a.Hiện tượng xâm thực
Định nghĩa: Là hiện tượng xuất hiện các bọt khí hơi trong dòng chất lỏng do
nguyên nhân giảm áp tới một giá trị giới hạn nào đó. Thông thường giá trị này là áp suất hơi bão hoà.
Các bọt khí trong chất lỏng có thể theo hai con đường:
- Chúng được hình thành từ dòng chất lỏng hóa hơi cục bộ trong dòng chảy khi áp suất hơi cục bộ ở một nơi nào đó nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa;
- Các bọt khí hòa tan trong chất lỏng (hoặc lọt từ ngoài vào do một nguyên nhân nào đó) là tác nhân đẩy nhanh hơn sự xuất hiện các bọt khí xâm thực.
Sau khi các bọt khí xuất hiện chúng sẽ bị dòng chất lỏng cuốn vào những vùng có áp suất P > Pbh, các bọt khí này sẽ bị tan ra thành những giọt chất lỏng nhỏ hơn nhiều so với thể tích của bọt khí. Như vậy trong dòng chảy sẽ hình thành các khoảng trống cục bộ thu hút các phần tử chất lỏng xung quanh nó với tốc độ rất lớn làm cho áp suất tại đó đột ngột tăng lên rất cao, áp suất cục bộ rất lớn làm nổ bề mặt kim loại, phá hủy các bộ phận làm việc của máy.
Khi xảy ra hiện tượng xâm thực, dòng chảy trong máy bị gián đoạn gây nên tiếng động bất thường làm máy bị rung nhiều, lưu lượng, cột áp, hiệu suất của máy bị suy giảm nghiêm trọng. Hiện tượng xâm thực thường xảy ra ở các bộ phận của máy có áp suất nhỏ, nhiệt độ cao, nhất là ở những nơi chất lỏng có vận tốc, áp suất thay đổi đột ngột, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất làm việc của động cơ.
Để động cơ làm việc đạt hiệu quả cao ta cần chú ý khắc phục hiện tượng xâm thực.
b. Một số biện pháp chống hiện tượng xâm thực b1. Xét trong quá trình hút Pa Zh Z® x b a a b
Hình 3.1: Quá trình hút
Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt a-a và b-b lấy mặt chuẩn tại a-a đủ lớn để Va ≈ 0:
= Zh + + + ∑hh + hqt (3.3)
trong đó:
Pa : áp suất tại mặt thoáng bằng áp suất khí trời; Zh : Chiều cao hút;
Px1: áp suất ở buồng làm việc trong quá trình hút;
Vxl : Vận tốc chất lỏng trong buồng làm việc (hay vận tốc piston); ∑hh: Tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ chiều dài của ông hút; hqt : Cột áp quán tính trên ống hút.
= - ( Zh + + ∑hh + hqt ) (3.4)
Mà (Zh, , ∑hh ) ≥ 0 vì thế cho nên áp suất buồng làm việc trong quá trình hút là Px1, nếu hqt > 0 thì Px1 sẽ nhỏ hơn áp suất ở mặt thoáng (Px1 < Pa).
Trong quá trình làm việc, để tránh hiện tượng gián đoạn dòng chất lỏng trong bơm, chất lỏng có thể tách rời khỏi piston, làm giảm lưu lượng của bơm và hiện tượng xâm thực của bơm thì:
Px1 ≥ Pbh
(trong đó Pbh : áp suất hơi bão hoà) Để có Px1 lớn thì Zh; ; ∑hh; hqt phải nhỏ. Ta xét một vài biện pháp sau:
- Xét Zh: đối với bơm piston Zh ≤ 4÷5 (m)
Tốt nhất là có Zh < 0 tức là mực chất lỏng cao hơn miệng hút. - Giảm tổn thất trên ống hút và giảm vận tốc piston.
+ ∑hh = + hvh + Tn (3.5)
= + hvh + + hvh : Tổn thất van hút;
ξ: Hệ tổn thất cục bộ;
λ : Hệ số tổn thất đường ống.
