Il trasporto dei solidi per brevi distanze rappresenta

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1 PROGETTAZIONE, COSTRUZIONE & INSTALLAZIONE Trasporto a umido dei solidi mediante pompe sommergibili Analisi della potenziale utilità delle pompe sommergibili, in diverse tipologie di applicazioni industriali Z. Czarnota, M. Fahlgren, ITT Flygt, Svezia M. Grainger, ITT Flygt, Australia Il trasporto dei solidi per brevi distanze rappresenta un fattore importante per l operatività di miniere, impianti di processo dei minerali, centrali termoelettriche alimentate a carbone e altri settori industriali di lavorazione dei minerali. In questi processi il trattamento e il trasporto a umido sono spesso vantaggiosi in quanto risultano più efficienti e meno impegnativi dal punto di vista lavorativo. Questi vantaggi possono però venire offuscati dalle difficoltà generate da questo tipo di trattamento: pozzi pieni di solidi, tubazioni intasate, pompe bloccate ed esondazioni sono fenomeni che si verificano in sistemi non progettati per far fronte agli speciali requisiti del trasporto combinato di liquidi e di solidi. Le conseguenze di questi fenomeni spaziano dal danneggiamento in parte o per intero del sistema che può comportare l interruzione del ciclo operativo degli impianti al semplice verificarsi di interruzioni più o meno costose; in ogni caso gli interventi di ripristino richiedono l impiego di personale dell impianto in operazioni lunghe e improduttive, almeno a livello di resa dell impianto. Diventa quindi fondamentale prevenire l insorgere di questi problemi, anche perché i rischi e le esperienze negative limitano oggettivamente la diffusione delle tecniche di trasporto a umido nonostante i loro evidenti vantaggi. Le pompe sommergibili sono potenzialmente utili per il trasporto e il trattamento a umido dei solidi in applicazioni industriali per vari motivi. Sono compatte, autonome e facili da installare. Possono essere facilmente spostate in un altro punto dell impianto o della miniera e quindi svolgere una quantità di compiti. E poiché sono pienamente sommergibili possono essere installate in fondo a un pozzo, migliorando l assorbimento dei solidi ed eliminando di conseguenza la necessità di rimuovere manualmente i solidi depositati. L uso di pompe sommergibili consente inoltre di realizzare dei pozzi più profondi, contribuendo a prevenire le tracimazioni o le vere e proprie inondazioni degli impianti. Dato che la pompa può essere interamente installata all interno del pozzo, l imboccatura può essere chiusa liberando spazio per altri usi. Questi vantaggi delle pompe sommergibili sono noti da anni, ma di recente queste macchine sono state ulteriormente perfezionate per il convogliamento di liquidi con alte percentuali di solidi sospesi. I problemi più sentiti riguardo il convogliamento di questi tipi di liquidi spaziano dalle modalità di aspirazione alla possibile riduzione delle prestazioni della pompa, senza dimenticare l aumento delle perdite di carico che questi liquidi generano in un sistema di tubazioni. Si tratta di problemi che, unitamente ad altri, vanno considerati nella progettazione di un sistema efficace e affidabile per il trasporto a umido dei solidi. Inoltre il pozzo va progettato in modo particolare per poter raccogliere i solidi e facilitarne la sospensione ai fini del pompaggio. Per la sospensione dei solidi possono rendersi necessari degli agitatori e dei miscelatori. La pompa e il sistema di tubazioni devono operare in buona armonia per fornire un trasporto a buon rendimento energetico e per eliminare il rischio di intasamento delle tubazioni. Questi compiti richiedono un ampia conoscenza della tecnologia di convogliamento dei fanghi, dei macchinari e delle attrezzature necessarie. Tecnologia delle pompe Qualunque tipo di solidi convogliato per mezzo di pompe centrifughe sotto forme di miscela liquido-solidi può influenzare negativamente le prestazioni della pompa. Questo fenomeno, conosciuto con il nome di «effetto solidi», riduce la prevalenza sviluppata dalla pompa e ne limita il rendimento. Dato che la densità del fluido è superiore a quella dell acqua, la potenza richiesta al motore per convogliare la miscela è maggiore in modo più o meno proporzionale alla densità. L effetto dei solidi sulle prestazioni della pompa viene schematicamente mostrato in fig. 1. Il grafico, mostra la riduzione della prevalenza e del rendimento di una pompa centrifuga, che funziona a velocità rotazionale costante dovuta alla presenza di solidi nel liquido. Al momento, l analisi del modo in cui questi solidi influenzano le prestazioni di una pompa non è sviluppata quanto l analisi sul modo in cui i solidi influenzano il flusso nelle tubazioni. Quest ultimo argomento è stato studiato in modo più diffuso (p.es. Wilson MANUTENZIONE, Tecnica e Management / APRILE

