Cavitazione spiegata: comprendere, prevenire e utilizzare le bolle di vapore

La cavitazione, la rapida formazione e collasso di bolle di vapore nei liquidi, rappresenta una sfida significativa per i macchinari. Questo fenomeno può causare danni meccanici, ridurre l'efficienza e generare rumore di disturbo. Comprendere i meccanismi alla base della cavitazione è fondamentale per prevenire guasti alle apparecchiature e ottimizzare le prestazioni.

Questo articolo approfondisce la scienza della cavitazione, le sue varie forme, gli effetti distruttivi e le applicazioni benefiche. Discuteremo anche di come affrontare i problemi di cavitazione comprendendo la Net Positive Suction Head (NPSH).

Che cosa è la cavitazione

La cavitazione è un fenomeno caratterizzato dalla formazione e dal rapido collasso di cavità piene di vapore all'interno di un liquido. Queste cavità, spesso chiamate bolle, compaiono quando la pressione locale del fluido scende al di sotto della sua pressione di vapore. Il successivo collasso di queste bolle può generare energia significativa, portando a una serie di effetti, sia distruttivi che benefici.

Per definire ulteriormente la cavitazione, è importante capire che non si tratta semplicemente di ebollizione, sebbene la formazione di bolle di vapore sia coinvolta in entrambi i processi. Nella cavitazione, la caduta di pressione è la causa primaria, mentre l'ebollizione si verifica quando un liquido raggiunge il suo punto di ebollizione.

La scienza dietro la cavitazione

A. Pressione e pressione di vapore

Il verificarsi della cavitazione è principalmente governato dalla relazione tra la pressione locale all'interno di un liquido e la pressione di vapore di quel liquido. La pressione di vapore è la pressione alla quale un liquido si trasformerà in vapore a una data temperatura. Se la pressione locale all'interno di un liquido scende al di sotto della sua pressione di vapore, il liquido inizierà a vaporizzare, formando bolle di vapore. Ciò accade solitamente nelle aree in cui il fluido accelera.

B. Le fasi della formazione delle bolle

La cavitazione inizia in regioni di bassa pressione all'interno di un liquido. Queste zone di bassa pressione sono spesso create da cambiamenti nella velocità del flusso. Quando un fluido accelera, la sua pressione diminuisce, secondo il principio di Bernoulli.

La formazione di bolle di vapore richiede anche siti di nucleazione. Questi siti possono essere impurità microscopiche, gas disciolti o piccole fessure su superfici solide all'interno del sistema fluido. Queste imperfezioni forniscono la posizione iniziale per lo sviluppo di bolle di vapore perché la tensione superficiale del liquido è ridotta. Una volta che una bolla inizia a formarsi, cresce rapidamente mentre il liquido circostante continua a vaporizzare nella zona di bassa pressione.

C. Violenta implosione della bolla

Una volta che queste bolle di vapore si spostano dalla regione di bassa pressione a una regione di alta pressione, il liquido circostante si precipita dentro per riempire il vuoto. Ciò fa sì che la bolla collassi rapidamente e le molecole del liquido circostante si scontrino, con conseguente rapido aumento di temperatura e pressione. Questa implosione è la causa principale del potenziale distruttivo della cavitazione.

Durante il crollo, vengono generate onde d'urto ad altissima pressione. Queste onde d'urto si irradiano verso l'esterno, colpendo le superfici dei materiali circostanti. Inoltre, minuscoli getti di liquido ad alta velocità, noti come microgetti, possono formarsi e colpire le superfici. Questi microgetti, insieme alle onde d'urto, possono causare danni considerevoli ai materiali circostanti. Inoltre, l'implosione è accompagnata da un notevole rilascio di energia, principalmente sotto forma di calore e forza meccanica.

Tipi di cavitazione

La cavitazione può manifestarsi in varie forme, ciascuna con le sue caratteristiche e cause distinte:

A. Cavitazione inerziale (transitoria)

Questo tipo comporta la rapida crescita e il violento collasso di bolle di vapore, come spiegato in precedenza. È tipicamente associato a eventi ad alta energia ed è noto per la sua natura distruttiva. La cavitazione inerziale può causare danni meccanici significativi e rumore.

B. Cavitazione non inerziale

Contrariamente alla cavitazione inerziale, la cavitazione non inerziale comporta la crescita e l'oscillazione di bolle di gas preesistenti. È meno distruttiva della cavitazione inerziale, sebbene possa comunque avere alcuni effetti in alcune applicazioni. La cavitazione non inerziale è spesso associata ad applicazioni che coinvolgono campi ultrasonici e streaming acustico.

C. Cavitazione idrodinamica

La cavitazione idrodinamica avviene a causa di cambiamenti nella velocità e nella pressione del fluido all'interno di un liquido che scorre. Si osserva frequentemente in pompe, eliche e valvole di controllo, dove si verificano rapide accelerazioni e decelerazioni del fluido. Questa forma di cavitazione è altamente distruttiva perché le bolle di vapore si formano e collassano con elevata energia.

