Was sind Kavitation und Flashing?

In Flüssigkeitssystemen, die Hochdrucktropfen enthalten, kann es zu Kavitation und Flashing kommen. Damit beide Phänomene auftreten, muss der Druck im System unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fallen. Das Ergebnis ist, dass sich ein Teil oder die gesamte Flüssigkeit in Gasblasen verwandelt, die im Inneren von Bauteilen schwere Schäden verursachen können, typischerweise in Form einer Grube, wie in Abbildung 1 zu sehen. Diese Schäden können die Durchflussregelung eines Ventils einschränken oder zu einem Leck in einer Leitung führen. Daher ist es bei der Konstruktion eines Flüssigkeitsmediumsystems wichtig zu verstehen, warum Kavitation und Flashen auftreten, um beides zu vermeiden.

Inhaltsübersicht

• Was ist Kavitation?
• Was ist Blinken?
• Kavitation und Beschädigung der Abdeckungen
• Vorhersage von Kavitation und Flashen
• FAQs

Was ist Kavitation?

Es ist nützlich, ein Wasserphasendiagramm zu verwenden, um zu verstehen, wie Kavitation und Flashen entstehen. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, hat Wasser drei Phasen: fest, flüssig und gasförmig. Wasser wechselt zwischen diesen Phasen, wenn sich die Temperatur oder der Druck ändert. Der Ausgangspunkt (Abbildung 2 mit der Bezeichnung A) im Diagramm zeigt flüssiges Wasser. Im Haushalt ist es üblich, die Temperatur des Wassers zu erhöhen, um es zum Kochen zu bringen (Abbildung 2 mit B gekennzeichnet). Wasser kann jedoch auch ohne Temperaturerhöhung in die Gasphase übergehen, indem der lokale Druck um das Wasser herum gesenkt wird (Abbildung 2 mit der Bezeichnung C). Sowohl Temperatur als auch Druck spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Kavitation und Flashing in Flüssigkeitstransportsystemen. Bei hohen Temperaturen können minimale Druckverluste zu Kavitation und Flashen führen. Die Beibehaltung der normalen Wassertemperaturen schafft nicht sofort Abhilfe, da in den Systemen häufig große Druckabfälle auftreten.

Die Kavitation ist ein zweistufiger Prozess:

1. Bei konstanter Temperatur gehen einige flüssige Medien in die Gasphase über, wenn das Medium eine Druckzone unterhalb des Dampfdrucks der Flüssigkeit durchläuft. Der Dampfdruck ist der Druck, bei dem eine Flüssigkeit in ein Gas übergeht.
2. Wenn die Blasen in eine Druckzone oberhalb des Dampfdrucks gelangen, werden sie instabil und implodieren.

Bei der Implosion entsteht eine Schockwelle, die sich in alle Richtungen ausbreitet. Wenn sich die Stoßwelle innerhalb eines Blasendurchmessers einer Begrenzung (z. B. Ventilsitz, Rohrwand und Pumpenlaufrad) befindet, kann sie Systemkomponenten beschädigen. Wenn eine Blase in der Nähe einer Grenze implodiert, verlangsamt die Grenze die Strömung auf der Grenzseite der Blase. Die Flüssigkeit auf der gegenüberliegenden Seite der Blase fließt also schneller und erzeugt Mikrostrahlen, die auf die Grenzfläche treffen und eine Grube bilden. Wenn Kavitation auftritt, klingt sie im Anfangsstadium wie ein zischendes Geräusch. In fortgeschrittenen Kavitationsstadien reichen die Geräusche jedoch von kiesig (mittlere Kavitation) bis hin zu einem lauten Brüllen (hohe Kavitation).

Kavitationsfaktoren

Neben einer Zone mit niedrigem Druck tragen vier weitere Faktoren zur Kavitation bei:

• Nuclei: Die Verdampfung kann nicht ohne eine Schnittstelle erfolgen. Zum Beispiel ist die Schnittstelle für Wasserdampf, der von kochendem Wasser aufsteigt, die Wasseroberfläche. In einem geschlossenen Flüssigkeitssystem bilden jedoch Kerne diese Schnittstelle. Keime sind in der Regel freie Luftblasen, die sich entlang der Grenzfläche (z. B. der Rohrwand) befinden oder in einem Spalt oder Loch in einem schwebenden Feststoff eingeschlossen sind.
• Umgebungsdruck: Wenn der Flüssigkeitsdruck unmittelbar um die Gasblasen herum über dem Dampfdruck liegt, implodieren die Blasen.
• Turbulenzen: Eine Flüssigkeit, die durch eine Öffnung fließt, unterliegt Turbulenzen, die Wirbel erzeugen, d. h. kreisförmige Wasserströmungen. Der Druck innerhalb dieser Wirbel ist viel niedriger als der Umgebungsdruck, was zur Blasenbildung und Implosion führt. Wirbel bewegen sich durch Niederdruck-Trennungszonen. Die Größe dieser Zonen und damit die Zeit, die die Wirbel in ihnen verbringen, nimmt mit der Ventilgröße zu.
• Druckrückgewinnung: In einem typischen Ventil erfolgt die Druckwiederherstellung (d. h. der lokale Druck steigt über den Dampfdruck) unmittelbar nach der engsten Durchflussstelle (vena contracta). Es ist üblich, dass die Druckrückgewinnung den Dampfdruck übersteigt, was zur Implosion der Blasen führt. Einige Ventile sind so konstruiert, dass die Druckrückgewinnung weiter stromabwärts von der Vena contracta erfolgt, so dass implodierende Blasen die Ventilkomponenten nicht beschädigen.

Was ist Blinken?

