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Il problema della cavitazione nei riduttori di pressione

I riduttori di pressione sono dei dispositivi che, come dice il nome, riducono e stabilizzano la pressione in ingresso dalla rete idrica pubblica alle utenze private, permettendo di mantenere un valore costante anche nel caso di variazioni che possono presentarsi a monte del componente. Infatti, avere oscillazioni o valori troppo elevati della pressione genera rischi di danneggiamenti per i dispositivi connessi, che possono essere costosi e particolarmente delicati.
La regolazione viene effettuata tramite i riduttori di pressione e in particolare mediante l’otturatore che genera una perdita di carico variabile. Essa è responsabile della taratura e del controllo della pressione del fluido circolante.


Cos’è il fenomeno della cavitazione?

La cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all’interno di un fluido che poi implodono. La causa è da imputarsi all’abbassamento locale della pressione, la quale raggiunge la tensione di vapore del liquido e vi è un passaggio di stato da liquido a gas.
Per quanto riguarda i riduttori di pressione, il parametro fondamentale risulta essere il rapporto di riduzione, cioè il rapporto tra la pressione in ingresso e la pressione in uscita (ad esempio: se in ingresso si ha una pressione di 10 bar e in uscita 2 bar il rapporto di riduzione sarà 5:1). Esso è strettamente legato con la velocità che assume il fluido: maggiore è il rapporto e maggiore sarà la velocità del fluido circolante. L’eccessiva velocità del fluido genera un abbassamento locale della pressione che permette di raggiungere la tensione di vapore con la formazione delle relative micro-bolle di gas.
Questo fenomeno prende il nome di cavitazione, ovvero di “formazione di cavità”.

Quali sono gli effetti?

La cavitazione è un problema che non riguarda solamente i riduttori di pressione ma anche pompe, eliche e turbine. I principali effetti sono:
1. Danneggiamento dei componenti: Lo scoppio delle bolle innesca delle oscillazioni di pressione cariche di energia d’urto che, in unione con le velocità in gioco, può portare alla compromissione dei componenti interni dei riduttori di pressione. Infatti, il collasso delle bolle può andare a colpire pressoché qualsiasi materiale scavando dei fori al suo interno.
2. Perdita di efficienza: la cavitazione è causa di attriti e turbolenze che vanno ad opporsi al regolare funzionamento dei riduttori e al passaggio del fluido.
3. Emissione di rumore: l’esplosione è causa di fenomeni acustici indesiderati.

Un tipo di danneggiamento estremamente importante è quello dei pits erosivi: se l’implosione delle bolle avviene in prossimità di una parete solida, si genera un microgetto liquido che erode il materiale che costituisce tale parete generando i pit, ovvero dei “fossi”.

Per quanto riguarda le pompe, non esiste un solo tipo di cavitazione e si possono distinguere:
- La cavitazione di aspirazione
La cavitazione di aspirazione è un fenomeno legato alle pompe. Se tali componenti aspirano liquido a bassa pressione, si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa.  Essa superano la girante e all’uscita trovano una pressione elevata che provoca la loro esplosione. Questo provoca una diminuzione nell’efficienza della pompa sia in aspirazione che in mandata.
Esistono delle grandezze che permettono di calcolare la tendenza di una pompa a cavitare, in particolare il NPSH (Net Positive Suction Head). Senza entrare nello specifico, per non avere cavitazione è necessario che il NPSH(a), che è strettamente legato al circuito, sia maggiore del NPSH(r), che è invece specifico della pompa. In generale, i fattori più importanti sono:
1. Alta prevalenza.
2. Forti perdite di carico a monte della pompa.
3. Differenza di quota tra pompa e serbatoio.
4. Alto valore della tensione di vapore.

- La cavitazione di scarico
La cavitazione di scarico si verifica quando la pressione di uscita è estremamente elevata. Questo determina il ricircolo del liquido che, passando ad alta velocità tra girante e statore, induce la formazione di vuoto e di sacche di vapore. I problemi sono connessi all’usura dei componenti della pompa, così come dei cuscinetti e delle guarnizioni.
Come risolvere il problema della cavitazione nei riduttori di pressione?
Come già introdotto in precedenza, la causa principale del fenomeno della cavitazione è da ricercarsi in un valore troppo elevato del rapporto di riduzione. Per risolvere questo problema esistono dei grafici con in ascissa la pressione a valle e in ordinata la pressione a monte: ci sono due rette che dividono l’area del grafico in tre zone:
1. Se la pressione a valle è molto superiore alla pressione a monte, si è nella zona di non funzionamento, in quanto la pressione di ingresso è inferiore a quella di taratura.
2. Se la pressione a monte è molto superiore alla pressione a valle, si è nella zona a rischio cavitazione.
3. Se i valori delle pressioni sono simili, si è nella zona di corretto funzionamento.
Per ovviare al problema delle pressioni elevate in ingresso è possibile agire con riduttori di pressione a due stadi. Facciamo un esempio: si immagini di voler passare da 27 bar di pressione a 3 bar con un riduttore che supporta senza cavitazione rapporti 3:1. Facendolo con un singolo riduttore ad uno stadio il rapporto di riduzione sarebbe 9:1. Se invece si utilizzasse un riduttore a due stadi, si potrebbe passare da 27 a 9 nel primo stadio (rapporto di riduzione 3:1) e, successivamente, da 9 a 3 con rapporto di riduzione sempre 3:1. Quindi, nel secondo caso sarebbe possibile far funzionare il riduttore correttamente migliorandone la vita e la durata nel tempo: questo non è possibile con il primo riduttore che tenderà ad andare incontro ad erosione ed usura.
È immediato notare che il primo metodo per contrastare il fenomeno della cavitazione consiste nella corretta scelta dei riduttori di pressione da utilizzare nell’applicazione richiesta. In questo modo è possibile ridurre i costi connessi alla manutenzione e alla sostituzione dei dispositivi danneggiati.

02/09/2019


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