Cavitatie

Algemeen

Cavitatie is het verschijnsel dat in een turbulent bewegende vloeistof de plaatselijke druk lager wordt dan de dampdruk van de vloeistof. Waar water bij atmosferische druk pas bij 100°C gasvormig wordt, treedt dit bij lagere druk, bij een lagere temperatuur op.

Cavitatie is het onvoldoende vullen van de pomp. Bij een onvoldoende toeloop naar de pomp zal de “NPSH beschikbaar” lager zijn dan de “NPSH benodigd”. Mogelijk oorzaken zijn onder andere:

* te hoog toerental
* te kleine toeloopleiding
* te hoge dampdruk
* te lage druk in het toeloopvat

Door bovengenoemde oorzaken zal de vloeistofstroom onvoldoende zijn om de pomp te vullen met als gevolg dat er dampbellen aan de zuigzijde de pomp instromen. Deze dampbellen worden gecomprimeerd en imploderen aan de perszijde. Deze implosies veroorzaken beschadiging aan de pompdelen. Dit zal de pomp uiteindelijk dusdanig beschadigen dat deze haar functie verliest.

Hoe herken je cavitatie bij een pomp?

Cavitatie uit zich door een metaalachtig loopgeruis van de pomp.

Wat is cavitatie:

Als water begint te koken, ontstaan er in het water grote en kleine luchtbellen. We kennen het ontstaan van gasbellen als water gaat koken. Door de hogere temperatuur gaat water over van de vloeibare fase naar de gasfase. Deze faseovergang kunnen we ook bewerkstelligen door de druk in de vloeistof te verlagen. Als de druk laag genoeg is, zullen er gasbellen ontstaan. De vloeistof begint te “koken” bij een lage temperatuur. De gasbellen blijven aanwezig zolang de druk laag genoeg blijft. Wordt de druk langzaam verhoogd, dan worden de gasbellen weer vloeibaar. Maar stijgt te druk te snel, dan kunnen de gasbellen de verandering niet bijhouden. De nog aanwezige gasbellen worden door de hoge druk in elkaar gedrukt en imploderen. Het ontstaan van gasbellen door drukverlaging en het eventueel imploderen van gasbellen door snelle drukverhoging heet cavitatie. (video cavitatie)

Cavitatie komt in de praktijk veel voor. Zo veroorzaken imploderende gasbellen vaak veel schade aan de bladen van scheepsschroeven en centrifugaal pompen, waar de stroming rond de bladen zorgt voor gebieden met hoge en lage druk. De gebieden met hoge druk liggen vaak zo dicht bij het oppervlak van de bladen, dat de bellen dichtbij het oppervlak imploderen en de bladen beschadigen

Door een zo goed mogelijk hydrodynamisch ontwerp wordt er naar gestreefd de cavitatie en de hierdoor veroorzaakte schade zo veel mogelijk te beperken. Het beste is natuurlijk om cavitatie geheel te voorkomen door een optimale afstemming van alle betrokken componenten aan de te verwachten werkomstandigheden. Indien cavitatie niet voorkomen kan worden, wordt geprobeerd deze zo ver mogelijk uit de buurt van kwetsbare plekken te laten plaatsvinden, zodat de schade beperkt blijft.

Gelukig kan cavitatie ook gebruikt worden voor nuttige toepassingen, zoals het identificeren van bepaalde type van schepen. Als cavitatie optreedt, zal dit een kenmerkend geluid veroorzaken. Het geluid van caviterende scheepsschroeven is afhankelijk van het type schip en kan worden gebruikt door onderzeebootbemanningen om het type schip mee te identificeren. Nog nuttige toepassingen van het cavitatie effect zijn het vergruizen van nierstenen en het reinigen van bevuilde oppervlakken.

Cavitatie bij pompen: De wet van Bernoulli verschaft ons meer inzicht: Als de interne druk daalt, moet de snelheid van de vloeistof stijgen. De natuurkundige limiet wordt uiteindelijk bepaald door de dampdruk van de vloeistof, die hoofdzakelijk zal afhangen van de temperatuur. Als de druk beneden deze dampdruk komt vormen er zich in ieder punt binnen de vloeistof dampbellen. De dampbellen worden door de vloeistof verplaatst naar een positie met lagere snelheid en dus een hogere druk. De implosie van deze dampbellen gaat gepaard met zeer grote krachten in een kort tijdsbestek, wat bovendien een zeer klein oppervlak bestrijkt. Het resultaat van deze krachten is dat het pomponderdeel telkens belast wordt met wisselende krachten, het geen kan leiden tot vermoeidheidsverschijnselen en breuken. Het vormen en uiteindelijk imploderen van dampbellen wordt cavitatie genoemd.

Hoe cavitatie te voorkomen

Door een zo goed mogelijk hydrodynamisch  ontwerp wordt er naar gestreefd de cavitatie en de hierdoor veroorzaakte schade zo veel mogelijk te beperken. Het beste is natuurlijk om cavitatie geheel te voorkomen door een optimale vorm en afstemming van alle betrokken componenten en de te verwachten werkomstandigheden. Door bijvoorbeeld plaatsing van een klep naar een deel van de leiding waar de druk hoger is. Of door de drukval per klep te reduceren door meerdere kleppen in serie te plaatsen. Of door de druk in het betreffende deel van het systeem te verhogen (bijvoorbeeld bij pompen). Indien cavitatie niet voorkomen kan worden, wordt geprobeerd deze zo ver mogelijk uit de buurt van kwetsbare plekken te laten plaatsvinden, zodat de schade beperkt blijft. Ook kan gezocht worden naar materiaal dat het geweld van imploderende gasbellen kan weerstaan. Soms worden daarvoor kleppen met keramische delen toegepast.