Flashing ist das Anfangsstadium der Kavitation: Flüssigkeit geht in Gas über, wenn sie eine Zone mit einem niedrigeren Druck als dem Dampfdruck durchläuft. Der Unterschied zwischen Flashen und Kavitation besteht jedoch darin, dass beim Flashen der Druck nicht über den Dampfdruck steigt und die Blasen nicht implodieren. Allerdings kann ein Ventil durch viele Blasen im Durchfluss verstopft werden. Drosselung bedeutet, dass die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, der Druck aber nicht abnimmt. In diesem Fall strömen die Wasserstrahlen mit hoher Geschwindigkeit an den Blasen vorbei. Diese Strahlen können auf Grenzen treffen und Schäden verursachen.

Kavitation und Beschädigung der Abdeckungen

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, ist ein typischer Kavitationsschaden eine verkraterte Oberfläche. Diese Krater entstehen durch den Einschlag von Schallwellen und Mikrostrahlen. Diese Art der Beschädigung ist mechanisch. Kavitation kann auch chemische Korrosion verursachen. Normalerweise begrenzt eine Oxidschicht auf der Oberfläche der Grenzfläche die Korrosion. Schwache Kavitation kann immer noch stark genug sein, um die Oxidschicht abzutragen, was zu Korrosionsschäden an der Grenzfläche führt.

Das Gas-Flüssigkeits-Gemisch des Flashings ist abrasiv und verursacht ähnliche Schäden wie die Kavitationskorrosionsschäden im vorherigen Abschnitt. Abbrandschäden hinterlassen eine glatte und glänzende Oberfläche.

Verringerung von Schäden durch Kavitation und Blitzen

Der beste Weg, um Schäden durch Kavitation und Flashen zu reduzieren, besteht darin, die Möglichkeit des Auftretens beider Phänomene zu minimieren. Kavitation lässt sich auf verschiedene Weise verhindern:

• Belüftung: Die Belüftung der Flüssigkeit füllt viele Hohlräume aus und kann zu gasförmiger Kavitation führen. Bei diesem Kavitationsprozess implodieren die Blasen langsam. Daher kommt es nicht zu heftigen Stoßwellen und Mikrostrahlen.
• Mehrere Ventile: Verwenden Sie mehrere Ventile, normalerweise zwei, wenn ein System einen großen Druckabfall erfordert. Jedes Ventil senkt den Druck mäßig ab und verringert so die Gefahr, dass der Druck in einem der Ventile unter den Dampfdruck fällt.
• Gestufte Druckrückgewinnung: Bestimmte Ventile (z. B. einige Nadelventile) haben eine Auslasskonstruktion, die allmählich an Breite zunimmt. Dadurch wird der Druck um die sich bildenden Blasen allmählich und nicht auf einmal erhöht. In diesem Fall ist es weniger wahrscheinlich, dass die Blasen in der Nähe der Ventilkomponenten implodieren.

Wenn die Systemfaktoren dazu führen, dass der Druck unter den Dampfdruck einer Flüssigkeit fällt, lässt sich ein Flashen nicht vermeiden. Die Auskleidung des Ventilauslasses mit einem gehärteten Material kann jedoch die Bauteile schützen. Lesen Sie mehr über die Vermeidung von Kavitation und Flashen in unserem Leitfaden über Kavitation in Pumpen, Ventilen und Rohren.

Vorhersage von Kavitation und Flashen

Kavitation und Flashen sind mit dem Sigma Cavitation Index vorhersehbar. Sigma ist:

Wo:

• PV: Der Dampfdruck der Flüssigkeit bei Fließtemperatur
• P1: Vorgelagerter Druck
• P2: Nachgeschalteter Druck

Basierend auf dem Ergebnis der Proportion kann der Sigma Cavitation Index (siehe Tabelle 1) einem Systementwickler helfen, Kavitation vorherzusagen.

Tabelle 1: Der Sigma-Kavitationsindex

σ ≥ 2.0	Keine Kavitation
1.7 < σ < 1.7	Eine gehärtete Garnitur kann ein Ventil ausreichend schützen.
1.5 < σ < 1.7	Leichte Kavitation. Eine einstufige Garnitur kann ein Ventil ausreichend schützen.
1.0 < σ < 1.5	Starke Kavitation ist möglich. Ergreifen Sie Maßnahmen zur Vermeidung von Kavitation.
σ < 1.0	Blinkend

Ziehen Sie auf der Grundlage des Sigma Cavitation Index die folgenden Schlussfolgerungen:

• Die Möglichkeit der Kavitation verringert sich mit zunehmender Differenz zwischen dem Eingangsdruck und dem Dampfdruck. Mit anderen Worten: Eine Flüssigkeit mit hohem Druck und niedrigem Dampfdruck neigt weniger zur Kavitation.
• Je geringer der Unterschied zwischen dem Druck vor und hinter der Pumpe ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Kavitation.

FAQs

Ist Kavitation dasselbe wie Blinken?

Nein. Flashing bedeutet, dass Flüssigkeit in Dampfblasen übergeht, während Kavitation bedeutet, dass Flüssigkeit in Dampfblasen übergeht und diese Blasen dann implodieren. Ersteres ist der Fall, wenn der Druck im System unter den Dampfdruck fällt und nicht wieder ansteigt. Letzteres ist der Fall, wenn der Druck im System unter den Dampfdruck fällt und dann wieder über den Dampfdruck ansteigt.

Wie kann Kavitation verhindert werden?

Eine Methode zur Vermeidung von Kavitation besteht darin, sicherzustellen, dass der Druckabfall durch ein Ventil den örtlichen Druck nicht unter den Dampfdruck des flüssigen Mediums fallen lässt.