|
<><
|
Kawitacja
nowe aqua-możliwości
|
|
Co to jest kawitacja i na czym polega?
Według Polskiej Normy kawitacja jest to zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnień cieczy, polegające na tworzeniu się, powiększeniu i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern) zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową.
Inaczej, kawitacja jest to zespół zjawisk, podczas których następuje zmiana wody w parę wodną (bąbel pary wodnej), spowodowana miejscowym zmniejszeniem się ciśnienia lub zwiększeniem temperatury, oraz implozja (czyli zapadanie się tegoż bąbla).
Można to wyjaśnić w prosty sposób: wodę można doprowadzić do wrzenia poprzez zmianę temperatury (co jest oczywiste) lub zmianę ciśnienia (wraz ze wzrostem wysokości maleje ciśnienie, co oznacza że np. na wysokości 8848m na Mount Everest potrzebna jest niższa temperatura by doprowadzić wodę do wrzenia - zaledwie 65°C).
Oznacza to, że jeśli temperatura otoczenia będzie nawet bardzo mała to aby doprowadzić wodę do wrzenia, należy zmniejszyć odpowiednio ciśnienie.
Przy spełnieniu tych warunków w cieczy zaczyna pojawiać się bąbel gazu (pary wodnej).
Czas powstawania pojedynczego pęcherzyka kawitacyjnego i jego rozwoju mierzy się w tysięcznych częściach sekundy, a zanik jest jeszcze szybszy.
Ważnym zjawiskiem związanym bezpośrednio z kawitacją jest implozja, czyli zanik bąbla pary wodnej spowodowanej wzrostem ciśnienia lub spadkiem temperatury.
Kawitacji towarzyszą także efekty akustyczne, które możemy zarejestrować uchem (szumy i trzaski).
Są różne rodzaje podziałów opisujących zjawiska kawitacji.
Jednym z takich podziałów jest kształt obłoku kawitacyjnego pojawiającego się za opływanym ciałem:
Wędrująca kawitacja pęcherzykowa - objawia się pęcherzykami, które przesuwają się wzdłuż ciała stałego i stają się widoczne w pobliżu miejsca o minimalnym ciśnieniu.
Kawitacja pęcherzykowa w warstwie ścinania - pęcherzyki narastają na powierzchni ciała stałego i następnie są zrywane przez przepływ.
Kawitacja pasmowa przyłączona - kawitacja pojawiającą się jako kawerna z gładką powierzchnią wypełnioną jednorodną (która posiada ten sam skład) mieszaniną parowo-gazową
Miejscowa kawitacja przyłączona.
Miejscowa kawitacja pęcherzykowa.
Kawitacja wirowa - pojawiająca się w jądrach wirów odrywających się od opływanej przeszkody.
Wpływ na zapoczątkowanie zjawiska ma nie tylko ciśnienie, czy temperatura ale także:
- rodzaj wody (w zależności od tego jak jest zanieczyszczona i ilości gazu jakie w niej są)
- prędkość strugi opływającej ciało
- gęstości wody
- lepkości wody
Zjawisko kawitacji występuje w wielu miejscach (np. w rurach, przewodach wodociągowych, przy pracy śrub okrętowych), wszędzie tam gdzie spadek ciśnienia jest wystarczający.
Najczęściej w życiu codziennym spotkać się z nim możemy gdy gotujemy wodę w czajniku elektrycznym (po włączeniu pojawia się charakterystyczny szum, który właśnie jest kawitacją spowodowany).
Komputerowa symulacja zjawiska kawitacji występująca na łopatkach śruby okrętowej.
Kawitacja powoduje wiele szkód (np. erozje spowodowane zjawiskiem implozji).
Powstaje także w miejscach miejscowego spadku ciśnienia spowodowanego napływem lub opływem strumienia cieczy jakiejś przeszkody.
Jeśli bąbel opływa całe ciało to jest to zjawisko nazywane superkawitacją.
Superkawitacja
Zjawisko superkawitacji jest szczególnym przypadkiem kawitacji.
Generalnie kawitacja jest zjawiskiem powszechnie unikanym i nie pożądanym przez inżynierów, ale nie w tym przypadku.
A powód jest prosty: aby pocisk poruszający się w wodzie pozbawiony był oporów jakie stawia przed nim opływający ją płyn (np. woda).
Każdy zdaje sobie sprawę z siły jaką trzeba włożyć by poruszać się na ziemi w powietrzu i jaką siłę trzeba włożyć by poruszać się w wodzie.
