Kavitation

Kavitation (lat. cavitare „aushöhlen“) ist die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen. Man unterscheidet zwei Grenzfälle, zwischen denen es viele Übergangsformen gibt. Bei der Dampfkavitation oder harten Kavitation enthalten die Hohlräume kein oder wenig Gas, sondern nur Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Solche Hohlräume fallen unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplosion zusammen. Bei der weichen bzw. Gaskavitation sind die Hohlräume mit dem in der Flüssigkeit gelösten Gas gefüllt. Sie lösen sich durch Diffusion der Flüssigkeit in die Blase allmählich auf.

Ursachen

Die häufigste Ursache für Kavitation sind schnell bewegte Objekte im Wasser wie zum Beispiel Laufräder von Kreiselpumpen, Wasserturbinen oder Propeller. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der Druck in einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Falls die Geschwindigkeit so hoch ist, dass der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fällt, bilden sich Dampf- oder Gasblasen. Mit dem Ansteigen des statischen Drucks kondensiert der Dampf in den Hohlräumen schlagartig. Dabei treten extreme Druck- und Temperaturspitzen auf.

Die Ursache von Kavitation sind insbesondere bei Kreiselpumpen die örtlichen Druckabsenkungen im Schaufelkanaleintritt des Laufrades, die unvermeidlich mit der Umströmung der Schaufeleintrittskanten und der Energieübertragung von den Laufradschaufeln auf die Förderflüssigkeit verbunden sind. Kavitation kann aber auch an anderen Stellen der Pumpe, an denen der Druck örtlich absinkt wie z.B. an den Eintrittskanten von Leitradschaufeln, Gehäusezungen, Spaltringen usw. auftreten.

Weitere Ursachen sind entweder das Ansteigen der Temperatur der Förderflüssigkeit, das Absinken des Druckes auf der Eintrittsseite der Pumpe, die Vergrößerung der geodätischen Saughöhe oder die Verkleinerung der Zulaufhöhe.

Starke Druckschwankungen, die Kavitation auslösen, können auch durch Ultraschall erzeugt werden.

Wirkungen der Kavitation

Mechanische Schäden

Tritt Kavitation an der Oberfläche fester Körper (wie zum Beispiel eines Schiffspropellers) auf, kommt es unter Umständen zu sogenanntem Kavitationsfraß. Das Oberflächenmaterial wird durch die hohen mechanischen Beanspruchungen in mikroskopisch kleinen Teilen deformiert. Nach einiger Zeit brechen aus der Oberfläche größere Partikel heraus. Der Mechanismus dieser Schädigung ist noch nicht abschließend geklärt.

Kavitation ist in der Hydraulik meist unerwünscht. Zum einen reduziert sie den Wirkungsgrad, zum anderen kann sie zu Beschädigungen führen. Denn beim Implodieren der Hohlräume treten kurzzeitig extrem hohe Beschleunigungen, Temperaturen und Drücke auf, die das Material beschädigen können. Um Kavitation in Pumpen zu verhindern, ist darauf zu achten, dass die Temperatur der Flüssigkeit in der Pumpe nicht zu hoch bzw. der Ansaugdruck der Pumpe nicht zu niedrig wird. Hohe Temperaturen entstehen dann, wenn die Pumpe, ohne dass Flüssigkeit entnommen wird läuft. In diesem Fall sollte die Flüssigkeit im Kreis gepumpt (z. B. in einer Rückspülleitung) oder die Pumpe abgeschaltet werden. Kavitationsschäden treten z. B. bei Feuerwehrkreiselpumpen auf, wenn die Pumpe eingeschaltet ist, um den Druck in der Leitung aufrechtzuerhalten und trotzdem kein Löschwasser entnommen wird. Bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen darf das Verhältnis von Druck und Temperatur im Pumpenraum einen bauartabhängigen Wert nicht unterschreiten um Schäden zu vermeiden.

In der Raketentechnik führt Kavitation zu einer unregelmäßigen Verbrennung und zu Schäden an Turbopumpen. Turbopumpen müssen bei Raketen große Treibstoffmengen mit hohem Druck fördern und sind daher besonders anfällig für Kavitation. Man verringert die Kavitation indem man den gesamten Treibstofftank unter Überdruck setzt und diesen Überdruck durch Nachspeisen von Druckgas hält, während sich der Tank entleert.

