Wat zijn cavitatie en flashing?

Cavitatie en flashing kunnen optreden in vloeistof-media systemen met hoge drukvallen. Voor beide verschijnselen moet de druk in het systeem dalen tot onder de dampdruk van de vloeistof. Het resultaat is dat de vloeistof geheel of gedeeltelijk overgaat in gasbellen die ernstige schade kunnen veroorzaken, meestal in de vorm van een put zoals te zien is in figuur 1, aan de binnenkant van onderdelen. Deze schade kan de debietregeling van een klep beperken of een leiding doen lekken. Daarom is het bij het ontwerpen van een vloeistof-media systeem essentieel te begrijpen waarom cavitatie en flashing optreden, om beide te voorkomen.

Inhoudsopgave

• Wat is cavitatie?
• Wat is flashing?
• Cavitatie en flashing schade
• Cavitatie en flashing voorkomen
• FAQs

Wat is cavitatie?

Het is nuttig om een waterfasediagram te gebruiken om te begrijpen hoe cavitatie en flashing ontstaan. Zoals te zien is in figuur 2, heeft water drie fasen: vast, vloeibaar en gas. Water wisselt tussen deze fasen bij een temperatuur- of drukverandering. Het startpunt (figuur 2 met label A) op het diagram toont vloeibaar water. Een veel voorkomende huishoudelijke praktijk is het verhogen van de temperatuur van water om het te koken (figuur 2 met label B). Zonder verhoging van de temperatuur kan water echter overgaan in de gasfase door verlaging van de plaatselijke druk rond het water (figuur 2 met label C). Zowel temperatuur als druk spelen een belangrijke rol bij het ontstaan van cavitatie en flashing in vloeistoftransportsystemen. Bij hoge temperaturen kunnen minimale drukverliezen leiden tot cavitatie en flashing. Het op normale temperatuur houden van het water verhelpt dit probleem niet onmiddellijk, aangezien in systemen grote drukverliezen voorkomen.

Cavitatie is een proces in twee stappen:

1. Bij een constante temperatuur veranderen sommige vloeibare media in gas wanneer de media door een drukzone onder de dampdruk van de vloeistof gaan. De dampdruk is de druk waarbij een vloeistof overgaat in een gas.
2. Wanneer de bellen in een drukzone boven de dampdruk terechtkomen, worden ze onstabiel en imploderen ze.

Bij de implosie ontstaat een schokgolf die zich in alle richtingen uitbreidt. Als de schokgolf zich binnen één bel-diameter van een grens bevindt (bijv. klepzitting, pijpwand en pompwaaier), kan de kracht van de schokgolf systeemonderdelen beschadigen. Wanneer een bel implodeert in de buurt van een grens, vertraagt de grens de stroming aan de grenszijde van de bel. De vloeistof tegenover de grenszijde van de bel stroomt dus sneller, waardoor micro-jets ontstaan die de grens raken en een put creëren. Als er cavitatie optreedt, klinkt dit in het beginstadium als een sissend geluid. In gevorderde cavitatiestadia variëren de geluiden echter van kiezelachtig (gemiddelde cavitatie) tot een luid gebrul (hoge cavitatie).

Cavitatie factoren

Buiten een zone van lage druk dragen vier andere factoren bij tot cavitatie:

• Kernen: Verdamping kan niet plaatsvinden zonder interface. Het grensvlak voor waterdamp die opstijgt uit kokend water is bijvoorbeeld het wateroppervlak. In een gesloten vloeistofsysteem zorgen kernen echter voor deze interface. Nuclei zijn meestal vrije luchtbellen die zich langs de grens bevinden (bv. buiswand) of gevangen zitten in een spleet of gat in een zwevende vaste stof.
• Omgevingsdruk: Als de vloeistofdruk onmiddellijk rond de gasbellen hoger is dan de dampdruk, zullen de bellen imploderen.
• Turbulentie: Een vloeistof die door een opening gaat, ondergaat turbulentie, waardoor wervelingen ontstaan, die cirkelvormige waterstromen zijn. De druk binnen deze wervelingen is veel lager dan de omgevingsdruk, wat leidt tot belvorming en implosie. Eddies reizen door lagedruk-scheidingszones. De grootte van deze zones, en dus de tijd die wervelingen daarin doorbrengen, neemt toe met de grootte van de klep.
• Herstel van de druk: In een typische klep treedt onmiddellijk na het nauwste stromingspunt (vena contracta) drukherstel op (d.w.z. lokale druk stijgt boven de dampdruk). Het komt vaak voor dat de drukherstel boven de dampdruk komt, wat leidt tot een implosie van de bel. Het ontwerp van sommige kleppen maakt drukherstel verder stroomafwaarts van de vena contracta mogelijk, zodat imploderende bellen de kleponderdelen niet beschadigen.

Wat is flashing?

