Teoria delle pompe

Pompe chimiche

Pompa centrifuga

pompa centrifuga in ppLa caratteristica principale della pompa centrifuga è quella di convertire l'energia di una fonte di movimento (il motore) prima in velocità (o energia cinetica) e quindi in energia di pressione. Il ruolo di una pompa è infatti il conferimento di energia al liquido pompato (energia trasformata poi in portata e prevalenza), secondo le caratteristiche costruttive della pompa stessa e in relazione ai bisogni specifici dell'impianto. Il funzionamento è semplice: tali pompe utilizzano l'effetto centrifugo per movimentare il liquido e aumentare la sua pressione. All'interno di una camera ermetica dotata di entrata ed uscita (coclea o voluta) gira una ruota palettata (girante), il vero cuore della pompa. La girante è l'elemento rotante della pompa che converte l'energia del motore in energia cinetica (la parte statica della pompa, cioè la voluta, converte invece l'energia cinetica in energia di pressione). La girante è a sua volta fissata all'albero-pompa, calettato direttamente all'albero di trasmissione del motore o accoppiato ad esso tramite accoppiamento rigido.
Quando all'interno del corpo-pompa entra il liquido, la girante (alimentata dal motore) proietta il fluido alla periferia del corpo-pompa in virtù della forza centrifuga prodotta dalla velocità della girante: il liquido in tal modo immagazzina un'energia (potenziale) che verrà trasformata in portata e prevalenza (o energia cinetica). Questo movimento centrifugo provoca contemporaneamente una depressione in grado di aspirare il fluido da pompare. Collegando poi la pompa con la tubazione di mandata, il liquido verrà facilmente incanalato, raggiungendo l'esterno della pompa. La girante di una pompa centrifuga può essere realizzata secondo molte varianti costruttive: giranti aperte, giranti chiuse, giranti semi-aperte, giranti mono-canale, giranti assiali, giranti semi-assiali, giranti arretrate, vortex, a spirale, ecc.
Si possono avere pompe centrifughe monostadio, dotate cioè di un solo generatore di portata e pressione (una girante). In presenza di più giranti (la prima girante scarica il liquido sulla seconda e così via…) si avranno invece pompe centrifughe multistadio, caratterizzate dalla somma delle pressioni erogate da ciascuna girante. Il funzionamento della pompa centrifuga dipende oltre che dal momento iniziale dell'adescamento anche dal modo in cui viene assicurata l'aspirazione del liquido stesso: se infatti la pompa è posta ad un livello inferiore a quello della vena da cui si preleva il liquido, quest'ultimo entra spontaneamente nella pompa (si avrà così un'installazione sottobattente). Mentre se la pompa è posta al di sopra della sorgente da cui si vuole pompare, allora il liquido sarà da aspirare: la pompa (così come la tubazione di aspirazione) dovrà quindi essere preventivamente innescata, cioè riempita di liquido (si avrà una pompa auto-adescante).
Il sistema centrifugo presenta innumerevoli vantaggi rispetto alle altre tipologie di pompaggio: assicura volumi di ingombro ridotti, un servizio relativamente silenzioso ed un facile azionamento con tutte le tipologie di motori elettrici disponibili sul mercato. Poi presenta una facile adattabilità a tutti i problemi del trattamento dei liquidi in quanto, attraverso adeguamenti alle particolari condizioni di utilizzo, è in grado di rispondere alle specifiche esigenze degli impianti di destinazione.

Curva della pompa

Le prestazioni di una pompa centrifuga possono essere graficamente evidenziate in una curva caratteristica che, normalmente, presenta dati relativi all'altezza geodetica totale, alla potenza effettiva del motore (BHP), all'efficienza, all'NPSHr e al battente positivo, informazioni indicate in relazione alla capacità della pompa.
Ogni pompa centrifuga è quindi caratterizzata dalla sua particolare curva caratteristica, che è la relazione tra la sua portata e la sua prevalenza. Questa rappresentazione grafica, cioè la trasposizione di questo rapporto all'interno di un grafico cartesiano, è il modo migliore per conoscere quale portata si otterrà ad una data prevalenza (e viceversa).
Nella fattispecie, la curva consiste in una linea che parte da un punto (equivalente a zero portata/massima prevalenza) e che arriva fino alla fine della curva con la riduzione della prevalenza all'aumentare della portata.
E' chiaro che a modificare questa rappresentazione, concorrono anche altri elementi come la velocità, la potenza del motore o il diametro della girante. Bisogna altresì considerare che le prestazioni di una pompa non possono essere conosciute senza sapere tutti i dettagli del sistema in cui sarà operativa
La curva di prestazioni di ogni pompa inoltre varia al variare della velocità ed è espressa delle seguenti leggi:
  1. la quantità di liquido trasportato cambia in rapporto alla velocità
  2. la prevalenza varia in rapporto al quadrato della velocità
  3. la potenza consumata varia in rapporto al cubo della velocità
La quantità di liquido pompato e la potenza assorbita sono, approssimativamente, proporzionali. Lo scarico di una pompa centrifuga con velocità costante può variare da zero portata (tutto chiuso o valvola chiusa), fino ad un massimo che dipende dalla progettazione e dalle condizioni di lavoro. Esemplificativamente, se si raddoppia la quantità di fluido pompato raddoppia la velocità e tutte le altre condizioni rimangono uguali, mentre la prevalenza aumenta di 4 volte e la potenza consumata di 8 volte rispetto alle condizioni di partenza.
La potenza assorbita dalla pompa può essere individuata sul punto dove la curva della potenza incrocia la curva della pompa al punto di lavoro. Ma questo non indica ancora la taglia del motore richiesta.
Esistono vari modi per determinare la potenza dei motori di alimentazione della pompa:Le prestazioni di una pompa, e soprattutto delle pompe rotodinamiche, sono normalmente illustrate con una simile curva, che bene evidenzia il rapporto tra liquido movimentato per unità di tempo e l'aumento della pressione.
Ma le curve relative alle differenti categorie di pompe hanno caratteristiche molto diverse. Le pompe volumetriche, ad esempio, presentano un volume di portata virtualmente indipendente dalla differenza di pressione (e la relativa curva è quasi sempre una linea verticale), mentre le pompe centrifughe hanno una curva di prestazioni che, come abbiamo visto, all'aumentare della prevalenza oppone la diminuzione della portata (e viceversa). La curva delle pompe periferiche ha invece un andamento a metà tra queste due categorie di pompe .
Una regola generale per comprendere le forze sviluppate da una pompa centrifuga è sempre questa: una pompa non crea pressione ma fornisce solo portata. La pressione e' solo la misura della resistenza della portata.

