Co zasadniczo wyróżnia kawitację i gotowanie jako różne zjawiska?

Kawitacja i gotowanie to nazwy zjawisk, które obejmują nagłe pojawienie się pęcherzyków pary w cieczy, aw obu przypadkach mają miejsce, gdy lokalne ciśnienie hydrostatyczne jest niższe niż ciśnienie pary płynu, ale to niekoniecznie oznacza, że ​​są to samo.

Na tym filmie elektrycznego elementu grzejnego w wodzie między godziną 01:00 a 02:00 dźwięk wytwarzany przez szybkie zapadanie się bąbelków staje się coraz głośniejszy, ale widocznych jest niewiele bąbelków. Czy proces, w którym powstaje ten dźwięk, jest uważany za gotowanie lub kawitację ? Jakie jest to rozróżnienie?

Tymczasową odpowiedź na powiązane pytanie pozostawiłem na innej stronie SE: W jaki sposób (właściwie) schłodzone propelenty zmniejszają kawitację w turbosprężarkach i ułatwiają podawanie? Nie mogłem zmusić się do przyjęcia odpowiedzi na to pytanie, które zaczyna się od stwierdzenia: „kawitacja się gotuje”.

Chociaż są ze sobą powiązane, co zasadniczo odróżnia kawitację i gotowanie jako różne zjawiska?

Inżynier mechanik tutaj, były nuke US Navy. Podręczna definicja kawitacji pochodzi z mojego treningu nuklearnego:

„Powstawanie i późniejsze zapadanie się pęcherzyków pary, gdy ciśnienie ssania spada poniżej, a następnie wzrasta powyżej ciśnienia nasycenia”.

Definicja ta odnosi się do ciśnienia ssania jak w pompie, ale powiedziałbym bardziej ogólnie i najwyraźniej w stosunku do większości innych plakatów tutaj, że kawitacja odnosi się bardziej do tworzenia się i późniejszego zapadania się pęcherzyków pary, niż dotyczy tego, jak te pęcherze powstają .

Rozumiem teraz, że efekt kawitacji zwykle występuje (lub jest najczęściej omawiany, kiedy to się dzieje) w pompach i śmigłach, ale zdarza się również we wrzącej wodzie.

Kiedy doprowadzasz wodę do wrzenia, początkowo jest cicho i nie ma bąbelków. W pewnym punkcie przejścia (wrzenie jądra) tworzą się bąbelki na dnie szalki, odrywają się, ale zapadają, zanim dotrą do powierzchni . Ten rodzaj wrzenia (zwany kulinarnym dusieniem) można poprawnie nazwać kawitacją. Jest to również bardzo głośna faza w procesie gotowania - jest to „głośny” okres w filmie OP.

Po kawitacji przychodzi (przynajmniej do gotowania) ostatnia faza wrzenia, w której płyn wrzenia się gotuje, a bąbelki docierają do powierzchni wody (odejście od wrzenia zarodków). Mimo że gotowanie wydaje się być bardziej energiczne, jest to o wiele cichsze, ponieważ kawitacja już nie występuje .

Kawitacja to dźwięk pingowania, jaki wydaje dzban wody przed pełnym zagotowaniem. Po osiągnięciu pełnego wrzenia bąbelki pary docierają na powierzchnię, a jakość dźwięku zmienia się z pingowania na bardziej bulgotanie.

Wszystko to mówiło, że na innych postach dużo mówi się o gotowaniu, czyli zastosowaniu ciepła, a kawitacja o obniżeniu ciśnienia. Ponownie, obniżenie ciśnienia (poniżej ciśnienia nasycenia) jest przyczyną kawitacji, ale obniżenie ciśnienia nie jest definicją kawitacji.

Termin tworzenia pęcherzyków pary przez obniżanie ciśnienia nazywa się destylacją rzutową lub odparowaniem błyskawicznym . Termin tworzenia pęcherzyków pary przez zwiększenie ciepła nazywa się gotowaniem .

Termin kawitacja odnosi się do powstawania i późniejszego zapadania się pęcherzyków pary. Kawitacja ma miejsce w pompach, w garnku z wodą spaghetti, w śmigle łodzi podwodnej itp. Nie ogranicza się to do żadnego ze sposobów wytwarzania (ciśnienia lub ciepła). Film w poście PO pokazuje kawitację podczas procesu gotowania.

:EDYTOWAĆ:

Komentarz Air uznał mnie za wyzwanie , aby stworzyć źródło definicji kawitacji, które tutaj podałem. Linia, którą zacytowałem powyżej, jest zapamiętana około 15 lat temu. Mam (na półce w domu) skondensowaną ulotkę techniczną niesklasyfikowanych informacji, które otrzymaliśmy na zakończenie szkoleń nuklearnych w celach osobistych. Próbując znaleźć ten podręcznik online, znalazłem stronę z publikacjami technicznymi, która wydaje się odtwarzać niektóre treści, których nauczono nas w programie szkoleniowym dotyczącym energii jądrowej.

