Kavitation in der Pumpe und wie man sie vermeidet

November 23, 2020

Was ist Kavitation?

Alle Pumpen arbeiten, indem sie einen niedrigen Druck am Einlass erzeugen und dem atmosphärischen (oder System-) Druck erlauben, Flüssigkeit in die Pumpe zu drücken. Dieser Vorgang macht alle Pumpen anfällig für ein Phänomen namens Kavitation. Kavitation ist die Bildung von Dampfhohlräumen (Blasen) innerhalb einer Flüssigkeit, wenn der lokale Druck schnell unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt. Dadurch bildet sich eine Dampfblase innerhalb der Flüssigkeit, die typischerweise für kurze Zeit bestehen bleibt, bevor sie wieder in eine Flüssigkeit kollabiert. Der Kollaps ist heftig, erzeugt ein lautes knallendes Geräusch und beschädigt oft nahe gelegene Oberflächen. Selbst widerstandsfähige Metalle werden angefressen, wenn sie dem starken, lokal begrenzten Strahl ausgesetzt werden, der aus der Blasenimplosion resultiert.

Lebenszyklus einer Kavitationsblase in einer Verdrängerpumpe

Lebenszyklus einer Kavitationsblase

Im Inneren von Pumpen entsteht Kavitation oft hinter einem beweglichen Teil, wo örtlich begrenzte Bereiche mit niedrigem Druck vorhanden sind. Dies kann vom Benutzer nicht bemerkt werden, aber es beginnt, Komponenten innerhalb der Pumpe zu beschädigen und muss vermieden werden. Wenn der Einlassdruck des Systems sinkt, tritt die Kavitation stärker in Erscheinung, verursacht Pumpenschwankungen, erzeugt laute Geräusche und führt manchmal zu trüber Flüssigkeit am Pumpenauslass.

Der Punkt, an dem die Kavitation beginnt, ist sehr kompliziert. Er ist eine Kombination aus Flüssigkeitsviskosität, Dampfdruck, Dichte, Temperatur, hydraulischem Hub, atmosphärischem Druck, Pumpentyp und Pumpendrehzahl. Ein Vorläufer der Kavitation ist oft das Wachstum von bereits vorhandenem Gas, das in der Flüssigkeit eingeschlossen ist. Diese Blasen stellen zwar kein Risiko für eine Beschädigung der Pumpe dar, können aber die Genauigkeit der Flüssigkeitsförderung verringern.

Einlassbeschränkungen

Das bei weitem häufigste Auftreten von Kavitation bei der Verwendung von Verdrängerpumpen resultiert aus der Verwendung langer Schläuche mit kleinem Durchmesser am Einlass der Pumpe. Eine allgemeine Gleichung für den Druckabfall durch ein Rohr ist , wobei:

Q = Durchflussmenge
µ = dynamische Viskosität
L = Länge der Rohrleitung
D = Innendurchmesser des Schlauchs

Beachten Sie, dass der Druckabfall von D4 abhängt. Eine Verdopplung des Rohrinnendurchmessers verringert den Druckabfall um den Faktor 16! Die obige Gleichung gilt nur für laminare Strömung (Reynoldszahlen < 2320). Bei turbulenter Strömung ist die Gleichung komplizierter und von der Dichte statt von der Viskosität abhängig.

DPP Laminare Strömung versus turbulente Strömung in Rohren

DPP Laminare Strömung versus turbulente Strömung in Rohren

Schläuche sind nicht die einzige Quelle von Druckverlusten, die von Konstrukteuren hydraulischer Systeme oft übersehen werden. Einlassfilter, Rückschlagventile und Blenden sind Beispiele für Komponenten, die das Vakuum am Einlass erhöhen. Insbesondere Rückschlagventile müssen sorgfältig ausgewählt werden, damit sie kein zu hohes Vakuum erzeugen.

