Cavitation là gì? Nguyên nhân, ảnh hưởng và cách ngăn ngừa
Khi đặt ra câu hỏi “cavitation là gì”, điều quan trọng là phải hiểu rằng đây là hiện tượng xảy ra trong hệ thống bơm, đặc trưng bởi sự hình thành và nổ của các bong bóng hơi do sự thay đổi áp suất. Các bong bóng hơi này có thể gây hư hỏng đáng kể cho các bộ phận kim loại, tạo ra nhiều tác động tiêu cực làm giảm hiệu suất và hao mòn thiết bị.
Nội dung chính
1. Khái niệm cavitation
1.1 Hiện tượng cavitation là gì?
Cavitation (hiện tượng xâm thực) là sự hình thành và sụp đổ của các bọt khí hoặc khoang hơi trong chất lỏng do sự thay đổi áp suất. Khi chất lỏng di chuyển qua một vùng có áp suất thấp, nó có thể sôi và tạo ra các bọt khí. Khi áp suất tăng trở lại, các bọt khí này vỡ ra, tạo ra sóng xung kích mạnh gây hư hỏng bề mặt vật liệu.
Hiện tượng cavitation thường xuất hiện trong các thiết bị thủy lực như bơm, cánh quạt, van, tua-bin nước và động cơ tàu thủy. Nếu không được kiểm soát, cavitation có thể gây ra những tổn thất nghiêm trọng về hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
1.2 Pump cavitation
Hiện tượng xâm thực có thể xảy ra ở tất cả các loại máy bơm và vì nguyên lý của chúng về cơ bản là giống nhau.
Đối với máy bơm ly tâm hay máy bơm hút chân không, khi hiện tượng pump cavitation xảy ra, các bong bóng khí trong chất lỏng có thể hình thành nhanh chóng, sau đó vỡ ra. Các bong bóng nhỏ tạo ra do áp suất thay đổi bên trong máy bơm sẽ vỡ ra và tạo ra sóng xung kích xảy ra liên tục, điều này lặp đi lặp lại sẽ làm mòn các thành phần. Trong nhiều trường hợp, lực tạo bọt đủ mạnh để làm thủng các bộ phận kim loại của máy bơm, như cánh bơm, và làm hỏng phớt máy bơm.
1.3 Cách nhận biết pump cavitation
Tiếng động do xâm thực cavitation gây ra giống như tiếng bi ve hoặc sỏi chảy qua máy bơm, đường ống hoặc ống mềm. Các bong bóng xâm thực vỡ ra phát ra năng lượng đáng kể, bao gồm âm thanh và sóng xung kích. Tác động của hiện tượng xâm thực kéo dài có thể nhìn thấy trên cánh bơm và các thành phần khác.
Các dấu hiệu điển hình của hiện tượng pump cavitation:
- Tiếng ồn:
- Rung động bất thường
- Lỗi phớt/vòng bi
- Xói mòn cánh quạt
- Tiêu thụ điện năng cao hơn bình thường.
2. Nguyên nhân gây ra hiện tượng cavitation
2.1 Nguyên nhân chung của cavitation
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến cavitation, trong đó phổ biến nhất bao gồm:
Áp suất thấp cục bộ
Khi chất lỏng chảy qua một vị trí có áp suất thấp (như vùng sau cánh quạt bơm), áp suất có thể giảm xuống dưới áp suất bay hơi của chất lỏng, dẫn đến sự hình thành bọt khí.
Tốc độ dòng chảy cao
Dòng chảy với tốc độ cao có thể làm giảm áp suất cục bộ và tạo ra các vùng chân không, khiến chất lỏng bay hơi và sinh ra bọt khí.
Nhiệt độ cao
Nhiệt độ cao làm giảm áp suất bay hơi của chất lỏng, khiến nó dễ dàng chuyển thành hơi hơn khi áp suất giảm.
Thiết kế không tối ưu
Các vấn đề trong thiết kế như góc nghiêng không hợp lý, đường kính ống dẫn nhỏ, hoặc các chướng ngại vật trên đường đi của chất lỏng có thể gây ra hiện tượng cavitation.
