Cavitazione e Colpo d'Ariete: Fenomeni Idrodinamici e Impatto sui Sistemi Idraulici
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Che cos'è la Cavitazione?
La cavitazione, o vuoto di aspirazione, è un effetto idrodinamico che si verifica quando l'acqua o un altro fluido passa ad alta velocità in corrispondenza di un angolo vivo o una restrizione, producendo una decompressione del fluido. Questo fenomeno è dovuto alla conservazione della costante di Bernoulli (il Principio di Bernoulli).
Può accadere che il liquido raggiunga la sua tensione di vapore, facendo sì che le molecole che lo compongono cambino immediatamente stato, trasformandosi in vapore e formando bolle o, più correttamente, cavità. Le bolle formatesi viaggiano in aree di maggiore pressione e implodono (il vapore ritorna improvvisamente allo stato liquido, "appiattendo" bruscamente le bolle), producendo un'onda d'urto e un'erosione della superficie metallica che causa questo fenomeno.
Tipi di Cavitazione
La cavitazione può manifestarsi in diverse forme, a seconda delle condizioni operative del sistema.
Cavitazione di Scarico
La cavitazione di scarico si verifica quando la pressione di scarico della pompa è troppo elevata. Ciò accade tipicamente in una pompa che funziona a meno del 10% del suo punto di massima efficienza.
Cavitazione di Aspirazione
La cavitazione di aspirazione si verifica quando l'aspirazione della pompa è in condizioni di bassa pressione o alto vuoto, il che provoca la trasformazione del liquido in vapore all'ingresso della girante.
Il Colpo d'Ariete
Il colpo d'ariete è un fenomeno causato dalla leggera elasticità del fluido (anche se in altre situazioni può essere considerato un fluido incomprimibile). Di conseguenza, quando si chiude improvvisamente una valvola o un rubinetto installato alla fine di una linea di una certa lunghezza, le particelle liquide che si sono fermate vengono spinte indietro da quelle ancora in movimento.
Questo crea un'onda di pressione che si muove attraverso il tubo a una velocità che può superare la velocità del suono nel fluido. Questa pressione ha due effetti principali: comprime leggermente il liquido, riducendone il volume, e espande leggermente il tubo.
Quando tutto il liquido che scorre nel tubo è stato arrestato, si ferma lo slancio che lo ha compresso e, di conseguenza, tende ad espandersi. Inoltre, il tubo che si era allargato tende leggermente a riprendere la sua dimensione normale. Insieme, questi effetti causano un'altra onda di pressione in direzione opposta.
Il fluido si muove nella direzione opposta ma, essendo una valvola chiusa, si crea un vuoto o una pressione inferiore a quella normale del tubo. A pressione ridotta, lo stato liquido può passare allo stato gassoso, formando bolle. Raggiunta l'altra estremità del tubo, se l'onda non è dissipata (ad esempio, da un serbatoio a pressione atmosferica), verrà riflessa e gradualmente attenuata dalla resistenza alla compressione del fluido e dall'espansione del tubo.