Disporre il serbatoio di alimentazione sopra la pompa e posizionare la pompa il più in basso possibile. La distanza verticale tra il livello minimo operativo del liquido nel serbatoio o l’uscita inferiore e il bocchello di aspirazione della pompa dovrebbe essere massimizzata. Questa elevazione fornisce prevalenza statica del liquido, aumentando la NPSH disponibile (NPSHₐ) e mantenendo la pressione di aspirazione al di sopra della pressione di vaporizzazione del liquido. Le pompe e le apparecchiature di controllo sul lato aspirazione possono rimanere a livello del suolo o vicino a una piattaforma accessibile, mentre i serbatoi di alimentazione, i ribollitori, i condensatori e altre sorgenti di aspirazione vengono installati in posizione rialzata.
Il principio di base del layout è semplice: posizionare la sorgente del liquido in alto e la pompa in basso, quindi verificare che la NPSHₐ risultante superi la NPSH richiesta dalla pompa (NPSHᵣ) nell’intero intervallo operativo.
Perché l’elevazione delle apparecchiature previene la cavitazione
La prevalenza statica aumenta la pressione di aspirazione
La colonna di liquido sopra la pompa genera pressione idrostatica in corrispondenza del bocchello di aspirazione. Una maggiore distanza verticale tra il livello del liquido nel serbatoio e l’ingresso della pompa produce una maggiore prevalenza disponibile per contrastare la formazione di vapore.
Ciò è particolarmente importante per liquidi caldi, liquidi con elevata pressione di vaporizzazione e pompe con requisiti elevati di NPSHᵣ.
La cavitazione si verifica quando la pressione di aspirazione è insufficiente
La cavitazione inizia quando la pressione assoluta all’ingresso della pompa si avvicina o scende al di sotto della pressione di vaporizzazione del liquido. Si formano quindi bolle di vapore vicino all’ingresso della girante, che collassano quando il liquido raggiunge regioni a pressione più elevata all’interno della pompa.
Il conseguente collasso delle bolle può causare rumore, vibrazioni, erosione della girante, riduzione della portata e perdita di pressione di mandata.
La NPSH deve essere valutata all’ingresso della pompa
Il criterio di progetto è:
[ NPSH_A > NPSH_R ]
dove la NPSHₐ è la prevalenza disponibile dal sistema e la NPSHᵣ è la prevalenza richiesta dalla pompa a una portata specificata.
Un’espressione semplificata per il sistema di aspirazione è:
[ NPSH_A = \frac{P_{\text{tank, abs}}}{\rho g}
- h
- h_f
- \frac{P_v}{\rho g} ]
Qui, (P_{\text{tank, abs}}) è la pressione assoluta sulla superficie del liquido nel serbatoio, (h) è l’elevazione del liquido sopra l’aspirazione della pompa, (h_f) è la perdita di carico per attrito nella linea di aspirazione e (P_v) è la pressione di vaporizzazione del liquido alla temperatura di esercizio.
Come disporre il serbatoio di alimentazione e la pompa
Installare il serbatoio di alimentazione in posizione rialzata
Sollevare il serbatoio di alimentazione a un’altezza sufficiente affinché il suo livello minimo operativo del liquido rimanga sopra l’ingresso della pompa con la prevalenza statica richiesta. Il calcolo dovrebbe utilizzare il livello minimo di liquido plausibile, non il livello normale o massimo.
Per i serbatoi che si svuotano durante il funzionamento, il livello finale utilizzabile può essere la condizione determinante per la NPSH.
Installare la pompa a un’elevazione ridotta
Posizionare la pompa a livello del suolo, in una zona inferiore delle apparecchiature o in una fossa, quando ciò è pratico e sicuro. Abbassare la pompa aumenta la prevalenza verticale del liquido senza richiedere un serbatoio più alto.
La pompa dovrebbe rimanere accessibile per le ispezioni, la sostituzione delle tenute, l’allineamento e le altre attività di manutenzione.
