Bei der Kavitation bilden sich aufgrund eines starken Druckabfalls in einer Flüssigkeit Dampfblasen, welche unmittelbar darauf implodieren und hierdurch punktuell einen Überdruck erzeugen, welcher zur Beschädigung von Rohrleitungen und besonders Pumpenlaufrädern, bei denen dies häufig anzutreffen ist, führen kann.
Eigenschaften von Flüssigkeiten
Um die Kavitation zu verstehen, muss man verstehen, wie Flüssigkeiten aufgebaut sind. Flüssigkeiten bestehen aus Molekülen, welche einander anziehen. Dies lässt sich auch an der Oberflächenspannung erkennen und dem Streben aller Flüssigkeiten möglichst eine Kugelform zu erreichen, was sich besonders in der Schwerelosigkeit gut zeigen lässt. Gleichzeitig können Flüssigkeiten unabhängig vom Druck fast nicht komprimiert oder ausgedehnt werden.
Damit eine Flüssigkeit flüssig bleibt, sind vor allem zwei Parameter ausschlaggebend. Der Umgebungsdruck und die Temperatur. Wasser z. B. wird bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 0 °C flüssig. Um es zum Sieden (Verdampfen) zu bringen, benötigt man eine Temperatur von 100 °C, wenn der Druck bei einem Bar bleibt. Reduziert man allerdings den Druck, siedet Wasser bereits bei wesentlich geringeren Temperaturen. So ist Wasser bei einem Druck von 0 bar bereits bei Zimmertemperatur gasförmig.
Kavitation an einem Pumpenlaufrad
Bei einem Laufrad wird das Wasser zur Ausgangsseite der Pumpe herausgedrückt, wodurch auf der Eingangsseite der Pumpe ein Unterdruck entsteht, da das Wasser nicht in gleicher Geschwindigkeit nach strömt. Hierbei kann es vorkommen, dass die Bindungen zwischen den Flüssigkeitsmolekülen (z. B. Wasserstoffbrückenbindungen und Dipol-/Dipolbindungen) nicht mehr aufrechterhalten werden können und auseinanderreißen. Die Flüssigkeit verdampft lokal zu einer kleinen Blase, welche anschließend in eine Region mit größerem Druck transportiert wird und hierdurch wieder zusammenfällt (implodiert). Beim Zusammenfall entsteht ein Überdruck, welcher in Form eines Strahls (Jet) abgegeben wird und nahe Bauteile wie etwa das Pumpenlaufrad beschädigen, indem Teile aus dem Material herausgesprengt werden.
Es handelt sich lediglich um mikroskopisch kleine Beschädigungen an der Materialoberfläche, welche aber aufgrund der Häufung über einen längeren Zeitraum erhebliche Schäden anrichten können.
Der Eingangsdruck spielt dabei eine wesentliche Rolle. Häufig treten Kavitationen bei Förderpumpen auf, welche für die Wasserförderung aus einem Brunnen oder einer anderen tiefer gelegenen Quelle eingesetzt werden. Die „angesaugte“ Wassersäule hat aber bereits bei einer Höhe von knapp über 8 m keine Möglichkeit mehr, die Wassermoleküle zusammenzuhalten, wodurch das Wasser hier schon bei kleinen Fördermengen siedet. Man spricht hier auch von der maximalen geodätischen Ansaughöhe. Tauchpumpen sind hier die bessere Wahl.
Maßnahmen zur Vermeidung von Kavitationen
Da die beiden Hauptfaktoren bereits durch die Flüssigkeitstemperatur und den Umgebungsdruck gegeben sind, sollte hier entsprechend eingegriffen werden, um eine Kavitation zu vermeiden. Im Folgenden einige Maßnahmen zur Reduzierung einer Kavitation.
- Fördermenge der Pumpe verringern
- Druck oder Flüssigkeitsmenge auf der Eingangsseite erhöhen
- Temperatur der Flüssigkeit verringern
- Förderhohe verringern (gegebenenfalls eine Trauchpumpe verwenden)