Ο Αλέξανδρος Καλτσάς, Director της Σχολής Μηχανολογίας του ΙΕΚ ΔΕΛΤΑ, σε ένα κατατοπιστικό άρθρο για τους τεχνικούς θερμοϋδραυλικών εγκαταστάσεων.

 Ένα από τα πιο σοβαρά προβλήματα που απασχολούν κατασκευαστές και τεχνικούς είναι η Σπηλαίωση (Cavitation). Και αυτό επειδή έχει σοβαρές αρνητικές συνέπειες στη λειτουργία του στροφείου και την γενική απόδοση της αντλίας. Τι ακριβώς είναι η σπηλαίωση, πώς δημιουργείται, ποιες είναι οι συνέπειες και οι τρόποι αντιμετώπισης;

 Τι είναι η Σπηλαίωση;

Όπως είναι γνωστό, το νερό βράζει στους 100º C στο επίπεδο της θάλασσας, σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση (υψόμετρο μηδέν). Το νερό όμως μπορεί να βράζει και σε μικρότερη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, στην κορυφή ενός βουνού, το νερό θα βράσει στους 95º C. Αυτό που “αναγκάζει” το νερό να βράζει σε διαφορετική θερμοκρασία, είναι η ατμοσφαιρική πίεση. Όσο πιο μικρή είναι η ατμοσφαιρική πίεση, τόσο πιο εύκολα μπορεί να φτάσει ένα υγρό σε σημείο βρασμού. Το νερό, λοιπόν, θα μπορούσε να φτάσει σε βρασμό ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, αν του αφαιρέσουμε την ατμοσφαιρική πίεση. Θα μπορούσαμε να πούμε πως η ατμοσφαιρική πίεση είναι ένα “καπάκι” που δεν επιτρέπει τον “αυτόματο” βρασμό του υγρού. Η πίεση που αποτρέπει τον βρασμό ενός υγρού, σε καθορισμένη θερμοκρασία, ονομάζεται πίεση ατμών του υγρού.  Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα στο νερό με αυξημένη ταχύτητα, η πίεση που κρατάει το νερό σ’ επαφή με τα πλάγια και το πίσω μέρος του σώματος προοδευτικά μειώνεται. Όταν η πίεση μειωθεί αρκετά, το νερό αρχίζει να βράζει και δημιουργούνται φυσαλίδες ατμού. Ο βρασμός και οι φυσαλίδες διατηρούνται στην περιοχή αυτή, όσο διατηρείται και η χαμηλή πίεση. Όταν, όμως, μειωθεί η ταχύτητα με την οποία κινείται το αντικείμενο, τότε η πίεση θα αυξηθεί πάλι. Η χαμηλή πίεση θα υποχωρήσει και ένα ρεύμα από φυσαλίδες ατμού (που περιέχουν και οξυγόνο) θα κινηθεί προς την περιοχή υψηλότερης πίεσης, δηλαδή προς τις επιφάνειες του αντικειμένου, όπου και θα συμπυκνωθούν πάλι σε νερό. Κατά τη συμπύκνωση τους οι φυσαλίδες θα αποδεσμεύσουν την ενέργεια που χρειάστηκε για να δημιουργηθούν, με τη μορφή μεγάλης ποσότητας θερμότητας, καίγοντας και διαβρώνοντας την επιφάνεια του αντικειμένου (“καύση σπηλαίωσης”) στα σημεία όπου αυτές υγροποιούνται. Στα στροφεία αντλιών “καίγεται” ή διαβρώνεται το μέταλλο, όποιο και αν είναι αυτό. Η διαδικασία κατάρρευσης των φυσαλίδων ατμού, ονομάζεται ενδόρρηξη (το αντίθετο μίας έκρηξης). Τυπικά, για το νερό, η θερμοκρασία που αναπτύσσεται τοπικά (σε μία πολύ πολύ μικρή περιοχή) στο αντικείμενο, κατά την κατάρρευση των φυσαλίδων μπορεί να φτάσει και να ξεπεράσει τους 5000º Κελσίου. Μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου!

Πού εμφανίζεται η Σπηλαίωση;

Το πότε, πού, και σε ποια έκταση θα έχουμε σπηλαίωση, εξαρτάται από το σχήμα του αντικειμένου, τον προσανατολισμό του και την ταχύτητα με την οποία αυτό θα κινηθεί μέσα στο νερό. Όσο πιο λεπτό είναι ένα αντικείμενο προς την κατεύθυνση κίνησης του, τόσο περισσότερες πιθανότητες έχει να μην παρουσιάσει σπηλαίωση. Η Σπηλαίωση είναι πιο γνωστή σε πολλούς από εμάς σαν πρόβλημα των στροφείων και του κελύφους, των διαφόρων φυγοκεντρικών αντλιών. Και σωστά, αφού η σπηλαίωση είναι πιο συνηθισμένη στην περίπτωση των φυγοκεντρικών αντλιών όπου και οι συνθήκες είναι ιδιαίτερα ευνοϊκές για την εμφάνισή της. Έχουμε υψηλές στροφές του στροφείου και μεγάλη ταχύτητα μετακίνησης του μέσα στο νερό. Αιτία για την εμφάνιση σπηλαίωσης στο στροφείο μπορεί να είναι είτε η ίδια η έλικα, είτε άλλοι παράγοντες (θερμοκρασία νερού) που επηρεάζουν τη λειτουργία της ή ένας συνδυασμός και των δύο. [caption id="attachment_23058" align="alignnone" width="874"] Παράδειγμα καταστροφής στροφείων αντλιών από Σπηλαίωση[/caption]

