Lezioni di meccanica enologica Prof. Massimo Giubilei

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1 Lezioni di meccanica enologica Prof. Massimo Giubilei

2 LE POMPE Le pompe sono macchine idrauliche che trasformano l energia meccanica in energia cinetica o in pressione. Le pompe conferiscono al liquido (o gas): energia cinetica determinando un flusso che si sostanzia nella portata; pressione che consente di superare dislivelli (prevalenza manometrica) o di creare sottovuoto; Forza per vincere le resistenze passive all interno delle tubazioni o nei filtri.

3 Aspetti tecnici Prevalenza manometrica (o prevalenza geodetica H), esprime la differenza di livello tra il pelo libero del liquido da aspirare e il punto di efflusso. H 1 = altezza geodetica di aspirazione; H 2 = altezza geodetica di mandata H 1 + H 2 = prevalenza manometrica (o prevalenza geodetica H)

4 Aspetti tecnici La portata della pompa è il volume d'acqua, misurato in litri o metri cubi, mosso dalla pompa nell'unità di tempo (generalmente secondi o minuti). La portata si misura pertanto in: litri al secondo (l/s); litri al minuto (l/m); metri cubi all'ora (mc/h), ecc. La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe.

5 Aspetti tecnici (potenza e rendimento) La pompa, per sollevare una quantità di liquido Q e superare una prevalenza totale H, compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowatt/ora), cioè un'energia, fornitale attraverso un motore, definita dalla seguente espressione: P = 9,8 * Q * H La formula esprime potenza utile, però a causa delle inevitabili perdite d'energia la potenza utilizzata, cioè quella realmente necessaria per far funzionare la pompa deve essere maggiore, si parla allora di potenza assorbita. Si definisce rendimento il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita. Il rendimento è sempre inferiore all'unità (R < 1) perché in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile è sempre minore di quella assorbita.

6 Aspetti tecnici Nella scelta delle pompe bisogna considerare anche altri aspetti tecnici quali: Caratteristiche del liquido (es con solidi sospesi, abrasivo viscoso, denso ecc.) Perdite di carico, ossia le perdite di energia del liquido dovute oltre alla caratteristica del liquido (densità) anche alla lunghezza delle tubazioni alla loro scabrosità interna e alle curve. Perdite di tenuta* che si possono manifestare nelle giunture, nelle guarnizioni o in fori sulle tubazioni. (* Tenuta intesa come resistenza alle pressioni cui è sottoposta la pompa e la tubazione durante l impiego)

7 Aspetti tecnici (curva caratteristica) La curva caratteristica (costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa) indica la prevalenza fornita dalla pompa in funzione della portata erogata. Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata. La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore, per cui in realtà ogni pompa è caratterizzata da una serie di curve caratteristiche, che variano in funzione del numero di giri. Come si può osservare le curve superiori sono quelle afferenti ad alti numeri di giri N>1, mentre via via che tale numero di giri decresce le curve sono più basse. Frequentemente le stesse case costruttrici forniscono i diagrammi prevalenza-portata di una data pompa a diversi valori di N (così come ad esempio è riportato in figura 2), corredati tuttavia di linee iso-rendimento; tali linee possono essere definite come il luogo dei punti di funzionamento in cui il rendimento della pompa è costante.

8 Aspetti tecnici (posizione e collegamento ) In base alla posizione in cui si trova la pompa rispetto al pelo libero, le pompe possono funzionare in: Aspirazione, se l asse è ad un livello superiore del pelo libero del liquido da aspirare; Sottobattente (o di spinta), se l asse è ad un livello inferiore al pelo libero del liquido da aspirare. Per quanto concerne il modo in cui si possono collegare più pompe si ha: In serie (una pompa dietro l altra) con conseguente somma delle prevalenze e la portata resta invariata; In parallelo (ognuna con un proprio tubo di aspirazione e le mandate confluiscono insieme) con conseguente somma delle portate e le prevalenze rimangono le stesse.

9 Classificazione delle pompe In base al principio di funzionamento possiamo suddividere in due categorie: Volumetriche A moto alternato o alternative A pistoni o stantuffo A membrana Rotative A vite eccentrica Mohno A rotore ellittico A lobi Peristaltiche Centrifughe Autoadescanti Non autoadescanti

10 Pompe a pistoni e Pompe a membrana POMPE ALTERNATIVE

11 Pompa a pistoni Le pompe a pistoni si suddividono in 3 tipologie in base al loro funzionamento: A stantuffo aspirante (non utilizzate in enologia) A stantuffo aspirante-premente (ormai in disuso) A doppio effetto (molto diffuse e usate soprattutto per il trasporto di liquidi anche con piccole particelle solide)

12 Pompa a pistoni a stantuffo aspirante La pompa a pistoni a stantuffo aspirante, non trovano applicazioni in enologia, sono costituite da una camera cilindrica nella quale scorre il pistone. Sul pistone è posizionata una valvola (valvola premente o di trapasso) che consente la funzione di aspirazione, una valvola analoga (valvola di aspirazione) è posizionata all'inizio della tubazione di aspirazione.

13 Pompa a pistoni a stantuffo aspirante La pompa a pistoni a stantuffo aspirante, non trovano applicazioni in enologia, sono costituite da una camera cilindrica nella quale scorre il pistone. Sul pistone è posizionata una valvola (valvola premente o di trapasso) che consente la funzione di aspirazione, una valvola analoga (valvola di aspirazione) è posizionata all'inizio della tubazione di aspirazione.

