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Tecnologia · Scuola superiore
Proposta per classi terze e quarte di istituti tecnici, adattabile dal docente. Prerequisiti: pressione, cambiamenti di stato, lettura di tabelle e sottrazioni decimali. Durata indicativa: due lezioni da 50 minuti.
In breve
Una pompa può avere acqua a disposizione e lavorare comunque male: in alcune zone interne la pressione può scendere abbastanza da far formare bolle di vapore. Se poi la pressione risale, le bolle collassano. Questo fenomeno, la cavitazione, può provocare rumore, perdita di prestazioni ed erosione. Per valutare le condizioni di aspirazione si confrontano il NPSH disponibile, legato all’impianto, e il NPSH richiesto, caratteristico della pompa nelle condizioni dichiarate. Imparerai a leggere questi dati e a scegliere fra tre configurazioni, senza scambiare un controllo semplificato per una garanzia assoluta.
1. Non tutte le bolle sono aria
In una pompa centrifuga una girante in rotazione trasferisce energia al liquido. La pressione, però, non è uguale in tutti i punti: all’ingresso dei canali della girante può diminuire sensibilmente. Non basta quindi sapere che nel serbatoio c’è acqua o che la pressione in mandata è elevata per escludere problemi all’aspirazione. [1, paragrafi iniziali]
Alla temperatura considerata, un liquido ha una propria pressione di vapore. Se localmente la pressione statica scende fino a tale livello o al di sotto, possono svilupparsi cavità contenenti vapore del liquido. Nella cavitazione da vapore qui studiata, le bolle non richiedono che l’intera massa d’acqua sia stata portata a 100 °C: il fenomeno dipende anche dalla pressione locale. [2, «Vapour cavitation»]
Trascinate dal flusso verso regioni a pressione maggiore, le bolle possono collassare rapidamente. Se il collasso avviene vicino a una superficie, può contribuire all’erosione del materiale. La cavitazione può anche ridurre prevalenza ed efficienza e rendere il funzionamento rumoroso e irregolare. Non ogni episodio produce immediatamente un danno visibile. [2, «Vapour cavitation»; 3, «Pressure & NPSH Terminology»]
Non confondere i fenomeni: aria che entra attraverso una perdita, gas che si libera dal liquido e bolle di vapore non sono automaticamente la stessa cosa. Questa lezione si concentra sulla cavitazione da vapore. Un rumore insolito è un indizio da far valutare, non una diagnosi sufficiente fatta “a orecchio”.
Obiettivo: motivare una scelta sulle condizioni di aspirazione usando dati riferiti alla stessa portata e alle stesse condizioni, dichiarando ciò che il confronto non dimostra.
2. Due NPSH diversi, da confrontare correttamente
La sigla NPSH significa Net Positive Suction Head. Le grandezze sono espresse in metri del liquido considerato: rappresentano un’altezza equivalente legata alle condizioni energetiche e alla pressione di vapore. Non sono semplicemente la lunghezza del tubo o l’altezza fisica del serbatoio; non sono neppure la prevalenza che la pompa fornisce in mandata. [1, «NPSH»; 3, «Pressure & NPSH Terminology»]
NPSHA, disponibile (available), descrive ciò che l’impianto mette a disposizione all’aspirazione. Cambia con le condizioni: livello e pressione del serbatoio, temperatura del liquido e perdite lungo il percorso di aspirazione. Non è un numero immutabile scritto sulla pompa.
NPSHR, richiesto (required), è un dato della pompa, riferito a portata, velocità di rotazione, liquido e criterio di prova dichiarati. Va letto nella documentazione del costruttore e interpretato secondo le condizioni di prova applicabili. Non si può usare il valore relativo a una portata per verificarne senza controllo un’altra. [1, «NPSH required by the pump (NPSHR)»; 3, «NPSH Margin & Operating Region»]
Per confrontarli calcoliamo una differenza, che chiameremo margine assoluto:
M = NPSHA − NPSHR, espresso in metri.
Se M è negativo, il disponibile è inferiore al richiesto. Se è positivo, esiste un’eccedenza rispetto a quel riferimento, ma bisogna ancora stabilire se sia adeguata all’applicazione. Margini, limiti d’impiego e criteri effettivi vanno verificati con la documentazione pertinente: non esiste in questa lezione un margine universale. [3, «NPSH Margin & Operating Region»]
Il significato importante di NPSH3
Il valore indicato come NPSHR nelle curve è spesso NPSH3, o basato su tale criterio: occorre verificarlo nella scheda specifica. NPSH3 è il valore associato, durante una prova a portata costante, a un calo del 3% della prevalenza dovuto alla cavitazione. È un criterio prestazionale, non la soglia delle primissime bolle. Se NPSHA è uguale a NPSH3, il riferimento descrive già una condizione con prevalenza ridotta: non significa “assenza di cavitazione”. [1, elenco dei criteri; 3, «NPSH Margin & Operating Region»]
Perciò NPSHA > NPSHR non autorizza da solo a promettere assenza di cavitazione o di danni. Servono un margine adeguato e una verifica delle condizioni di esercizio. L’esercizio userà un criterio esplicito e inventato a scopo didattico, non una prescrizione per installazioni reali.
