Principio di funzionamento generale della cavitazione ed in particolare della cavitazione idrodinamica / Principle of general operation of cavitation and in particular of hydrodynamic cavitation

Principio di funzionamento generale della cavitazione ed in particolare della cavitazione idrodinamica / Principle of general operation of cavitation and in particular of hydrodynamic cavitation

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all'interno di un fluido che poi implodono producendo un rumore caratteristico.

Ciò avviene a causa dell'abbassamento locale di pressione, la quale raggiunge la tensione di vapore del liquido, il quale subisce così un cambiamento di fase a gas, formando bolle (cavità) contenenti vapore.

La dinamica del processo è 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 tensione 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. La temperatura raggiunta all'interno di una bolla di cavitazione può essere molto elevata, tale da poter generare il fenomeno della sonoluminscenza, ma per lungo tempo è risultata difficile da misurare. Delle stime spettroscopiche valutano la temperatura che può essere raggiunta come simile (se non superiore) a quella della fotosfera solare (la parte più fredda del sole). 

Il fenomeno può avvenire sulle eliche delle navi, nelle pompe, nelle turbine idrauliche Francis e Kaplan 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 o la portata, o la prevalenza, o la potenza generata diminuiscono di più del 3% rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione.

La cavitazione può essere utilizzata anche come strumento di pulizia. La sua capacità attrattiva permette una pulizia per asportazione che viene usata non solo in ambito militare, ma anche in ambito medico, con l'impiego di micro pulizie e chirurgia. Ultimamente è stata utilizzata per la pulizia di grandi superfici come quelle delle navi, soprattutto dalla marina militare statunitense.

La cavitazione è stata proposta come una spiegazione dello schiocco delle articolazioni (dita, polsi, ecc.). Queste infatti sono tenute assieme da tessuti connettivi e legamenti. Tutte le articolazioni del nostro corpo sono circondate dal liquido sinoviale. Quando si piega o allunga il dito per far scrocchiare la nocca, si causa la separazione dell'articolazione, di conseguenza anche il tessuto connettivo che la circonda è tirato. Sollecitando questo rivestimento, il volume aumenta con un conseguente calo di pressione che coinvolge anche il liquido sinoviale, facendo diminuire la solubilità dei gas disciolti in esso, che quindi formano delle bolle attraverso il processo di cavitazione. Quando l'articolazione è distaccata abbastanza, la pressione si abbassa a tal punto da far collassare le bolle producendo il caratteristico suono. Ci vogliono dai 25 ai 30 minuti per far ridissolvere i gas nel fluido. Durante questo periodo le articolazioni non scrocchieranno, dopodiché la cavitazione sarà ancora possibile.

Problemi dovuti alla cavitazione

In genere la cavitazione è un fenomeno indesiderato e fonte di problemi. In dispositivi come pompe ed eliche, la cavitazione provoca perdita di efficienza, emissione di rumore e danneggiamento dei componenti^[1].

Il collasso delle bolle da cavitazione infatti genera una grande quantità di rumore e un urto intenso: può danneggiare pressoché qualunque materiale scavandovi dei fori. Se si verifica spesso, questo fenomeno può ridurre 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 vicino 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

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

Eliche e pompe

Cavitazione in aspirazione

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).

La tendenza alla cavitazione di una pompa, sostanzialmente, è correlabile ai seguenti fattori:

• Alta prevalenza;
• Forti perdite di carico idraulico a monte della pompa, ossia in aspirazione;
• Differenza di quota tra pompa e serbatoio;
• Alto valore della tensione di vapore del liquido aspirato.

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 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

Alcuni motori diesel più grandi soffrono dalla cavitazione a causa dell'alta compressione e delle pareti troppo sottili 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.

Sistema vascolare delle piante

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.

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.