Pierwszy tom nauk mechanicznych zawiera sekcję dotyczącą kawitacji, która stwierdza:

Jeśli spadek ciśnienia jest wystarczająco duży lub jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, spadek ciśnienia może być wystarczający, aby spowodować odparowanie cieczy, gdy ciśnienie lokalne spadnie poniżej ciśnienia nasycenia pompowanej cieczy. Wszelkie pęcherzyki pary powstałe w wyniku spadku ciśnienia w oku wirnika są zamiatane wzdłuż łopatek wirnika przez przepływ płynu. Gdy bąbelki dostaną się do obszaru, w którym ciśnienie lokalne jest większe niż ciśnienie nasycenia dalej od łopatki wirnika, pęcherzyki pary gwałtownie się zapadają. Ten proces powstawania i późniejszego zapadania się pęcherzyków pary w pompie nazywa się kawitacją.

(Podkreślenie dodane) Definicja, której nauczono nas zapamiętać (jak cytowałem na górze), jest skróconą wersją tego oświadczenia do odtworzenia na egzaminach.

Obecnie nie ma źródła na tej konkretnej stronie internetowej , w której woluminy referencyjne są podzielone według sekcji, skąd pochodzi ten materiał, ale na górze strony znajduje się dokument DOE „DOE-HDBK-1018/1”.

Możesz sprawdzić ten numer i znaleźć dokument opublikowany w całości na stronie internetowej Departamentu Energii , gdzie ten fragment można znaleźć na stronie 12.

Ponadto, w odniesieniu do komentarza na temat „przemysłu, który nie podchodzi do linii amerykańskiej marynarki wojennej”, kopia hostowana na stronie internetowej DOE zawiera przedmowę i przegląd stwierdzający, że materiał został przygotowany przy udziale przemysłu jądrowego i jest przeznaczony do wykorzystania w szkoleniach operatorzy jądrowi. Może więc niektóre branże nie używają podanej przeze mnie definicji kawitacji, ale przemysł nuklearny tak robi i wydaje się (z komentarza Bryona Walla ), że przemysł chemiczny również.

Myślę, że bardziej chodzi o język niż fizykę. Podstawowe zjawisko fizyczne - zmiana fazy z cieczy na gaz, gdy prężność pary jest równa ciśnieniu hydrostatycznemu w płynie - jest taka sama dla wrzenia i kawitacji.

W powszechnym (nienaukowym) zastosowaniu „gotowanie” oznacza podgrzewanie cieczy, aż jej prężność pary będzie równa ciśnieniu wewnętrznemu płynu. W większości „nienaukowych” przypadków ogrzewanie odbywa się przy (w przybliżeniu) stałym ciśnieniu z interfejsem między cieczą a gazem (np. Woda i powietrze), a odparowana ciecz (para) opuszcza ciecz i miesza się z gazem , przenosząc ciepło z cieczy do gazu.

Z drugiej strony „kawitacja” to lokalne obniżenie ciśnienia w cieczy, w (w przybliżeniu) stałej temperaturze. Podobnie jak podczas wrzenia, część cieczy paruje, gdy ciśnienie cieczy jest równe ciśnieniu pary, ale para nie może uciec nigdzie, ponieważ otaczająca ciecz jest pod wyższym ciśnieniem. Jeśli bąbel pary zacznie przepływać przez płyn, wkrótce osiąga punkt, w którym ciśnienie płynu jest wyższe, i zapada się z powrotem w ciecz.

Nagłe fale ciśnienia w cieczy, które powstają podczas zapadania się pęcherzyków, mogą powodować uszkodzenie elementów metalowych, takich jak śmigła, turbiny wodne itp.

Krótka odpowiedź brzmi, że zarówno kawitacja, jak i gotowanie odnoszą się do zmiany fazy z ciekłej na gazową, która powoduje tworzenie się pęcherzyków, gdzie kawitacja jest napędzana spadkiem ciśnienia, a gotowanie jest napędzane wzrostem temperatury. Cytowanie znajduje się w Kawitacji i dynamice bąbelków , strona 1:

Z grubsza, ale użyteczny sposób rozróżnienia tych dwóch procesów polega na zdefiniowaniu kawitacji jako procesu zarodkowania w cieczy, gdy ciśnienie spada poniżej ciśnienia pary, natomiast wrzenie to proces zarodkowania, który zachodzi, gdy temperatura wzrośnie powyżej temperatura nasyconej pary / cieczy. Oczywiście, z podstawowego fizycznego punktu widzenia, różnica między tymi dwoma procesami jest niewielka ... Różnice między tymi dwoma procesami występują z powodu różnych czynników komplikujących, które występują w kawitacyjnym przepływie z jednej strony i gradientach temperatury i efekty ścienne, które występują podczas gotowania.

Jeśli chcesz wiedzieć, jak to rozróżnienie może być przydatne, pełny tekst starszego wydania książki jest dostępny na stronie internetowej biblioteki Caltech. Znalezienie nowszej edycji w bibliotece nie powinno być trudne, biorąc pod uwagę pracę cytowaną prawie 3000 razy według Google Scholar.