3. La scelta riguarda anche l’impianto
Se il disponibile è insufficiente, non basta scegliere una pompa «più potente». La potenza non sostituisce la verifica delle condizioni di aspirazione. Una scelta può riguardare una pompa con caratteristiche diverse, ma anche il percorso del liquido prima di raggiungerla.
A parità delle altre condizioni, ridurre le perdite nella linea di aspirazione può aumentare NPSHA. Per esempio, si può valutare un percorso meno penalizzante dal punto di vista delle perdite. Aumentare il livello del liquido rispetto alla pompa può aiutare, mentre il livello minimo del serbatoio può essere la condizione più sfavorevole. Queste indicazioni sono qualitative: il loro effetto va ricalcolato nel progetto, non ricavato a intuito. [1, definizione del NPSH dell’impianto e richiamo alle perdite di ingresso, valvole e raccordi]
Conta anche la temperatura. Per il caso usuale dell’acqua, al crescere della temperatura aumenta la pressione di vapore: a parità delle altre condizioni si riduce il NPSH disponibile. Il dato letto per acqua più fredda non va esteso automaticamente a un esercizio più caldo. [2, «Vapour cavitation»; 3, «Pressure & NPSH Terminology»]
Una verifica deve coprire le condizioni richieste
Una configurazione può soddisfare il criterio a una portata e non a un’altra. Inoltre il livello del serbatoio può variare durante il servizio. Verificare solo il punto più favorevole nasconde il problema: è necessario confrontare i dati nelle condizioni che si intende ammettere.
Nell’attività consideriamo tre portate assegnate e tre configurazioni dello stesso impianto di trasferimento. I valori disponibili sono già forniti: non ricaviamo NPSHA da quote e pressioni e non dimensioniamo tubazioni. Non introduciamo quindi una formula semplificata da applicare fuori contesto.
Che cosa il nostro modello non dimostra
Il confronto riguarda soltanto le righe della tabella. Non dimostra il comportamento fra i punti, durante l’avviamento o in condizioni non assegnate. Non valuta vibrazioni, affidabilità complessiva, consumo energetico, costi, controllo del processo o idoneità dei materiali. Non misura una pompa e non certifica un impianto.
Sicurezza. Tutto il lavoro è su carta o calcolatrice. Non aprire pompe, non farle funzionare a secco, non ostruire tubi o valvole e non tentare di provocare cavitazione. Non sono previste prove con acqua calda, recipienti in pressione, motori o collegamenti elettrici. Un’attività su un impianto reale richiede procedure autorizzate e personale qualificato.
4. Attività di analisi e progettazione: tre configurazioni
Una pompa deve trasferire acqua in tre condizioni di portata: 2,0; 3,0; 4,0 m³/h. La temperatura e la velocità di rotazione sono mantenute costanti nel problema. Il progettista ha fornito NPSHA per tre alternative dell’aspirazione; i dati NPSHR rappresentano una scheda di pompa fittizia.
Tutti i numeri sono inventati per la didattica. Non sono dati di un prodotto o valori raccomandati da una norma.
| Portata Q (m³/h) | NPSHR (m) | NPSHA A (m) | NPSHA B (m) | NPSHA C (m) |
|---|---|---|---|---|
| 2,0 | 1,8 | 4,4 | 5,4 | 4,0 |
| 3,0 | 2,4 | 3,9 | 4,9 | 3,2 |
| 4,0 | 3,2 | 3,3 | 4,3 | 2,5 |
Per questo esercizio soltanto, il requisito assegnato è:
NPSHA ≥ NPSHR + 1,0 m, cioè M ≥ 1,0 m.
L’uguaglianza è ammessa. Il metro aggiuntivo non è una regola universale e non va trasferito a un progetto reale. L’alternativa scelta deve soddisfare il requisito in tutte e tre le condizioni tabellate.
Consegna
- Calcolate M in ogni casella della tabella sottostante. Tenete il segno dei risultati e scrivete l’unità.
- Per ogni alternativa individuate il margine minimo e la portata alla quale si presenta. Scegliete la sola configurazione che rispetta il criterio in tutte le righe.
- Scrivete perché non basta verificare la portata di 2,0 m³/h. Non chiamate “sicura in ogni situazione” la configurazione selezionata.