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Geräuschentwicklung

Das beim Implodieren auftretende Geräusch (Knall, Knattern) hob früher oft die Tarnung von U-Booten auf. Die Boote konnten mit passivem Sonar geortet werden. Seit kavitationsarme Propeller entwickelt wurden, spielt die Kavitation für die U-Boot-Ortung bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Tauchtiefe keine Rolle mehr. Man erkennt kavitationsarme Propeller an den langgezogenen Enden, mit denen sie sanfter und wesentlich leiser durchs Wasser gleiten. Bei hohen Geschwindigkeiten in niedrigen Wassertiefen sind die kavitationsarmen Propeller jedoch auch wirkungslos. Das U-Boot muss dann entweder tiefer tauchen, um den Wasserdruck zu erhöhen oder die Geschwindigkeit verringern.

Geräusche in Pumpen oder Rohrleitungen, wie zum Beispiel in Heizungssystemen, werden oft als störender Lärm empfunden. Ursächlich dafür ist jedoch meist schlechte Entlüftung und weniger Kavitation.

Kalte Fusion

Kontrovers diskutiert wird, ob die bei Kavitation freigesetzte Energie bis in den atomaren Bereich hineinwirken kann, um eine Kernfusion, in diesem Fall die sogenannte Bläschen-Fusion, auszulösen. Lichtblitze, die bereits 1934 beobachtete Sonolumineszenz, sind ein Indiz dafür, dass Elektronen angeregt wurden. An der Oberfläche kollabierender Bläschen wurden weiterhin Temperaturen von über 10.000 °C gemessen. In den Jahren 2002, 2004 und 2005 soll eine Bläschen-Fusion experimentell nachgewiesen worden sein, andere Wissenschaftler sind, hauptsächlich auf Grund von messtechnischen Fragen, jedoch weiterhin skeptisch.

Entstehung und Implosion der Kavitationsblasen

Wasser verdampft bei einem Luftdruck von 1.013,25 hPa bei 100 °C. Bei einem höheren Luftdruck ist die Verdampfungstemperatur höher, bei einem geringeren Luftdruck niedriger. So verdampft Wasser bei einem Druck von nur 23,37 hPa bereits bei einer Temperatur von 20 °C.

Beim Verdampfen entstehen im Wasser Blasen, da der Wasserdampf bei 20 °C einen um das 1.300-fache größeren Raum als das flüssige Wasser benötigt. Sofern der Wasserdruck wieder ansteigt, hört der Verdampfungsvorgang wieder auf, der in der Kavitationsblase entstandene Wasserdampf kondensiert an der Außenwand der Dampfblase und die bereits gebildeten Dampfblasen fallen schlagartig in sich zusammen. Der vorher eingenommene Raum wird wieder um das 1.300-fache verkleinert. Das Wasser muss diesen Raum wieder ausfüllen und strömt implosionsartig mit einer enormen Gewalt zurück, wodurch im Wasser stärkste - wenn auch kurzzeitige - Druckstöße entstehen, die Größenordnungen von mehreren 1.000 bar annehmen können. Bei diesem Vorgang entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer festen Wand, z.B. den Laufradschaufeln, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl ("Mikrojet") der mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand bzw. Laufradschaufel auftrifft und diese durch die schlagartige Druckbelastung hoch beansprucht. Dies erklärt die kraterförmigen Materialabtragungen bei voll ausgebildeter Kavitation.

Anwendungen

Das an sich zerstörerische Phänomen Kavitation kann auch nutzbringend sein, beispielsweise bei der Reinigung von Gegenständen in so genannten Ultraschallbädern, in denen durch Kavitation Oberflächenschmutz entfernt wird. Die Kavitation wird durch Ultraschall erzeugt. Durch den Einsatz speziell abgestimmter Reinigungsflüssigkeiten und entsprechend höhere Temperierung des Bades kann der mechanische Reinigungseffekt des Ultraschalls noch verstärkt werden.

In der medizinischen Diagnostik werden so genannte Ultraschall-Kontrastmittel eingesetzt, ihr kontrastverstärkender Effekt wird durch gasgefüllte Bläschen erzielt.

Im militärischen Bereich werden Torpedos eingesetzt, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit unter Wasser in einer künstlich erzeugten Kavität bewegen. Das Phänomen wurde zuerst von der Russischen Marine zur Anwendungsreife entwickelt und ist unter dem Begriff Superkavitation bekannt geworden.

Weblinks

Strömungslehre | Schiffbau

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