Σπηλαίωση

Η σπηλαίωση συμβαίνει στα υγρά όταν η πίεση μέσα στον κύλινδρο του κινητήρα ή σε έναν αγωγό είναι μικρότερη από την ταξινομημένη πίεση βρασμού. Αν η σπηλαίωση συμβαίνει πάνω σε στερεή επιφάνεια για μεγάλο χρονικό διάστημα, μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή των τοιχωμάτων του υλικού.

Ο αριθμός σπηλαίωσης σ περιγράφει την τάση ενός υγρού να προκαλέσει σπηλαίωση.

Αίτια

Οι πιο συνήθεις λόγοι για την παρουσία σπηλαίωσης είναι τα μεγάλης ταχύτητας κινούμενα αντικείμενα μέσα στο νερό όπως για παράδειγμα οι τροχοί της περιστροφικής αντλίας, οι τουρμπίνες νερού και οι προπέλες. Σύμφωνα με την αρχή του Bernoulli, όταν η στατική πίεση ενός ρευστού είναι μειωμένη, τόσο υψηλότερη είναι η ταχύτητα του. Όταν η στατική πίεση του υγρού πέφτει χαμηλότερα της πίεσης του ατμού τότε δημιουργούνται φυσαλίδες ατμού.Η στήλη του υγρού κόβεται με αποτέλεσμα να δημιουργούνται φυσαλίδες μέσα στο υγρό. Με επανειλημμένα αυξανόμενη πίεση ο ατμός συμπυκνώνεται και οι φυσαλίδες μαζί με την ταχύτητα του ήχου καταρρέουν υπό τη συνοδεία θορύβου. Συγχρόνως παρουσιάζονται ακραίες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας.

Η αιτία της σπηλαίωσης οφείλεται κυρίως σε τοπικές μειώσεις πίεσης σε διάφορα σημεία μιας αντλίας όπως περιβλήματα, δακτύλιοι κλπ.

Λοιπές αιτίες είναι είτε η αύξηση της θερμοκρασίας του ρευστού, η μείωση της πίεσης από την είσοδο της αντλίας, το μεγάλο γαιοδαιτικό ύψος αναρρόφησης είτε η μείωση του ύψους τροφοδοσίας.

Ισχυρές διακυμάνσεις πίεσης που προξενούν σπηλαίωση, μπορούν επίσης να προκληθούν από υπερήχους. Ταυτόχρονα οδηγεί το ελάχιστο της ταλάντωσης σε σπηλαίωση.

Η σπηλαίωση προκαλείται επίσης από γρήγορη βύθιση ενός σώματος στο νερό.

Το φαινόμενο των φυσαλίδων, οι οποίες προκαλούνται από την τήξη υγρών και εν μέρη ξεφουσκώνουν δεν θεωρείται σπηλάιωση διότι δεν προκαλείται από αυξομειώσεις θερμοκρασίας, αλλά από διακυμάνσεις θερμοκρασίας.

Σχηματισμός και ενδόρρηξη φυσαλίδων σπηλαίωσης

Υπό πίεση 1013,25 hPa, η οποία αντιστοιχεί στην κανονική ατμοσφαιρική πίεση, εξατμίζεται το νερό σε θερμοκρασία 100 °C. Υπό υψηλότερη πίεση είναι η θερμοκρασία εξάτμισης μεγαλύτερη, ενώ υπό χαμηλότερη πίεση συμβαίνει το αντίθετο. Έτσι εξατμίζεται το νερό υπό πίεση 23,37 hPa σε θερμοκρασία 20 °C.

