Zjawisko kawitacji w elementach hydraulicznych maszyn.
Podczas badań nad przepływem wody w rurach Jim Griggs zauważył podwyższenie jej temperatury, które było większe niż mogłoby dawać tarcie i rozchodzące się fale uderzeniowe oraz dźwięki wewnątrz rury.
Podczas przepływu wody w rurach słychać czasami różne trzaski i inne dźwięki. Często jest to wynikiem kawitacji, czyli powstawania w cieczy pęcherzyków pary w strefie zmniejszonego ciśnienia i nagłe ich znikanie (implozja) w strefie większego ciśnienia.
Gdy przez rurę płynie woda z dużą prędkością natrafiając na nagłe zwężenie przekroju, przeszkodę, za którą powstaje nagły spadek ciśnienia, (czyli obniża się także temperatura wrzenia cieczy), powoduje to powstawanie pęcherzyków pary, które powiększają się dotąd, aż znajdą się w strefie zwiększonego ciśnienia w pobliżu ścianek rury gdzie następuje nagłe ich znikanie; podobne zjawiska powstają przy przepływie wody z dużą prędkością przez kolanka, trójniki, dyfuzory. Czas implozji takiego bąbla pary to tysięczne części sekundy, co powoduje, że w punkcie jego zniknięcia następuje wzrost ciśnienia nawet do 100÷1000 MPa. Ponieważ w takim przypadku pęcherzyki pękają głównie w pobliżu ścianki, rura będzie podlegać stopniowemu niszczeniu (ze względu na tak wysokie ciśnienie). Zjawisko kawitacji może powodować także niszczenie wirników pomp, a nawet śrub okrętowych dużych statków. W elementach hydraulicznych kawitacja powoduje korozje kawitacyjne niszcząc elementy konstrukcji.
Kawitacja może zachodzić również w przypadku oddziaływania fal dźwiękowych - ultradźwięków (kawitacja akustyczna) - do jej powstania jest potrzebny pewien próg natężenia ultradźwięków, niższy w cieczy zagazowanej (powstają pęcherzyki gazowe - pseudokawitacja), a wyższy w cieczy odgazowanej (kawitacja akustyczna właściwa). Kawitacja akustyczna powoduje m.in. rozbijanie ciał stałych, czyszczenie, inicjowanie i przyspieszanie reakcji chemicznych. Te fale dźwiękowe powstają również w pompie kawitacyjnej - stąd jej inna nazwa pompa hydrosoniczna. Gdy bąble kawitacyjne (w przypadku kawitacji akustycznej) się zapadają może być wydzielane intensywne światło zwane sonoluminescencyjnym.
Zjawisko kawitacji najczęściej wykorzystywane jest w pompach. Pompa kawitacyjne składa się z wirnika w postaci walca, na którego bocznej powierzchni nawiercone są otwory. Walcowa (w postaci krótkiej rury) obudowa zamknięta jest dwoma talerzowymi pokrywami, w których osadzone są łożyska i uszczelnienia wału wirnika. W pokrywach, obudowie znajdują się otwory: wlotowy i wylotowy, przez które przepływa woda (lub inna ciecz). Wirnik jest takiej wielkości, aby między obudową i bocznymi pokrywami była pewna niewielka przerwa. Do pompy kawitacyjnej tłoczona jest woda (przez zwykłą pompę do wody, np. od instalacji centralnego ogrzewania). Gdy wirnik zaczyna się obracać woda wypływa pod wpływem siły odśrodkowej z jego otworów (prędkość obrotowa powinna być odpowiednio duża), w których wytwarza się niskie ciśnienie - następuje obniżenie temperatury wrzenia wody i powstają tysiące małych pęcherzyków pary; woda wyrzucana z jednego otworu wpada do następnego i tak w kółko. W pracujących pompach zaobserwowano, że pęcherzyki nie ulegają implozji przy powierzchni wirnika (nie niszczą go), lecz głównie w otworach wirnika, w samej wodzie. Powoduje to, że cała energia implozji bąbla pary i wzrostu punktowego ciśnienia jest przejmowana przez wodę, w postaci wzrostu temperatury. Ponieważ w pompie powstaje i zanika tysiące pęcherzyków, woda bardzo szybko zwiększa swoją temperaturę tak, że wrze i z pompy wypływa para lub (w zależności od prędkości podawania wody do pompy) ciepła woda. Pompę można wykorzystać do ogrzewania, destylacji (np. zamiana słonej wody na pitną), szybkiej pasteryzacji, produkcji różnych związków chemicznych (na wejście podajemy dwa różne związki, a na wyjściu otrzymujemy trzeci powstały w wyniku ich reakcji pod wpływem temperatury), do produkcji papieru, mieszania różnych substancji (np. płynu z płynem, płynu z gazem), rafinacji ropy naftowej, itp.
Pompa kawitacyjna może być napędzana dowolnym źródłem energii mechanicznej, np. silnikiem elektrycznym, wiatrakiem (bezpośrednio z wału na dole przy podstawie wieży, masztu wiatraka). Należy tak dobrać wielkość wirnika pompy i prędkość obrotową silnika napędzającego, by osiągnąć odpowiednią prędkość obwodową wirnika. Można zastosować przekładnię (dowolną), lepiej jednak, aby silnik napędzał pompę bezpośrednio - mniejsza złożoność i większa niezawodność.
