Cos'è la Cavitazione
La cavitazione è un fenomeno fisico consistente nella formazione di zone di vapore gas o vuoto all'interno di un fluido che poi implodono producendo un rumore caratteristico.
Ciò avviene a causa dell'abbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso, che subisce così un cambiamento di fase a gas, formando cavità contenenti vapore.
La dinamica del processo è molto simile a quella dell'ebollizione. La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione è che nell'ebollizione, a causa dell'aumento di temperatura, la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido, creando quindi una bolla meccanicamente stabile, perché piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante: nella cavitazione invece è la pressione del liquido a scendere improvvisamente, mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti. Per questo motivo la "bolla" da cavitazione resiste solo finché non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica: appena ritorna in una zona del fluido in quiete, la pressione di vapore non è sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente.
Il fenomeno può avvenire sulle eliche delle navi, nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante.
Affinché la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione: può essere la superficie di un contenitore, impurità presenti nel liquido oppure altre irregolarità. La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione, poiché altera la tensione di vapore. Se la temperatura aumenta, la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione.
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata, o la prevalenza, o la potenza generata calano di più del 3% rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione.
La cavitazione è stata proposta come una possibile spiegazione dello scrocchiamento delle articolazioni umane (dita, polsi, ecc.).
Indice
Problemi dovuti alla cavitazione
Schema della creazione di microgetto, mano a mano che la pressione aumenta la bolla si riduce di dimensione e si deforma. Nel punto quattro la bolla si divide in due bolle più piccole e il liquido colpisce violentemente la parete
In genere la cavitazione è un fenomeno indesiderato e fonte di problemi. In dispositivi come pompe ed eliche, la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza, emissione di rumore e danneggiamento dei componenti.
Il collasso delle bolle da cavitazione infatti genera una grande quantità di rumore e un urto meccanico molto intenso: può danneggiare pressoché qualunque materiale scavandovi dei fori. Se si verifica spesso, questo fenomeno può ridurre notevolmente la durata di eliche e giranti di pompe. Infine la cavitazione è causa di attrito e turbolenza nel liquido, il che comporta un ulteriore calo di efficienza.
Il collasso delle bolle provoca onde di shock, ossia onde di pressione che possono essere estremamente intense; inoltre, se l'implosione avviene vicina ad una parete solida, essa genera un microgetto liquido (impinging jet) che erode il materiale costituente la parete e forma quelli che vengono chiamati pits erosivi.
Eliche e pompe
Quando le lame di un'elica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido, si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato. Più velocemente la lama avanza, maggiore è l'abbassamento di pressione; quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore, il liquido evapora e forma le bolle di gas. Nelle pompe la cavitazione si può manifestare in due modi:
Cavitazione in aspirazione
Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione, e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa. Le bolle di vapore attraversano la girante, e quando giungono nella sezione di uscita, l'alta pressione qui presente ne causa la violenta implosione, che crea il caratteristico rumore, come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia. Ciò comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata, con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche. La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione è espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head), in genere espresso in metri (sistema tecnico). In particolare l'NPSH(r) (acronimo per NPSH required) è caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per l'attraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico, energia cinetica, eventuale dislivello). L'NPSH(a) (acronimo per NPSH available), strettamente legato al circuito, esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione, decurtato della quantità Psat(T)/γ. Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovrà avere che NPSH(a) > NPSH(r).
Cavitazione di scarico
La cavitazione di scarico si manifesta quando la pressione di uscita della pompa è molto alta. Normalmente si verifica quando la pompa sta lavorando a meno del 10% delle sue condizioni di massima efficienza.
A causa della pressione elevata sull'uscita, la maggior parte del liquido ricircola nella pompa invece di uscire, ed è costretto a passare ad alta velocità nello spazio tra la girante e lo statore. L'alta velocità induce la formazione di vuoto (per effetto Venturi) e la conseguente formazione delle sacche di vapore.