confronto curve

Confronto curve

  
Curva generale

Curva generale






Principi di idraulica

Principio pompe idrauliche



Pompa centrifuga
Pompa che sfrutta il movimento rotatorio di una ruota palettata (girante) inserita nel corpo della pompa stessa. La girante, muovendosi ad alta velocità, proietta l'acqua precedentemente aspirata all'esterno in virtù della forza centrifuga sviluppata, incanalando il liquido nel corpo fisso e poi nel tubo di mandata.

Pompa sommersa
La pompa sommersa è una pompa ad asse verticale, progettata per raggiungere grandi profondità grazie alla lunghezza del suo pescante. Da non confondere con la pompa sommergibile che si caratterizza per la dotazione di un motore a tenuta stagna immerso nello stesso liquido da pompare.

Portata
Quantità di liquido (in volume o in peso) che deve essere pompata, travasata o innalzata in un certo intervallo di tempo da una pompa: normalmente espressa in litri per secondo (l/s), litri per minuto (l/m)o metri cubi per ora (m³/h). Simbolo: Q.

Prevalenza
Altezza di sollevamento di un liquido: il pompaggio sottintende l'innalzamento di un liquido da un livello più basso ad un livello più alto. Esprimibile in metri di colonna di liquido o in bar (pressione). In questo ultimo caso il liquido pompato non supera nessun dislivello, ma viene erogato esclusivamente a livello del suolo ad una data pressione. Simbolo: H.

Curva di prestazioni
Particolare illustrazione grafica che individua le prestazioni della pompa: il diagramma raffigura infatti la curva formata dai valori di portata e di prevalenza, indicati in riferimento ad un tipo specifico di girante diametro e ad un modello particolare di pompa.

Sottobattente
Particolare installazione della pompa, posta ad un livello inferiore a quello della vena da cui si preleva l'acqua: l'acqua in questo modo entra spontaneamente nella pompa senza nessuna difficoltà.

Adescamento
Riempimento della pompa o della tubazione per svuotamento dell'aria presente in esse. In alcun i casi si possono avere anche pompe auto-adescanti, cioè dotate di un meccanismo automatico che facilita l'adescamento e quindi l'avviamento della pompa altrimenti impossibile o comunque molto lento.

Cavitazione
Fenomeno che origina da una instabilità nel flusso della corrente. La cavitazione si manifesta con la formazione di cavità nel liquido pompato ed è accompagnata da vibrazioni rumorose, riduzione della portata e, in misura minore, del rendimento della pompa. E' causata dal rapido passaggio di piccole bolle di vapore attraverso la pompa: il loro collasso genera micro-getti che possono provocare anche gravi danni.

Perdite di carico
Perdite di energia dovute all'attrito del liquido lungo le pareti della tubazione, proporzionali alla lunghezza di queste ultime. Sono anche proporzionali al quadrato della velocità di scorrimento e variabili in relazione alla natura del liquido pompato. Ogni occasione di rallentamento dello scorrimento normale del fluido movimentato rappresenta comunque una sorgente di perdite di carico come i bruschi cambiamenti di direzione o di sezione delle tubazioni.
Ai fini di un corretto dimensionamento della pompa, la somma di tali perdite va aggiunta all'altezza di sollevamento originariamente prevista.

Tenuta meccanica
Tenuta meccanica per alberi rotanti. Utilizzata in tutti quei casi dove non è accettabile nessun gocciolamento esterno da parte del liquido. È' composta da due anelli con superficie piana, una stazionaria e l'altra rotante: le due facce sono pressate assieme in modo da lasciare solo un sottilissimo film idrodinamico formato da liquido da trattenere con la funzione di lubrificante delle parti in strisciamento.

Viscosità
Si tratta di una caratteristica del fluido pompato: rappresenta la sua capacità di opporsi allo spostamento. La viscosità varia in funzione della temperatura.

Peso specifico
Ogni fluido ha una densità caratteristica.
L'acqua, che viene usata come termine di paragone, convenzionalmente ha un peso specifico (o densità) pari ad 1 (a 4°C e a livello del mare). Il peso specifico rappresenta il valore usato per confrontare il peso di un certo volume di liquido con il peso della stessa quantità di acqua.



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