MACCHINE IDRAULICHE Le macchine idrauliche si suddividono in. ELEMENTI DI IDRODINAMICA (3 a PARTE)

Transcript

1 ELEMENTI DI IDRODINAMICA (3 a PARTE) PERDITE DI CARICO NEI TUBI Le tubature comunemente utilizzate in impiantistica sono a sezione circolare e costante, con conseguente velocità del liquido uniforme e portata costante in ogni sezione. Per il calcolo delle perdite di carico si può ricorrere a diverse formule, a opportuni diagrammi ovvero a software dedicati; uno dei metodi più comuni è quello di "trasformare" le perdite localizzate in perdite continue e calcolare queste ultime mediante una formula di semplice applicazione (qui si adotterà la formula di Darcy). Quindi 1. Si calcolano le perdite continue mediante la seguente formula, dove Q è la portata in [m 3 /s], d il diametro del tubo in [m], l la lunghezza del tubo in [m] e c è un coefficiente Y = c Q 2 l 2. Si calcolano le perdite localizzate usando la formula precedente dopo aver convertito in lunghezze equivalenti (l eq ) le accidentalità ( ad es. un gomito a 90 corrisponde a l eq = 20 d cioè 20 volte il diametro) 3. Si sommano le Y per ottenere le perdite di carico totali Nota: indicativamente, in funzione del diametro c = 0,003 se d 50 mm c = 0,002 se d > 50 mm (fino a 800 mm) MACCHINE IDRAULICHE Le macchine idrauliche si suddividono in macchine operatrici, che servono a sollevare o spostare un liquido e imprimergli una certa velocità (trasformano energia meccanica fornita da un motore in energia cinetica e di pressione del liquido); macchine motrici o motori idraulici, che trasformano l'energia idraulica ( cinetica, di pressione e potenziale dovuta all'altezza - vedi Bernoulli) in lavoro meccanico: esse sono ruote idrauliche (disusate, ma storicamente le prime a sfruttare l'energia idraulica - d 5

2 MACCHINE OPERATRICI LE POMPE TIPI DI POMPE vedi mulini), motori a stantuffo (usati soprattutto in oleodinamica) e turbine idrauliche (ad azione, quando l'energia potenziale del liquido viene totalmente trasformata in energia cinetica in un elemento detto distributore, e a reazione, quando parte dell'energia potenziale viene trasformata nel distributore e parte nella girante, costituita da una serie di palette rotanti) Le macchine utilizzate negli impianti idraulici per riscaldamento-condizionamento sono quelle operatrici, chiamate correntemente pompe. Le pompe sono caratterizzate da portata e da prevalenza. (per "portata" vedi IDRODINAMICA 1 a PARTE) La prevalenza H (o più precisamente prevalenza manometrica) è la differenza fra l'energia posseduta dal liquido prima di entrare nella pompa e quella posseduta all'uscita della pompa stessa, rappresenta cioè l'energia che la pompa fornisce al liquido; normalmente si misura in [m]. La prevalenza della pompa servirà a vincere le differenze di altezza e le perdite di carico all'interno di un impianto idraulico, affinché il liquido (l'acqua) effettui il percorso voluto ovvero raggiunga il punto prefissato. NOTA: Dato il percorso dell'impianto, calcolata la lunghezza, il numero e il tipo di curve, di strozzamenti, di valvole da utilizzare, calcolate le perdite di carico (come sopra esposto) e stabilita la portata necessaria, si passerà alla scelta della pompa adatta (calcolando la prevalenza minima occorrente). Esistono vari tipi di pompe, fra i quali citiamo: pompe alternative a stantuffo: usate per sollevare liquidi anche ad elevate altezze (grande prevalenza, quindi) ma con portate basse; pompe rotative o turbopompe: fra cui pompe centrifughe: vedi in seguito pompe ad elica: meno costose di quelle centrifughe e con minore ingombro, sono usate negli impianti di irrigazione, per lo svuotamento di bacini per estrazione d'acqua da piccoli pozzi, anche profondi

3 (in questo ultimo caso si parla di pompe ad elica "veloci"); pompe ad ingranaggi: usate come pompe per lubrificanti nei motori a combustione, hanno piccola portata; pompe varie (a vite, a lobi, a membrana,ecc...): usate per piccole portate e basse prevalenze e per liquidi vari POMPE CENTRIFUGHE: GENERALITA' Sono costituite da una girante a palette, che ruota in una camera a forma di chiocciola; tale camera comunica con la tubazione di aspirazione al centro e con la tubazione di mandata alla periferia (vedi schema) Le palette girando trascinano il liquido e la camera lo convoglia alla mandata; si crea una depressione al centro, che richiama altro liquido dal tubo di aspirazione. In queste pompe la prevalenza manometrica è direttamente proporzionale al quadrato della velocità della girante (precisamente: al quadrato della velocità periferica, che coincide con la velocità di trascinamento del liquido); un aumento del regime di rotazione (numero di giri) corrisponde ad un aumento della prevalenza (ad es. dell'altezza a cui posso spingere il liquido). Anche la portata varia in funzione del numero di giri (varia in funzione della prevalenza). Queste pompe sono molto diffuse, per la semplicità di