Długa odpowiedź zaczyna się od zauważenia, że ​​ten cytat nie udaje, że podaje jedyne definicje kawitacji i wrzenia; wyraźnie proponuje jeden sposób zdefiniowania ich jako dwóch procesów, które są „szorstkie, ale przydatne”. Oczekuję, że dr Brennen zgodzi się, że istnieją konteksty, w których inne definicje są bardziej przydatne.

W bardzo ogólnym znaczeniu „kawitacja” może oznaczać spontaniczne pojawienie się wnęk (zwanych również pustkami lub pęcherzykami) w cieczy. Jeśli badasz, w jaki sposób różne materiały lub geometrie powierzchni promują lub tłumią zarodkowanie, może to być bardziej przydatna definicja niż wykluczająca ogrzewanie.

W bardziej restrykcyjnym sensie „kawitacja” może oznaczać tylko ten podzbiór tego pierwszego, który występuje we względnie stałej temperaturze, w obecności solidnego interfejsu, który później wszczepia i przyczynia się do zużycia elementów mechanicznych. Jeśli budujesz układ napędowy dla łodzi podwodnej, może to być bardziej użyteczna definicja niż jedno z poprzednich dwóch.

Słowo „wrzenia” poprzedza współczesną termodynamikę, więc nie powinniśmy być zaskoczeni, jeśli trudno jest to określić. Zwykle myślimy o gotowaniu jako procesie obejmującym bąbelki, ale gotowanie filmu jest wyjątkiem - ludzie badający, co dzieje się, gdy zastosujesz tonę ciepła na granicy faz ciało stałe / ciecz, uważali, że warto umieścić to zjawisko w tej samej kategorii co nukleacja wrzenie.

Z drugiej strony mówi się również, że płyny „gotują się” w próżni (a oto film z tego , jeśli jesteś ciekawy - spróbuj dowiedzieć się, gdzie zachodzi zarodkowanie!). Czy uważasz, że ludzie w NASA dbają o to, czy gotowanie wymaga ciepła, gdy pracują, aby zmniejszyć ryzyko związane z wybuchową dekompresją? Ja nie.

Zyskujesz bardzo niewiele, oczekując lub podając obiektywnie poprawną terminologię. Jeśli robisz jakieś techniczne notatki na ten temat i zamierzasz rozróżnić kawitację od gotowania, po prostu wyraź swoje definicje. Zachowaj należytą staranność, aby upewnić się, że twoje definicje nie odbiegają znacząco od konsensusu, lub zbuduj bardzo mocny argument na ich poparcie.

Rozumiem, podobnie jak ja, chcesz prostej odpowiedzi. W czajniku woda jest podgrzewana do temperatury wrzenia wokół elementu, ale otaczająca woda nie jest. Para nie może istnieć w temperaturze niższej niż 100 ° C pod ciśnieniem atmosferycznym, więc gdy para styka się z chłodniejszą wodą, natychmiast skrapla się, nie pozostawiając żadnego efektu amortyzacji, więc jest jak metal przeciwko metalowi.

Kawitacja nie musi obejmować waporyzacji. Ciecz podobna do płynu hydraulicznego, jeśli wlot pompy jest ograniczony, tworzą się pęcherzyki próżniowe. Ponieważ nie ma w nich powietrza, które mogłoby amortyzować uderzenie, znowu jest jak metal w stosunku do metalu. Pompa brzmi jak zgniłe metalowe wióry. Chociaż jest to ciecz, działa jak metal i powoduje zmęczenie części metalowych. Dzieje się tak również wtedy, gdy przepływ odbywa się po powierzchni takiej jak bok kuli i nie ma wystarczającego nacisku, aby utrzymać ją wzdłuż powierzchni lub spływa z krawędzi powierzchni jak śmigło. Ciecz jest wyrzucana z powierzchni i tworzą się pęcherzyki próżniowe, a następnie zapadają się bez amortyzacji, dając metaliczny trzask i erodując krawędzie śmigła. Jest jeszcze gorzej w przypadku okrętów podwodnych. Mówi „Oto jestem!” do wroga. Możesz zademonstrować efekt za pomocą węża ogrodowego i wiadra z wodą. Wejdź po schodach. zdejmij złączki i załóż wąż na poręcz lub trzymaj go głęboko w wiadrze i zacznij spuszczać wodę, a następnie przesuń palec nad wlotem. Będziesz tutaj słabo metalicznym pęknięciem z wnętrza najwyższej części węża, gdy woda płynie dalej, a następnie uderza o siebie.

Jestem trochę zdezorientowany, jeśli zapytacie w związku z kawitacją pompową, to moja ans: kawitacja kładła nacisk na odwrotne gotowanie (gdy para wraca do cieczy, zapadająca się bańka). Wtedy dokonują się działania destrukcyjne, uderzenie w powierzchnię. Dlatego części wirnika ulegają uszkodzeniu w pobliżu wyjścia.