Pulsazione della pressione spiegata: una guida completa

La pulsazione di pressione crea sfide significative in varie applicazioni industriali. Se non controllate, queste oscillazioni possono portare a vibrazioni eccessive, rumore, efficienza ridotta e persino guasti catastrofici delle apparecchiature.

In questa guida completa, approfondiremo le cause e le conseguenze della pulsazione di pressione nel settore dei macchinari. Esploreremo quindi soluzioni comprovate e best practice per mitigare questi problemi, aiutandoti a ottimizzare i tuoi sistemi per prestazioni e affidabilità ottimali.

Che cosa è la pulsazione di pressione

La pulsazione di pressione è una fluttuazione periodica della pressione che si verifica nei sistemi fluidi, in particolare quelli con pompe, compressori o turbine. Queste variazioni di pressione sono sovrapposte alla pressione operativa costante del sistema e possono variare da pochi millibar a diversi bar in ampiezza.

Le pulsazioni di pressione sono distinte dalle variazioni di pressione in stato stazionario o dai picchi di pressione. I cambiamenti in stato stazionario sono variazioni relativamente lente e graduali nella pressione complessiva del sistema. I picchi di pressione, d'altro canto, sono picchi improvvisi e ad alta ampiezza causati da eventi come chiusure di valvole o avviamenti di pompe. Mentre i picchi sono eventi transitori, le pulsazioni sono oscillazioni in corso che persistono finché il meccanismo causante (ad esempio, una pompa) è in funzione.

Cause della pulsazione della pressione

Pompe e compressori alternativi

Una delle cause più comuni della pulsazione della pressione è l'uso di pompe alternative e compressori. Questi dispositivi funzionano spostando il fluido tramite il movimento ciclico di pistoni o stantuffi. Mentre il pistone si muove avanti e indietro, crea fasi alternate di aspirazione e scarico, portando a fluttuazioni intrinseche di flusso e pressione.

Pompe volumetriche positive

Anche le pompe a spostamento positivo, tra cui pompe a ingranaggi, pompe a vite e pompe a palette, possono contribuire alla pulsazione di pressione. Queste pompe intrappolano e spostano volumi discreti di fluido, il che può causare increspature del flusso e variazioni di pressione, in particolare allo scarico della pompa.

Disposizione dei tubi

Cambiamenti bruschi nel diametro del tubo, come espansioni o contrazioni, possono causare disturbi del flusso e fluttuazioni di pressione. I tratti di tubo lunghi e diritti possono consentire alle pulsazioni di propagarsi e amplificarsi, mentre curve e gomiti possono riflettere onde di pressione, dando origine a modelli di interferenza. Anche la posizione e la spaziatura dei supporti e degli ancoraggi dei tubi possono influenzare la risposta del sistema alle pulsazioni.

Recipienti a pressione e serbatoi

I recipienti a pressione e i serbatoi nel sistema possono interagire con il flusso pulsante, amplificando o attenuando le pulsazioni. Quando la frequenza di pulsazione corrisponde alla frequenza naturale del recipiente o del serbatoio, risonanza possono verificarsi vibrazioni eccessive e potenziali danni.

Turbolenza e distacco di vortici

Quando il fluido scorre oltre ostacoli o attraverso geometrie complesse, può creare vortici e mulinelli localizzati che si staccano periodicamente. Queste instabilità di flusso generano forze fluttuanti sulle pareti del tubo, causando pulsazioni di pressione.

Colpo d'ariete (chiusura rapida della valvola)

La rapida chiusura della valvola o l'avvio/arresto della pompa possono innescare un fenomeno noto come colpo d'ariete. Quando un fluido in movimento è improvvisamente costretto a fermarsi o a cambiare direzione, crea un'onda di pressione che attraversa il sistema alla velocità del suono. Questo picco di pressione può essere diverse volte superiore alla normale pressione di esercizio, causando potenzialmente gravi danni a tubi, valvole e altri componenti.