Mantenere la linea di aspirazione corta e diretta
Disporre le tubazioni di aspirazione con lunghezza minima, pochi raccordi e senza cambiamenti di direzione non necessari. Le perdite per attrito riducono direttamente la NPSHₐ, quindi la linea di aspirazione dovrebbe generalmente avere un diametro maggiore ed essere meno restrittiva rispetto alla linea di mandata.
Evitare, ove possibile, lunghi tratti orizzontali, soprattutto quando richiedono numerosi gomiti o filtri.
Evitare restrizioni sul lato aspirazione
Una valvola di controllo, una valvola di intercettazione parzialmente chiusa, un filtro sottodimensionato o un filtro intasato possono creare una notevole caduta di pressione prima della pompa. Tali restrizioni riducono la pressione disponibile all’occhio della girante e possono avviare la cavitazione anche quando il serbatoio è installato in posizione rialzata.
Le valvole di intercettazione dovrebbero essere completamente aperte durante il funzionamento e i filtri dovrebbero essere selezionati e mantenuti per garantire una bassa perdita di pressione.
Fornire un percorso di aspirazione continuamente ascendente o ad autospurgo
La disposizione dell’aspirazione dovrebbe evitare i punti alti in cui il vapore può accumularsi. Per i liquidi vicini al punto di ebollizione, il vapore intrappolato può interrompere il flusso e produrre sintomi simili o peggiori rispetto alla cavitazione convenzionale.
La geometria delle tubazioni dovrebbe consentire alla pompa e alla linea di aspirazione di rimanere sommerse in condizioni operative normali.
Verifica dell’elevazione richiesta
Calcolare la NPSH nella condizione operativa peggiore
Valutare la NPSHₐ utilizzando la temperatura del liquido più elevata prevista, la pressione più bassa nel serbatoio, il livello minimo del liquido, la portata massima e le perdite previste nella linea di aspirazione. Queste condizioni generalmente determinano il margine meno favorevole.
Per un serbatoio pressurizzato, utilizzare la pressione assoluta, non la pressione relativa, nel calcolo della NPSH.
Confrontare con la curva della pompa
Ottenere la curva NPSHᵣ del produttore per la pompa selezionata e confrontarla con la NPSHₐ calcolata a ogni portata rilevante. La NPSHᵣ varia comunemente con la portata, quindi controllare solo il punto di progetto potrebbe non evidenziare un rischio di cavitazione durante l’avviamento, la riduzione della portata o il funzionamento alla portata massima.
Il layout è accettabile solo quando la NPSHₐ rimane superiore alla NPSHᵣ con un margine ingegneristico adeguato lungo tutto l’inviluppo operativo.
Considerare la pressione di vaporizzazione e la temperatura
La pressione di vaporizzazione può aumentare rapidamente all’aumentare della temperatura del liquido. Un’elevazione del serbatoio adeguata per un liquido freddo potrebbe essere insufficiente per un flusso caldo proveniente da un ribollitore o per un altro fluido prossimo all’ebollizione.
La misurazione della temperatura e i limiti operativi dovrebbero pertanto essere inclusi nella progettazione dell’impianto, in particolare negli impianti pilota in cui studenti o operatori possono variare intenzionalmente le condizioni di processo.
Comprendere i compromessi
I serbatoi rialzati richiedono supporto strutturale
Sollevare serbatoi, condensatori o ribollitori aumenta la quantità di carpenteria metallica di supporto, l’altezza delle piattaforme, i requisiti di accesso e i carichi strutturali. L’elevazione aggiuntiva deve essere bilanciata rispetto alla prevalenza di aspirazione richiesta dalla pompa.
Il serbatoio dovrebbe essere rialzato solo quanto necessario dopo aver considerato pressione, attrito, pressione di vaporizzazione e margine operativo.
