Come individuare e prevenire la cavitazione nelle pompe per liquidi?
Quasi tutti i sistemi che trattano liquidi possono essere interessati dalla cavitazione. È quindi importante comprendere le cause e la formazione della cavitazione e sapere come prevenirla.
La cavitazione si verifica in una pompa o in un sistema quando vi sono zone di bassa pressione localizzate nel liquido, che causano la formazione e l'implosione di bolle di vapore. Ciò provoca erosione, vibrazioni e rumore e può causare danni significativi alla pompa, ad altre parti del sistema fluidico e al fluido pompato. Ciò riguarda tutte le pompe volumetriche, comprese quelle a membrana, rotative e a ingranaggi. La cavitazione può essere prevenuta con successo utilizzando una pompa ottimizzata con smorzatori di pulsazioni integrati e adottando misure appropriate per ottimizzare il sistema fluidico nel suo complesso.
Che cos'è la cavitazione e che cosa la provoca?
Nei sistemi fluidici, i gradienti di pressione variano dinamicamente a seconda della velocità del flusso e del modello di flusso, ossia se il flusso è regolare e continuo o interrotto e in rapida evoluzione. I cambiamenti bruschi della direzione del flusso (causati da curve strette o parti alternate) o della geometria del percorso del flusso (causati da cambiamenti improvvisi della sezione trasversale o da parti scorrevoli) provocano perdite di pressione più gravi. Inoltre, il gradiente di pressione idrostatica nel sistema, come quello creato da un serbatoio di alimentazione posizionato a una certa distanza dall'ingresso della pompa, influenza ulteriormente la pressione nel sistema stesso. Le perdite di pressione che ne derivano si sommano e portano a una significativa perdita di pressione totale.
Se la pressione in una qualsiasi regione del sistema scende al di sotto della tensione di vapore del liquido, questo inizia a vaporizzare, causando la formazione di bolle di cavitazione. Queste bolle si formano tipicamente nei punti della pompa in cui la pressione è più bassa, in particolare dove il flusso è fortemente accelerato o deviato. Le bolle di cavitazione vengono quindi trasportate ulteriormente con il flusso del fluido e passano dalla zona a bassa pressione a zone a pressione più elevata. Non appena la pressione locale sale nuovamente al di sopra della pressione del vapore, le bolle di cavitazione collassano bruscamente. Queste implosioni rilasciano un'energia altamente concentrata e generano i cosiddetti microgetti, che possono causare forti picchi di pressione e picchi di temperatura estremi. Ciò può causare danni considerevoli all'alloggiamento della pompa, al materiale utilizzato e persino al fluido stesso.
Cosa influenza la cavitazione?
La cavitazione è un fenomeno solitamente limitato alla pompa. Tuttavia, il sistema fluidico sul lato di aspirazione (ingresso) della pompa può influire notevolmente sulla possibilità che si verifichi la cavitazione e sul suo grado di dannosità per la pompa e il fluido. In genere, le perdite di pressione nella linea di aspirazione hanno la massima influenza sul comportamento della cavitazione. Linee di aspirazione molto strette e lunghe possono causare perdite di pressione spesso sottovalutate. Lo stesso vale per curve strette, valvole o filtri. La pompa deve compensare queste perdite di pressione aumentando la prevalenza di aspirazione, il che favorisce notevolmente la formazione di cavitazione. Se il serbatoio di alimentazione del fluido è situato molto al di sotto della pompa, si verifica una caduta di pressione all'ingresso della pompa e aumenta notevolmente il rischio di cavitazione.
Anche la pressione del vapore del fluido pompato influisce sul comportamento di cavitazione. Un'elevata pressione di vapore, come nel caso dell'etanolo, ad esempio, aumenta la cavitazione rispetto ai fluidi con una pressione di vapore inferiore, come l'acqua. Inoltre, la pressione di vapore dipende fortemente dalla temperatura del fluido. Più alta è la temperatura, più alta è la pressione di vapore del fluido, che favorisce la cavitazione. Una maggiore viscosità aumenta anche le perdite di pressione nei condotti di aspirazione, aumentando ulteriormente il rischio di cavitazione.
