänomen wurde bei der Gemeinen Krake beobachtet .
Kavitation kommt auch in Gefäßpflanzen vor, sie ist am Xylem beteiligt . Die Wasserdampfblasen durchbrechen die Kontinuität der Wassersäule und damit die Blätter nicht mehr hydratisiert. Wiederkehrende Kavitationsepisoden gefährden das Überleben der Pflanze.
Externes Video | |
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Kavitierende Venturirohre - 0.7in 10deg im Auftrag von YouTube von TaiMengineer |