Flashing is het beginstadium van cavitatie: het overgaan van vloeistof in gas door het passeren van een drukzone die lager is dan de dampdruk. Het verschil tussen flashing en cavitatie is echter dat bij flashing de druk zich niet herstelt tot boven de dampdruk, en dat de bellen niet imploderen. Een klep kan echter verstikt raken door veel bellen in de stroom. Gesmoord betekent dat de stroomsnelheid toeneemt, maar de druk niet afneemt. In dit geval stromen waterstralen met hoge snelheid langs de bellen. Deze stralen kunnen grenzen raken en schade veroorzaken.

Cavitatie en flashing schade

Zoals te zien is in figuur 1, is de typische cavitatieschade een gekraterd oppervlak. Deze kraters ontstaan door de inslag van geluidsgolven en micro-jets. Dit type schade is mechanisch. Cavitatie kan ook chemische corrosie veroorzaken. Gewoonlijk beperkt een oxidelaag op het grensvlak de corrosie. Zwakke cavitatie kan nog sterk genoeg zijn om de oxidelaag weg te slijten, wat leidt tot corrosieschade aan de grens.

Het gas-vloeistofmengsel van flashing is abrasief en veroorzaakt schade die vergelijkbaar is met de bespreking van cavitatiecorrosieschade in de vorige paragraaf. Flashing schade laat een glad en glanzend oppervlak achter.

Vermindering van schade door cavitatie en flashing

De beste manier om schade door cavitatie en flashing te beperken, is de kans dat beide verschijnselen zich voordoen zo klein mogelijk te maken. Cavitatie kan op verschillende manieren worden voorkomen:

• Beluchting: Het beluchten van de vloeistof vult veel holtes en kan leiden tot gasvormige cavitatie. Bij dit cavitatieproces imploderen de bellen langzaam. Daarom treden er geen hevige schokgolven en micro-jets op.
• Meerdere kleppen: Gebruik meerdere kleppen, meestal twee, wanneer een systeem een grote drukval vereist. Elk ventiel verlaagt de druk matig, waardoor de kans dat de druk in een van beide ventielen onder de dampdruk komt, kleiner wordt.
• Gefaseerd drukherstel: Sommige kleppen (bijvoorbeeld sommige naaldventielen) hebben een uitlaatconstructie die geleidelijk breder wordt. Dit verhoogt geleidelijk, in plaats van in één keer, de druk rond de gevormde bubbels. In dit geval is het minder waarschijnlijk dat de bellen imploderen in de buurt van kleponderdelen.

Als de systeemfactoren ertoe leiden dat de druk onder de dampdruk van een vloeistof daalt, is er geen manier om flashing te voorkomen. Een bekleding van de uitlaat van de klep met een gehard materiaal kan echter de onderdelen beschermen. Lees meer over het voorkomen van cavitatie en flashing in onze gids over cavitatie in pompen, kleppen en leidingen.

Cavitatie en flashing voorkomen

Cavitatie en flashing zijn te voorspellen aan de hand van de Sigma Cavitation Index. Sigma is:

Waar:

• PV: De dampdruk van de vloeistof bij stromingstemperatuur
• P1: Stroomopwaartse druk
• P2: Stroomafwaartse druk

Op basis van het resultaat van de verhouding kan de Sigma Cavitatie Index in tabel 1 een systeemontwerper helpen cavitatie te voorspellen.

Tabel 1: De Sigma Cavitatie-index

σ ≥ 2.0	Geen cavitatie
1.7 < σ < 1.7	Een geharde bekleding kan een klep afdoende beschermen.
1.5 < σ < 1.7	Kleine cavitatie. Een ééntrapsafsluiter kan een klep afdoende beschermen.
1.0 < σ < 1.5	Zware cavitatie is mogelijk. Neem maatregelen ter voorkoming van cavitatie.
σ < 1.0	Flashing

Op basis van de Sigma Cavitatie-index kunt u het volgende concluderen:

• De kans op cavitatie neemt af naarmate het verschil tussen de stroomopwaartse druk en de dampdruk toeneemt. Met andere woorden, een vloeistof onder hoge druk met een lage dampdruk zal minder snel caviteren.
• Hoe kleiner het verschil tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse druk, hoe kleiner de kans op cavitatie.

FAQs

Is cavitatie hetzelfde als flashing?

Nee.Flashing is het overgaan van vloeistof in dampbellen, terwijl cavitatie het overgaan van vloeistof in dampbellen is, gevolgd door het imploderen van de bellen. De eerste treedt op wanneer de druk van het systeem daalt tot onder de dampdruk en niet meer stijgt. Dit laatste gebeurt wanneer de druk van het systeem daalt tot onder de dampdruk en vervolgens weer stijgt tot boven de dampdruk.

Hoe kan cavitatie worden voorkomen?

Eén methode om cavitatie te voorkomen is ervoor te zorgen dat de drukval door een klep de plaatselijke druk niet onder de dampdruk van het vloeibare medium brengt.