D. Cavitazione di vaporizzazione

La cavitazione di vaporizzazione si verifica quando la temperatura del fluido sale fino al suo punto di ebollizione in una regione di bassa pressione. Ciò è simile all'ebollizione, ma è causato dalla caduta di pressione locale anziché da un aumento di temperatura. Porta alla formazione di bolle di vapore che possono collassare violentemente se esposte a una pressione maggiore.

E. Cavitazione da turbolenza

La cavitazione da turbolenza è causata da rapide fluttuazioni di pressione all'interno di un flusso turbolento. La natura irregolare e caotica del flusso turbolento crea zone localizzate di bassa pressione che causano la cavitazione del fluido. Ciò è comune nei sistemi di flusso in cui è presente turbolenza.

F. Cavitazione di passaggio delle palette

La cavitazione di passaggio delle palette è specifica dei macchinari rotanti, come pompe e turbine. Deriva dall'interazione del fluido con le palette o le pale rotanti, che determinano aree di bassa pressione. Queste cadute di pressione localizzate possono causare la formazione di bolle vicino alle palette, che possono causare gravi danni.

Gli effetti distruttivi della cavitazione

La cavitazione non è sempre un fenomeno desiderato a causa del suo potenziale distruttivo, che può avere un impatto grave sulle prestazioni e sulla longevità delle apparecchiature:

A. Danni meccanici

La cavitazione può causare diversi tipi di danni meccanici ai materiali:

• Puntinatura: Il collasso ripetuto delle bolle di vapore provoca piccoli crateri o buchi sulle superfici dei materiali. Questa è una forma localizzata di erosione e può indebolire la struttura del componente nel tempo.
• Erosione: Quando le bolle collassano, creano microgetti ad alta velocità che impattano sulle superfici, erodendo progressivamente il materiale. Ciò è particolarmente dannoso per i metalli più morbidi.
• Fatica del materiale: Le onde d'urto ripetute e i microgetti inducono sollecitazioni cicliche nel materiale, che possono portare a cricche da fatica. La fatica indebolisce l'integrità strutturale del componente nel tempo.
• Microfratture: L'intensa pressione delle bolle che collassano può causare microfratture, specialmente nei materiali fragili. Queste microfratture possono crescere e alla fine portare al guasto del componente.

B. Rumore e vibrazioni

L'implosione delle bolle di vapore genera un rumore e delle vibrazioni significativi che possono essere uditi e percepiti nel sistema. Questo rumore e queste vibrazioni possono causare disagio e un'esposizione prolungata può contribuire all'usura delle apparecchiature. Può anche essere un indicatore di cavitazione che si verifica nel sistema.

C. Efficienza e perdita di prestazioni

La cavitazione interrompe il flusso regolare del fluido. La formazione e il collasso delle bolle di vapore creano turbolenza e impediscono il flusso del fluido. Questa interruzione riduce l'efficienza di pompe, turbine e altri sistemi idraulici. Ad esempio, le prestazioni di una pompa diminuiscono quando si verifica la cavitazione, poiché la pompa fatica a erogare il fluido.

D. Effetti chimici

La cavitazione può indurre effetti chimici, in particolare nei liquidi. Le temperature e le pressioni estreme generate durante il collasso delle bolle possono avviare reazioni chimiche. Ad esempio, nell'acqua, la cavitazione può portare alla sonoluminescenza, all'emissione di luce e alla formazione di radicali liberi. Questi radicali liberi sono altamente reattivi e possono causare ulteriori cambiamenti nella chimica dell'acqua.

E. Materiali più sensibili

Alcuni materiali sono più vulnerabili ai danni da cavitazione:

• Metalli teneri: materiali come alluminio, rame e ottone sono particolarmente soggetti a erosione e corrosione a causa della loro minore durezza.
• Plastica: molte plastiche possono essere danneggiate dalla cavitazione. Possono diventare fragili e rompersi sotto pressione.
• Elastomeri: anche gli elastomeri possono subire danni da erosione causati dalla cavitazione.
• Materiali a bassa durezza: i materiali con valori di durezza inferiori sono generalmente più vulnerabili agli effetti della cavitazione.
• Materiali con difetti: la presenza di difetti o imperfezioni in un materiale può agire come concentratori di stress e rendere il materiale più suscettibile ai danni da cavitazione.

Applicazioni della cavitazione

Sebbene gli effetti distruttivi della cavitazione siano ben noti, questo fenomeno può essere utilizzato per diverse applicazioni benefiche:

A. Cavitazione nelle pompe

La cavitazione è un fenomeno comune nelle pompe, soprattutto quando operano in condizioni che comportano una bassa pressione di ingresso. La caduta di pressione nella pompa può portare alla cavitazione se la pressione scende al di sotto della pressione di vapore del liquido.