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 termicoche 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

La cavitazione è legata alla formazione e alla rapida implosione di bolle di vapore e gas in un mezzo liquido: questo fenomeno è di solito indesiderato, poiché le rapide implosioni delle bolle generano altissime pressioni e temperature locali, causando il danneggiamento delle superfici su cui le bolle implodono.
Tuttavia, se la cavitazione è generata e controllata "on demand", molti processi possono sfruttare questo fenomeno a proprio vantaggio. La cavitazione controllata può essere generata in differenti modi:

• Nella cavitazione idrodinamica il liquido è forzato a passare in uno o più elementi cavitazionali, elementi dinamici o statici di particolare geometria, che massimizzano il volume confinato di cavitazione, all'interno del quale le bolle di vapore e gas vengono generate e implodono, in una regione controllata.
• Nella cavitazione acustica le bolle sono generate da un'onda acustica ultrasonica, quindi si formano e implodono grazie all'onda sinusoidale che agisce direttamente sul liquido da trattare.

Il termine biodiesel definisce un carburante formato da mono-alchil esteri di acidi grassi a lunga catena derivati da grassi vegetali o animali; la sua combustione riduce le emissioni di CO2 e gas serra in rapporto di circa 1:5 rispetto al diesel fossile.

Produzione di biodiesel per cavitazione idrodinamica

Gli oli vegetali e i grassi animali sono più densi e viscosi del gasolio, quindi non sono direttamente impiegabili negli attuali motori diesel, per problemi di atomizzazione e formazione di depositi.
La reazione di transesterificazione con metanolo è una delle possibili rotte che consente di trasformare oli vegetali e grassi animali in biodiesel, rotta che consente la completa trasformazione dei trigliceridi in alchil esteri.
Nella transesterificazione a catalisi basica grassi e oli vengono fatti reagire con un alcol (metanolo), in presenza di una base forte, come l'idrossido di sodio (NaOH) o l'idrossido di potassio (KOH): la reazione porta alla formazione di biodiesel (mono-alchil esteri) e glicerina.

Gli oli (i trigliceridi) e il metanolo (alcol) non sono completamente miscibili, la reazione avviene dunque all’interfaccia tra le due fasi. Il trasferimento di massa dei trigliceridi dalla fase olio verso l’interfaccia olio-metossido rappresenta quindi un aspetto critico che limita la velocità della reazione. La tecnologia di cavitazione ROTOCAV consente di superare tali limiti di processo, riducendo sensibilmente la dimensione delle goccioline della fase dispersa nella fase continua, incrementando dunque la superficie di interfaccia. Inoltre, la cavitazione interviene positivamente sulle cinetiche di reazione grazie alla continua formazione di microjet che promuovono ripetute e puntuali occasioni di contatto tra i due reagenti.

Il cavitatore idrodinamico, dunque, può essere impiegato nella fase di reazione per produrre biodiesel di qualità, mantenendo contenuti i costi operativi.

ENGLISH

Cavitation is a phenomenon consisting in the formation of vapor zones inside a fluid which then implode producing a characteristic noise.

This occurs because of the local pressure drop, which reaches the vapor pressure of the liquid, which undergoes a gas phase change, forming bubbles (cavities) containing steam.

The dynamics of the process is similar to that of boiling. The main difference between cavitation and boiling is that in boiling, due to the increase in temperature, the vapor pressure rises up to overcome the pressure of the liquid, thus creating a mechanically stable bubble, because full of steam at the same pressure of the liquid surrounding; in cavitation, instead, it is the pressure of the liquid to fall suddenly, while the temperature and the vapor pressure remain constant. For this reason the cavitation "bubble" only resists until it leaves the area of ​​low hydrostatic pressure; as soon as it returns to a zone of the still fluid, the vapor pressure is not sufficient to counteract the hydrostatic pressure and the cavitation bubble implodes immediately. The temperature reached inside a cavitation bubble can be very high, so as to generate the phenomenon of sonoluminscence, but for a long time it has proved difficult to measure. Spectroscopic estimates evaluate the temperature that can be reached as similar (if not superior) to that of the solar photosphere (the coldest part of the sun).

The phenomenon can occur on ship propellers, in pumps, in Francis and Kaplan hydraulic turbines and in the vascular system of plants.

In order for cavitation to occur, a substrate is needed that acts as a nucleation center: it can be the surface of a container, impurities present in the liquid or other irregularities. The temperature has a considerable influence on cavitation, since it alters the vapor pressure. If the temperature increases, the increased vapor pressure facilitates cavitation.

Usually it is customary to consider a hydraulic machine in cavitation when either the flow rate, or the head, or the power generated decrease by more than 3% compared to similar conditions in the absence of cavitation.