Una pompa funzionante in queste condizioni è soggetta a rapida usura della girante e dello statore. Inoltre le condizioni di alta pressione favoriscono l'usura dei cuscinetti e delle guarnizioni. In condizioni estreme si può avere la rottura dell'albero.
La cavitazione nei motori diesel
Evidente danneggiamento della girante di pompa centrifuga dovuto alla cavitazione
Alcuni motori diesel più grandi soffrono dalla cavitazione a causa dell’alta compressione e delle pareti troppo piccole del cilindro.
Le vibrazioni della parete del cilindro inducono un alternarsi di alta e bassa pressione nel liquido refrigerante contro la parete del cilindro.
Il risultato è la formazione di “pits erosivi” sulla parete del cilindro che finisce per lasciare filtrare il refrigerante nel cilindro e i gas di combustione nel refrigerante.
È possibile prevenire il fenomeno con additivi chimici nel liquido di raffreddamento che formino uno strato di protezione sulla parete del cilindro. Questo strato protettivo sarà esposto anch’esso al fenomeno della cavitazione, ma si ricostituirà rapidamente.
La cavitazione può presentarsi nello xilema delle piante vascolari quando la depressione dell'acqua è tale che l'aria dissolta in essa si separa e si espande fino ad occupare la cellula che costituisce il vaso o la trachea.
Le piante sono in genere in grado di ripristinare lo xilema interrotto, per esempio con l'aumento della pressione prodotta dalle radici, ma per alcune, come la vite, il danno può essere fatale.
In alcuni alberi il rumore prodotto dalla cavitazione può essere udito (vedi nota [1]).
Applicazioni della cavitazione
Ci sono casi in cui la cavitazione può essere sfruttata. Per esempio i siluri a supercavitazione usati in ambito militare si avvolgono in una grande cavità prodotta per cavitazione. In questo modo viene eliminato il contatto con l'acqua e il siluro può viaggiare a velocità molto elevate, anche supersoniche (anche se sulla possibilità di superare la velocità del suono in acqua, 5300 km/h, non si hanno documentazioni certe). Tra i siluri che utilizzano la supercavitazione uno dei più noti è il russo VA-111 Shkval.
Schema di un penetratore a supercavitazione
La cavitazione ha un uso pratico nei sistemi di lavaggio ad ultrasuoni, per gioielli, parti di orologi ed altri piccoli oggetti. In questo caso le implosioni delle bolle agiscono pulendo le superfici. All'interno dei tessuti biologici (corpo umano) il fenomeno, che produce la rottura di deboli legami intermolecolari, porta alla formazione di radicali liberi; comunque la cavitazione è impiegata, in campo medico, con frequenze di onde sonore, comprese fra 1 e 16 MHz, per l'effetto termico che riescono a produrre. In sonochimica costituisce un importante fenomeno energetico che promuove reazioni chimiche. Da alcuni anni (2002) la cavitazione viene impiegata anche nella medicina estetica, e attraverso delle apparecchiature apposite, pare sia utile nell'eliminare o ridurre le adiposità (liposuzione non chirurgica) tecnica intralipoclasica non cruenta. In questo caso vengono utilizzati ultrasuoni a frequenze basse (solitamente dai 20 ai 60 KHz) per poter raggiungere il tessuto adiposo. Infatti nella scala delle frequenze il rapporto Khz/Mhz è 1 /1000, ovverosia, la capacità di penetrazione di un ultrasuono a 1 Khz è 1000 volte superiore a quella di 1 Mhz. L’emissione di onde pressorie provoca la generazione di microbolle di vuoto all'interno dei fluidi extracellulari che, con l’aumento della tensione di vapore, raggiungono la loro massima espansione fino ad un collassamento L’implosione prodotta causa così l’aumento della permeabilità degli adipociti e la loro disgregazione, con la conseguente liberazione dei trigliceridi e acidi grassi in essi contenuti.
