Cavitation là gì?
Khi áp suất của một chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định được giảm xuống mức áp suất bay hơi tương ứng với nhiệt độ đó, chất lỏng sẽ tạo ra bọt. Hiện tượng hình thành bọt này là Hiện tượng xâm thực trong máy bơm.
Hiện tượng xâm thực xảy ra như thế nào trong máy bơm ly tâm?
Trong quá trình vận hành một máy bơm ly tâm, nếu tại một khu vực cục bộ của các bộ phận đường dẫn dòng chảy (thường là một vị trí nhất định nằm ngay phía sau cửa vào của cánh quạt), vì lý do nào đó, áp suất tuyệt đối của chất lỏng được bơm giảm xuống bằng áp suất bay hơi ở nhiệt độ hiện tại, thì chất lỏng sẽ bắt đầu bay hơi tại vị trí đó, tạo ra hơi nước và hình thành bọt khí.
Các bọt khí này di chuyển theo dòng chất lỏng. Khi chúng đến một vùng áp suất cao nhất định, chất lỏng áp suất cao bao quanh các bọt khí khiến chúng co lại nhanh chóng cho đến khi vỡ tung. Vào thời điểm bọt khí vỡ tung, các hạt chất lỏng lấp đầy khoảng trống với tốc độ cao và va chạm vào nhau, tạo thành một cú sốc thủy lực. Khi hiện tượng này xảy ra trên một bức tường rắn, nó gây ra sự xói mòn và hư hỏng các bộ phận của đường ống dẫn.
Quá trình này là quá trình tạo bọt khí của máy bơm ly tâm.
Các điều kiện gây ra hiện tượng xâm thực
Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng xâm thực là do áp suất cục bộ thấp hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng.
Trong quá trình hoạt động của máy bơm ly tâm, chất lỏng đi vào bánh công tác từ ống hút, và sự thay đổi áp suất của nó diễn ra theo quy luật sau:
Sự sụt áp tại cửa vào:
Trong quá trình từ bể chứa đến cửa vào của máy bơm, do sức cản của đường ống và sự gia tăng tốc độ dòng chảy (sự gia tăng năng lượng động học dẫn đến sự giảm năng lượng áp suất tĩnh), áp suất sẽ giảm dần.
Điểm có áp suất thấp nhất bên trong cánh quạt:
Điểm áp suất thấp nhất thường xuất hiện ngay phía sau phần đầu vào của cánh quạt (khoảng 1/3 chiều dài mép trước của cánh), nơi tốc độ dòng chảy cao nhất và áp suất tĩnh thấp nhất.
Giá trị tới hạn bay hơi:
Khi áp suất tại điểm này giảm xuống bằng áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ chất lỏng hiện tại, chất lỏng bắt đầu bay hơi và tạo thành một lượng lớn bọt hơi.
Toàn bộ quá trình tạo bọt
Hiện tượng xâm thực là một chu trình động bao gồm quá trình hình thành, phát triển và vỡ bọt.
Giai đoạn hình thành bong bóng
Trong vùng áp suất thấp, chất lỏng bay hơi tạo thành các bọt hơi. Đồng thời, các khí hòa tan trong chất lỏng (chẳng hạn như không khí) cũng sẽ được giải phóng, tạo thành các bọt hỗn hợp. Kích thước của các bọt dao động từ vài micromet đến vài milimet, và số lượng của chúng tăng mạnh khi áp suất giảm.
Giai đoạn di chuyển bong bóng
Các bọt khí di chuyển theo dòng chất lỏng vào vùng áp suất cao của cánh quạt (vùng hoạt động của cánh), nơi áp suất tăng lên nhanh chóng. Khi áp suất môi trường vượt quá áp suất hơi, sự ổn định của các bọt khí bị phá vỡ.
Giai đoạn vỡ bong bóng
Các bọt khí vỡ tan ngay lập tức dưới áp suất cao (chỉ trong vài microgiây). Chất lỏng xung quanh tràn vào khoang trống với tốc độ cực cao (có thể lên tới hơn 100 m/s), tạo ra một lực va đập thủy lực mạnh. Quá trình này đi kèm với ba hiện tượng chính:
Tác động cơ học:
Áp suất cục bộ có thể lên tới hàng chục đến hàng trăm MPa, tương đương với việc đập búa tần số cao lên bề mặt kim loại.
Hiệu ứng nhiệt:
Khi các bọt khí vỡ ra, nhiệt ẩn của quá trình bay hơi được giải phóng, và nhiệt độ tại chỗ có thể tăng lên đến 200–300°C.
Sự ăn mòn hóa học:
Nhiệt độ cao làm tăng tốc phản ứng oxy hóa của oxy trên bề mặt kim loại, dẫn đến sự ăn mòn điện hóa.
Các đặc điểm của hiện tượng xâm thực
Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, có thể nhận biết qua các hiện tượng sau:
- Tín hiệu âm thanh: Bên trong máy bơm phát ra tiếng ồn tần số cao giống như tiếng “lách tách” hoặc “lách cách”. Trong những trường hợp nghiêm trọng, tiếng ồn này còn kèm theo tiếng va chạm của kim loại.
- Tín hiệu hình ảnh: Bề mặt cánh quạt cho thấy các dấu hiệu hư hỏng ngày càng nghiêm trọng, bắt đầu từ hiện tượng rỗ → chuyển sang cấu trúc tổ ong → và cuối cùng là thủng lỗ. Các vị trí thường gặp là ở mép vào của cánh quạt và phần lưỡi của vỏ xoắn ốc.
- Những thay đổi về hiệu suất: Lưu lượng, cột áp và hiệu suất của máy bơm đều giảm cùng lúc. Trong những trường hợp nghiêm trọng, có thể xảy ra hiện tượng ngắt dòng.
