پمپ‌ها به دو دسته کلی سانتریفیوژ و جابجایی مثبت دسته‌بندی می‌شوند. بیشترین حجم کاربرد را در حوزه‌های صنعتی، کشاورزی، خانگی و... پمپ‌های سانتریفیوژ دارند. پمپ‌های سانتریفیوژ برای انتقال سیالات رقیق‌تر مثل آب مناسب هستند و کار انتقال آب را بسیار راحت کرده‌اند اما از طرفی با مشکلاتی نیز می‌توانند مواجه شوند.
یکی از مشکلاتی که امکان دارد در زمان پمپاژ سیال توسط پمپ‌های سانتریفیوژ اتفاق بیوفتد، کاویتاسیون است. در واقع کاویتاسیون، پدیده‌ای مخرب برای پمپ محسوب میشود که میتواند باعث بروز خوردگی، ایجاد حفره، سوراخ‌شدن و شکستگی پروانه یا سایر اجزای پمپ شود.
کاویتاسیون عمدتا در پمپ صنعتی اتفاق میوفتد اما در پمپ آب خانگی هم امکان بروز آن وجود دارد. در ادامه به تعریف پدیده کاویتاسیون، انواع و نحوه ایجاد آن در پمپ‌ها و روش‌های جلوگیری از بروز این پدیده پرداخته خواهد شد.
کاویتاسیون چیست؟
کاویتاسیون در لغت از کلمه cavity به معنای حفره گرفته شده است و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره‌زایی است. کاویتاسیون یک پدیده مخرب در پمپ‌ها محسوب میشود و میتواند خوردگی، سوراخ‌شدن و شکستگی اجزای داخلی پمپ مثل پروانه را در پی داشته باشد.
همانطور که قبلا در مقاله ضربه قوچ توضیح داده شد، این پدیده نیز دیگر پدیده مخرب در پمپ می‌باشد. قبل از توضیح پدیده کاویتاسیون در پمپ لازم است اشاره‌ای به نقطه جوش و فشار بخار مایعات صورت گیرد که در ادامه توضیح داده خواهد شد.
فشار بخار مایع در پمپ
فشار و دما دو پارامتری هستند که در علم ترمودینامیک به یکدیگر مرتبط‌اند. اما فشار و دما چه ارتباطی با موضوع بحث ما یعنی کاویتاسیون دارد؟ در ادامه با یک مثال خواهیم گفت. آب را در نظر بگیرید. همه می‌دانیم که آب در دمای 100 درجه سانتی‌گراد به جوش می‌آید؛ اما این دمای جوش برای فشار عادی محیط که 1 اتمسفر می‌باشد، تعریف شده است.
در فشارهای کمتر یا بیشتر از 1 اتمسفر، دمای جوش آب نیز کم یا زیاد میشود. حتما شنیده‌اید که می‌گویند در ارتفاعات کوه‌ها به دلیل اینکه فشار هوا کمتر است، آب در دمای کمتری به جوش می‌آید. مثلا در قله دماوند نقطه جوش آب 80 درجه سانتی‌گراد است.
اما حالا به موضوع اصلی یعنی تاثیر فشار بخار مایع در پمپ در هنگام کاویتاسیون بپردازیم. زمانی که پمپ در حال کارکردن است و تلاطم و نوسانات فشار در ورودی پمپ به گونه‌ای است که فشار مایع از فشار بخار سیال در آن دما کمتر میشود، در این حالت دمای جوش آب کاهش یافته و در دمای فعلی سیال، مایع به بخار تبدیل میشود. بخارات سیال تبدیل به حباب‌هایی شده و این حباب‌ها با بدنه پمپ و پروانه برخورد کرده و بدین طریق کاویتاسیون اتفاق میوفتد.
صدای سفید در پدیده کاویتاسیون
موقع ایجاد کاویتاسیون صدایی شبیه تق‌تق یا برخورد یک ساچمه یا گلوله به سطح فلز به گوش می‌رسد که در این صدا یکی از راه‌های تشخیص بروز پدیده کاویتاسیون نیز می‌باشد. صدای تولیدی ناشی از کاویتاسیون میتواند تا فرکانس 1 MHz نیز برسد که اصطلاحا به آن صدای سفید می‌گویند.