2 P [kw] η [-] H [m con fanghi] P w η w P m η m Pompaggio fanghi Pompaggio acqua pulita P w = Potenza assorbita con acqua P m = Potenza assorbita con fanghi η w = Rendimento della pompa con acqua η m = Rendimento della pompa con fanghi Prevalenza Curva della pompa Curva di sistema H w H m H w = Prevalenza con acqua H m = Prevalenza con fanghi Acqua pulita Fanghi Portata Fig. 1. Effetto dei fanghi sulle prestazioni della pompa e altri, 1992, Blythe, 1995). A confronto l influenza dei solidi sulle pompe centrifughe è poco conosciuta, specialmente sulle pompe con giranti di diametro inferiore a 0,3 metri. Inoltre, solo uno dei pochi studi disponibili è basato su dati riguardanti le pompe sommergibili (Grainger, 1995). Allo scopo di calcolare il punto d esercizio di una particolare applicazione è necessario individuare il punto d intersezione tra la curva di funzionamento della pompa e le curve del sistema di tubazioni. Dato che i fanghi tendono a influenzare negativamente sia le prestazioni della pompa che il flusso nelle tubazioni, la curva della pompa e quella del sistema cambieranno e il punto d esercizio dell applicazione cambierà come mostrato in fig. 2. Un accurata predizione dell effetto dei solidi su entrambi i componenti del sistema si rende dunque necessaria per stabilire il nuovo punto d esercizio ed evitare l insorgere di problemi come il blocco della pompa e delle tubazioni. Per quantificare l effetto dei solidi su una pompa e su un sistema di tubazioni in modo da calcolare il punto d esercizio è necessario calcolare la riduzione delle prestazioni della pompa per vari tipi di fanghi. Uno dei primi studi, il più influente, è quello di McElvain (1974), che ha utilizzato dati sperimentali ottenuti con giranti di diametro inferiore a 0,35 m. e varie concentrazioni di solidi per due tipi di silice e un tipo di minerale pesante. La sua serie di curve sulla riduzione delle prestazioni dovuta all effetto solidi pone in relazione il diametro medio delle particelle e il peso specifico dei solidi con un fattore di riduzione K. McElvain scoprì che il fattore di riduzione della prevalenza (RH) e il fattore di riduzione del rendimento (Rh) sono quasi uguali per le pompe centrifughe e che sono direttamente proporzionali alla concentrazione volumetrica dei solidi. Pertanto: C v R H = R n = K (2.1) 0,2 RH e Rn sono definiti come segue: R H = 1 H m / H w (2.2) R n = 1 N m / N w (2.3) Con le variabili definite in fig. 1. Dato che le diverse progettazioni delle pompe mostrano prestazioni caratteristiche diverse, il loro comportamento con i fanghi sarà Fig. 2. Intersezione delle curve della pompa e del sistema per acqua pulita e per fanghi diverso. Ricerche più recenti riguardo l effetto dei solidi sulle prestazioni delle pompe svolte da Grainger (1995), Sellgren e Addie (1993) e Warman International (1993) utilizzano dati ottenuti con pompe centrifughe dotate di giranti simili ma con progettazioni idrauliche diverse. La ricerca di Grainger comprende i dati di una pompa per fanghi ITT Flyght H5540 con girante chiusa a 3 pale di diametro pari a 0,25 m. I risultati sono stati confrontati con le curve di riduzione di McElvain per la sabbia (fig. 3). Grainger scoprì che il calo del rendimento è inferiore al calo della prevalenza, per cui K n < K h. Nel complesso i risultati delle pompe ITT Flygt sono migliori di quelli ottenuti con altre ricerche, come mostrato in fig. 3. La riduzione delle prevalenze equivale più o meno alla riduzione calcolata da Sellgren e Addie, e queste sono, a loro volta, inferiori a quelle calcolate da Warman International e da McElvain. I rendimenti delle pompe ITT Flygt non si riducono quanto quelli calcolati nello studio di Selgren e Addie e la riduzione si dimezza rispetto a quella calcolata da McElvain. La fig. 3 indica che le differenze di rendimento e di prevalenza per giranti di diametro simile possono essere notevoli. Il fattore più importante tra le varie cause è senza dubbio la progettazione della girante. L energia cinetica acquisita dai solidi nella girante non viene convertita in pressione con la stessa prontezza di quanto accade con i fluidi. Pertanto la progettazione più efficiente per la girante di una pompa per fanghi è