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Cavitazione

vedi :caldaia a cavitazione

da Wikipedia , l'enciclopedia libera. La cavitazione un fenomeno fisico consistente nella formazione di zone di vapore all'interno di un fluido che poi  implodono  producendo un rumore caratteristico.Ci avviene a causa dell'abbassamento locale di pressione fino a raggiungere la tensione di vapore del liquido stesso, che subisce cos un cambiamento di fase a gas, formando delle bolle (cavit) contenenti vapore.
La dinamica del processo molto simile a quella dell'ebollizione. La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione che nell'ebollizione, a causa dell'aumento di temperatura, la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido, creando quindi una bollameccanicamente stabile, perch piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante: nella cavitazione invece 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 finch non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica: appena ritorna in una zona del fluido in quiete, la pressione di vapore non sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente.
Il fenomeno pu avvenire sulle eliche delle navi, nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante.
Affinch la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione: pu essere la superficie di un contenitore, impurit presenti nel liquido oppure altre irregolarit. La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione, poich 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 pi del 3% rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione.
La cavitazione stata proposta come una possibile spiegazione dello scrocchiamento delle articolazioni umane (dita, polsi, ecc.).
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 pi piccole e il liquido colpisce violentemente la parete
In genere la cavitazione 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 quantit di rumore e un urto meccanico molto intenso: pu danneggiare pressoch qualunque materiale scavandovi dei fori. Se si verifica spesso, questo fenomeno pu ridurre notevolmente la durata di eliche e giranti di pompe. Infine la cavitazione 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.
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. Pi velocemente la lama avanza, maggiore 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 pu manifestare in due modi:
Cavitazione in aspirazione
Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina
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.
Ci 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 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) 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 quantit Psat(T)/γ. Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovr avere che NPSH(a) > NPSH(r). La tendenza alla cavitazione di una pompa, sostazianzalmente correlabile ai seguenti fattori: -alta prevalenza -forte perdite di carico idraulico a monte della pompa (in aspirazione) -differenza di quota tra pompa e serbatoio -alto valore della della tensione di vapore del liquido aspirato
Cavitazione di scarico
La cavitazione di scarico si manifesta quando la pressione di uscita della pompa 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 costretto a passare ad alta velocit nello spazio tra la girante e lostatore. L'alta velocit induce la formazione di vuoto (per effetto Venturi) e la conseguente formazione delle sacche di vapore.
Una pompa funzionante in queste condizioni 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 pu avere la rottura dell'albero. Evidente danneggiamento della girante di pompa centrifuga dovuto alla cavitazione
La cavitazione nei motori diesel 
Alcuni motori diesel pi grandi soffrono dalla cavitazione a causa dellalta 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 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.
possibile prevenire il fenomeno con additivi chimici nel liquido di raffreddamento che formino uno strato di protezione sulla parete del cilindro. Questo strato protettivo sar esposto anchesso al fenomeno della cavitazione, ma si ricostituir rapidamente.
Sistema vascolare delle piante
La cavitazione pu presentarsi nello xilema delle piante vascolari quando la depressione dell'acqua 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 pu esserefatale.
In alcuni alberi il rumore prodotto dalla cavitazione pu essere udito (vedi nota
Applicazioni della cavitazione  Tunnel per lo studio della cavitazione per mezzi navali.
Ci sono casi in cui la cavitazione pu essere sfruttata. Per esempio i siluri a supercavitazione usati in ambito militare si avvolgono in una grande cavit prodotta per cavitazione. In questo modo viene eliminato il contatto con l'acqua e il siluro pu viaggiare a velocit molto elevate, anche supersoniche (anche se sulla possibilit di superare la velocit del suono in acqua, 5300 km/h, non si hanno documentazioni certe). Tra i siluri che utilizzano la supercavitazione uno dei pi noti il russo VA-111 Shkval. La cavitazione ha un uso pratico nei sistemi di lavaggio ad ultrasuoni, per gioielli, parti diorologi 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 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 adiposit (liposuzione non chirurgica) tecnica intralipoclasica non cruenta.
Biologia Un gambero, (ordine: Decapoda, Famiglia: Alpheidae Rafinesque) in inglese: pistol shrimp, gambero con la pistola, usa un artiglio specializzato per generare un effetto di cavitazione, che gli permette di uccidere piccoli pesci. ne esistono circa 600 specie