Come rilevare la cavitazione della pompa
Talvolta la cavitazione può essere rilevata visivamente dalla formazione di bolle nel liquido. Le bolle di cavitazione (bolle di vapore liquido) di solito si formano e implodono all'interno della pompa, il che significa che non sono visibili nemmeno quando si utilizzano tubi trasparenti. Tuttavia, soprattutto nei liquidi contenenti tensioattivi, l'agitazione causata dalla cavitazione può spesso provocare schiuma, poiché i gas disciolti nel liquido vengono rilasciati e formano bolle. Dal punto di vista acustico, la cavitazione è riconoscibile da un rumore molto caratteristico prodotto dall'implosione delle bolle di vapore. Questo può essere un indicatore più chiaro, soprattutto quando la cavitazione è molto pronunciata e non è mascherata da altri rumori.
La cavitazione della pompa influisce sulle prestazioni e sulla precisione della stessa
La cavitazione ha effetti negativi sull'intero sistema, sulla pompa e sul fluido. Riduce le prestazioni della pompa, poiché maggiore è la percentuale di vapore nel liquido, minore è la quantità di liquido che la pompa è in grado di trasferire. Le pompe della serie KNF FP, ad esempio, hanno una curva di rendimento lineare. Ciò significa che raddoppiando la velocità di rotazione raddoppia anche la portata. Con altre pompe, se si verifica la cavitazione, la curva caratteristica lineare si appiattisce bruscamente fino a quando un aumento della velocità di rotazione non provoca più alcuna variazione del flusso volumetrico. La cavitazione della pompa è particolarmente problematica nelle applicazioni di dosaggio e misurazione, in quanto la precisione diminuisce notevolmente.
Quali sono i segni dei danni da cavitazione?
La cavitazione può causare danni significativi sia alle strutture solide che al fluido stesso. Quando le bolle di vapore implodono in prossimità di superfici rigide, come le pareti dei canali dei fluidi o i componenti delle pompe, i potenti microgetti che si creano possono erodere il materiale e lasciare modelli di erosione simili a crateri. Queste cosiddette cavità danno il nome al fenomeno e possono portare a danni strutturali come crepe. Esse si verificano con particolare frequenza nelle aree sensibili delle pompe a membrana, come le valvole, le sedi delle valvole e le membrane stesse. Come descritto di seguito, anche molte altre tecnologie sono danneggiate dalla cavitazione.
Anche i liquidi sensibili, come le sospensioni di colture cellulari o gli inchiostri per getto d'inchiostro, possono essere danneggiati da queste implosioni. Nel caso degli inchiostri UV, ciò può persino portare a un'alterazione della composizione chimica, che ne compromette la qualità e il funzionamento. Questo fenomeno è noto come "dark curing".
Cavitazione e degassamento: qual è la differenza?
Oltre alla cavitazione, può verificarsi anche un fenomeno noto come degassamento. Quando i liquidi entrano in contatto con i gas, come l'aria atmosferica, questi si dissolvono nel liquido. A temperatura ambiente (circa 20 °C, 68 °F) e alla normale pressione atmosferica, un litro d'acqua contiene circa 15-20 ml di aria disciolta, secondo la legge di Henry. Non appena questo liquido viene esposto a una pressione negativa, si formano spontaneamente e molto rapidamente bolle d'aria. A differenza delle bolle di cavitazione, queste bolle d'aria non si dissolvono nel liquido quando ritornano in aree a pressione più elevata. Queste bolle d'aria staccate possono ridurre significativamente la precisione di pompe come quelle di dosaggio o di misurazione. Possono inoltre causare seri problemi in applicazioni come la stampa a getto d'inchiostro o i sistemi analitici.
La cavitazione nelle pompe centrifughe
Nelle pompe centrifughe, il rischio maggiore di cavitazione si verifica in genere sul bordo d'attacco delle palette della ventola, perché il fluido viene accelerato rapidamente in quel punto e deve scorrere attorno al bordo d'attacco. Le bolle di cavitazione possono danneggiare gravemente le palette in prossimità del bordo di entrata, con conseguente guasto della pompa. La cavitazione grave riduce inoltre in modo significativo l'efficienza e le prestazioni della pompa.
La cavitazione nelle pompe a ingranaggi
Le pompe a ingranaggi trasferiscono il fluido attraverso gli spazi tra i denti dell'ingranaggio dall'ingresso alla mandata della pompa. Nella corsa di ritorno, i denti dei due ingranaggi si sincronizzano tra loro, impedendo al fluido di tornare indietro. Quando la cavità tra i due ingranaggi si apre, si riempie rapidamente di liquido. In questo modo si crea un vuoto profondo, in cui la pressione è tipicamente inferiore alla tensione di vapore del fluido, che può causare problemi di cavitazione, degassamento o danni al fluido.