quella in cui l accellerazione della miscela nella girante è bassa. Questo fenomeno può essere dimostrato tramite una semplice applicazione dell equazione di Euler. Per giranti di diametro uguale che funzionano alla stessa velocità, la prevalenza viene data da: N h UC H = u (2.4) g In cui N h è il rendimento idraulico, U la velocità circonferenziale e C u il componente circonferenziale della velocità assoluta. Una progettazione con minor rendimento richiede un valore di Cu più elevato per ottenere la stessa prevalenza di una progettazione a maggior rendimento. Dato che l accellerazione di una particella è proporzionale alle forze di resistenza che agiscono su di 30 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / APRILE 2003

3 essa, e pertanto al quadrato della velocità, una girante a basso rendimento richiederà delle accellerazioni maggiori nei vani della girante. Le giranti progettate per il convogliamento di fanghi devono presentare dei vani lunghi e curvi nei quali il flusso segue da vicino le pale della girante; dopodichè i cambiamenti di direzione del flusso si verificano gradualmente dappertutto. In conseguenza del passaggio facilitato, il flusso lascia la girante ad angolo acuto. Per contro, le giranti radiali accellerano più bruscamente le particelle lungo i percorsi più brevi associati a un ampio angolo di uscita. Dato che un angolo di uscita più ristretto significa che il flusso compie un maggior spostamento tra l entrata e l uscita della girante, l accellerazione necessaria per portare il flusso alla prevalenza desiderata è minore di quella necessaria nelle progettazioni a flusso radiale e siccome l accellerazione di una particella presente nel flusso dipende dall energia cinetica che ha acquisito, le perdite di prevalenza sono minori. I risultati mostrati in fig. 3 riguardano fanghi con una gamma di particelle sospese alquanto ridotta. Questo tipo di fanghi è stato utilizzato per facilitare il confronto diretto con i risultati di McElvain, ma è risaputo che molti fanghi presenti nell industria hanno una distribuzione molto più ampia di particelle di varia grandezza. Studi di laboratorio compiuti dalla ITT Flygt e gli studi effettuati da Sellgren e Addie, tra gli altri, dimostrano che le riduzioni delle prestazioni di una pompa centrifuga sono inferiori in presenza di fanghi con una maggior presenza di particelle di vario formato. Pertanto i risultati mostrati in fig. 3 sono prudenziali se vengono applicati alla maggior parte dei fanghi industriali. Per ottenere dei risultati più accurati è però necessario procurarsi dei dati di laboratorio aggiuntivi. Progettazione del pozzo K - Fattori di riduzione di prevalenza e rendimento McElvain, 1974 Sellgren and Addie, 1993 Warman International, Dimensione particelle (micron) Le pompe sommergibili vengono in genere installate nei pozzi. Nelle applicazioni con fanghi, il pozzo serve generalmente due funzioni: 1) Ricevere il fango da una o più fonti; 2) Facilitare il flusso verso la pompa. Un pozzo per fanghi dev essere progettato per trattare efficacemente sia i solidi che il liquido. La maggior parte delle linee guida per la progettazione dei pozzi, come quelle tracciate da Prosser (1977), si basano su ricerche effettuate su liquidi puliti. Il loro obbiettivo principale è fornire delle buone condizioni d esercizio per le pompe, mentre per minimizzare gli effetti di possibili turbolenze nel flusso in arrivo alla pompa si raccomanda in genere un approccio che prevede convogliamenti orizzontali lunghi e diritti a bassa velocità (0,3 m/s o anche meno). Queste condizioni sono chiaramente inadatte al trasporto di liquidi con alte concentrazioni di solidi sospesi, poiché molte particelle solide tendono a sedimentare prima di arrivare alla pompa. Le linee guida convenzionali per gestire il flusso di liquidi risultano pertanto inappropriate. Per evitare la sedimentazione dei solidi nel pozzo è necessario eliminare dal sistema le zone a bassa velocità orizzontale. Inoltre i tratti orizzontali vanno sostituiti da tratti verticali o inclinati, con questi ultimi dotati di un inclinazione maggiore dell angolo naturale di sedimentazione dei solidi da convogliare. In pratica, l inclinazione dev essere pari ad almeno 45 rispetto al piano orizzontale. Qualsiasi sezione orizzontale del pozzo va limitata alle aree immediatamente a monte della bocca d aspirazione della pompa. In pratica il piano orizzontale del pozzo va limitato il più possibile. La fig. 4 mostra una geometria efficace per i pozzi destinati alle pompe