La cavitazione idrodinamica è un fenomeno fisico che si verifica quando un fluido viene sottoposto a una diminuzione di pressione locale. Ciò produce la formazione e l’implosione di bolle di gas o vapore all’interno del fluido stesso. Un processo di cavitazione controllata può essere utile in diverse applicazioni pratiche, come la pulizia di superfici e la riduzione delle dimensioni delle particelle solide.
In questo articolo, vedremo nel dettaglio cos’è la cavitazione, come funziona un cavitatore idrodinamico e quali sono le sue applicazioni più comuni.
Il fenomeno della cavitazione si verifica quando un fluido in moto vede crearsi al suo interno delle bolle di vapore che a causa dell’abbassamento di pressione del fluido implodono. Come è noto, un liquido a pressione non nulla all’interno di un recipiente tende ad instaurare un equilibrio termodinamico attraverso l’evaporazione del suo stato superficiale, che in stato gassoso esercita sullo stesso liquido una pressione nota come tensione di vapore.
Quando durante il moto, la pressione del fluido risulta essere inferiore alla tensione di vapore, si generano delle bolle meccanicamente stabili che tendono man mano ad accrescere il loro volume. Nel momento in cui però la pressione del fluido torna ad essere preponderante, l’equilibrio meccanico della bolla inizia a vacillare. Questo causa una violenta implosione, che genera intense onde di pressione. Un caso tipico è quello di una pompa di aspirazione, in un fluido a monte della pompa è ad una pressione inferiore rispetto a quella a valle.
Un cavitatore è un dispositivo che sfrutta il fenomeno della cavitazione idrodinamica per creare vuoti (o bolle di gas) all’interno di un liquido. Si parla cavitatore idrodinamico, o cavitatore ad acqua, per indicare una tipologia di cavitatore che sfrutta l’acqua come fluido di lavoro. Le bolle che si formano con la cavitazione possono collassare violentemente, generando onde d’urto che possono causare danni a tubi, pompe o altri componenti del sistema in cui il cavitatore è utilizzato.
Il cavitatore sfrutta questo principio creando una zona di bassa pressione all’interno di un fluido. Ciò può essere ottenuto tramite diversi meccanismi, ad esempio l’utilizzo di una geometria specifica dell’oggetto o la variazione della velocità del fluido. Quando le bolle di gas collassano raggiungono zone ad alta pressione, ad esempio le superfici di una pompa o di una turbina. Questo fenomeno in alcune applicazioni può essere utilizzato a vantaggio del processo in cui viene utilizzato il cavitatore.
Il cavitatore ha diverse applicazioni industriali, come ad esempio nella produzione di energia idroelettrica, dove si utilizza per incrementare la velocità dell’acqua all’interno delle turbine. Inoltre, la cavitazione idrodinamica trova impiego nei sistemi di trasporto di fluidi con lo scopo di ridurre la resistenza al flusso. In campo medico, il cavitatore viene utilizzato per frantumare calcoli renali o per migliorare la penetrazione di farmaci all’interno dei tessuti. Il cavitatore idrodinamico trova un’applicazione interessante anche nel settore della depurazione delle acque reflue, per distruggere i batteri nocivi. Può essere utile anche per rimuovere incrostazioni e depositi calcarei nei tubi o negli scambiatori di calore.
Utilizzando un getto d’acqua ad alta pressione, un processo di cavitazione controllata permette anche di pulire superfici come muri e pavimenti. In ambito biotecnologico, il cavitatore consente di disgregare le cellule per l’estrazione di composti specifici, come le proteine. Infine, un processo di cavitazione controllata può migliorare l’efficienza dei motori a combustione interna, ottimizzando la miscelazione tra aria e carburante.
Non è facile realizzare un processo di cavitazione controllata. Pensiamo delle pompe idrauliche: esse costituiscono l’ambiente ideale per la formazione di bolle di vapore a bassa pressione. Questo è il motivo per cui si tende a non installare impianti di pompaggio ad altezze troppo elevate rispetto al pelo libero dell’acqua. Infatti, l’implosione delle bolle comporta la formazione di veri e propri crateri sulle pale, con conseguenti perdite di efficienza e problemi relativi alla sicurezza del sistema.