La cavitazione nelle pompe a membrana e nelle pompe alternative
Nelle pompe oscillanti, come le pompe a membrana e a pistoni alternativi, le corse di aspirazione e di mandata si susseguono ciclicamente.
Un tale funzionamento ciclico fa sì che il fluido nella linea di aspirazione e in quella di scarico subisca un movimento di stop-and-go. A causa dell'inerzia del fluido, si verificano pulsazioni di pressione nella pompa e nelle linee collegate. Durante la corsa di aspirazione, il fluido viene aspirato dalla linea di aspirazione nella pompa. In questo modo si crea una depressione sufficiente a vincere tutte le resistenze presenti nel condotto di aspirazione e ad accelerare il fluido fino alla velocità di ingresso. Durante le aspirazioni veloci, la pressione risultante può scendere al di sotto della tensione di vapore del fluido e causare la cavitazione. Nelle pompe di grandi dimensioni, questi effetti dinamici possono essere attenuati utilizzando smorzatori di pulsazioni o "camere d'aria".
Come prevenire efficacemente le pulsazioni e la cavitazione
Esistono vari modi per prevenire la cavitazione e le pulsazioni della pompa. Ciò può essere ottenuto sia attraverso la pompa stessa che attraverso l'intero sistema. Per l'ottimizzazione della pompa, KNF ha sviluppato la tecnologia Smooth Flow, utilizzata ad esempio nella serie di pompe FP. Le pompe per liquidi a membrana più grandi hanno diverse membrane che lavorano in sequenza per produrre un flusso regolare e costante. Nelle pompe FP più piccole, gli elementi di smorzamento ottimizzati sono integrati sia sul lato di aspirazione che su quello di mandata. Inoltre, i percorsi del flusso all'interno di queste pompe sono stati ottimizzati per ridurre la caduta di pressione. Di conseguenza, queste pompe trasferiscono i fluidi in modo uniforme, continuo, con pulsazioni ridotte e praticamente senza cavitazione, garantendo un funzionamento senza manutenzione e di lunga durata.
Per prevenire le pulsazioni e la cavitazione nelle pompe a membrana senza tecnologia Smooth Flow, è possibile installare smorzatori di pulsazioni separati direttamente a monte e a valle della pompa. Inoltre, il funzionamento di una pompa più grande a una velocità inferiore e la scelta di un eccentrico più piccolo possono contribuire a prevenire la cavitazione.
Misure sistemiche per prevenire la cavitazione della pompa
Per evitare la cavitazione, è particolarmente importante garantire che la perdita di pressione nella linea di aspirazione rimanga bassa. Questo obiettivo può essere raggiunto adottando le seguenti misure:
- Utilizzare un tubo di aspirazione con un diametro interno maggiore.
- Posizionare la pompa il più vicino possibile al serbatoio di alimentazione sul lato di ingresso e, se possibile, sotto di esso. La pressione positiva in ingresso riduce il rischio di cavitazione. Nell'impiantistica, i serbatoi sono quindi spesso collocati un piano sopra le pompe. Nei sistemi in cui il serbatoio di alimentazione deve essere situato sotto la pompa, l'aspirazione deve essere ridotta al minimo.
- Selezionare raccordi e valvole sul lato di aspirazione più grandi e adatti ai requisiti dell'applicazione per ridurre al minimo le cadute di pressione aggiuntive.
- Inoltre, il condotto di aspirazione deve avere il minor numero possibile di curve, valvole e raccordi con un diametro interno sufficientemente grande.
Dai requisiti iniziali alla configurazione ottimale della pompa
Nella progettazione dei sistemi di pompaggio, gli esperti KNF assicurano che la soluzione sia esattamente adattata ai requisiti specifici dell'applicazione. Tutti i parametri rilevanti, come la portata, le condizioni di pressione, le caratteristiche del fluido e la geometria del sistema, vengono analizzati attentamente insieme al cliente. Il design modulare delle pompe a membrana consente un adattamento flessibile per ridurre al minimo le pulsazioni e la cavitazione. Con l'aiuto di un ambiente di simulazione potente e fruibile, le linee fluidiche possono essere modellate durante la fase di consulenza. Ciò consente di identificare tempestivamente le condizioni operative critiche, come il rischio di cavitazione della pompa, di individuare le configurazioni di pompa più adatte e di ottimizzare in modo efficiente l'intero sistema.