sommergibili. In applicazioni particolari una parte significativa di solidi è troppo grande per essere pompata. In questo caso è opportuno prevedere un area inferiore aggiuntiva per consentirne la sedimentazione. Pareti verticali e una configurazione con piano rettangolare (fig. 5) sono le soluzioni più pratiche e ampiamente utilizzate. Il pozzo va però pulito regolarmente per impedire ai solidi accumulati di interferire con il normale funzionamento. Una possibile conseguenza in pozzetti troppo piccoli, è che il volume del fluido in transito, si riduca al punto da provocare degli avviamenti troppo frequenti della pompa. La frequenza degli avviamenti del motore non deve superare quella specificata dal produttore, limitata in genere a 15 avviamenti all ora. Il volume minimo richiesto al pozzo, Vreq, equivale a: T min Q V req = (3.1) 4 in cui T min è l intervallo minimo ammissibile tra gli avviamenti della pompa e Q la portata della pompa. Per fornire un sufficiente volume di liquido in transito e prevenire l accumulo di solidi sul fondo del pozzo, questi va progettato con pareti verticali o inclinate in modo da formare una vasca a tramoggia (fig. 5, varianti «b» e «c»). Agitatori K η ITT Flygt K H ITT Flygt S s = 2.65 Fig. 3. Paragone tra i precedenti studi di McElvain e le più recenti ricerche sull effetto dei solidi sulle prestazioni della pompa Quando una pompa sommersa funziona a intermittenza, rendendo quindi impossibile evitare un certo accumulo di solidi, le particelle che entrano nel pozzo durante i periodi di arresto del ciclo possono coprire la bocca d aspirazione della pompa. Questa va quindi dotata di un agitatore, cioè di un dispositivo di miscelazione installato sulla girante per consentire il pompaggio dei solidi in diverse circostanze. In molte applicazioni la quantità e la MANUTENZIONE, Tecnica e Management / APRILE

4 Entrata Mandata Fig. 4. Pozzo progettato per pompa sommersa per fanghi qualità dei solidi che entrano nel pozzo possono variare, rendendo quindi necessario l impiego di un agitatore per uniformare meglio la loro concentrazione. Anche la progettazione deve limitare le dimensioni massime delle particelle solide che entrano nella pompa. I grumi più grandi del passaggio della pompa devono essere frantumati dall agitatore, se possibile, oppure espulsi dalla zona che porta alla bocca d aspirazione della pompa. Se i solidi coprono la bocca d aspirazione della pompa, l agitatore dev essere in grado di disperderli in modo da ridurne la concentrazione in quell area. Se la pompa va installata in un pozzo pieno di solidi, l agitatore deve poter scavare nei solidi per rendere possibile il progressivo abbassamento della pompa nel pozzo. Dato che l agitatore è installato sullo stesso albero della girante ed è azionato dallo stesso motore, è essenziale che soddisfi le sopra citate necessità con un assorbimento di potenza accettabile, in modo da non limitare la potenza disponibile alla pompa. Sulla base di questi criteri, una squadra dell ITT Flygt Slurry Laboratory ha condotto delle prove su due diversi tipi di agitatori, uno con flusso radiale e l altro con flusso assiale. Quest ultimo è risultato più efficiente in quanto ha evidenziato una maggior capacità di spostamento solidi per unità di potenza assorbita. Miscelatori Gli agitatori sopra descritti non possono tuttavia sospendere solidi che si trovano a una certa distanza dalla bocca d aspirazione della pompa. Per pozzi o vasche di grandi dimensioni va quindi utilizzata una tecnica diversa, e dato che sarebbe estremamente scomodo spostare la pompa sul fondo della vasca o del pozzo si ricorre all utilizzo di miscelatori sommersi a getto. Un miscelatore sommerso a getto della ITT Flygt consiste di un elica a flusso assiale azionato da un motore elettrico protetto, una costruzione simile a quella di una pompa sommersa. Il mi- 32 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / APRILE 2003