Cambiamenti nella direzione/velocità del flusso

Qualsiasi brusco cambiamento nella direzione o nella velocità del flusso può generare pulsazioni di pressione. Ciò può verificarsi in corrispondenza di curve, tee o riduttori di tubi, dove il fluido è costretto a modificare il suo corso o la sua velocità. Le conseguenti perturbazioni del flusso creano fluttuazioni di pressione localizzate che possono propagarsi attraverso il sistema.

Risonanza

La risonanza si verifica quando la frequenza delle pulsazioni di pressione corrisponde alla frequenza naturale del sistema di tubazioni o dei suoi componenti. In condizioni di risonanza, le pulsazioni possono essere amplificate in modo significativo, causando vibrazioni eccessive, rumore e potenziali danni strutturali. Il rischio di risonanza è maggiore nei sistemi con lunghe campate di tubi non supportate, basso smorzamento o una coincidenza tra la frequenza di eccitazione e le frequenze naturali acustiche o strutturali.

Proprietà dei fluidi

Anche le proprietà del fluido trasportato possono influenzare il comportamento della pulsazione di pressione. Le caratteristiche principali del fluido includono:

• Densità:I fluidi con densità più elevata hanno una maggiore inerzia, che può determinare fluttuazioni di pressione più pronunciate quando sono soggetti a perturbazioni del flusso.
• Viscosità:I fluidi ad alta viscosità tendono a smorzare le pulsazioni di pressione a causa della loro maggiore resistenza al flusso e della loro capacità di dissipare energia.
• Comprimibilità: I fluidi comprimibili, come i gas, sono più sensibili alle pulsazioni di pressione rispetto ai liquidi incomprimibili. La comprimibilità consente alle onde di pressione di propagarsi più facilmente e può portare ad ampiezze di pulsazione maggiori.

Conseguenze della pulsazione di pressione incontrollata

Vibrazione

Le vibrazioni eccessive sono una delle conseguenze più comuni della pulsazione di pressione incontrollata. Le onde di pressione fluttuanti possono indurre vibrazioni meccaniche in tubi, valvole e altri componenti. Queste vibrazioni non solo contribuiscono a una maggiore usura delle apparecchiature, ma pongono anche rischi all'integrità strutturale del sistema.

Rumore

La pulsazione di pressione si manifesta spesso come rumore udibile, in particolare nei sistemi con elevate velocità di flusso o rapidi cambiamenti di pressione. La turbolenza e cavitazione generato dal flusso pulsante può creare una gamma di frequenze di rumore, dai bassi rimbombi ai fischi acuti.

Perdita di efficienza

L'energia associata al flusso pulsante è sostanzialmente sprecata, poiché non contribuisce al trasferimento di fluido desiderato. Questa perdita di energia si manifesta come un maggiore consumo di energia da parte di pompe e compressori, con conseguenti costi operativi più elevati. Inoltre, la turbolenza e le interruzioni del flusso causate dalla pulsazione possono ridurre l'efficacia di scambiatori di calore, filtri e altre apparecchiature di processo, compromettendo ulteriormente l'efficienza del sistema.

Danni all'attrezzatura

Forse la conseguenza più grave della pulsazione di pressione incontrollata è il potenziale danno alle apparecchiature. I ripetuti cicli di stress imposti dalla pressione fluttuante possono portare a un'usura accelerata e a un guasto prematuro di vari componenti:

• Guarnizioni, guarnizioni e indicatori: Il carico ciclico può causare un più rapido degrado delle guarnizioni e delle guarnizioni stesse, con conseguenti perdite e perdita di integrità del sistema. Anche i manometri e altri strumenti possono subire danni a causa della pressione pulsante, con conseguenti letture imprecise o guasti completi.
• Erosione: I modelli di flusso turbolenti associati alla pulsazione di pressione possono accelerare l'erosione, in particolare nelle aree con improvvisi cambiamenti nella direzione o nella velocità del flusso. Nel tempo, questa erosione può assottigliare le pareti dei tubi, creare perdite e persino portare a rotture.
• Cavitazione: Nei casi gravi di pulsazione di pressione, le cadute di pressione localizzate possono causare la formazione e il collasso di bolle di vapore, note come cavitazione. L'implosione di queste bolle genera onde d'urto ad alta intensità che possono erodere e bucare le superfici, causando danni significativi a giranti, valvole e altri componenti.
• Rottura della conduttura:In scenari estremi, gli effetti combinati di vibrazioni, erosione e fatica indotti dalla pulsazione di pressione possono portare alla rottura delle condotte.