Các yếu tố gây ra hiện tượng xâm thực:
- Chiều cao lắp đặt: Chiều cao lắp đặt quá cao sẽ làm tăng độ chân không ở đầu vào và đây là nguyên nhân phổ biến nhất. Trong điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn, chiều cao lắp đặt an toàn của máy bơm nước sạch thường không vượt quá 3–5 mét.
- Tính chất của chất lỏng: Sự gia tăng nhiệt độ (tăng áp suất hơi) và hàm lượng khí cao hơn (tăng số lượng hạt nhân bọt) sẽ làm giảm đáng kể khả năng chống xâm thực.
- Điều kiện vận hành: Sự chênh lệch so với lưu lượng thiết kế (đặc biệt là trong điều kiện lưu lượng thấp) sẽ làm gia tăng dao động áp suất bên trong cánh quạt.
- Thiết kế thân bơm: Các thông số hình học như hình dạng cửa vào của bánh công tác và độ cong của cánh quạt có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố áp suất.
Sự khác biệt cơ bản giữa hiện tượng xâm thực và hiện tượng bám khí
Cần phân biệt rõ hai lỗi dễ bị nhầm lẫn sau đây:
| Tính năng | Hiện tượng xâm thực | Gắn kết không khí |
|---|---|---|
| Nguyên nhân gốc rễ | Áp suất cục bộ < áp suất hơi bão hòa | Có không khí bên trong máy bơm nên không thể tạo chân không |
| Giai đoạn xuất hiện | Dần dần xuất hiện trong quá trình vận hành | Xảy ra khi khởi động |
| Hiện tượng điển hình | Tiếng ồn, rung động, giảm hiệu suất, hư hỏng cánh quạt | Không có chất lỏng rò rỉ, không có tiếng ồn rõ rệt |
| Giải pháp | Giảm chiều cao lắp đặt, tăng áp suất đầu vào | Bơm lại và xả khí |
Kết luận chính:
Bản chất của hiện tượng xâm thực là chu trình “sôi–sụp đổ” của chất lỏng trong môi trường áp suất cao. Tác động phá hủy của nó bắt nguồn từ sự kết hợp giữa tác động cơ học và sự ăn mòn hóa học.
Chìa khóa để tránh hiện tượng xâm thực là đảm bảo rằng Độ cao hút dương ròng (NPSHa) có sẵn phải lớn hơn Độ cao hút dương ròng (NPSHr) yêu cầu, và thông thường phải đảm bảo biên độ an toàn ít nhất là 0,3–0,5 m.
Cách phòng ngừa hiện tượng xâm thực trong bơm ly tâm
Cải thiện các thông số cấu trúc của cửa hút bơm
Giải pháp này phù hợp với Công ty Changyu Pump trong các giai đoạn thiết kế và sản xuất máy bơm ly tâm. Phương pháp này hiếm khi được áp dụng tại nhà máy sản xuất.
Lắp đặt một bộ tạo áp suất tại cửa hút của bơm
Việc lắp đặt bộ tạo áp suất có tác động đáng kể đến việc nâng cao khả năng chống xâm thực của bơm ly tâm và giải quyết các vấn đề liên quan đến xâm thực.
Hơn nữa, cấu trúc của sản phẩm này đơn giản, dễ sản xuất và lắp đặt, thuận tiện cho việc vận hành và bảo trì, đồng thời chi phí thấp. Sản phẩm có thể được lắp đặt và đưa vào vận hành dưới sự hướng dẫn kỹ thuật của Changyu Pump mà không ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, và đặc biệt phù hợp để quảng bá và ứng dụng tại các cơ sở sản xuất.
Thiết kế hợp lý đường ống hút và điều chỉnh độ cao lắp đặt
Mặc dù phương pháp này có thể khắc phục được các vấn đề liên quan đến hiện tượng xâm thực, nhưng nó hiếm khi được áp dụng tại các cơ sở sản xuất.
Điều này là do việc điều chỉnh đường ống hút và chiều cao lắp đặt của máy bơm đòi hỏi khối lượng công việc kỹ thuật lớn, chi phí xây dựng cao và bị hạn chế bởi điều kiện thi công. Công việc này chỉ có thể được thực hiện trong thời gian nhà máy ngừng hoạt động hoặc khi tiến hành đại tu.
Đồng thời, do những hạn chế về điều kiện quy trình, việc điều chỉnh đường ống hút và chiều cao lắp đặt sẽ ảnh hưởng đến các công đoạn tiếp theo và gây ra hiệu ứng domino.
Tối ưu hóa các điều kiện vận hành quy trình
Khi điều kiện quá trình cho phép, việc điều chỉnh các thông số vận hành như lưu lượng bơm, cột áp, tốc độ quay và nhiệt độ môi trường làm việc có thể giúp tránh hiện tượng xâm thực.
Kết luận:
Qua bài viết trên, chúng ta đã hiểu được hiện tượng xâm thực xảy ra như thế nào trong máy bơm ly tâm, cũng như cách phòng ngừa hiện tượng này.
Nếu quý khách muốn giải quyết triệt để vấn đề xâm thực, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi. Chúng tôi sẽ thiết kế máy bơm ly tâm phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể của quý khách để đáp ứng các yêu cầu về bơm.
Nếu hiện tượng xâm thực đã xảy ra trong điều kiện làm việc hiện tại của bạn, bạn cũng có thể liên hệ Bơm Changyu Hiện nay, chúng tôi có hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất và nghiên cứu phát triển để giúp quý khách giải quyết các vấn đề liên quan đến hệ thống bơm.
Email: [email protected]
Điện thoại: +86-13651913727