Kavitation in Verdrängerpumpen mit Hubkolbenantrieb

Hubkolben-Verdrängerpumpen leiden in der Regel nicht unter interner, stark lokalisierter Kavitation wie rotierende Hochgeschwindigkeitspumpen. Sie haben jedoch einen stark gepulsten Durchfluss, was zu Spitzenwerten von bis zum Dreifachen des durchschnittlichen Durchflusses führt. Noch wichtiger ist, dass der häufige Stopp/Start der Flüssigkeit ein auf Trägheit basierendes Vakuum am Einlass erzeugt. Wenn die Pumpe beginnt, Flüssigkeit durch den Einlass anzusaugen, muss die Flüssigkeit dahinter beschleunigt werden. Wie beim viskosen Widerstand sind lange, dünne Rohre am schlechtesten für das auf die Flüssigkeitsbeschleunigung bezogene Vakuum (proportional zu D2). Diese Aspekte von Kolbenpumpen können einen Systemingenieur überraschen, der für den durchschnittlichen Durchfluss auslegt.

Gepulste Strömung in einer Hubkolbenpumpe

Gepulste Strömung in einer Hubkolbenpumpe

Zusätzlich zum bereits erwähnten vakuumerzeugenden Widerstand erzeugen schnell bewegte Elemente einen Niederdruckbereich unmittelbar hinter dem bewegten Element. Dies ist ein Risiko bei Bauteilen mit größerem Durchmesser wie Propellern oder dem Laufrad einer Kreiselpumpe und hat bei kleineren Zahnradpumpen keinen so starken Einfluss. Allerdings kann in einer Zahnradpumpe am Zahneingriff interne Kavitation auftreten, da sich der Hohlraum zwischen den beiden Zahnrädern öffnet und das neu entstandene Volumen schnell mit Flüssigkeit gefüllt wird. Dieser Effekt kann mit präzisionsbearbeiteten Schrägstirnrädern minimiert werden, die ein sanftes Öffnen des Zahneingriffs erzeugen. Dennoch können interne Mechanismen innerhalb der Pumpe bei Drehzahlen über 3000 U/min lokale Druckabfälle von bis zu 0,1 bar in Wasser erzeugen.

 

Häufige Kavitationsstellen in Außenzahnradpumpen

Häufige Kavitationsstellen in Außenzahnradpumpen

Häufige Kavitationsstellen in einer Außenzahnradpumpe

Peristaltik- und Drehkolbenpumpen haben eine relativ starke Pulsation in ihrem Strömungsprofil. Diese Pulsation erzeugt transiente Unterdrücke, die denen in Kolbenpumpen ähneln. Daher ist beim Einsatz dieser Pumpentypen Vorsicht geboten.

Positive Netto-Saughöhe (NPSH)

NPSH ist eine gebräuchliche Metrik, die von Bauingenieuren verwendet wird. Die Hersteller von Zentrifugalpumpen und Turbinen in dieser Branche geben oft den NPSH-Wert ihrer Pumpen an, der den Mindestdruck an der Saugöffnung angibt, der erforderlich ist, damit die Pumpe nicht kavitiert. NPSH wird üblicherweise in Fuß angegeben, da dies die übliche Druckeinheit (Förderhöhe) ist, mit der Bauingenieure in den USA arbeiten. Bei Verdrängerpumpen in der Medizintechnik, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Leichtindustrie werden aufgrund der großen Schwankungen bei Flüssigkeiten, Temperaturen, Geschwindigkeiten und anderen Betriebsbedingungen üblicherweise keine NPSH-Werte angegeben.

Der beste Weg, um Kavitation zu vermeiden, ist die frühzeitige Einbeziehung des Pumpenlieferanten in die Konstruktion eines Hydrauliksystems. Pumpeningenieure kennen die Empfindlichkeit ihrer Pumpen, wissen, welche Vakuumhöhen tolerierbar sind, und haben viel Erfahrung mit der Anpassung von Hydrauliksystemen zur Vermeidung von Kavitation. Eine enge Zusammenarbeit zwischen Systemdesignern und Pumpeningenieuren rationalisiert den Designprozess und vermeidet Iterationen in späteren Phasen des Designzyklus.

 

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