Cavitation can also be used as a cleaning tool. Its attractive capacity allows a cleaning for removal that is used not only in the military, but also in the medical field, with the use of micro cleaning and surgery. Lately it has been used for cleaning large surfaces such as ships, especially from the US Navy.

Cavitation has been proposed as an explanation of the snap of the joints (fingers, wrists, etc.). These are in fact held together by connective tissues and ligaments. All the joints in our body are surrounded by synovial fluid. When you bend or stretch your finger to make the knuckle crack, it causes the separation of the joint, consequently also the connective tissue that surrounds it is pulled. By stimulating this coating, the volume increases with a consequent drop in pressure that also involves the synovial fluid, decreasing the solubility of the dissolved gases in it, which then form bubbles through the cavitation process. When the joint is sufficiently detached, the pressure is lowered to such an extent that the bubbles collapse, producing the characteristic sound. It takes 25 to 30 minutes for the gases to dissolve in the fluid. During this period, the joints will not shake, after which cavitation will still be possible.

Problems due to cavitation

In general, cavitation is an undesired phenomenon and a source of problems. In devices such as pumps and propellers, cavitation causes loss of efficiency, noise emission and component damage [1].

The collapse of the cavitation bubbles in fact generates a large amount of noise and an intense impact: it can damage almost any material by digging holes in it. If it occurs often, this phenomenon can reduce the life of pump propellers and impellers. Finally, cavitation causes friction and turbulence in the liquid, which leads to a further decrease in efficiency.

The collapse of bubbles causes shock waves, ie pressure waves that can be extremely intense; moreover, if implosion occurs near a solid wall, it generates a liquid micro-jet (impinging jet) that erodes the material constituting the wall and forms what are called erosive pits.

Scheme of the creation of a micro-jet, as the pressure increases, the bubble is reduced in size and deforms. At point four the bubble is divided into two smaller bubbles and the liquid violently hits the wall

Propellers and pumps

Cavitation in suction

The suction cavitation occurs when the pump sucks liquid in low pressure conditions, and there is steam formation in the inlet part of the pump. The vapor bubbles pass through the impeller, and when they reach the exit section, the high pressure present here causes the violent implosion, which creates the characteristic noise, as if the pump were passing gravel. This entails a considerable erosion of the pump both in suction and in delivery, with a consequent reduction in hydraulic characteristics. The tendency of a pump (or other device) to cavitation is expressed by the concept of NPSH (Net Positive Suction Head), usually expressed in meters (technical system). In particular the NPSH (r) (acronym for NPSH required) is characteristic of the pump and expresses the energy patrimony of the fluid required for traversing the portion of the pump included between the suction flange and the first impeller (pressure drops, energy kinetic, possible difference in level). The NPSH (a) (acronym for NPSH available), closely related to the circuit, expresses the energy patrimony of the fluid at the level of the suction flange, reduced by the amount Psat (T) / γ. To ensure the functioning in absence of cavitation will have to have that NPSH (a)> NPSH (r).

The tendency to cavitate a pump, substantially, is related to the following factors:

High prevalence;

Heavy hydraulic load losses upstream of the pump, ie in suction;

Height difference between pump and tank;

High value of the vapor pressure of the aspirated liquid.

Exhaust cavitation

The exhaust cavitation occurs when the pump outlet pressure is very high. It normally occurs when the pump is working at less than 10% of its maximum efficiency conditions.

Due to the high pressure on the outlet, most of the liquid recirculates into the pump and is forced to pass at high speed into the space between the impeller and the stator. High speed induces vacuum formation (due to Venturi effect) and the consequent formation of steam pockets. A pump operating under these conditions is subject to rapid wear of the impeller and the stator. In addition, high pressure conditions favor the wear of bearings and gaskets. In extreme conditions the tree can break.

Cavitation in diesel engines

Some larger diesel engines suffer from cavitation due to high compression and too thin cylinder walls.

The vibrations of the cylinder wall induce an alternating high and low pressure in the coolant against the cylinder wall.

The result is the formation of "erosive pits" on the cylinder wall which ends up letting the refrigerant into the cylinder and the combustion gases in the refrigerant.