پدیده کاویتاسیون در پمپ چیست؟
وجود حباب هوا یا بخار در پمپ و ترکیب آن با مایع به هر دلیلی میتواند باعث ایجاد خلل در فرآیند پمپاژ شود. حباب‌های هوا میتواند ناشی از کاهش فشار سیال در ورودی پمپ و تبخیرشدن بخشی از سیال باشد یا ناشی از مکش هوا در ورودی پمپ باشد؛ در این صورت با برخورد حباب‌ها به سطح پروانه و بدنه داخلی پمپ، ترکیده و انرژی آزاد میشود. به این پدیده مخرب کاویتاسیون در پمپ می‌گویند.
کاویتاسیون یک فرآیند دو قسمتی بوجود آمده در اثر تغییر فشار مایعی است که از میان پروانه پمپ عبور می‌کند. چناچه مایع به نازل مکش پمپ وارد شود و به پروانه برسد چنانچه مایع ورودی به پمپ، از میان نازل مکش عبور کند، فشار بصورت جزئی کاهش می‌یابد. مقدار کاهش بستگی به هندسه این قسمت از پمپ دارد و از یک پمپ به پمپ دیگر تغییر می‌کند. سپس مایع وارد چشمی پروانه میشود، جایی که افت قابل توجه‌ای در فشار آن به وجود می‌آید.
انواع کاویتاسیون در پمپ
بطور کلی سه نوع کاویتاسیون در پمپ‌ها ممکن است اتفاق بیوفتد:
- کاویتاسیون تبخیری (Vaporisation Cavitation): کاویتاسیون تبخیری زمانی اتفاق می‌افتد که فشار در ورودی پمپ کمتر از فشار بخار سیال شده و مایع تبدیل به بخار میشود بدین ترتیب حباب‌های هوا ایجاد شده و با ترکیدن آنها در سطح پروانه یا سطح داخلی پمپ، به مرور زمان حفره‌هایی بر روی سطح ایجاد میشود. از منظر مهندسی، زمانی که NPSHA کمتر از NPSHR باشد چنین کاویتاسیونی اتفاق میوفتد. (برای مطالعه بیشتر در این رابطه به مقاله NPSH چیست رجوع کنید.)
- کاویتاسیون جریان برگشتی (Recirculation Cavitation): در صورتی که بخش تخلیه پمپ به هر دلیلی مسدود شده یا جریان سیال به درستی و بطور کامل خارج نشود، جریان برگشتی با سرعتی در بین محفظه و پروانه پمپ اتفاق افتاده و خلا نسبی ایجاد شده و حباب‌هایی در آن منطقه ایجاد میشود.
- کاویتاسیون ناشی از مکش هوا (Suction Cavitation): گاهی اوقات کاویتاسیون به علت ورود هوا همراه با سیال به پمپ اتفاق می‌افتد. زمانی که سیستم آب‌بندی پمپ درست کار نکند و نشتی وجود داشته باشد بطوری که در زمان کارکرد پمپ، هوا از قسمت ورودی پمپ یا خط لوله مکش پمپ وارد شود در این صورت امکان ایجاد حباب‌ها و ترکیدن آنها و کاویتاسیون محتمل است.
نحوه ایجاد و شکل‌گیری فرآیند کاویتاسیون در پمپ
فرآیند کاویتاسیون در پمپ (کاویتاسیون تبخیری) در دو مرحله زیر انجام میشود:
- مرحله اول: پمپ برای ایجاد فشار سیال و به جریان انداختن آن بکار می‌رود و با چرخش پروانه نوسانات و تلاطم فشار زیادی میتواند اتفاق بیوفتد. زمانی که در فرآیند پمپاژ سیال، به هر دلیلی فشار سیال از فشار بخار آن کمتر شود، مایع تبدیل به بخار شده و حباب‌هایی ایجاد میشود.