B. Cavitazione in turbine ed eliche

Come le pompe, anche le turbine e le eliche sono soggette a cavitazione. Le pale rotanti e i campi di pressione variabili in questi sistemi possono portare ad aree di bassa pressione. Questa cavitazione riduce l'efficienza e crea molto rumore, inoltre danneggia le pale.

C. Utilizzi benefici della cavitazione

• Pulizia ad ultrasuoni: La cavitazione è un meccanismo fondamentale alla base della pulizia a ultrasuoni, che utilizza onde sonore ad alta frequenza per creare microscopiche bolle in una soluzione detergente. Le bolle collassano rapidamente e rilasciano energia che può rimuovere sporco, grasso e altri contaminanti dalle superfici.
• Sonochimica: La cavitazione viene applicata nella sonochimica per avviare o accelerare reazioni chimiche. Le condizioni estreme generate durante il collasso delle bolle possono indurre cambiamenti chimici, producendo nuovi materiali o migliorando i processi chimici esistenti. La sonochimica ha applicazioni in campi quali la sintesi farmaceutica, la scienza dei materiali e la bonifica ambientale.
• Applicazioni mediche: La cavitazione è sotto inchiesta per applicazioni mediche, come la somministrazione mirata di farmaci e il trattamento del cancro. Le onde ultrasoniche possono essere impiegate per generare bolle di cavitazione vicino alle cellule cancerose o in punti mirati, interrompendo i tessuti o rilasciando farmaci. L'uso della cavitazione nelle procedure mediche è ancora in fase di ricerca, ma promette bene per trattamenti minimamente invasivi.

Prevalenza di aspirazione netta positiva (NPSH)

La prevalenza netta di aspirazione positiva (NPSH) è definita come la pressione assoluta alla porta di aspirazione di una pompa meno la pressione di vapore del fluido pompato. Rappresenta l'energia di pressione disponibile per spingere il fluido nella pompa e prevenire la cavitazione. Esistono due tipi di NPSH:

• NPSHa (Prevalenza di aspirazione positiva netta disponibile): Si riferisce alla prevalenza totale o alla pressione del fluido che entra nella pompa, meno la pressione di vapore del fluido all'ingresso della pompa. NPSHa è una caratteristica del sistema, non della pompa. Dipende da fattori come la temperatura del fluido, la pressione atmosferica e la geometria del sistema.
• NPSHr (Prevalenza di aspirazione netta positiva richiesta): Questo è il minimo NPSH necessario alla pompa per evitare la cavitazione. NPSHr è una caratteristica della pompa e solitamente è fornito dal produttore. Dipende dal design della pompa e dalle condizioni operative.

Per garantire un NPSHa adeguato in un sistema e prevenire condizioni di cavitazione, l'NPSHa deve essere sempre maggiore dell'NPSHr. Dovrebbe esserci un margine di sicurezza per tenere conto delle variazioni nelle condizioni operative.

Risoluzione dei problemi di cavitazione

Per affrontare i problemi di cavitazione è spesso necessario un approccio sistematico:

• Aumentare la pressione del sistema: Assicurarsi che la pressione di ingresso della pompa sia superiore alla pressione di vapore del liquido aumentando la prevalenza statica o riducendo le perdite nella linea di aspirazione.
• Ridurre la temperatura del fluido: Abbassando la temperatura del liquido è possibile diminuirne la pressione di vapore, rendendolo meno soggetto alla cavitazione.
• Ottimizzare il posizionamento della pompa: Riposizionare la pompa più vicino alla fonte del fluido o abbassare la pompa per ridurre la prevalenza di aspirazione può aiutare ad aumentare l'NPSHa
• Aumentare il diametro del tubo: L'utilizzo di tubi più grandi e di lunghezza ridotta può ridurre le perdite di pressione.
• Flusso regolare: Ridurre le fluttuazioni di pressione e minimizzare le curve strette o le ostruzioni nel percorso del flusso può aiutare a contrastare la cavitazione.
• Scegli la pompa appropriata: Selezionare la pompa adatta all'applicazione per evitare condizioni di cavitazione.
• Ispezionare l'attrezzatura: Assicurare che l'attrezzatura sia sottoposta a manutenzione adeguata. Controllare pompe e tubi per eventuali ostruzioni o danni.
• Implementare sistemi di controllo: Utilizzare sistemi di controllo automatizzati per gestire le condizioni operative e ridurre al minimo le fluttuazioni di pressione.
• Utilizzare materiali speciali: Se la cavitazione è inevitabile, utilizzare materiali più resistenti agli effetti della cavitazione.
• Installare dispositivi anti-cavitazione: Si consiglia di installare nel sistema dispositivi o componenti anticavitazione.