Dlatego też jeśli będzie możliwe stworzenie z otoczenia w jakim porusza się ciało, bąbla gazu, to spowoduje to, iż ciało będzie mogło się poruszać w wodzie praktycznie bez oporów.
Do tego, by możliwe było stworzenie tego zjawiska, używane są kawitatory (urządzenia mające różne kształty za pomocą których mają być wytwarzane wnęki superkawitacyjne).
Wnęki ta mają mieć określoną minimalną wartość po to, by wytworzony bąbel mógł opłynąć całe ciało przed jego zapadnięciem.
Kolejnym problemem jest nie równomierny rozkład ciśnień wewnątrz pęcherza.
Prace nad tym zjawiskiem od dawna są prowadzone przez Rosjan (których pierwszą torpeda była "Szkwał"), a Amerykanie starają się ich dogonić w tych badaniach.
Różne rodzaje kawitatorów mających na celu zapoczątkować zjawisko superkawitacji.
Trzeba zdać sobie sprawę że państwo które będzie w posiadaniu takiej bomby, może zmienić warunki walki na morzu w taki sposób, że przeciwnik nie będzie w stanie się przed nim obronić.
Wystarczy sobie wyobrazić wystrzelenie torpedy, która będzie poruszać się z prędkością taką jak w powietrzu i porównać ją z możliwością manewrową współczesnych łodzi podwodnych (albo zdziwienie pilota samolotu odrzutowego do którego z wody wystartuje rakieta poruszająca się z dużą prędkością).
Obrazek przedstawiający torpedę "Szkwał" z widocznym bąblem kawitacyjnym ją otaczającym i przewodem sterującym
Pompa kawitacyjna
Kawitacja znajduje też zastosowanie w bardziej przyjaznych rzeczach.
Jedną z takich rzeczy jest pompa kawitacyjna (pompa hydrosoniczna).
Urządzenie to zamienia energię mechaniczną na energię cieplną (czyli parę wodną lub ciepłą wodę).
Jest to urządzenie mające sprawność nie mniejszą niż 100% co oznacza, że nie ma strat energii podczas tej wymiany.
Wynalazcą i człowiekiem który to opatentował jest Jim Griggs.
Pompa składa się z wirnika w postaci walca, na którego bocznej powierzchni nawiercone są otwory.
Walcowa (w postaci krótkiej rury) obudowa zamknięta jest dwoma talerzowymi pokrywami, w których osadzone są łożyska i uszczelnienia wału wirnika.
W pokrywach, obudowie znajdują się otwory: wlotowy i wylotowy, przez które przepływa woda (lub inna ciecz).
Wirnik jest takiej wielkości, aby między obudową i bocznymi pokrywami była pewna niewielka przerwa.
Do pompy kawitacyjnej tłoczona jest woda (przez zwykłą pompę do wody, np. od instalacji centralnego ogrzewania).
Gdy wirnik zaczyna się obracać woda wypływa pod wpływem siły odśrodkowej z jego otworów (prędkość obrotowa powinna być odpowiednio duża), w których wytwarza się niskie ciśnienie - następuje obniżenie temperatury wrzenia wody i powstają tysiące małych pęcherzyków pary.
Woda wyrzucana z jednego otworu wpada do następnego i tak w kółko.
W pracujących pompach zaobserwowano, że pęcherzyki nie ulegają implozji przy powierzchni wirnika (nie niszczą go), lecz głównie w otworach wirnika, w samej wodzie.
Powoduje to, że cała energia implozji bąbla pary i wzrostu punktowego ciśnienia (do 100÷1000 MPa) jest przejmowana przez wodę, w postaci wzrostu temperatury.
Ponieważ w pompie powstaje i zanika tysiące pęcherzyków, woda bardzo szybko zwiększa swoją temperaturę tak, że wrze i z pompy wypływa para lub (w zależności od prędkości podawania wody do pompy) ciepła woda.
Pompę można wykorzystać do ogrzewania, destylacji (np. zamiana słonej wody na pitną), szybkiej pasteryzacji, produkcji różnych związków chemicznych (na wejście podajemy dwa różne związki, a na wyjściu otrzymujemy trzeci powstały w wyniku ich reakcji pod wpływem temperatury), do produkcji papieru, mieszania różnych substancji (np. płynu z płynem, płynu z gazem), rafinacji ropy naftowej, itp.
Więcej informacji na temat pompy kawitacyjnej znajdziesz tutaj: http://darmowa-energia.eko.org.pl.
O zjawisku kawitacji można poczytać również:
"Świat nauki" Lipiec 2001
Jan Bagieński "Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych"
przygotował: Rafał Burek
MYZLAB.PL © 2001-2008
Warszawa 07.04.2003