- مرحله دوم: بعد از ایجاد حباب‌های هوا، با چرخش پروانه، حباب‌ها بوسیله نیروی گریز از مرکز پره‌ها به اطراف پرتاب شده و با برخورد به سطح داخلی محفظه و همچنین خود پروانه منجر به ترکیدگی میشود. اگرچه ترکیدن حباب‌ها اندک در یک دفعه مشکل خاصی ایجاد نمی‌کند اما به دلیل اینکه با ترکیدن حباب‌ها انرژی زیادی آزاد میشود، به مرور زمان در سطوح داخلی پمپ حفره‌هایی ایجاد میشود که میتواند سوراخ‌شدن یا شکستگی آن را در پی داشته باشد.
مشکلات بروز کاویتاسیون در پمپ
- ایجاد نوسانات دبی و فشار خروجی پمپ
- ایجاد شوک و ضربه به پروانه و سایر اجزای داخلی پمپ
- خوردگی، سوراخ‌شدن و شکستگی پروانه پمپ
- ارتعاش، لرزش پمپ و خرابی سیستم آب‌بندی و یاتاقان‌ها
- ایجاد سر و صدای ناهنجار
- کاهش راندمان پمپ
در زیر اثر مخرب پدیده کاویتاسیون در پمپ سانتریفیوژ را می‌توانید مشاهده کنید. ترکیدن حباب‌های هوا و آزادشدن انرژی زیاد در موقع برخورد حباب ترکیده بر سطح اجزای پمپ به مرور زمان باعث ایجاد حفره‌ها و شکستگی‌هایی بر سطح پره‌های پروانه و قسمت محفظه پمپ میشود.
روش‌های جلوگیری از پدیده کاویتاسیون
همانطور که گفته شد چند نوع کاویتاسیون شامل تبخیری، جریان برگشتی و مکش هوا میتواند در پمپ‌ها اتفاق بیوفتد. هر کدام از آنها به دلایل مختلفی اتفاق افتاده و برای جلوگیری از بروز چنین اتفاقی راه‌هایی وجود دارند که در زیر آورده شده‌اند:
- بررسی سیستم آب‌بندی پمپ و اطمینان از عدم وجود نشتی در پمپ
- بررسی سیستم لوله‌کشی و عدم وجود ترک‌خوردگی یا نشتی در اتصالات لوله‌ها
- اطمینان از وجود سیال در مخزن ذخیره
- بالابردن مخزن نسبت به پمپ یا قراردادن پمپ در داخل گودال یا چاه
- کاهش فاصله بین مخزن با پمپ
- کاهش دور موتور پمپ
- در صورت امکان، کاهش دمای پمپ یا دمای سیال
- در صورت امکان استفاده از پروانه با چشمی بزرگتر یا افزایش قطر چشمی پروانه
پیتینگ چیست؟
پیتینگ یا خوردگی حفره‌ای نوعی از خوردگی است که در آن حفره‌های کوچک روی سطح فلزات ایجاد میشود. این حفره‌ها می‌توانند بسیار ریز باشند و با چشم غیرمسلح دیده نشوند، یا می‌توانند بزرگتر باشند و به راحتی قابل مشاهده باشند.
علل پیتینگ در پمپ
همانطور که قبلا بیان شد، بروز کاویتاسیون در پمپ به علت وجود حباب‌های ریز در پمپ است که وجود این حباب‌های ریز دلایل مختلفی میتواند داشته باشد. برخورد حباب‌های هوا به بدنه یا پروانه پمپ باعث ایجاد سر و صدایی در هنگام کارکرد پمپ میشود.
به مرور زمان، برخورد حباب‌ها به سطوح داخلی پمپ و آزادشدن انرژی آنها منجر به اتفاق پیتینگ یا همان خوردگی حفره‌ای در پمپ میشود. روش جلوگیری از پیتینگ در پمپ همان روش‌هایی است که برای جلوگیری از بروز کاویتاسیون در پمپ بیان شد.
جمع‌بندی
در این مقاله به پدیده‌ای به نام کاویتاسیون در پمپ پرداخته شد؛ پدیده‌ای مخرب که علاوه بر ایجاد صدای آزادهنده به مرور زمان میتواند صدمات و خساراتی را به پروانه پمپ و خود دستگاه وارد کند. با رعایت یک سری اصول مربوط به طراحی یا جایگیری صحیح اجزای سیستم پمپاژ و همچنین بررسی آب‌بند و سیستم لوله‌کشی پمپ آب می‌توان از بروز کاویتاسیون و اثرات مخرب آن جلوگیری کرد.
