Kavitation
Kavitation ist die Bildung von Dampfblasen in Flüssigkeiten bei niedrigem Druck.
Der Siedepunkt einer Flüssigkeit hängt vom Druck ab. Je höher der Druck, desto höher der Siedepunkt (siehe Schnellkochtopf) und umgekehrt. Bei entsprechend niedrigem Druck kann der Siedepunkt zum Beispiel von Wasser auch soweit absinken, dass er unterhalb der Wassertemperatur liegt. Dann entstehen spontan Dampfblasen. Steigt der Druck wieder an, so implodieren (zerfallen) diese Blasen wieder, wobei ein leiser Knall entsteht.
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Ursachen
Die häufigste Ursache für Kavitation sind schnell bewegte Objekte im Wasser wie zum Beispiel Pumpenräder oder Propeller. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der Druck in einer Flüssigkeit um so geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Falls die Geschwindigkeit so hoch ist, dass der Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fällt, geht diese in den gasförmigen Zustand über, und es entsteht Kavitation.
Starke Druckschwankungen, die Kavitation auslösen, können auch durch Ultraschall erzeugt werden. Bei entsprechend starker Anregung entstehen durch die Kavitation Lichtblitze. Dieser Effekt wird Sonolumineszenz genannt und ist bislang von der Wissenschaft noch nicht vollkommen verstanden.
Wirkungen der Kavitation
Kavitationsschäden
Kollabiert die Kavitationsblase an der Oberfläche fester Körper (wie zum Beispiel eines Schiffspropellers), wird durch die extreme Energiedichte punktförmig Material geschmolzen und gleichzeitig ausgewaschen. Kleine Krater entstehen; man spricht von Kavitationsschäden.
Bei Geräten wie Propellern und Pumpen ist Kavitation ein schädlicher Effekt. Zum einen reduziert er den Wirkungsgrad, zum anderen führt er zu Beschädigungen, denn beim Implodieren der Hohlräume treten kurzzeitig enorm hohe Beschleunigungen, Temperaturen und Drücke auf, denen bisher kein Material gewachsen ist. Damit Kavitation in Pumpen verhindert wird, muß darauf geachtet werden, daß die Temperatur des Mediums in der Pumpe nicht zu hoch wird. Hohe Temperaturen entstehen dann, wenn die Pumpe läuft, ohne daß Flüssigkeit entnommen wird. In so einem Fall sollte die Flüssigkeit im Kreis gepumpt 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.
Das beim Implodieren auftretende Geräusch (Knall, Knattern) zerstörte früher die Tarnung von U-Booten; zum Orten wurde passives Sonar verwendet. Seitdem kavitationsfreie Propeller entwickelt wurden, spielt die Kavitation für die U-Boot-Ortung bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit der U-Boote keine Rolle mehr. Man erkennt kavitationsfreie Propeller an den langgezogenen Enden; sie gleiten sanfter und wesentlich leiser durchs Wasser. Bei hohen Geschwindigkeiten der U-Boote sind kavitationsfreie Propeller wirkungslos.
Kavitationsgeräusche an Pumpen oder in Rohrleitungen, zum Beispiel in Heizungssystemen, werden oft als störender Lärm empfunden. Viel häufiger als durch Kavitation, werden diese Geräusche jedoch durch schlechte Entlüftung oder das strömende Medium selbst verursacht.
Anwendungen
Der an sich zerstörerische Prozess kann auch nutzbringend eingesetzt werden, beispielsweise zur Reinigung von Gegenständen in so genannten Ultraschallbädern, bei der durch Kavitation Oberflächenschmutz zerstört und abgetragen wird. Die Kavitation wird meist, wie der Name der Geräte schon sagt, durch Ultraschall erzeugt, wobei der Ultraschall durch hohe Beschleunigungen schon allein Schmutzteilchen ablöst, ohne das Wasser selbst erst zerreißen zu müssen.
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.
Kavitation und "Kalte Fusion"
Kontrovers diskutiert wird, ob die bei Kavitation freigesetzte Energie bis in den atomaren Bereich hineinwirken kann. Beobachtbare Lichtblitze sind ein Indiz dafür, dass Elektronen angeregt wurden.
Weblinks
- Theoretischer Hintergrund zu "Kavitation in Stellventilen" (PDF)
- Numerische Untersuchung kavitierender Strömungen in einer Modellkreiselpumpe