Was ist Kavitation?
Kavitation ist ein Phänomen in der Fluiddynamik, bei dem der lokale Druck so weit absinkt, dass er unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt. Dieser Druckabfall führt zur Bildung von Dampfblasen in der Flüssigkeit. Diese Blasen kollabieren oder implodieren dann aufgrund eines Druckanstiegs oder veränderter Strömungsbedingungen, wobei Energie freigesetzt wird.
Es gibt mehrere Gründe, warum Kavitation auftreten kann:
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Hohe Strömungsgeschwindigkeit: Wenn die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit zunimmt, sinkt der Druck. In Bereichen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, z. B. in der Nähe von Pumpenlaufrädern oder Propellerblättern, kann der Druck so weit absinken, dass Kavitation entsteht.
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Strömungshindernisse: Strömungshindernisse oder plötzliche Geometrieänderungen können zu lokalen Druckabfällen führen, die das Auftreten von Kavitation begünstigen.
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Niederdruckbereiche: Bereiche mit niedrigem Druck in einem Flüssigkeitssystem, z. B. auf der Saugseite von Pumpen oder in Wirbeln, sind anfällig für Kavitation.
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Temperatureinflüsse: Temperaturschwankungen können den Dampfdruck der Flüssigkeit verändern und damit die Wahrscheinlichkeit von Kavitation erhöhen.
Die Auswirkungen der Kavitation können besonders in industriellen und maritimen Anwendungen von Nachteil sein:
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Mechanische Schäden: Das Implodieren von Dampfblasen erzeugt Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit, die Erosion und Lochfraß an festen Oberflächen verursachen, die der Kavitation ausgesetzt sind, wie z. B. Pumpenlaufräder, Propellerblätter und Hydraulikventile.
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Lärm und Vibrationen: Kavitation kann erheblichen Lärm und Vibrationen erzeugen, die für Bediener unangenehm sind und nahegelegene Komponenten beschädigen können.
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Verminderte Effizienz: Kavitation verändert die Strömungsmuster von Flüssigkeiten und kann die Leistung von Maschinen beeinträchtigen, was zu geringerer Effizienz und höherem Energieverbrauch führt.
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Materialermüdung: Wiederholte Kavitationszyklen können Materialermüdung verursachen und die strukturelle Integrität von Komponenten im Laufe der Zeit beeinträchtigen.
Was ist die Kavitationszahl?
Die Kavitationszahl, ein grundlegender Parameter in der Fluiddynamik, dient als wichtiges Werkzeug zur Beurteilung der Kavitationsneigung in Flüssigkeitssystemen. Kavitation, d. h. die Bildung und das anschließende Implodieren von Dampfblasen in einer Flüssigkeit aufgrund lokaler Druckabfälle, stellt ein erhebliches Risiko für die Integrität von Maschinen dar, insbesondere bei Anwendungen wie Pumpen und Propellern.
Die Kenntnis der Kavitationszahl hilft dem Anwender, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kavitation abzuschätzen. Diese dimensionslose Zahl ist ein quantitatives Maß für die Differenz zwischen dem lokalen Druck und dem Dampfdruck der Flüssigkeit. Eine niedrige Kavitationszahl weist auf ein Szenario hin, in dem sich der lokale Druck dem Dampfdruck nähert oder sogar darunter fällt, was zu einem erhöhten Kavitationsrisiko führt. Im Gegensatz dazu deutet eine hohe Kavitationszahl auf eine große Differenz zwischen dem lokalen Druck und dem Dampfdruck hin, was auf eine geringere Wahrscheinlichkeit von Kavitation hinweist.
Zum besseren Verständnis ist hier eine Skala dargestellt, die die Kavitationszahlen mit der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kavitation korreliert:
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Sehr hohe Kavitationswahrscheinlichkeit (Kavitationszahl < 0,5)
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Hohe Kavitationswahrscheinlichkeit (Kavitationszahl: 0,5 - 1,0)
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Mäßige Kavitationswahrscheinlichkeit (Kavitationszahl: 1,0 - 2,0)
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Geringe Kavitationswahrscheinlichkeit (Kavitationszahl: 2,0 - 3,0)
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Sehr geringe Kavitationswahrscheinlichkeit (Kavitationszahl > 3,0)
Ingenieure verwenden diese Skala, um fundierte Entscheidungen bei der Auslegung, dem Betrieb und der Wartung von Fluidsystemen zu treffen. Dadurch wird das Kavitationsrisiko minimiert und die Leistung sowie Lebensdauer der Ausrüstung optimiert.