2.2 Tại sao cavitation xảy ra ở máy bơm?
Máy bơm được thiết kế để hoạt động với nguồn cung cấp nước đầy đủ, nhưng trong một số trường hợp, đầu vào ngập nước không đủ để duy trì áp suất cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực. Đầu vào của máy bơm, hoặc phía hút, là điểm có áp suất thấp nhất trong một máy bơm nhất định. Duy trì áp suất đầu vào thích hợp là rất quan trọng để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực, vì các nhà sản xuất đánh giá nó để thiết lập giới hạn vận hành an toàn cho máy bơm. Đối với máy bơm dịch chuyển tích cực, áp suất thấp nhất xảy ra ngay trước khi roto ăn khớp; đối với máy bơm ly tâm, áp suất thấp nhất là gần mắt của cánh quạt.
Tình trạng đầu vào của máy bơm kém
Sự gián đoạn dòng chảy có thể có nhiều nguyên nhân, từ thiết kế hệ thống đến sự xuống cấp của thành phần. Các nguyên nhân phổ biến gây gián đoạn dòng chảy dẫn đến hiện tượng sủi bọt:
- Đường ống dẫn nước vào quá dài
- Độ nhớt của chất lỏng cao hơn dự kiến
- Đầu vào bị tắc
- Bộ lọc và bộ lọc bị tắc
- Ống dẫn nước vào bị hạn chế hoặc bị vỡ
- Máy bơm kém
Sự gián đoạn trong hệ thống dòng chảy chất lỏng có thể dẫn đến hiện tượng xâm thực, khi áp suất giảm sẽ khiến các bọt hơi hình thành và vỡ ra, làm hỏng các bộ phận của máy bơm.
Xả bọt khí
Một số chất lỏng lưu thông bên trong bơm ở áp suất xả cực cao. Van xả không được điều chỉnh đúng cách có thể dẫn đến hiện tượng xâm thực bằng cách gây ra sự tuần hoàn hút và dao động áp suất. Chất lỏng bị kẹt giữa cánh quạt và vỏ bơm ở vận tốc rất cao gây ra sự sụt áp, tạo ra các điều kiện tương tự như đối với hiện tượng bọt khí.
3. Những ảnh hưởng của cavitation
Hiện tượng cavitation có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hệ thống thủy lực và các thiết bị cơ khí, bao gồm:
Mài mòn và hư hỏng bề mặt
Sự sụp đổ của các bọt khí tạo ra sóng xung kích mạnh, làm ăn mòn bề mặt kim loại, gây ra hư hại nghiêm trọng theo thời gian.
Giảm hiệu suất thiết bị
Cavitation làm giảm hiệu suất hoạt động của bơm và tuabin, dẫn đến sự tiêu hao năng lượng và giảm hiệu quả vận hành.
Tăng độ ồn và rung động
Sự sụp đổ của các bọt khí tạo ra tiếng ồn lớn và làm tăng độ rung động của thiết bị, có thể ảnh hưởng đến quá trình vận hành.
Hỏng hóc sớm
Nếu cavitation không được kiểm soát, thiết bị có thể bị hỏng hóc sớm hơn so với tuổi thọ dự kiến, dẫn đến chi phí bảo trì và thay thế cao. Hiện tượng xâm thực có thể dẫn đến xói mòn nghiêm trọng các bộ phận của máy bơm, bao gồm phớt và ổ trục, do sự hình thành và nổ của các bong bóng hơi xung quanh cánh bơm.
4. Làm thế nào để ngăn ngừa cavitation?
4.1 Những lưu ý chung
Như trên, bạn đã biết cavitation là gì cũng như những ảnh hưởng tiêu cực của nó. Vậy ngăn ngừa những tác động tiêu cực của cavitation bằng cách nào?
Bắt đầu bằng cách xác định nguyên nhân gây ra sự sụt áp. Khi lực hút quá cao không duy trì được áp suất, hãy di chuyển máy bơm gần nguồn chất lỏng hơn hoặc di chuyển nguồn chất lỏng gần máy bơm hơn.
Việc mở rộng đường ống hút cũng có thể hiệu quả. Trong một số trường hợp rõ ràng, tắc nghẽn xảy ra ở đường ống hoặc ống mềm gần máy bơm. Loại bỏ các tắc nghẽn đó để giải quyết vấn đề. Làm sạch đường ống hút bằng cách loại bỏ các mảnh vụn. Tránh thổi các mảnh vụn trở lại nguồn chất lỏng vì có khả năng tạo ra tắc nghẽn một lần nữa.
Không vượt quá những hướng dẫn về hiệu suất của nhà sản xuất máy bơm. Đường cong của máy bơm cho bạn biết lượng áp suất hút mà máy bơm yêu cầu, vì vậy hãy kiểm tra đường cong hiệu suất của máy bơm để đảm bảo máy bơm có thông số kỹ thuật phù hợp với ứng dụng của bạn.