Quando la pressione dell’acqua all’interno della pompa scende al di sotto della pressione di vapore del liquido che sta pompando, si verifica la cavitazione idrodinamica. Le bolle di vapore collassano quando l’acqua ad alta pressione le raggiunge, producendo un suono caratteristico di “ticchettio” o “martellamento”. Questa è la causa della generazione di onde d’urto che possono danneggiare le parti interne della pompa.
La cavitazione può essere causata da una serie di fattori, tra cui:
La cavitazione può causare una serie di problemi, tra cui danni alle pale della pompa, vibrazioni e rumori eccessivi, riduzione dell’efficienza della pompa e, in casi estremi, guasti prematuri della pompa. Per questo motivo, è importante prendere misure preventive per evitare la cavitazione.
La cavitazione controllata è una tecnologia in cui le bolle di gas si generano in modo controllato e gestito. Lo scopo è quello di evitare danni alle superfici circostanti. Trova impiego in settori come la produzione di nanoparticelle, la disgregazione cellulare, la miscelazione di fluidi e la pulizia di superfici. Per evitare la cavitazione idrodinamica nelle pompe, è importante adottare le seguenti misure:
Ci sono diversi vantaggi nell’utilizzo di scarti alimentari in un cavitatore idrodinamico. Questi non scaturiscono solo dal riutilizzo degli scarti delle arance (o comunque di altri agrumi), ma anche dalla capacità di ottenere sostanze preziose a livello biologico. Una di esse è la pectina, che si può ottenere attraverso un processo meccanico e non chimico, per il quale si necessiterebbe di solventi artificiali. Il succo d’arancia quindi può essere valorizzato con un processo di cavitazione idrodinamica, recuperando i composti bioattivi dal “pastazzo” d’arancio. Inoltre, l’utilizzo in un cavitatore idrodinamico consente di preservare la struttura a livello chimico dei composti estratti. Ciò ne facilita il riutilizzo in ambito non solo alimentare ma anche farmacologico.
Il succo d’arancia è diventato col tempo uno dei prodotti più utilizzati sulle tavole, praticamente in tutto il mondo, tuttavia la sua produzione a livello industriale comporta una notevole quantità di scarti, tra cui bucce e residui di polpa, che vengono poi gettati senza poter più essere riutilizzati. Un cavitatore idrodinamico permette di trasformare questi scarti in risorsa. Oltre che dalle bucce di frutta, il cavitatore è utile anche per l’estrazione di composti bioattivi da scarti di verdure e frutti di mare. Questi composti possono essere utilizzati come ingredienti funzionali in prodotti alimentari, integratori e prodotti farmaceutici. Inoltre, la cavitazione può essere utilizzata per migliorare la digeribilità degli alimenti, riducendo la dimensione delle particelle e migliorando l’accessibilità degli enzimi digestivi.
In medicina estetica, la cavitazione si riferisce a una tecnica non invasiva utilizzata per ridurre il grasso corporeo in eccesso in aree specifiche del corpo. La cavitazione estetica sfrutta l’energia ultrasonica ad alta frequenza per creare delle microbolle all’interno del tessuto adiposo. Queste implodono creando una sorta di “effetto martello pneumatico” che rompe le membrane delle cellule adipose, liberando il contenuto lipidico che viene poi eliminato attraverso il sistema linfatico e urinario.
La cavitazione estetica è una tecnica non invasiva e priva di effetti collaterali significativi, ma i risultati ottenibili variano a seconda del paziente e del tipo di adiposità presente. Inoltre, la cavitazione estetica non è un trattamento indicato per la perdita di peso generalizzata e non deve essere considerata come alternativa a una dieta equilibrata e ad uno stile di vita attivo.
Si ringrazia Alessandro Bove per il contributo