- Come prova di sensibilità, il progettista comunica che una condizione sfavorevole riduce tutti i NPSHA di B di 0,6 m. Ricalcolate i margini: la scelta resta accettabile secondo il criterio assegnato?
- Indicate quanto dovrebbe aumentare, almeno, il NPSHA di B nella riga critica del nuovo scenario per tornare al limite richiesto. Proponete una direzione di intervento da far verificare al progettista, non una modifica da eseguire.
| Portata Q (m³/h) | M di A (m) | M di B (m) | M di C (m) |
|---|---|---|---|
| 2,0 | ____ | ____ | ____ |
| 3,0 | ____ | ____ | ____ |
| 4,0 | ____ | ____ | ____ |
Prodotto finale: tabella compilata e nota tecnica di 6–8 righe con scelta, condizione critica e limiti. Si valutano correttezza, uso del criterio e qualità della motivazione, non la pretesa di progettare un impianto completo.
5. Esercizi
1. Ricostruire il fenomeno
Metti in ordine e collega con una breve spiegazione: possibile erosione vicino alla superficie; pressione locale che scende verso la pressione di vapore; formazione di bolle; trasporto in una zona a pressione maggiore e collasso. Perché non è corretto chiamare tutte queste bolle “aria entrata nel tubo”?
2. Disponibile o richiesto?
Associa ciascun elemento soprattutto a NPSHA o NPSHR: livello minimo del serbatoio; perdite nella linea di aspirazione; curva fornita dal costruttore alla velocità dichiarata; temperatura dell’acqua nell’impianto. Spiega perché la portata deve accompagnare il confronto di entrambi i valori.
3. Un punto non basta
Per A nell’attività calcola i margini a 2,0 e 4,0 m³/h. Un compagno afferma: «A supera sempre il richiesto, quindi soddisfa il requisito del problema». Individua precisamente che cosa manca nel suo ragionamento.
4. Il tre per cento
In una prova didattica a portata costante, la prevalenza di riferimento è 20,0 m. Quale riduzione e quale prevalenza corrispondono al calo del 3% usato nel criterio NPSH3? Quel 3% significa che il 3% del volume d’acqua è diventato vapore?
5. Calcolare e interpretare il margine
A un punto assegnato NPSHA = 3,1 m e NPSHR = 2,4 m. Calcola M. Il disponibile è maggiore del richiesto? È rispettato il criterio didattico M ≥ 1,0 m? Il mancato rispetto dimostra da solo che avverrà certamente un danno?
6. Cambia una condizione
Dopo la riduzione di 0,6 m dei disponibili di B, un gruppo propone di continuare a usare la vecchia tabella «perché la pompa non è cambiata». Spiega l’errore. Quale differenza concettuale fra NPSHA e NPSHR aiuta a individuarlo?
7. Un’idea di progetto da verificare
Indica due informazioni sull’impianto da chiedere prima di valutare una modifica che aumenti NPSHA. Proponi una direzione qualitativa di intervento, spiegando perché non puoi ricavarne un risultato numerico dai soli dati dell’attività.
8. Correggere una conclusione troppo forte
Riscrivi correttamente: «B passa tutte le righe della tabella, quindi non ci saranno mai bolle, danni o problemi energetici, a qualsiasi portata e temperatura». La tua risposta deve distinguere risultato del calcolo, campo di validità e verifiche ancora necessarie.
6. Soluzione dell’attività
Si sottrae il NPSHR della stessa riga dal NPSHA di ciascuna alternativa:
| Portata Q (m³/h) | M di A (m) | M di B (m) | M di C (m) |
|---|---|---|---|
| 2,0 | 2,6 | 3,6 | 2,2 |
| 3,0 | 1,5 | 2,5 | 0,8 |
| 4,0 | 0,1 | 1,1 | −0,7 |
Si sceglie B: il suo minimo, 1,1 m a 4,0 m³/h, supera il limite didattico di 1,0 m. A fallisce a 4,0 m³/h pur mantenendo M positivo; C fallisce già a 3,0 m³/h e ha disponibile inferiore al richiesto a 4,0 m³/h. A 2,0 m³/h tutte passano: verificare solo quel punto non permette di scegliere correttamente.
Dopo la riduzione di 0,6 m, i margini di B diventano 3,0; 1,9; 0,5 m. Il criterio non è più rispettato nella terza riga. In quella condizione occorrerebbe recuperare almeno 0,5 m di NPSHA per tornare esattamente a M = 1,0 m, a NPSHR invariato. È una differenza aritmetica, non il dimensionamento di una modifica. Il progettista potrebbe valutare una riduzione delle perdite in aspirazione o condizioni di alimentazione più favorevoli, ricalcolando gli effetti.