Để giảm thiểu hoặc ngăn chặn hiện tượng cavitation, cần áp dụng một số biện pháp sau:
Tối ưu hóa thiết kế
- Chọn đường kính ống và hình dạng cánh quạt phù hợp để giảm thiểu sự thay đổi áp suất đột ngột.
- Tránh các góc nhọn hoặc chướng ngại vật trên đường chảy của chất lỏng.
Kiểm soát tốc độ dòng chảy
- Điều chỉnh tốc độ bơm và áp suất để giảm nguy cơ hình thành bọt khí.
- Sử dụng bộ điều chỉnh lưu lượng và van giảm áp khi cần thiết.
Giữ nhiệt độ chất lỏng ổn định
- Tránh để nhiệt độ chất lỏng tăng quá cao, vì điều này có thể làm tăng nguy cơ cavitation.
- Lắp đặt hệ thống làm mát nếu cần thiết.
Bảo trì định kỳ
- Kiểm tra thường xuyên các thiết bị thủy lực để phát hiện sớm các dấu hiệu cavitation.
- Thay thế hoặc sửa chữa các bộ phận bị hư hỏng trước khi chúng gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn.
4.2 Ngăn ngừa các dạng cavitation cụ thể
Xâm thực bay hơi
Hãy thử làm như sau:
- Giảm tốc độ động cơ (RPM). Lưu ý: Giảm tốc độ bơm sẽ làm giảm lưu lượng và áp suất đầu.
- Lắp đặt bộ phận tạo lực đẩy cánh quạt
- Kết hợp một máy bơm tăng áp vào hệ thống máy bơm của bạn. Điều này sẽ giảm bớt áp lực cho máy bơm chính của bạn.
- Nếu có thể, hãy giảm nhiệt độ của máy bơm, chất lỏng và/hoặc các bộ phận khác.
- Tăng mức chất lỏng xung quanh khu vực hút.
- Nếu có thể, hãy cố gắng tăng đường kính của mắt ở tâm cánh quạt.
Xâm thực nhiễu loạn
- Các bước phòng ngừa:
- Đánh giá tất cả các chi tiết để đảm bảo chúng có thể chịu được áp lực của lưu lượng, thể tích và đặc tính của chất lỏng được vận chuyển. Thay thế các thành phần/phụ kiện khi cần thiết.
- Đảm bảo bạn không vượt quá hướng dẫn về hiệu suất của nhà sản xuất máy bơm. Một hệ thống máy bơm bị đẩy quá mạnh chắc chắn sẽ hỏng.
- Tăng kích thước đường ống hút của máy bơm để giảm nhiễu loạn
Xâm thực cánh quạt
Ngăn ngừa hiện tượng xâm thực cánh quạt tương đối dễ. Đảm bảo rằng khoảng trống giữa cánh quạt và vỏ cánh quạt bằng 4% đường kính cánh quạt hoặc hơn. Nếu ít hơn thì hiện tượng bọt khí sẽ bắt đầu.
Xâm thực tái lưu thông bên trong
Để ngăn ngừa loại hiện tượng này, hãy thực hiện theo quy trình sau:
- Mở van xả hạn chế của máy bơm và kiểm tra bên trong xem có bị tắc nghẽn không.
- Loại bỏ mọi mảnh vụn hoặc cặn bẩn tích tụ ở bộ lọc hạ lưu.
- Đảm bảo van kiểm tra đã được lắp đặt đúng cách. Một lỗi thường gặp trong quá trình lắp đặt là van này được lắp ngược.
- Kiểm tra van xả và đảm bảo rằng van đang mở và không đóng.
- Đánh giá áp suất tại đường xả. Nếu có vấn đề về áp suất đầu thì có thể là do đầu phun không đáp ứng được công việc và cần được thay thế hoặc hệ thống đang hoạt động gần đầu đóng.
Xâm thực hút không khí
Đây có thể là một điều khó ngăn ngừa. Ngay cả lượng không khí nhỏ nhất bị hút vào hệ thống theo thời gian cũng có thể gây ra hiện tượng rỗ khí. Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống lắp đặt của bạn bằng lược răng mịn để đảm bảo tất cả các mối nối và kết nối được bịt kín đúng cách là cách tiếp cận tốt nhất.