Le pompe installate in basso comportano problemi di accesso e sicurezza
Installare una pompa in una fossa può migliorare la NPSHₐ, ma può complicare il drenaggio, la manutenzione, la ventilazione, la protezione dalle inondazioni e l’accesso degli operatori. Una pompa a livello del suolo con un serbatoio rialzato è spesso una disposizione migliore quando fornisce una prevalenza di aspirazione sufficiente.
Una maggiore elevazione non corregge una tubazione di aspirazione progettata male
Un serbatoio alto non può compensare completamente una linea di aspirazione sottodimensionata, un’eccessiva strozzatura delle valvole, un filtro ostruito o una tubazione instradata in modo improprio. La NPSHₐ dipende dall’effetto combinato della pressione nel serbatoio, della prevalenza del liquido, delle perdite per attrito e della pressione di vaporizzazione.
L’intero sistema di aspirazione deve essere valutato, anziché affidarsi esclusivamente all’elevazione.
Un ampio margine nominale può comunque essere fuorviante
I calcoli della NPSH dipendono dalle condizioni operative effettive e da dati affidabili della pompa. L’incertezza delle misure, il funzionamento transitorio, la composizione del fluido e le variazioni di temperatura possono ridurre il margine pratico.
I sintomi della cavitazione dovrebbero essere considerati come prova che le condizioni reali del sistema differiscono dalle ipotesi di progetto.
Fare la scelta giusta in base al proprio obiettivo
Utilizzare le seguenti priorità di layout nella progettazione di un’installazione per operazioni unitarie o di un impianto pilota:
- Se l’obiettivo principale è prevenire la cavitazione: installare il serbatoio di alimentazione in posizione rialzata e collocare la pompa al di sotto del suo livello minimo operativo del liquido, quindi verificare che la NPSHₐ rimanga superiore alla NPSHᵣ nella condizione operativa peggiore.
- Se l’obiettivo principale è facilitare la manutenzione: mantenere pompe e valvole di controllo a livello del suolo o vicino a piattaforme accessibili, sollevando i serbatoi di aspirazione solo quanto basta per fornire la prevalenza statica richiesta.
- Se l’obiettivo principale è gestire liquidi caldi o volatili: utilizzare la pressione di vaporizzazione plausibile più elevata, minimizzare l’attrito nell’aspirazione e includere un ampio margine operativo nel calcolo dell’elevazione.
- Se l’obiettivo principale è ottenere esperimenti stabili in impianto pilota: utilizzare tubazioni di aspirazione corte e di grande diametro, evitare restrizioni non necessarie e monitorare pressione di aspirazione, temperatura e portata durante il funzionamento.
Un layout affidabile per le operazioni unitarie mantiene la sorgente del liquido in alto, l’aspirazione della pompa in basso e libera da restrizioni, e la NPSHₐ calcolata ben al di sopra della NPSHᵣ della pompa.
Tabella riepilogativa:
| Fattore di layout | Pratica consigliata | Vantaggio in termini di NPSH |
|---|---|---|
| Elevazione del serbatoio di alimentazione | Mantenere il livello minimo operativo del liquido nel serbatoio sopra l’aspirazione della pompa | Aumenta la prevalenza statica |
| Posizione della pompa | Installare la pompa il più in basso possibile mantenendo un accesso sicuro | Aumenta la NPSH disponibile |
| Tubazioni di aspirazione | Utilizzare tubazioni corte, dirette e di grande diametro con un numero minimo di raccordi | Riduce le perdite per attrito |
| Restrizioni nell’aspirazione | Evitare valvole strozzate, filtri sottodimensionati e filtri intasati | Preserva la pressione di aspirazione |
| Condizioni operative | Controllare il livello minimo, la temperatura massima, la pressione minima nel serbatoio e la portata massima | Conferma la NPSH nelle condizioni peggiori |
| Verifica del progetto | Assicurarsi che la NPSH disponibile rimanga superiore alla NPSH richiesta nell’intero intervallo operativo | Riduce il rischio di cavitazione |
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