Il fenomeno della cavitazione nelle pompe

La cavitazione delle pompe è un fenomeno fisico che riguarda anche impianti e macchine idrauliche in genere.

Si verifica quando la pressione nel circuito scende fino a raggiungere la tensione di vapore del liquido e si manifesta con la formazione di piccole bolle, il cui collasso istantaneo genera microgetti ad altissima pressione che possono provocare danni gravi.

In questo articolo si descriverà la cavitazione, concentrandosi sulla sua manifestazione nelle pompe.

Come avviene la cavitazione

Tale fenomeno comincia con la cosiddetta nucleazione, ossia l’origine di microscopici spazi che possono costituire nuclei per la crescita di bolle macroscopiche che collasseranno in un secondo momento.

La nucleazione può essere di due modalità :

• omogenea, quando i moti termici all’interno del liquido costituiscono temporaneamente dei vuoti microscopici che possono successivamente costituire i nuclei necessari per la crescita di bolle macroscopiche
• eterogenea, se è favorita dalla presenza di microparticelle disperse nel fluido primario o causata dalla rugosità delle pareti del condotto che contiene il fluido

In situazioni pratiche, nella maggior parte dei casi, i difetti si formano nel confine tra il liquido e la superficie solida con cui esso è a contatto o tra il fluido e le piccole particelle in sospensione nello stesso.

Espansione della bolla
Nella seconda fase la crescita è dovuta essenzialmente alla differenza tra la pressione all’interno della bolla (che può essere ipotizzata pari alla tensione di vapore) e la pressione nel liquido circostante.

Collasso della bolla e implosione
Infine nella terza fase la crescita della bolla si arresta e comincia il collasso della stessa, che culmina con un’implosione che può causare gravi danni.

Danni e aree di cavitazione

La fase di collasso ed implosione libera una quantità di energia che può provocare danni importanti al sistema. Le principali complicazioni sono:

• un peggioramento delle performance della pompa, dovuta alle turbolenze provocate dalla cavitazione. In termini di efficienza si stima che una diminuzione almeno del 3% sia dovuta a tale fenomeno.
• un’eccessiva vibrazione della pompa, che causa rumore.
• la rovina delle componenti interne alla pompa, dovuta al collasso della bolla vicino alla parete di una componente. In questo caso si genera un microgetto liquido (impinging jet) che erode la superficie solida e forma quelli che vengono chiamati pits erosivi. L’area dove si verifica più frequentemente tale fenomeno è all’uscita della girante, perché in tale tratto si verifica una depressurizzazione temporanea del liquido, seguita da un successivo aumento di pressione.

Predisposizione e segnali di cavitazione

La tendenza alla cavitazione di una pompa è correlabile qualitativamente alla presenza delle seguenti situazioni:

• alta prevalenza;
• forti perdite di carico idraulico nel condotto di aspirazione;
• elevato dislivello tra pompa e serbatoio di aspirazione;
•  alto valore della tensione di vapore del liquido aspirato.

Un metodo quantitativo invece è il calcolo del Net Positive Suction Head (NPSH), in genere espresso in metri.

NPSH_A (NPSH available) è la differenza tra l’energia posseduta dal fluido nella sezione d’imbocco e quella relativa alla pressione di vapore del fluido alla temperatura d’esercizio;

NPSH_R (NPSH required) `e una caratteristica della pompa e rappresenta le perdite che il fluido subisce nell’attraversamento del condotto d’ammissione con l’altezza cinetica del fluido stesso.

con

• c_i: velocità del fluido nella sezione i
• p_i: pressione del fluidi nella sezione i
• p_s: pressione di saturazione del fluido alla temperatura di esercizio
• ∆p_c: perdite di carico distribuite lungo il tratto
• λ: coefficiente di perdita
• w₁: velocità relativa del fluido all’entrata nella girante

NPSH_R viene dedotto sperimentalmente e generalmente dato dai fornitori. Esso viene ricavato con una procedura che consiste nell’ individuare la situazione per cui insorgono i sintomi della cavitazione: caduta del rendimento, rumore di cavitazione e portata irregolare.

Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione deve essere rispettata la condizione:
NPSHR_A >NPSH_R

In questo modo viene garantito che, lungo tutto il circuito idraulico, la pressione del liquido sia maggiore alla pressione di vaporizzazione.

In figura 3 è mostrato un tipico andamento qualitativo della pressione del fluido all’interno della pompa, si nota come il punto più critico si in corrispondenza della girante, dove infatti si evidenziano i maggiori danni per il collasso delle bolle.

Prevenzione

Per evitare la cavitazione, la pressione del liquido in tutti i punti deve essere al di sotto della pressione di saturazione. Questo, come visto, è garantito se NPSH_A >NPSH_R.
Alcuni accorgimenti per ottenere tale risultato sono:

• Ricorrere a pompe in serie o a una pompa multistadio, in modo da ridurre la prevalenza della singola pompa (o stadio);
• Aumentare il diametro della tubazione e/o diminuire la lunghezza del percorso di aspirazione;
• Utilizzare una pompa sommersa o comunque collocare la pompa al livello piu` basso possibile.
• Ridurre la temperatura del liquido (si abbassa la pressione di saturazione).
• Diminuire le perdite di carico nella pompa.
• Ridurre la portata nella pompa.
• Diminuire la velocità della girante.
• Aumentare la pressione all’ingresso della pompa.

Conclusioni

Come mostrato in questo articolo, il fenomeno della cavitazione è di grande importanza e di possibile criticità per il funzionamento di un circuito idraulico. Tutte le considerazione fatte, dalla formazione alle prevenzione, sono da tenere conto in caso di progettazione o acquisto di una pompa e anche durante la fase operativa della stessa.

Fonti:
[1] Christopher Earls Brennen, Cavitation and bubble dynamics, Oxford Uni- versity Press, 1995.
[2] Giorgio Cagliero, Meccanica, macchine ed energia, Zanichelli, 2012