Ngăn ngừa loại hiện tượng này bằng cách:
- Kiểm tra thường xuyên các vòng nối trên bất kỳ đường ống hút nào để đảm bảo chúng không bị hỏng.
- Đánh giá xem chất lỏng tạo bọt có gây ra sự tích tụ bọt khí hay không. Nếu có, hãy chạy hệ thống chậm hơn hoặc định kỳ làm rỗng toàn bộ hệ thống, bao gồm cả không khí.
- Kiểm tra tất cả các vòng đệm chữ O và các phớt cơ khí thứ cấp.
- Đảm bảo tất cả đường ống không có vết nứt hoặc dấu hiệu bị xói mòn.
- Đảm bảo rằng tất cả vật liệu hệ thống đều có khả năng xử lý chất lỏng bạn định vận chuyển. Chất lỏng nhớt, mài mòn hoặc có tính axit có thể làm mòn vật liệu đến mức không khí có thể bị hút vào hệ thống.
- Kiểm tra thường xuyên các van, khớp nối và bất kỳ vị trí nào khác có khả năng hỏng hóc tại một thời điểm nào đó. Ngay khi có dấu hiệu hỏng hóc, hãy thay thế.
5. Ứng dụng của cavitation trong thực tế
Mặc dù cavitation thường gây ra những ảnh hưởng tiêu cực, nhưng trong một số trường hợp, nó cũng được ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau như:
Làm sạch bằng sóng siêu âm
Cavitation được ứng dụng trong công nghệ làm sạch siêu âm, giúp loại bỏ bụi bẩn và dầu mỡ trên bề mặt vật liệu.
Xử lý nước
Cavitation có thể được sử dụng để tiêu diệt vi khuẩn và làm sạch nước một cách hiệu quả.
Công nghệ y tế
Trong y học, cavitation được ứng dụng trong phương pháp tán sỏi bằng sóng xung kích và các thiết bị siêu âm.
Kết luận
Cavitation là một hiện tượng quan trọng trong ngành cơ khí và thủy lực, có thể gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng nếu không được kiểm soát đúng cách. Tuy nhiên, nếu được ứng dụng hợp lý, cavitation cũng mang lại nhiều lợi ích trong các lĩnh vực như làm sạch, xử lý nước và y tế. Bằng cách hiểu rõ hiện tượng cavitation là gì, cũng như nguyên nhân, hậu quả và các biện pháp phòng tránh, chúng ta có thể tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị liên quan.
>>> Tham khảo thêm các bài viết khác:
Puly là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế
Puly là gì? Đây là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động, giúp thay đổi hướng và truyền lực hiệu quả trong máy móc công nghiệp, ô tô, thang máy và nhiều thiết bị khác. Với đa dạng chủng loại như puly đai thang, puly đai răng, puly côn…, mỗi loại đều […]
Cách hút chân không máy lạnh đúng kỹ thuật
Hút chân không là một bước quan trọng trong quá trình lắp đặt và bảo dưỡng máy lạnh. Nó đảm bảo hệ thống hoạt động đồng bộ, tăng tuổi thọ và giảm nguy cơ hỏng hóc. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn cách hút chân không máy lạnh đúng chuẩn kỹ […]
Sấy thăng hoa là gì? Khái niệm, ứng dụng và những thông tin cần biết
Sấy thăng hoa, hay còn gọi là công nghệ sấy đông khô (freeze-drying), là một phương pháp loại bỏ nước ra khỏi vật liệu thông qua quá trình thăng hoa. Bạn đã biết sấy thăng hoa là gì, và những ưu nhược điểm của công nghệ nay hay chưa? Bài viết dưới đây sẽ giúp […]
Sửa máy hút chân không tại Hà Nội: Dịch vụ chuyên nghiệp từ HCTECH
Trong quá trình sử dụng máy hút chân không hay bơm chân không, những sự cố như máy hút yếu, động cơ hư hỏng là điều khó tránh khỏi. Khi đối mặt với những trường hợp này, tìm kiếm một đơn vị sửa chữa uy tín là điều cần thiết. Bài viết này sẽ cung […]
Sấy chân không là gì? Nguyên lý và ứng dụng của thiết bị sấy chân không
Sấy chân không (vacuum drying) là một kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, phòng thí nghiệm nghiên cứu và quy trình sản xuất để loại bỏ độ ẩm hoặc dung môi khỏi vật liệu dưới áp suất giảm. Công nghệ sấy chân không có tầm quan trọng lớn do […]