Soluzioni

Smorzatori di pulsazioni

Smorzatori di pulsazioni sono dispositivi progettati per ridurre le fluttuazioni di pressione nei sistemi fluidi. Sono in genere costituiti da una vescica o diaframma caricato a gas all'interno di un recipiente a pressione. Quando la pressione del fluido aumenta, il gas si comprime, assorbendo il picco di pressione. Quando la pressione scende, il gas si espande, mantenendo una pressione a valle più costante.

Gli smorzatori di pulsazioni vengono installati in prossimità della fonte di pulsazioni, ad esempio sullo scarico di una pompa o vicino a una valvola, per ridurre al minimo la trasmissione delle pulsazioni attraverso il sistema.

Limitatori di sovratensione

Soppressori di sovratensione, noti anche come scaricatori di scosse o colpo d'ariete Gli scaricatori sono progettati per assorbire picchi di pressione improvvisi associati a eventi di colpo d'ariete. Durante una rapida chiusura della valvola, il soppressore consente un flusso di fluido limitato in una camera di espansione, ammortizzando il picco di pressione.

I limitatori di sovratensione vengono solitamente installati alle estremità delle tubazioni e in prossimità delle valvole a chiusura rapida.

Giranti a palette sfalsate

Per pompe centrifughe, l'uso di giranti con palette sfalsate può aiutare a ridurre le pulsazioni di pressione. In una girante convenzionale, le palette sono distanziate uniformemente, causando pulsazioni di pressione quando ciascuna paletta passa attraverso la linguetta della voluta. Scaglionando le palette a intervalli irregolari, le pulsazioni di pressione vengono distribuite in modo più uniforme, riducendo l'ampiezza complessiva della pulsazione.

Le giranti a palette sfalsate sono più efficaci nel ridurre le pulsazioni alla frequenza di passaggio delle pale della pompa. Non eliminano completamente le pulsazioni, ma possono ridurre significativamente vibrazione e problemi di rumore.

Progettazione della pompa

Le pompe sovradimensionate che operano lontano dal loro punto di massima efficienza (BEP) sono più soggette a instabilità di flusso e pulsazioni. Selezionare una pompa che opera vicino al suo BEP alla portata desiderata può aiutare a ridurre le pulsazioni.

Per pompe volumetriche, utilizzare più pompe più piccole in parallelo anziché una singola pompa grande può aiutare a ridurre l'ampiezza della pulsazione. Le pompe triplex tendono ad avere una pulsazione inferiore rispetto ai modelli simplex o duplex a causa di un'erogazione del flusso più fluida.

Approcci alternativi

In alcuni casi, la pulsazione può essere attenuata mediante semplici modifiche al sistema di tubazioni:

• Piastre di orifizio: L'installazione di una piastra di foro a valle della sorgente di pulsazione introduce una caduta di pressione che può aiutare a dissipare l'energia di pulsazione.
• Tubi flessibili e giunti di dilatazione: L'utilizzo di connessioni flessibili vicino alla fonte di pulsazione può aiutare a isolare le vibrazioni dal resto del sistema di tubazioni. I giunti di dilatazione assecondano il movimento dei tubi e la crescita termica che altrimenti potrebbero causare forti sollecitazioni e guasti.

Adeguamenti operativi

Oltre alle soluzioni hardware, la regolazione del funzionamento del sistema può aiutare a gestire le pulsazioni di pressione:

• Controllo della velocità della pompa: Far funzionare le pompe a velocità inferiori riduce la frequenza e l'ampiezza delle pulsazioni. Gli azionamenti a frequenza variabile consentono alle pompe di funzionare a velocità ridotte durante i periodi di bassa richiesta.
• Fasatura multi-pompa:Per le installazioni multi-pompa, la regolazione dell'angolo di fase tra le pompe in modo che le loro pulsazioni siano fuori sincrono può aiutare a ridurre al minimo la pulsazione a valle.