Kavitation

Begriff und Formen

Kavitation ist die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen, also Dampfblasen, in Flüssigkeiten. Sie ist besonders wichtig, weil beim Zusammenfallen dieser Blasen sehr hohe, kurzzeitige Drücke und Temperaturen entstehen können.

Man unterscheidet zwei Grenzfälle:

• Bei der Dampfkavitation oder harten (transienten) Kavitation bestehen die Hohlräume hauptsächlich aus dem Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Sie fallen durch den äußeren Druck schlagartig zusammen.
• Bei der weichen Gaskavitation treten gelöste Gase in die Hohlräume ein und dämpfen den Kollaps. Bei stabiler Gaskavitation verhindern die Gase das Zusammenfallen.

Die Kavitationszahl beschreibt die Neigung einer Flüssigkeit zur Kavitation.

Ursachen und Entstehung

Kavitation entsteht häufig an schnell bewegten Objekten in einer Flüssigkeit, zum Beispiel an Laufrädern von Kreiselpumpen, Wasserturbinen oder Propellern. Nach dem Gesetz von Bernoulli sinkt der statische Druck einer Flüssigkeit, wenn ihre Geschwindigkeit steigt. Fällt der Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit, bilden sich Dampfblasen. Die Strömung trägt sie meist in Bereiche mit höherem Druck. Sobald der Druck wieder über den Dampfdruck steigt, kondensiert der Dampf schlagartig und die Blasen kollabieren.

Bei Kreiselpumpen entstehen die örtlichen Druckabsenkungen vor allem am Schaufelkanaleintritt des Laufrades. Weitere mögliche Stellen sind die Eintrittskanten von Leitradschaufeln, Gehäusezungen und Spaltringe. Begünstigt wird Kavitation durch eine zu hohe Temperatur der Förderflüssigkeit, einen zu niedrigen Druck auf der Eintrittsseite, eine zu große geodätische Saughöhe oder eine verringerte Zulaufhöhe. Auch Ultraschall kann durch starke Druckschwankungen Kavitation auslösen: Sie entsteht dann in den Druckminima der Schwingung.

Dampfblasen beim gewöhnlichen Sieden gelten nicht als Kavitation, weil sie durch Temperaturänderungen und nicht durch Druckschwankungen entstehen.

Implosion und Druckstöße

Bei einem Druck von 1013,25 hPa, dem normalen Luftdruck, verdampft Wasser bei 100 °C. Bei höherem Druck liegt die Verdampfungstemperatur höher, bei niedrigerem Druck niedriger. Unter einem Systemdruck von 23,37 hPa verdampft Wasser bereits bei 20 °C.

Beim Verdampfen benötigt Wasserdampf bei 20 °C ein vielfach größeres Volumen als flüssiges Wasser; dadurch bilden sich Blasen. Steigt der Wasserdruck wieder an, endet die Verdampfung. Der Wasserdampf kondensiert an der Außenwand der Blase, und die Blase fällt schlagartig zusammen. Das Wasser strömt implosionsartig in den frei werdenden Raum zurück. Dabei entstehen sehr starke, kurzzeitige Druckstöße mit Größenordnungen von mehreren 100 MPa. Es gilt: 1 MPa = 10 bar = 1 N/mm². Außerdem entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen.

Liegt eine Blase an oder nahe einer festen Wand, etwa an einer Laufradschaufel, kann bei der Implosion ein schneller Flüssigkeitsstrahl, ein Mikrojet, entstehen. Er trifft auf die Wand und belastet sie schlagartig.

Schäden, Geräusche und Diagnostik

An festen Oberflächen kann Kavitation Kavitationsfraß verursachen. Die hohen Beschleunigungen, Temperaturen und Drücke verformen das Oberflächenmaterial zunächst in mikroskopisch kleinen Bereichen. Mit der Zeit brechen immer größere Partikel heraus, sodass kraterförmige Materialabtragungen entstehen. In der Hydraulik ist Kavitation deshalb unerwünscht: Sie beschädigt Bauteile und verringert den Wirkungsgrad.

Zur Vermeidung von Kavitationsschäden dürfen Flüssigkeitstemperatur und Ansaugdruck einer Pumpe nicht ungünstig sein. Läuft eine Pumpe ohne Flüssigkeitsentnahme, kann die Flüssigkeit zu heiß werden. Sie sollte dann beispielsweise über eine Rückspülleitung im Kreis gepumpt oder die Pumpe abgeschaltet werden. Bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen darf das Verhältnis von Druck und Temperatur im Pumpenraum einen bauartabhängigen Wert nicht unterschreiten. In der Raketentechnik kann Kavitation unregelmäßige Verbrennung und Schäden an den von Gasturbinen angetriebenen Kreiselpumpen verursachen. Ein geringer Überdruck im Treibstofftank, der durch Druckgas aufrechterhalten wird, verringert das Problem.

Die implodierenden Blasen erzeugen Knall- oder Knattergeräusche. Bei U-Booten konnten diese Geräusche früher eine Ortung durch passives Sonar ermöglichen. Kavitationsarme Propeller verringern die Geräuschentwicklung; bei hohen Geschwindigkeiten und geringer Tauchtiefe muss ein U-Boot jedoch tiefer tauchen oder langsamer werden. Auch militärische Überwasserschiffe verwenden kavitationsarme Schrauben und Systeme wie das Prairie-Masker-System.

Bei medizinischen Sonographien können starke Ultraschallenergien, besonders negative Spitzendrücke, im Körper Kavitation auslösen. Mögliche thermische oder mechanische Folgen sind die Bildung freier Radikale, Schockwellen und die Zerstörung von Gewebe. Einige Effekte wurden bei Tierversuchen in vivo beobachtet. Kontrastmittel könnten die Wahrscheinlichkeit für Kavitation erhöhen.

Natur und technische Anwendungen

In der Natur kann Kavitation die Schwimmgeschwindigkeit begrenzen. Untersuchungen des Israel Institute of Technology zufolge wird die maximale Geschwindigkeit von Delfinen durch Schmerzen an den Schwanzflossen begrenzt, die oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit auftreten. Manche Fische, beispielsweise Thunfische, besitzen dort keine Schmerzrezeptoren und dringen deshalb in Geschwindigkeitsbereiche vor, in denen Kavitationseffekte entstehen. Kavitation ist außerdem die Ursache des Fingerknackens.

Knallkrebse erzeugen durch das extrem schnelle Schließen ihrer Scheren Kavitationsblasen. Der Knall beim Kollaps kann Beutetiere betäuben oder töten und wird auch im Kampf gegen Artgenossen eingesetzt. Verfehlt der Fangschlag eines Fangschreckenkrebses seine Beute, kann die entstehende Kavitationsblase die Beute treffen, betäuben und anschließend ihren Fang ermöglichen.

Technisch wird Kavitation unter anderem in Ultraschallbädern zur Entfernung von Oberflächenschmutz genutzt. Speziell abgestimmte Reinigungsflüssigkeiten und eine höhere Temperatur verstärken den mechanischen Reinigungseffekt. Ultraschall schließt außerdem in der Mikrobiologie Zellen auf. In der Sonochemie ermöglichen die hohen Energien beim Blasenkollaps chemische Reaktionen. Hochdruckhomogenisatoren nutzen Kavitation in der Lebensmittelindustrie, um Fetttropfen zu zerkleinern. Bei Torpedos wird eine künstlich erzeugte Kavität genutzt, in der sie sich unter Wasser mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen; diese Technik heißt Superkavitation.