Esempio di nota: «B è l’unica alternativa conforme al criterio didattico nei tre punti assegnati. Il punto più critico è 4,0 m³/h. La riduzione del disponibile ipotizzata rende insufficiente il margine in quel punto: il confronto deve essere aggiornato. Non sono dimostrati assenza assoluta di cavitazione, affidabilità o rendimento dell’impianto reale».
7. Soluzioni commentate — esercizi 1–4
1. Prima la pressione locale scende verso la pressione di vapore, poi possono formarsi bolle di vapore; il flusso le porta verso zone a pressione maggiore dove collassano. Vicino a una superficie il fenomeno può contribuire all’erosione. Nella cavitazione da vapore le bolle provengono dal liquido stesso: non dimostrano un ingresso d’aria dall’esterno. Non ogni bolla collassata comporta immediatamente un danno osservabile.
2. Livello, perdite della linea e temperatura sono condizioni che influenzano NPSHA; la curva del costruttore descrive NPSHR nelle condizioni dichiarate. La portata è indispensabile perché il confronto riguarda un punto di funzionamento: nell’esercizio sia disponibile sia richiesto hanno valori diversi fra le righe.
3. A: 4,4 − 1,8 = 2,6 m e 3,3 − 3,2 = 0,1 m. Il compagno ha controllato soltanto che M sia positivo, ma il problema richiede almeno 1,0 m. Il secondo punto non passa, anche se 3,3 è maggiore di 3,2.
4. Riduzione = 20,0 × 0,03 = 0,6 m; prevalenza corrispondente = 19,4 m. Il 3% riguarda la diminuzione della prevalenza rispetto al riferimento nella prova, non una percentuale di acqua vaporizzata. Il criterio non individua l’inizio delle primissime bolle.
8. Soluzioni commentate — esercizi 5–8
5. M = 3,1 − 2,4 = 0,7 m. Il disponibile supera il richiesto, ma il criterio didattico non è soddisfatto perché 0,7 < 1,0. Il confronto non consente di predire con certezza un danno: segnala che la condizione non rispetta il requisito assegnato e richiede riesame.
6. NPSHA dipende anche dall’impianto e dalle condizioni: può diminuire senza sostituire la pompa. Occorre aggiornare il disponibile e quindi il margine. Il NPSHR resta quello della tabella solo perché lo scenario mantiene invariati pompa, portata, velocità e condizioni di riferimento per quel dato; non perché sia sempre costante in qualunque esercizio.
7. Esempi di informazioni utili: livello minimo e pressione del serbatoio, temperatura, geometria e perdite della linea, portate ammesse. Si può proporre di studiare una riduzione delle perdite o un maggiore battente disponibile. Non si può attribuire un guadagno preciso a una modifica non descritta: mancano i dati e un calcolo dell’impianto. Non sono istruzioni da attuare sugli apparecchi della scuola.
8. «B rispetta il requisito didattico nei tre punti tabellati, alle condizioni assegnate. Questo non prova assenza assoluta di cavitazione, danni o problemi energetici. Servono verifiche nelle altre condizioni ammesse, indicazioni del costruttore e un’analisi completa dell’impianto». La conclusione corretta mantiene il risultato positivo, ma non lo estende oltre le evidenze.
Fonti per approfondire
[1] KSB — NPSH, Centrifugal Pump Lexicon. Voce tecnica. Localizzatori: paragrafi iniziali «As the fluid flows through…» e «In order to avoid cavitation…»; definizione del NPSH dell’impianto; sezione «NPSH required by the pump (NPSHR)», elenco dei criteri e commento a NPSH3. Supporta la distinzione disponibile/richiesto e la dipendenza dal punto di lavoro.
[2] KSB — Cavitation, Centrifugal Pump Lexicon. Voce tecnica. Localizzatori: apertura; «Vapour cavitation», paragrafi sulla pressione di vapore, sul successivo collasso e su rumore, erosione e prestazioni. La lezione non sviluppa la distinta cavitazione da gas.
[3] Peter Gaydon, Hydraulic Institute — The Basics of NPSH & Pump Operating Regions, 7 dicembre 2022. Approfondimento tecnico. Localizzatori: «Pressure & NPSH Terminology» e «NPSH Margin & Operating Region», in particolare definizione di NPSH3, effetto dell’uguaglianza NPSHA = NPSH3 e necessità di margini adeguati all’applicazione. È una fonte indipendente da KSB.
Fonti web consultate il 20 ottobre 2026. Testo ed esempi sono una rielaborazione didattica originale; i numeri dell’attività non provengono da queste fonti. La dispensa non sostituisce manuali, norme o procedure di progettazione.
Revisione docente: APERTA. Prova in classe: APERTA.