3. Cavitatie

3. Cavitatie

Definitie van cavitatie

Als lokaal in de pomp een gebied bestaat waar de statische druk lager is dan de dampdruk van de vloeistof, ontstaan er dampbellen. Dit ontstaan van dampbellen wordt cavitatie genoemd. De cavitatie ontstaat door een lokale versnelling van de vloeistof, waarbij de statische druk wordt omgezet in kinetische energie. Dit kan gebeuren bij de instroomopening van de waaier of aan het begin van de schoepen, waar de laagste druk heerst die in de pomp aanwezig is. Daarom is het van groot belang, dat op deze plaatsen de statische druk niet lager wordt dan de verzadigde dampspanning van de vloeistof.

Het begin van de vorming van dampbellen wordt cavitatie-inceptie genoemd. Terwijl de bellen groeien, worden ze meegevoerd met de stroming tot een gebied in de pomp, waar een hogere druk heerst, waar de dampbellen imploderen.

3.1 Op deze foto zijn de cavitatiebellen duidelijk zichtbaar.

Bij de implosie van deze dampbellen komen in zeer korte tijd op een klein oppervlak erg grote krachten vrij. Deze krachten kunnen oplopen van 1.000 – 10.000 bar. Door deze implosies worden pomponderdelen belast met wisselende krachten, waardoor vermoeidheidsverschijnselen en breuken op kunnen treden. Een bekend voorbeeld zijn de gietijzeren waaiers, die in meer of mindere mate afbrokkelen door de implosies van de dampbellen.

Grote cavitatiebellen vernauwen bovendien de doorgang van de vloeistof, waardoor de lokale snelheid verhoogd wordt, wat het ontstaan van cavitatie nog versterkt. Het werkgebied van een pomp in een leidingsysteem waarbij geen cavitatie optreedt, is gedefinieerd als de range in volumestroom waar de NPSH_a > NPSH_r + 0,5 meter.

Methoden om cavitatie vast te stellen

Er zijn verschillende manieren om cavitatie bij centrifugaalpompen te constateren:

1. Cavitatie gaat gepaard met een scherp “raspend”, “ruisend”, “knetterend” geluid, wat ook wel eens omschreven wordt als het geluid van knikkers in het pomphuis. Cavitatiegeluid is goed meetbaar met een oscilloscoop

3.2 Akoestisch signaal: cavitatievrij.                          3.3 Akoestisch signaal: cavitatie-inceptie.

2. De opvoerhoogte van de pomp wordt minder hoog. Door de ruime aanwezigheid van dampbellen in de pomp komt de centrifugale werking van de pomp in gevaar. Door deze vermindering van de centrifugale werking neemt de opvoerhoogte af, wat duidelijk herkenbaar is aan een onrustige manometeruitlezing. Niet alleen de opvoer-hoogte, maar ook de capaciteit die de pomp kan leveren onder cavitatieomstandigheden, zal afnemen.

3. Door cavitatie ontstaat er afname van het materiaal. Als een pomp langdurig onder cavitatieomstandigheden moet functioneren, zal er schade aan de pomp optreden. Deze schade is duidelijk herkenbaar aan het optreden van putjes en het ontstaan van een zogenaamd “maanlandschap” op langere termijn. Hoe ruwer de materialen in de pomp worden, des te sneller zal de afname van materiaal door de implosie van dampbellen plaats vinden.

4. Door het reduceren van de vloeistofafname door een afsluiter in de persleiding gedeeltelijk te sluiten, is vast te stellen of het “cavitatiegeruis” wel echt cavitatie is of veroorzaakt wordt door vervuiling in het pomphuis of de waaier. Door het gedeeltelijk afsluiten van de persleiding zal de capaciteit die de pomp moet leveren, minder worden en zal ook de stroomsnelheid in de zuigleiding afnemen. Hierdoor kan het ontstaan van dampbellen voorkomen worden. Als door het gedeeltelijk afsluiten geen cavitatieverschijnselen meer waarneembaar zijn, is met zekerheid vast te stellen dat er inderdaad sprake was van cavitatie in de pomp. Hierna kunnen maatregelen genomen worden om het ontstaan van cavitatie in de toekomst te voorkomen.

Voor pompen met een constante volumestroom (stabiele QH-curve) is het gebruikelijk dat de door de fabrikant opgegeven NPSH_r het punt is waarop de pomp, bij een bepaalde volumestroom, de opvoerhoogte met 3% vermindert. Dit punt wordt dan aangegeven als het cavitatiebeginpunt en de NPSH_r grafiek, als functie van de volumestroom, is gewoonlijk hierop gebaseerd. Op dit punt kunnen er al dampbellen ontstaan en een lichte vorm van cavitatie optreden.

3.6 Het ontstaan en de explosieve groei van cavitatie-inceptie, opgenomen met een ultra high-speed video camera.

3.7 Het verdwijnen van cavitatie-inceptie na een explosieve groei, opgenomen met een ultra high-speed video camera.

Daarom kan niet in alle gevallen gewerkt worden met de NPSH_r waarde. Bij alle soorten pompen moet cavitatie vermeden worden om de levensduur van de pompdelen niet negatief te beïnvloeden.

Inducers

Om cavitatie te verminderen of te voorkomen, wordt in de praktijk vaak gebruik gemaakt van zogenaamde inducers. Een inducer is een extra waaier met een speciale vorm die voor de pompwaaier gemonteerd wordt. De inducer verhoogt geleidelijk de statische druk van de instromende vloeistof. Dit verlaagt de vereiste NPSH_r, maar door de extra verliezen die optreden door de inducer, wordt het rendement van de pomp lager. Voor een centrifugaalpomp met een correct ontworpen inducer zijn veel hogere specifieke zuigsnelheden toelaatbaar dan voor een centrifugaalpomp zonder inducer. Aanbevolen stroomsnelheid in de zuigleiding voor een pomp zonder inducer bedraagt 0,5 – 1,5 m/s.

De stroomsnelheid in de zuigleiding voor een pomp met inducer mag hoger zijn.

3.8 Principe van het verschil in benodigde NPSH door toepassing van een inducer.