کاویتاسیون یک پدیده مخرب است که در آن فشار مایع در پمپ به زیر فشار بخار در دمای سیال کاهش می‌یابد و باعث تشکیل حباب‌های بخار میشود. این حباب‌ها سپس به مناطق با فشار بالاتر پمپ منتقل می‌شوند و در آنجا می‌ترکند. ترکیدن حباب‌ها میتواند انرژی زیادی آزاد کرده و به مرور زمان باعث آسیب به قطعات پمپ شود.
پیتینگ نوعی خوردگی است که به صورت حفره‌های کوچک روی سطح فلز ظاهر میشود. این نوع خوردگی میتواند ناشی از عوامل مختلفی از جمله کاویتاسیون باشد. هنگامی که حباب‌های بخار در پمپ می‌ترکند، می‌توانند ضربه‌های کوچکی به سطح فلز وارد کنند که به مرور زمان باعث ایجاد حفره‌های کوچک بر روی سطح پروانه یا بدنه پمپ میشود.
عوامل مختلفی می‌توانند باعث بروز کاویتاسیون در پمپ‌ها شوند، از جمله:
فشار مکش پایین: اگر فشار مکش پمپ خیلی پایین باشد، ممکن است فشار مایع به زیر فشار بخار آن کاهش یابد و باعث تشکیل حباب‌های بخار شود.
سرعت بالای پمپ: اگر سرعت پمپ خیلی بالا باشد، میتواند باعث ایجاد مناطق با فشار پایین در پمپ شود و در نتیجه باعث تشکیل حباب‌های بخار شود.
گرفتگی لوله مکش: اگر لوله مکش پمپ گرفته باشد، میتواند باعث کاهش فشار مکش و در نتیجه باعث تشکیل حباب‌های بخار شود.
دمای بالای مایع: اگر دمای مایع خیلی بالا باشد، فشار بخار آن نیز بالاتر خواهد بود و احتمال تشکیل حباب‌های بخار بیشتر خواهد بود.
برای پیشگیری از کاویتاسیون و پیتینگ در پمپ‌ها می‌توان اقدامات مختلفی انجام داد، از جمله:
افزایش فشار مکش: با افزایش فشار مکش پمپ می‌توان از کاهش فشار مایع به زیر فشار بخار آن جلوگیری کرد.
کاهش سرعت پمپ: با کاهش سرعت پمپ می‌توان از ایجاد مناطق با فشار پایین در پمپ جلوگیری کرد.
جلوگیری از گرفتگی لوله مکش: با تمیز کردن و بازرسی منظم لوله مکش می‌توان از گرفتگی آن و در نتیجه کاهش فشار مکش جلوگیری کرد.
کاهش دمای مایع: در صورت امکان، دمای مایع را کاهش دهید تا فشار بخار آن نیز کاهش یابد.
استفاده از پمپ مناسب: پمپی را انتخاب کنید که برای شرایط کاری مورد نظر مناسب باشد و دارای NPSH کافی باشد.
کاویتاسیون و پیتینگ می‌توانند تاثیرات منفی زیادی بر عمر و کارایی پمپ‌ها داشته باشند. این پدیده‌ها می‌توانند باعث موارد زیر شوند:
کاهش عمر پمپ: کاویتاسیون و پیتینگ می‌توانند باعث آسیب به قطعات پمپ مانند پروانه و بدنه شوند و در نتیجه عمر پمپ را کاهش دهند.
کاهش کارایی پمپ: کاویتاسیون و پیتینگ می‌توانند باعث کاهش جریان و فشار پمپ شوند و در نتیجه کارایی آن را کاهش دهند.
ایجاد صدا و لرزش: ترکیدن حباب‌های بخار در پمپ میتواند باعث ایجاد صدای آزاردهنده و لرزش در پمپ شود.
سوراخ شدن قطعات: با مرور زمان پیتینگ میتواند ایجاد سوراخ بر روی سطوح پروانه و محفظه پمپ کند.