4 POMPE CENTRIFUGHE: CURVE CARATTERISTICHE (1) costruzione e di funzionamento; sono adatte anche per liquidi densi (fanghi) ma hanno il loro punto debole nella tenuta fra l'albero della girante, mosso da un motore esterno solitamente elettrico, e l'ingresso dell'acqua (cioè fra l'albero e il cosiddetto premistoppa; se la tenuta viene meno con ingresso d'aria la portata si riduce progressivamente fino ad annullarsi - si ha il disinnesco della pompa). H N 1 =1200 giri/min N 2 =1000 giri/min N 3 =800 giri/min Q Come già visto, la portata e la prevalenza variano in funzione del numero di giri e al variare di una delle due varia di conseguenza l'altra; riportando in un sistema di assi cartesiani i valori della portata (in ascisse) e quelli della prevalenza (in ordinate) si ottiene una curva, detta curva caratteristica o semplicemente caratteristica della pompa, fissato che sia il numero di giri (N.B. al variare del numero di giri, la curva si sposta nel piano cartesiano). L'andamento della caratteristica della pompa si può ricavare sperimentalmente (misurando con due manometri la pressione-prevalenza prima e dopo la pompa e misurando la portata, ad esempio con un diaframma 1 ) oppure da tabelle fornite dal costruttore della 1 Il diaframma è un disco forato che si mette nella tubazione; essendo il foro più piccolo del diametro della tubazione si ha un improvviso strozzamento per la corrente del fluido con conseguente variazione di velocità e di pressione del liquido. Misurando la differenza di pressione ai capi del dispositivo, mediante un'opportuna formula si ottiene la portata Q (si suppone che nel tubo il regime sia permanente - vedi IDRODIMAMICA 1 a PARTE)

5 POMPE CENTRIFUGHE: CURVE CARATTERISTICHE (2) pompa. La caratteristica della pompa ci dice che la portata cresce al diminuire della prevalenza; le perdite di carico già viste, sommate all'altezza di progetto dell'impianto, danno luogo alla cosiddetta curva caratteristica dell'impianto (o della tubazione - curva C 1 in figura), la quale sovrapposta alla caratteristica della pompa la incontra in un punto che è il punto di funzionamento del sistema ( P 1 ), punto su cui la pompa si stabilisce da sé. Infatti se la caratteristica dell'impianto cambia per un aumento delle perdite (es. per incrostazioni - curva C 2 ) la pompa si autoregola diminuendo la portata e aumentando la prevalenza ( nuovo punto di funzionamento P 2 ). H C 2 C 1 P 2 P 1 Q POMPE CENTRIFUGHE: CONSIDERAZIONI FINALI Altezza di aspirazione(cioè altezza alla quale si posiziona la pompa rispetto al punto di aspirazione): esiste un valore massimo, che dipende dalla perdita di carico della tubazione di aspirazione, dalla portata, dalla velocità e dal tipo del liquido aspirato e da una grandezza detta NPSH; in alcuni casi è necessario far lavorare la pompa sotto battente, cioè l'aspirazione deve avvenire con il liquido situato più in alto della pompa (il battente è la differenza di altezza; si potrebbe

6 CONCLUSIONI: scelta della pompa idraulica dire che in questo caso l'altezza di aspirazione risulta negativa); si ricorda che l'altezza di aspirazione non può essere mai superiore a 10,33 m (per ragioni fisiche). Aumento prevalenza o portata: se in un impianto già realizzato voglio aumentare la prevalenza (ad es. per modifiche con aumento di perdite di carico), posso utilizzare due o più pompe disposte in serie 2, senza variare la portata; se invece voglio aumentare la portata (a parità di prevalenza) utilizzo due o più pompe in parallelo (il che aumenta l'affidabilità dell'impianto: in caso di guasti di una pompa, le altre funzionano ancora, seppure la portata totale sia diminuita) Ricapitolando, per scegliere la pompa adatta all'impianto: devo conoscere la lunghezza totale delle tubazioni; devo sapere quante accidentalità sono presenti (quanti gomiti, quante valvole, quanti raccordi a "T",ecc...); devo sapere qual è il dislivello totale dell'impianto (fra il punto più basso e quello più alto) (si parla di prevalenza geodetica); devo calcolare la prevalenza (minima) richiesta alla pompa (sommando quella geodetica e le perdite di carico calcolate con i dati di sopra); devo conoscere la portata necessaria (se richiesta); devo conoscere la caratteristica della pompa 3 ; devo calcolare la caratteristica 4 dell'impianto; dall'intersezione delle curve trovo il punto di funzionamento del sistema (NOTA: il punto di funzionamento è più importante di quanto visto in queste brevi note; infatti va scelto il più possibile vicino al punto di massimo rendimento, cioè il punto dove la potenza assorbita dalla pompa è la minima possibile rispetto a quella utilizzata per fornire energia al liquido); in base a portata e prevalenza scelgo infine la pompa (eventualmente al numero di giri opportuno). 2 La pompa centrifuga multistadio, utilizzata quando servono elevate prevalenze, si può immaginare come se fosse costituita da tante pompe monostadio, cioè ad una sola girante, messe in serie quanti sono gli stadi (giranti). 3 Devo conoscere la caratteristica per ciascun regime (numero di giri) possibile della pompa 4 E' data dalla somma della prevalenza geodetica con le perdite di carico, che variano proporzionalmente al quadrato della portata (la curva è una parabola sul piano Q - H)