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Che cos’è la cavitazione e come evitarla

Che cos’è la cavitazione?


Tutte le pompe funzionano creando una bassa pressione all’entrata e consentendo alla pressione atmosferica (o di sistema) di spingere il fluido nella pompa. Questo processo espone tutte le pompe a un fenomeno chiamato “cavitazione”. La cavitazione è la formazione di cavità (bolle) di vapore all’interno di un liquido che si verifica quando la pressione locale scende rapidamente al di sotto della pressione di vapore del liquido. Ciò forma una bolla di vapore all’interno del liquido, la quale di norma permane per un breve periodo di tempo prima di ritrasformarsi in liquido. Il collasso del liquido è violento, produce un forte scoppiettio e spesso danneggia le superfici circostanti. Persino i metalli resistenti vengono scalfiti se sottoposti al getto forte e localizzato risultante dall’implosione della bolla.

Ciclo di vita di una bolla di cavitazione

All’interno delle pompe, la cavitazione ha spesso origine dietro alla parte mobile, dove si trovano regioni localizzate a bassa pressione. L’utilizzatore potrebbe non accorgersene, ma il processo inizierà a danneggiare i componenti all’interno della pompa, per cui deve essere evitato. Con la riduzione della pressione di entrata nel sistema, la cavitazione si fa più presente, producendo fluttuazioni nella pompa, emettendo forti rumori e talvolta producendo fluido torbido all’uscita della pompa.

Il punto in cui ha inizio la cavitazione è molto complesso. È una combinazione di viscosità del fluido, pressione di vapore, densità, temperatura, sollevamento idraulico, pressione atmosferica, tipologia e velocità della pompa. Un segnale che spesso anticipa la cavitazione è la crescita di gas preesistenti intrappolati nel liquido. Nonostante queste bolle non rappresentino un rischio di danneggiamento della pompa, possono ridurre la precisione nell’erogazione del fluido.


Restrizioni all’ingresso


Con le pompe volumetriche, la cavitazione avviene il più delle volte usando tubi lunghi e di diametro esiguo all’ingresso della pompa. Un’equazione generale per il calo di pressione attraverso un tubo è, dove:

Q = portata
µ = viscosità dinamica
L = lunghezza del tubo
D = diametro interno del tubo

Si noti che il calo di pressione dipende da D4, pertanto raddoppiando il diametro interno del tubo si avrà una riduzione del calo di pressione di un fattore pari a 16! L’equazione sopra illustrata riguarda esclusivamente il flusso laminare (numeri di Reynolds <2320). Per i flusso turbolenti, l’equazione è più complicata e dipende maggiormente dalla densità anziché dalla viscosità.

Flusso laminare vs. flusso turbolento nei tubi

Le tubazioni non sono le uniche fonti di calo di pressione spesso ignorate o non sufficientemente prese in considerazione dagli ingegneri idraulici. I filtri di entrata, le valvole di ritegno e gli orifizi sono esempi di componenti che aumentano la depressione all’entrata. Le valvole di ritegno, in particolare, devono essere selezionate accuratamente, in modo da non creare una depressione eccessiva.


Cavitazione nelle pompe volumetriche alternative


Le pompe volumetriche alternative solitamente non sono affette da cavitazione interna altamente localizzata, come invece le pompe altamente rotanti. Tuttavia, hanno un flusso altamente disuniforme in picchi di flusso fino a tre volte superiori alla portata media. Cosa ben più importante, l’interruzione/l’avvio frequente del fluido genera una depressione inerziale all’ingresso della pompa. Non appena la pompa inizia a far scorrere il fluido attraverso l’ingresso, il fluido retrostante deve accelerare. Come per la resistenza viscosa, i tubi sottili e lunghi sono i peggiori per la depressione relativa all’accelerazione dei fluidi (proporzionale a D2). Tali aspetti delle pompe alternative possono sorprendere un ingegnere idraulico che progetti sistemi destinati a una portata media.

Flusso disuniforme in una pompa alternativa

Cavitazione nelle pompe volumetriche rotative


In aggiunta alla resistenza che produce depressione, precedentemente menzionata, gli elementi mobili ad alta velocità creano una zona di bassa pressione subito dietro all’elemento mobile. Ciò diventa un rischio in componenti di diametro maggiore, come i propulsori o i rotori di una pompa centrifuga, mentre non ha un grande influsso sulle pompe a ingranaggi di dimensioni ridotte. Tuttavia, la cavitazione interna può avvenire nell’accoppiamento di una pompa a ingranaggi quando il vuoto si apre tra i due ingranaggi e il nuovo volume creato viene velocemente riempito dal liquido. Tale effetto può essere minimizzato con ingranaggi a dentatura elicoidale a precisione meccanica in grado di generare un’apertura pulita dell’accoppiamento. Tuttavia, i meccanismi interni alla pompa possono produrre cali di pressione localizzati pari a 0,1 bar in acque a velocità superiori a 3000 giri/min.

Aree comuni per la cavitazione in una pompa a ingranaggi esterna

Le pompe a lobi e peristaltiche hanno una pulsazione relativamente potente nei loro profili di flusso. Questa pulsazione produce depressioni transitorie simili a quelle delle pompe alternative. Pertanto, occorre prestare attenzione nell’implementazione di questi tipi di pompe.


Prevalenza netta di aspirazione positiva (NPSH)


La NPSH (Net Positive Suction Head) è un’unità comunemente indicata in metri, utilizzata dagli ingegneri civili. I produttori di turbine e di pompe centrifughe in questo settore danno spesso alle loro pompe una valutazione NPSH, ossia la pressione minima alla porta di aspirazione necessaria per proteggere la pompa dalla cavitazione. La NPSH viene spesso indicata in piedi, essendo questa l’unità di misura comune della pressione impiegata dagli ingegneri civili negli Stati Uniti. Le pompe volumetriche che trovano impiego nel settore medico, nell’industria alimentare e delle bevande e in applicazioni industriali leggere solitamente non assegnano valori NPSH alle pompe a causa della grande variazione nei fluidi, nelle temperature, nelle velocità e in altre condizioni di funzionamento.

Il modo migliore per prevenire la cavitazione è quello di coinvolgere il fornitore della pompa all’inizio della fase di progettazione del sistema idraulico. Gli ingegneri idraulici che progettano le pompe comprendono la sensibilità delle pompe, sanno quali livelli di depressione sono tollerabili e hanno una vasta esperienza nella creazione apposita di sistemi idraulici in modo da evitare la cavitazione. Una stretta collaborazione tra i progettisti del sistema e gli ingegneri delle pompe può snellire il processo di progettazione per impedire iterazioni in una fase successiva del ciclo di progettazione.