Cavitazione della pompa e come evitarla

Cos’è la cavitazione?

Tutte le pompe funzionano creando una bassa pressione all’ingresso e consentendo alla pressione atmosferica (o del sistema) di spingere il fluido nella pompa. Il processo rende tutte le pompe suscettibili a un fenomeno chiamato cavitazione. La cavitazione è la formazione di cavità di vapore (bolle) all’interno di un liquido quando la pressione locale diminuisce rapidamente al di sotto della pressione di vapore del liquido. Questo forma una bolla di vapore all’interno del liquido che in genere dura per un breve periodo prima di collassare di nuovo in un liquido. Il crollo è violento, produce un forte schiocco e spesso danneggia le superfici vicine. Anche i metalli più resistenti verranno perforati se sottoposti al forte getto localizzato derivante dall’implosione delle bolle. Se non controllato, il danno può eventualmente distruggere la pompa.

All’interno delle pompe, la cavitazione spesso ha origine dietro una parte mobile dove esistono regioni localizzate di bassa pressione. Questo potrebbe non essere notato dall’utente, ma inizierà a danneggiare i componenti all’interno della pompa e deve essere evitato. Man mano che la pressione di ingresso del sistema viene ridotta, la cavitazione diventerà più prominente, producendo fluttuazioni della pompa (variazioni di velocità della pompa), emettendo un forte rumore e talvolta dando luogo a fluido torbido all’uscita della pompa (aria disciolta).

Il punto in cui inizia la cavitazione è molto complicato. È una combinazione di viscosità del fluido, pressione del vapore, densità, temperatura, sollevamento idraulico, pressione atmosferica, tipo di pompa e velocità della pompa. Un precursore della cavitazione è spesso la crescita di gas preesistente intrappolato nel liquido. Sebbene queste bolle non rappresentino un rischio di danneggiare la pompa, possono ridurre la precisione dell’erogazione del fluido.

Restrizioni di ingresso

L’evento di gran lunga più comune di cavitazione quando si utilizzano pompe volumetriche è il risultato dell’utilizzo di tubi lunghi e di piccolo diametro sull’ingresso della pompa. Un’equazione generale per la caduta di pressione attraverso un tubo è ∆P=Q∙μ∙(128∙L)/(π∙D^4 ), dove:

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

Notare che la caduta di pressione dipende da D⁴ quindi, raddoppiando il diametro interno del tubo, la caduta di pressione diminuirà di un fattore 16! L’equazione di cui sopra è solo per il flusso laminare (numeri di Reynolds <2320). Per il flusso turbolento l’equazione è più complicata e dipende dalla densità invece che dalla viscosità.

DPP Laminar Flow Versus Turbulent Flow in Tubes

I tubi non sono l’unica fonte di caduta di pressione spesso trascurata dai progettisti di sistemi idraulici. I filtri di ingresso, le valvole di ritegno e gli orifizi sono esempi di componenti che aumentano il vuoto all’ingresso. Le valvole di ritegno, in particolare, devono essere scelte con cura per non creare un vuoto eccessivo.

Diener presta particolare attenzione alla progettazione dei percorsi di flusso interni per ridurre al minimo le restrizioni che porterebbero a velocità elevate del fluido e a zone di cavitazione a bassa pressione. Consentire al fluido di muoversi facilmente diminuisce la probabilità di cavitazione e dei suoi effetti distruttivi.

Cavitazione nelle pompe a spostamento positivo alternativo

Le pompe volumetriche alternative in genere non soffrono di cavitazione interna altamente localizzata come le pompe rotanti ad alta velocità. Tuttavia, hanno una portata altamente pulsata, che si traduce in portate di picco fino a tre volte la portata media. Ancora più importante, il frequente arresto / avvio del fluido genera un vuoto basato sull’inerzia sull’ingresso. Quando la pompa inizia ad aspirare il fluido attraverso l’ingresso, il fluido dietro di essa deve accelerare. Come per la resistenza viscosa, i tubi lunghi e sottili sono i peggiori per il vuoto correlato all’accelerazione del fluido (proporzionale a D²). Questi aspetti delle pompe alternative possono sorprendere un ingegnere di sistema che sta progettando per la portata media.

Quando la cavitazione si verifica perché il tubo di ingresso è sottodimensionato, il risultato netto è una perdita di precisione del flusso. La pompa aspira vapore, ma quando il fluido viene erogato le bolle di vapore collassano in fase liquida. Le bolle di vapore hanno un volume maggiore rispetto al fluido condensato, quindi il flusso sarà diverso da quello di un flusso di fluido che non contiene bolle di vapore.

Flusso pulsato in una pompa alternativa

Cavitazione nelle pompe volumetriche a spostamento positivo

Oltre alla resistenza che produce il vuoto precedentemente menzionata, gli elementi mobili ad alta velocità creano una regione di bassa pressione immediatamente dietro l’elemento mobile. Questo è un rischio nei componenti di diametro superiore come le eliche o la girante di una pompa centrifuga e non ha un’influenza così forte sulle pompe a ingranaggi più piccole. Tuttavia, la cavitazione interna può verificarsi in una pompa a ingranaggi sulla maglia degli ingranaggi quando il vuoto si apre tra i due ingranaggi e il volume appena creato viene rapidamente riempito di liquido. Questo effetto può essere minimizzato con ingranaggi elicoidali lavorati con precisione, generando un’apertura regolare della maglia dell’ingranaggio. Tuttavia, i meccanismi interni alla pompa possono produrre cadute di pressione localizzate fino a 0,1 bar in acqua a velocità superiori a 3000 giri / min.

Posizioni comuni di cavitazione nella pompa ad ingranaggi esterni

Le pompe peristaltiche a lobi hanno una pulsazione relativamente forte nei loro profili di flusso. Questa pulsazione produce vuoti transitori simili a quelli delle pompe alternative. Pertanto, è necessario prestare attenzione durante l’implementazione di questi tipi di pompa.

Testa di aspirazione positiva netta (NPSH)

NPSH è una metrica comune utilizzata dagli ingegneri civili. I produttori di pompe centrifughe e turbine in questo settore spesso attribuiscono alle loro pompe un valore NPSH che indica la pressione minima alla porta di aspirazione necessaria per impedire alla pompa di cavitare. L’NPSH è tipicamente espresso in unità di piedi poiché questa è l’unità comune di pressione (prevalentemente) trattata dagli ingegneri civili negli Stati Uniti. Le pompe volumetriche positive nelle applicazioni mediche, alimentari e delle bevande e nell’industria leggera in genere non allegano i valori NPSH alle pompe a causa delle grandi variazioni di fluidi, temperature, velocità, e altre condizioni operative.

Il modo migliore per evitare la cavitazione è coinvolgere il fornitore della pompa nelle prime fasi della progettazione di un sistema idraulico. Gli ingegneri delle pompe comprendono la sensibilità delle loro pompe, sanno quali livelli di vuoto sono tollerabili e hanno una significativa esperienza nell’adattare i sistemi idraulici per evitare la cavitazione. La stretta collaborazione tra i progettisti di sistemi e gli ingegneri delle pompe ottimizzerà il processo di progettazione ed eviterà iterazioni nelle ultime fasi del ciclo di progettazione.