- Giảm tổn thất cục bộ trên đường hút và chọn ống hút ngắn nhất. - Vận tốc piston càng lớn, cột áp tổn thất càng lớn.
- Ta chọn ống hút ngắn, có đường kính lớn, số vòng quay n không được lớn quá n = 100 ÷ 200 (vòng/phút).
hqt = (3.6) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Qua phân tích trên ta thấy rằng áp suất trong quá trình hút của bơm (Pxl) nhỏ nhất khi piston bắt đầu chuyển động hút từ B2 (X = 0) và lớn nhất khi piston đến B1 (X = S).
Do đó, điều kiện làm việc bình thường của bơm không có hiện tượng xâm thực trong quá trình hút là:
Δh: Cột áp dự trữ khi có xâm thực
=> - ≥ + Δh (3.8)
b2.Xét trong quá trình đẩy Ta có:
+ = Zh + + + + hqtd (3.9)
Trong đó: Zb = 0;
Ze= Zđ: Độ cao đẩy;
PC, VC : Áp suất và vận tốc dòng chảy tại nơi cần cung cấp; Px2, Vx2: Áp suất và vận tốc tại điểm đang xét trong quá trình đẩy;
Tđ: Hệ tổn thất tương đương của ống đẩy xác định tưong tự như ống hút;
Hvđ : Tổn thất năng lượng tại van đẩy; ξ : Hệ tổn thất cục bộ;
λ : Hệ số tổn thất đưòng ống; Σhđ : Tổn thất trên đường ống đẩy.
= hvd + Td (3.10)
Td = +
Vì vận tốc của chất lỏng tại đoạn đường ống có chiều dài li, đường kính di tiết diện fi .
Vi = Vx2 (3.11)
Lđ : Chiều dài tương đương ống đẩy và ống hút. Ld = = + [ + hvd + (Td – l) + dt d g X S V Ld . x2 + − ] (3.12) Ta thấy: Px2 đạt min khi x =0;
Px2 đạt max khi x =S (tức quá trình bắt đầu đẩy).
= + (Σd + hvd + hq + hqt(max)) (3.13)
Khi hqt(max) = lớn nhất thì trong buồng công tác của bơm có xuất
hiện chân không ( < 10,3mH2O) và xẩy ra hiện tượng xâm thực:
<
Do đó, điều kiện đảm bảo bơm piston làm việc bình thường không xẩy ra hiện tượng xâm thực là:
≥ ( + Δh) (3.14)
Đối với bơm piston truyền dẫn tay quay:
+ (Zd + hvd - ω2R) ≥ + Δh (3.15)
Vậy ta có một số biện pháp chống xâm thực như sau:
- Giảm chiều dài ống đẩy (nên giảm các đoạn nằm ngang của ống đẩy); - Tăng diện tích mặt ống đẩy, biện pháp này đơn giản và có hiệu quả tốt; - Giảm diện tích mặt piston F, bán kính quay R và số vòng quay làm việc n; Công thức tính số vòng quay lớn nhất trong quá trình hút và đẩy là:
Thay ω= л.n/30, trong điều kiện xâm thực ta được:
n2maxR = – Δh – Zh – hvh (3.16) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nmax(1) = (3.17)
Tương tự trên ta tính được số vòng quay giới hạn cho phép của bơm trong quá trình đẩy.
nmax(2) = (3.18)
Ta phải có: [n] = nmax(1),(2)
Với bơm nước thường [n] = 100÷200 (vòng/phút)
*Kết luận:
Để khắc phục hiện tượng xâm thực trong bơm piston ta cần chú ý các điểm quan trọng sau:
- Giảm tổn thất trên đường hút;
- Giảm tổn thất cục bộ trên toàn đường hút; - Chọn ống hút ngắn nhất;
- Giảm chiều dài ống đẩy; - Tăng diện tích mặt ống đẩy;
- Giảm diện tích mặt piston, bán kính quay và số vòng quay làm việc; - Giảm vận tốc của piston.