Nella prima parte di questa rubrica in due parti, definiremo il colpo d’ariete ed esploreremo gli eventi che lo causano. Cercheremo anche di ottenere una prospettiva sulla pressione aggiuntiva che genera. Per leggere la seconda parte, clicca qui.
Che cos’è il colpo d’ariete?
Il colpo d’ariete (anche colpo d’ariete) è uno sbalzo di pressione che può verificarsi in qualsiasi sistema di pompaggio che subisce un brusco cambiamento nella sua velocità di flusso e solitamente risulta dall’avvio e dall’arresto della pompa, dall’apertura e chiusura delle valvole o dalla separazione e chiusura della colonna d’acqua. Questi bruschi cambiamenti possono far sì che tutta o parte della colonna d’acqua che scorre subisca un cambiamento di quantità di moto. Questo cambiamento può produrre un’onda d’urto che viaggia avanti e indietro tra la barriera che l’ha creata e una barriera secondaria. Se l’intensità dell’onda d’urto è alta, possono verificarsi danni fisici al sistema. Stranamente, il colpo d’ariete può essere più preoccupante nelle applicazioni a bassa pressione.
Il colpo d’ariete è ancora un altro esempio di conservazione dell’energia e risulta dalla conversione dell’energia di velocità in energia di pressione.
Siccome i liquidi hanno una bassa compressibilità, l’energia di pressione risultante tende ad essere alta.
Forse il modo migliore per visualizzare il colpo d’ariete è iniziare con un esempio ipotetico. La figura 1 qui sotto mostra una pompa che pompa acqua in un tubo che era vuoto quando la pompa è partita. Le due valvole, situate allo scarico della pompa e all’estremità del tubo, sono completamente aperte e hanno la capacità di chiudersi istantaneamente. Il tubo, le valvole e gli altri raccordi sono completamente anelastici e non può verificarsi alcun cambiamento di volume, indipendentemente dalla pressione. La colonna d’acqua che scorre attraverso il tubo ha anche un bordo d’attacco perfettamente piatto che corrisponde a quello della sezione trasversale ID del tubo. Quando il bordo d’attacco della colonna d’acqua raggiunge la valvola a valle, questa si chiude quasi alla velocità della luce e non intrappola aria davanti alla colonna d’acqua.
Figura 1Anche se il bordo d’attacco ha colpito la valvola chiusa, il flusso nel tubo continua per i prossimi millisecondi. Proprio quando il flusso cessa, la valvola a monte si chiude (questa volta alla vera velocità della luce), e la colonna d’acqua è completamente isolata tra le due valvole. Quali eventi si verificano quando la colonna colpisce la valvola chiusa a valle e perché l’acqua continua ad entrare nel tubo anche se la valvola è chiusa?
Se questa colonna in movimento fosse una colonna di metallo invece che di acqua (ipoteticamente, ovviamente), potrebbero verificarsi un paio di cose. A seconda del suo coefficiente di restituzione (la sua capacità di evitare danni permanenti), l’energia cinetica dovuta al flusso (movimento) potrebbe essere trasformata in energia meccanica quando il bordo anteriore della colonna di metallo viene schiacciato contro la valvola chiusa. Se questo accadesse, la colonna si fermerebbe e rimarrebbe immobile sulla valvola. Se la sua restituzione è abbastanza alta da impedire lo schiacciamento, quella stessa energia cinetica potrebbe essere usata per invertire la sua direzione sotto forma di un rimbalzo. Indipendentemente dal risultato, l'”intera” colonna di metallo si fermerebbe o rimbalzerebbe nella direzione opposta. Nessuno di questi eventi si verifica quando è coinvolta l’acqua.
L’acqua è un liquido quasi non comprimibile, il che sembra suggerire che sia leggermente comprimibile. A temperatura ambiente, 1 psi diminuirà il suo volume di circa 0,0000034 per cento. Questo sembra piuttosto piccolo, ma più grande è il volume, più facile è vedere l’effetto. Per esempio, se l’acqua non si comprimesse, il livello del mare sarebbe circa 100 piedi più alto del suo livello attuale! A pressioni molto alte, diciamo 40.000 psi, la sua comprimibilità è aumentata a circa il 10%. Ma la maggior parte dell’acqua non è solo acqua – contiene anche aria, che è principalmente azoto (78%) e ossigeno (21%). Altrimenti i pesci non potrebbero sopravvivere! L’aria disciolta compone circa il 2 per cento di un dato volume di acqua non trattata, e aggiunge sostanzialmente alla sua comprimibilità.