Κατά την εξάτμιση σχηματίζονται φυσαλίδες στο νερό, διότι οι υδρατμοί στους 20 °C χρειάζονται πολύ μεγαλύτερο χώρο απ'ότι το νερό σε υγρή μορφή. Από τη στιγμή που η πίεση του νερού αυξάνεται πάλι, σταματάει η διαδικασία της εξάτμισης. Ο προηγουμένως αναγκαίος χώρος γίνεται απότομα μικρότερος και το νερό πρέπει πάλι να γεμίσει ξανά τον χώρο και ρέει ενδορρηκτικά πίσω, όπου μέσα στο νερό δημιουργούνται κρούσεις, οι οποίες μπορούν να πάρουν τιμές ανώτερες των 100 MPa. Από αυτή τη διαδικασία σχηματίζονται κύματα με υψηλές τιμές πίεσης. Αν βρίσκονται οι φυσαλίδες ατμού κοντά ή πάνω σε στερεό τοίχωμα, όπως για παράδειγμα σε πτερύγια τροχού, τότε σχηματίζεται κατά την ενδόρρηξη ροή, η οποία χτυπά με πολύ μεγάλη ταχύτητα πάνω στα τοιχώματα και φθείρει το υλικό επιβαρύνοντας το με υψηλό φορτίο πίεσης.

Συνέπειες της σπηλαίωσης

Μηχανικές συνέπειες

Το επιφανειακό υλικό λόγω μηχανικών επιβαρύνσεων παραμορφώνεται σε μικρά μικροσκοπικά μέρη. Έπειτα από κάποιο χρονικό διάστημα αποκολλούνται από την επιφάνεια μεγαλύτερα κομμάτια. Ο μηχανισμός αυτής της φθοράς δεν έχει διευκρινιστεί ακόμη.

Η σπηλαίωση δεν είναι επιθυμητή στην υδραυλική. Από τη μία μειώνει τον βαθμό απόδοσης, και από την άλλη οδηγεί σε βλάβη, επειδή από την έκρηξη των κοιλοτήτων δημιουργούνται ακραία υψηλές ταχύτητες, θερμοκρασίες και πιέσεις οι οποίες μπορούν να φθείρουν το υλικό. Για να εμποδιστεί η σπηλαίωση στις αντλίες, πρέπει να ληφθεί υπόψη, ότι η θερμοκρασία του υγρού στην αντλία δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή και σε σχέση με την θερμοκρασία αναρρόφησης να μην γίνει χαμηλότερη. Οι υψηλές θερμοκρασίες δημιουργούνται όταν η αντλία τίθεται σε λειτουργία χωρίς την παρουσία υγρού. Σε αυτή την περίπτωση οφείλεται να γίνει κυκλική τροφοδοσία υγρού ή πρέπει να σταματήσει η λειτουργία της αντλίας.

Στην τεχνολογία πυραύλων η σπηλαίωση οδηγεί σε μη ομαλή καύση και σε βλάβες της περιστροφικής αντλίας της τουρμπίνας αερίου. Αυτές οι αντλίες πυραύλων απαιτούν μεγάλες ποσότητες καύσιμης ύλης υπό υψηλή πίεση και είναι συνεπώς ιδιαίτερα ευαίσθητες στο φαινόμενο της σπηλαίωσης.

Σπηλαίωση σε τροχό αντλίας

Δημιουργία θορύβου/ηχορύπανσης

Από την δημιουργία θορύβου( κρότου) σταματάει το καμουφλάζ των υποβρυχίων και γίνονται ανιχνεύσιμα από παθητικούς υπερήχους. Από τότε που κατασκεύαστηκαν προπέλες ανθεκτικές στην δημιουργία σπηλαίωσης, η σπηλαίωση μέχρι μια ορισμένη ταχύτητα, συναρτήσει του βάθους, δεν παίζει πλέον κάποιο ρόλο στα υποβρύχια. Οι προπέλες αυτές είναι αναγνωρίσιμες από το κυρτωμένο τελείωμα τους. Η αποφυγή της σπηλαίωσης στα υποβρύχια επιτυγχάνεται είτε με βαθύτερη κατάδυση του υποβρυχίου, ώστε να ανεβεί η πίεση του νερού είτε με μείωση της ταχύτητας του.

Φθορά από σπηλαίωση σε τουρμπίνα

Δείτε επίσης

Ηχοφωταύγεια

Αναφορές

Πρόταση για διόρθωση