Τι μπορεί να προκαλέσει Σπηλαίωση;

Αιτία σπηλαίωσης ή αρχή σπηλαίωσης μπορεί να είναι αμυχές στην οδηγό ακμή των πτερυγίων του στροφείου μίας αντλίας, οξείες γωνίες της οδηγού ακμής, το υπερβολικό γύρισμα (cup) της ακολουθούσας ακμής, τραχείες ή όχι αρκετά λείες επιφάνειες των πτερυγίων ή άλλων τμημάτων του. Πτερύγια στραβά ή παραμορφωμένα από κτυπήματα (από παρουσία άμμου ή χαλικιών στο νερό) συνήθως προκαλούν εκτεταμένη σπηλαίωση.  Σπηλαίωση μπορεί να έχουμε και με ένα στροφείο κακοσχεδιασμένο, με κακό φινίρισμα, με διαφορές στο σχήμα και το πάχος των πτερυγίων του. Η σπηλαίωση στα στροφεία αλουμινίου είναι πιο συνηθισμένη, ιδιαίτερα στις υψηλές ταχύτητες επειδή τα πτερύγια τους έχουν πάχος μεγαλύτερο από το επιθυμητό, που είναι όμως αναγκαίο για να υπάρχει η απαιτούμενη μηχανική αντοχή. Για τις ταχύτητες αυτές, αλλά και γενικά, η χρήση ανοξείδωτων ή μαντεμένιων στροφείων είναι προτιμότερη γιατί έχουν πολύ λεπτότερα πτερύγια.

Ποιες είναι οι συνέπειες της Σπηλαίωσης;

Η Σπηλαίωση ξεκινάει συνήθως από την οδηγό ακμή του στροφείου και επεκτείνεται στην πίσω επιφάνεια των πτερυγίων της, καθώς και στη βάση των πτερυγίων κοντά στον αφαλό της. Μπορεί όμως να επεκταθεί και στον αφαλό και στην εμπρός επιφάνεια (επιφάνεια αναρρόφησης ή χαμηλής πίεσης). Αυτό αποκαλείται «εκτεταμένη σπηλαίωση». Όταν υπάρχει σπηλαίωση, γίνεται εύκολα αντιληπτή. Αρχικά η αντλία μας δεν αποδίδει την ροή για την οποία έχει υπολογιστεί και τοποθετηθεί. Ακούγεται έντονος θόρυβος, σαν να αλέθει χαλίκια. Πέρα από σημαντική μείωση της απόδοσης της αντλίας, μπορεί να πάρει ακόμη και καταστροφικές διαστάσεις (σε περίπτωση αποκόλλησης του στροφείου).

Πώς μπορούμε να αποφύγουμε τη Σπηλαίωση;

Για την αποφυγή της Σπηλαίωσης πρέπει να γίνει σωστή επιλογή της αντλίας για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Υπάρχουν ειδικά διαγράμματα από τους κατασκευαστές αντλιών που εμπλέκουν το μέγεθος του στομίου αναρρόφησης της αντλίας, των αριθμό στροφών του κινητήρα που θα τις κινεί, τη θερμοκρασία του νερού που θα μετακινούν και την πίεση ατμών του νερού. Στην πιο απλή μορφή τους, τα διαγράμματα μπορεί να έχουν την πίεση που θα επικρατεί στην είσοδο, την έξοδο και το “μάτι” της αντλίας. [caption id="attachment_23059" align="alignnone" width="536"] Παράδειγμα διαγράμματος φυγοκεντρικής αντλίας για την αποφυγή Σπηλαίωσης[/caption]

Ο Αλέξανδρος Καλτσάς είναι Τεχνολόγος Εκπαιδευτικός Ηλεκτρονικός Μηχανικός, απόφοιτος της ΑΣΕΤΕΜ – ΣΕΛΕΤΕ και είναι πιστοποιημένος Εκπαιδευτής Ενηλίκων από τον ΕΟΠΠΕΠ. Έχει πολυετή εμπειρία στην εκπαίδευση και σε τομείς της Ηλεκτρονικής και της Πληροφορικής. Ασχολείται με τα ηλεκτρονικά οχημάτων και με embeded προγραμματισμό. Στον ελεύθερο χρόνο του ασχολείται με projects Ελεύθερου Λογισμικού – Λογισμικού Ανοικτού Κώδικα. Αγαπημένο του motto: “Γίνε ρεαλιστής, μείνε ονειροπόλος!” Σπούδασε Τεχνικός Θερμοϋδραυλικών Εγκαταστάσεων στο ΙΕΚ ΔΕΛΤΑ.