Perché
È la comprimibilità dell’acqua (e dell’aria disciolta) che fa agire l’acqua in modo diverso dalla colonna metallica. Se non fosse comprimibile, il suo bordo d’entrata sarebbe permanentemente schiacciato o l’intera colonna rimbalzerebbe all’indietro. Quando il bordo d’attacco di una colonna d’acqua colpisce la valvola chiusa, si ferma bruscamente. Poiché l’acqua dietro il bordo d’attacco è ancora in movimento, comincia a comprimersi. Questa compressione su tutta la lunghezza della colonna permette ad una piccola quantità d’acqua di continuare a fluire nel tubo anche se il bordo d’attacco si è fermato. Quando il flusso cessa, tutta la sua energia cinetica di movimento e quella dovuta alla compressione viene convertita in energia di pressione.
La compressione inizia sul bordo anteriore della colonna d’acqua e poiché l’energia supplementare che produce non può continuare oltre la valvola chiusa, si genera un’onda di pressione o d’urto che viaggia lungo il percorso di minor resistenza che, in questo esempio, è a monte. Il suo inizio è simile all’eco prodotto quando un’onda sonora, che viaggia nell’aria, colpisce una barriera simile. Quando l’onda colpisce la valvola a monte, viene riflessa a valle, ma con un’intensità ridotta. Questo movimento avanti e indietro continua fino a quando l’attrito e le perdite di riflessione fanno scomparire l’onda. La velocità a cui un’onda viaggia e l’energia che perde durante il viaggio dipende dalla densità e dalla comprimibilità del mezzo in cui viaggia. La densità e la comprimibilità dell’acqua la rendono un buon mezzo per la generazione e la trasmissione delle onde d’urto.
Le onde di pressione create dallo shock idraulico hanno caratteristiche simili a quelle delle onde sonore e viaggiano ad una velocità simile. Il tempo necessario a un’onda di pressione del colpo d’ariete per percorrere una lunghezza di tubo è semplicemente la lunghezza del tubo diviso per la velocità del suono in acqua (circa 4.860 piedi/sec). Nell’analisi del colpo d’ariete, una costante di tempo spesso utilizzata descrive la progressione dell’onda dal suo inizio alla barriera secondaria e poi di nuovo indietro. Prende la forma di Tc = 2L/a (dove L è la lunghezza del tubo e a è la velocità dell’onda, che è la velocità del suono). In un tubo di 1.000 piedi, l’onda può fare un giro completo in meno di mezzo secondo.
La pressione creata da questa onda d’urto è direttamente proporzionale sia alla velocità dell’onda che alla velocità dell’acqua che scorre nel tubo. Anche se l’equazione qui sotto non tiene conto dell’effetto della lunghezza del tubo, del diametro e dell’elasticità, fornirà alcune informazioni sulla pressione aggiuntiva creata da un’onda di pressione del colpo d’ariete.
P(aggiuntivo) = aV / 2.31g
P è la pressione aggiuntiva creata dall’onda d’urto, a è la velocità dell’onda, V è la velocità dell’acqua che scorre nel tubo in metri al secondo, g è la costante gravitazionale universale @ 32-ft/sec2 e 2.31 è la costante di conversione della pressione. Ad una velocità della conduttura di 5 piedi/sec², la pressione aggiuntiva creata dall’onda d’urto è di circa 328 psi. Aumentando quella velocità a 10-ft/sec aumenta la pressione supplementare a circa 657-psi. Ovviamente, i sistemi che non sono progettati per accogliere un tale aumento di pressione sono spesso danneggiati o addirittura distrutti.
Il mese prossimo esploreremo le tre cause principali del colpo d’ariete e i fattori che contribuiscono alla grandezza dell’onda d’urto che genera. Vedremo anche perché il colpo d’ariete può essere più dannoso nei sistemi a bassa pressione.