Pompa kawitacyjna jest urządzeniem o niewielkich rozmiarach, prostej i trwałej konstrukcji. Nie ma tu spalania, grzałek elektrycznych. Jest bezpieczna i przyjazna dla środowiska. Niezwykle prosta w obsłudze - wystarczy włączyć przycisk - całą pracą steruje układ elektroniczny (możliwość utrzymywania stałej temperatury z dokładnością 1°C). Nie ma spalania - brak zagrożenia wybuchem, szkodliwych gazów, popiołów. Ponieważ najgorętszym elementem jest woda (ciepło jest generowane wewnątrz płynu - czyli tam gdzie jest potrzebne; wszystkie części mają zawsze trochę niższą temperaturę - mała różnica temperatur) oraz ze względu na czyszczące działanie kawitacji nie osadzają się zanieczyszczenia (kamień) na elementach pompy, tak jak to ma miejsce w bojlerze, piecu c.o. itp.
Prasowanie izostatyczne na zimno i gorąco.
Prasowanie izostatyczne jest to zagęszczanie proszku w formie z materiału plastycznego w wyniku oddziaływania ciśnienia hydrostatycznego. Ciśnienie jest wywierane równomiernie, najczęściej za pośrednictwem wody lub innej cieczy na wszystkie ścianki formy, zgodnie z prawem Pascala. Trójosiowy stan naprężeń powoduje dobre zagęszczenie proszku i równomierny rozkład gęstości w wyprasce. Do zrealizowania prasowania izostatycznego są konieczne dwa elementy:
- szczelna, elastyczna lub plastyczna forma na proszek, której ścianki będą odgradzały proszek od ośrodka znajdującego się w stanie podwyższonego ciśnienia,
- ośrodek ciekły lub gazowy doprowadzony do wysokiego ciśnienia i przenoszący to ciśnienie na formę z proszkiem umieszczoną w wysokowytrzymałej komorze.
Spotyka się dwa rozwiązania techniczne komór do prasowania izostatycznego na zimno: komory z przytwierdzoną formą na proszek i komory z ruchomą formą. W pierwszym przypadku komora ciśnieniowa jest zamknięta z jednej strony korkiem i przytwierdzoną do ścianek komory elastyczna forma, a z drugiej strony - ruchomym tłokiem wywierającym nacisk na ośrodek zawarty w komorze. Cykl pracy urządzenia rozpoczyna się, gdy ośrodek jest rozprężony i pierwszym etapem jest napełnienie od góry elastycznej formy proszkiem. Potem następuje zamkniecie komory korkiem i sprężenie ośrodka otaczającego formę. Na koniec, po rozprężeniu ośrodka dokonuje się usunięcia sprasowanej kształtki bez wyciągania formy z komory. Wydajność tego typu urządzeń dochodzi do 3000 sprasowanych kształtek na godzinę. W metodzie tej występuje jednak ograniczenie kształtu możliwych do uzyskania wyprasek, co wynika z konstrukcji i zamocowania formy.
Wolna od tych ograniczeń jest metoda z ruchoma forma, której można nadać dowolny kształt. Forma jest napełniana proszkiem i zamykana poza komora ciśnieniową. Przed hermetycznym zamknięciem formy jest usuwane powietrze znajdujące się w przestrzeni między cząstkami proszku. Formy elastyczne mogą służyć do wielokrotnego użycia, gdyż po usunięciu ciśnienia w otaczającym je ośrodku wracają do swego pierwotnego rozmiaru i po wyjęciu wypraski można do nich zasypać kolejna porcje proszku oraz ponowić proces prasowania. Formy elastyczne wykonuje się zazwyczaj gumy.
Formy z materiałów plastycznych odkształcają się trwale podczas zagęszczania proszku i tworzą na sprasowanej kształtce powłokę ściśle przylegającą, która usuwa się zazwyczaj mechanicznie, a rzadziej chemicznie. Zatem forma jest niszczona po jednokrotnym prasowaniu, co należałoby zaliczyć do wad metody, ale z drugiej strony pojawia się możliwość prasowania na gorąco. Prasowanie na gorąco w formie wykonanej z cienkiej blachy lub folii metalowej prowadzi do uzyskania wyrobu nieporowatego, nieporowatego wiec nieosiągalnego metoda prasowania izostatycznego na zimno formie elastycznej.
Do prasowania izostatycznego na zimno, jako ośrodki przenoszące ciśnienie, stosuje się przede wszystkim ciecze, a rzadko gazy. Natomiast do prasowania izostatycznego na gorąco stosuje się gazy: oczyszczony argon lub hel, rzadziej azot. Najkorzystniejsza atmosfera okazuje się argon, który pod wysokim ciśnieniem w temperaturze pokojowej osiąga gęstość zbliżoną do gęstości wody, a w temperaturze 1450˚C i pod ciśnieniem 100 MPa, ze względu na gęstość przypomina parafinę, a wiec nabiera właściwości cieczy. Jednocześnie przemieszcza się tak łatwo jak gaz i zapewnia szybkie przenoszenie ciepła przez konwekcje. Izostatyczne prasowanie na gorąco wykonuje się zazwyczaj temperaturze pod ciśnieniem 100-200 MPa, w temperaturze dochodzącej do 1350˚C.
Prasowanie izostatyczne zapewnia:
- dużą gęstość wypraski
- dobrą równomierność rozkładu gęstości materiału w wyprasce
- małe naprężenia własne w wyprasce
- dobre właściwości mechaniczne wypraski
- ograniczenie konieczności użycia środków poślizgowych
- jednorodność materiału wypraski
- możliwość mechanicznej obróbki wypraski
- zmniejszenie i większą równomierność odkształceń kształtki podczas spiekania
- brak ograniczeń, co do rozmiarów i kształtów wyprasek
- większą plastyczność wypraski
1