5 scelatore può essere posizionato e orientato come più opportuno. In questo modo è possibile creare il tipo di turbolenza necessaria a sospendere i solidi in un pozzo o una vasca di qualsiasi dimensione. Un miscelatore viene installato in un pozzo o in una vasca per i seguenti scopi: sospendere i solidi da un area del fondo molto più ampia di quella raggiungibile con l agitatore di una pompa miscelare i solidi sospesi abbastanza da consentire il loro trasporto alla bocca d aspirazione della pompa. Il concetto che sta dietro alla sospensione dei solidi è la formazione da parte del miscelatore di un getto che raggiunge il «Anche la progettazione si propone attivamente con lo scopo di limitare le dimensioni massime delle particelle solide che entrano nella pompa». fondo vasca a velocità tali da sollevare i solidi accumulati, un processo delineato da Karlsen nel Se necessario è possibile installare parecchi miscelatori nella stessa vasca. Il posizionamento del miscelatore è cruciale per un buon sollevamento dei solidi. Una indicazione generale molto utile, è posizionare il miscelatore in modo tale da consentire al getto di ricircolare la massa di liquido con un solo centro di rotazione. Un posizionamento scorretto del miscelatore può fornire forti capacità di sollevamento dei solidi in una parte della vasca e una miscelazione inadeguata in un altra parte della vasca. Le particelle solide si caratterizzano per la loro densità, gamma di dimensioni e velocità di sedimentazione. Questi parametri, unitamente alle correlazioni stabilite da Shields (Kennedy, 1995) e dalla ITT Flygt, consentono di calcolare la velocità del flusso necessaria alla sospensione dei solidi. Una volta determinato questo parametro, è possibile determinare la spinta assiale richiesta al getto e le dimensioni del miscelatore. Conclusioni Le pompe sommergibili per il convogliamento dei fanghi possono venir utilizzate per il pompaggio dei solidi, ovvero per il loro trasporto a umido, in molte applicazioni industriali e minerarie. Queste pompe offrono i vantaggi di altre pompe sommergibili usate con successo in molte applicazioni di prosciugamento. Se viene installata in un pozzetto idoneo, una pompa sommersa per fanghi può convogliare i solidi sospesi in modo efficace e con un buon rendimento. La progettazione ottimale di questo tipo di pozzo deve prevedere un fondo limitato, pari cioè all area necessaria per installare la pompa, mentre le pareti devono essere inclinate di almeno 45 rispetto al piano orizzontale. Se la pompa non può essere installata in un pozzo appositamente concepito, si possono utilizzare gli agitatori e i miscelatori sviluppati dalla ITT Flyt per la sospensione dei solidi, in modo da consentirne il convogliamento da pozzi e vasche di grandi dimensioni. Prevedere l effetto dei solidi sulle prestazioni della pompa è essenziale e i calcoli devono basarsi su prove di laboratorio effettuate con gli specifici fanghi e con le pompe da utilizzare. Le giranti vengono influenzate in modo diverso a seconda della loro progettazione: la progettazione più indicata è quella a pale lunghe e ricurve, come nel caso delle pompe ITT Flygt serie 5500, poiché è meno influenzata dalla presenza di solidi della progettazione a pale radiali. I metodi tradizionali per prevedere l effetto dei solidi sulle pompe sono prudenziali se applicati alle pompe ITT Flygt. Gli Autori Zbignew Czarnota, si è laureato al locale Politecnico con il master of science in ingegneria civile. Trasferitosi a Stoccolma ha conseguito il PhD in ingegneria idraulica al Royal Institute of Technology, università per la quale ha lavorato anche come Research Engineer. Entrato a far parte della Flygt nel 1985, ha lavorato alla progettazione di sistemi a idroturbine e agli schemi di pompaggio con pompe di grandi dimensioni. Attualmente dirige il gruppo di Ricerca Applicativa del settore Ricerca e Sviluppo della ITT Flygt. Murray Grainger, ha completato i primi tre anni del Bachelor of Mechanical Engineering all università di Sydney prima di trasferirsi nel 1994 a Stoccolma, città in cui ha completato gli studi. Durante il 1994 ha lavorato nei laboratori di ricerca della ITT Flygt, dove ha completato la sua tesi sull effetto dei solidi sulle prestazioni delle pompe ITT Flygt per fanghi. Nell anno successivo ha frequentato il Royal Institute of Technology di Stoccolma, dove si è laureato. È quindi rimasto in Svezia per un altro anno lavorando con il gruppo di Ricerca Applicativa della ITT Flygt prima di tornare in Australia, dove attualmente lavora come Product Manager delle pompe per fanghi e degli agitatori ITT Flygt. Magnus Fahlgren, ha conseguito il Master of Science poresso il Royal Institute of Technology di stoccolma. La sua collaborazione con la Itt Flygt è iniziata nel 1984 con una ricerca sullo sviluppo delle tecniche di misurazione condotta per il laboratorio di Ricerca e Sviluppo. Attualmente lavora alle applicazioni di pompe e miscelatori come esperto di reologia la scienza dei flussi e della deformazione della materia. MANUTENZIONE, Tecnica e Management / APRILE

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