It is possible to prevent the phenomenon with chemical additives in the coolant forming a protective layer on the cylinder wall. This protective layer will also be exposed to the phenomenon of cavitation, but will re-establish itself rapidly.

Vascular system of plants

Cavitation can occur in the xylem of vascular plants when the water's depression is such that the dissolved air in it separates and expands to occupy the cell that constitutes the vessel or the trachea.

Plants are usually able to restore the broken xylem, for example with the increase in pressure produced by the roots, but for some, like the vine, the damage can be fatal.

In some trees the noise produced by the cavitation can be heard.

Cavitation applications

There are cases in which cavitation can be exploited. For example, the supercavitation torpedoes used in the military are wrapped in a large cavity produced by cavitation. In this way the contact with the water is eliminated and the torpedo can travel at very high speeds, even supersonic (even if the possibility of exceeding the speed of sound in the water, 5300 km / h, there are no certain documents). Among the torpedoes that use the supercavitation one of the best known is the Russian VA-111 Shkval.

Cavitation has a practical use in ultrasonic cleaning systems, for jewelry, watch parts and other small objects. In this case the implosions of the bubbles act by cleaning the surfaces. Within the biological tissues (human body) the phenomenon, which produces the break of weak intermolecular bonds, leads to the formation of free radicals; however the cavitation is used, in the medical field, with frequencies of sound waves, between 1 and 16 MHz, for the thermic effect they can produce. In sonochemistry it is an important energetic phenomenon that promotes chemical reactions. For some years (2002) the cavitation is also used in aesthetic medicine, and through appropriate equipment, it seems to be useful in eliminating or reducing adiposity (non-surgical liposuction) non-bloody intralipoclasic technique

Cavitation is related to the formation and rapid implosion of vapor and gas bubbles in a liquid medium: this phenomenon is usually unwanted, since the rapid implosions of the bubbles generate very high local pressures and temperatures, causing damage to the surfaces on which the bubbles implode.

However, if cavitation is generated and controlled "on demand", many processes can exploit this phenomenon to their advantage. Controlled cavitation can be generated in different ways:

In hydrodynamic cavitation the liquid is forced to pass into one or more cavitational elements, dynamic or static elements of particular geometry, which maximize the confined volume of cavitation, inside which the bubbles of vapor and gas are generated and imploded, in a controlled region.

In acoustic cavitation the bubbles are generated by an ultrasonic acoustic wave, then they form and implode thanks to the sine wave which acts directly on the liquid to be treated.

The term biodiesel defines a fuel formed from mono-alkyl esters of long-chain fatty acids derived from vegetable or animal fats; its combustion reduces CO2 and greenhouse gas emissions by about 1: 5 compared to fossil diesel.

Production of biodiesel for hydrodynamic cavitation

Vegetable oils and animal fats are more dense and viscous than diesel, so they are not directly usable in current diesel engines, due to problems of atomization and deposit formation.

The transesterification reaction with methanol is one of the possible routes that transforms vegetable oils and animal fats into biodiesel, a route that allows the complete transformation of triglycerides into alkyl esters.

In the basic catalysed transesterification, fats and oils are reacted with an alcohol (methanol), in the presence of a strong base, such as sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH): the reaction leads to the formation of biodiesel (mono-alkyl esters) and glycerine.

The oils (triglycerides) and methanol (alcohol) are not completely miscible, therefore the reaction occurs at the interface between the two phases. The mass transfer of triglycerides from the oil phase to the oil-methoxide interface is therefore a critical aspect that limits the speed of the reaction. The ROTOCAV cavitation technology allows to overcome these process limits, significantly reducing the size of the droplets of the dispersed phase in the continuous phase, thus increasing the interface surface. Furthermore, cavitation positively intervenes on reaction kinetics thanks to the continuous formation of microjet that promote repeated and precise contact opportunities between the two reagents.

The hydrodynamic cavitator, therefore, can be used in the reaction phase to produce quality biodiesel, keeping operating costs low.

Da:

https://it.wikipedia.org/wiki/Cavitazione

https://www.epic-srl.com/it/sistemi-cavitazionali#impianti-pilota-con-elementi-cavitazionali-statici-clicca-qui-per-nascondere