14 Pompa a pistoni a stantuffo aspirante Il funzionamento è il seguente: durante la corsa di salita si apre la valvola di aspirazione posta alla base e il liquido entra nella camera inferiore della pompa, mentre il liquido che si trova nella camera superiore viene espulso dalla pompa. Durante la corsa di discesa si apre la valvola posta sul pistone che permette il passaggio del liquido dalla camera inferiore a quella superiore. La valvola di aspirazione è chiusa.

15 Pompa a pistoni aspirante-premente La pompa a pistoni a stantuffo aspirante-premente a semplice effetto sono ormai superate da quelle a doppio effetto. Esse sono sono costituite da una camera cilindrica con due valvole, una di aspirazione e l'altra di mandata, il movimento alternato del pistone, all'interno della camera, consente prima l'aspirazione e poi la mandata. Queste pompe sono caratterizzate da un evidente effetto pulsante, che può essere attenuato con l'applicazione di una camera di compensazione (camera d'aria) posta a valle della valvola di mandata. Pompa aspirante premente.mp4

16 Pompa a pistoni a doppio effetto Le pompe a pistoni a doppio effetto sono molto diffuse nelle cantine e spesso sono costituite da due cilindri per rendere più continuo il flusso e migliorare l'efficienza. In queste pompe lo stantuffo divide il cilindro in due parti, ognuna delle quali è dotata sia della valvola di aspirazione che di quella di mandata. In questo modo ad ogni corsa del pistone si ha sia l'aspirazione e contemporaneamente la mandata. In questo modo l'effetto pulsante è notevolmente ridotto e con l'ausilio della camera d'aria diviene quasi continuo.

17 Pompe a pistoni

18 Pompa a pistoni caratteristiche Le pompe a pistoni sono impiegate per travasi di vino, uva diraspata, mosto, feccia, ecc e liquidi densi in genere anche con corpi in sospensione Sono autoadescanti Possono funzionare a secco senza problemi. Il dimensionamento è tale da consentire il più basso numero di cicli del pistone a parità di portata (al fine di mantenere quanto più possibile inalterato il prodotto da travasare) La portata è direttamente proporzionale all'alesaggio, alla corsa e al numero delle corse In genere sono munite di invertitore di flusso

19 Pompa a membrana Le pompe a membrana sono adatte soprattutto per liquidi abrasivi (esempio quando si usano le farine fossili); si impiegano, infatti, per alimentare i filtri ad alluvionaggio continuo e per la preparazione del prepanello dei filtri sottovuoto Sono costituite da due calotte divise da una membrana elastica, chiamata diaframma, che viene mossa verso l'alto e verso il basso da un moto alternato di una manovella. Sulla calotta inferiore sono collegati i tubi di aspirazione e di mandata, muniti entrambe delle rispettive valvole.

20 Pompa a membrana schema A = valvole a sfera B = camera di pompaggio C1 = membrana lato prodotto C2 = membrana lato aria D = collettore di aspirazione E = collettore di mandata F = scambiatore pneumatico

21 Pompa a membrana caratteristiche Le pompe a membrana sono impiegate per liquidi abrasivi Sono autoadescanti Manifestano l'effetto pulsante Hanno alta prevalenza e bassa portata

22 Pompa a membrana

23 Mohno o a vite eccentrica o monovite A rotore ellittico A lobi Peristaltiche POMPE ROTATIVE

24 Pompa monovite Le pompe volumetriche a vite eccentrica (pompe mohno) utilizzano il principio di Archimede, sono adatte al pompaggio di liquidi, vino, uva pigiata e diraspata; per la particolare costruzione trasferiscono in modo delicato e funzionano anche con corpi solidi leggermente abrasivi in sospensione. Dal punto di vista tecnico si evidenziano: Il flusso costante con assenza di pulsazioni; l aerazione ed l emulsione del prodotto è minima; la bassa rumorosità e le trascurabili vibrazioni. sono autoadescanti e reversibili la pressione di lavoro raggiungibile è di 4 6 bar. possono essere dotate di by-pass automatico di sicurezza. 24

25 Pompa monovite La portata è in funzione del regime di rotazione del rotore, lo statore è realizzato in gomma alimentare e il movimento combinato di questi organi crea un flusso continuo, senza sbattimenti e con il massimo rispetto delle caratteristiche organolettiche del prodotto. 25

26 Pompa monovite Il prodotto viene convogliato da una coclea fino all'interno della pompa, dove l'azione di un rotore ellittico in acciaio inox, a mezzo di una valvola separatrice, lo spinge nella tubazione di uscita. Il pompaggio avviene per pressione e non per forza centrifuga, evitando la rottura dei raspi e la frantumazione degli acini, ottenendo così un'ottima qualità di prodotto finito. 26

27 Pompa monovite Esempio di alcuni modelli della ENOVENETA MODELLO V614 V615 V616 V618 V619 KW LT / H 600/ / / / /41000 PREVALENZA MT GIRI/MIN 190/ / / /400 70/370 RACCORDI MISURE 1200X460X X500X X500X X600X X600X1000 PESO KG

28 Pompa monovite filmati Funzionamento pompa a vite.mp4 Pompa a vite funzionamento.mp4 Pompa a vite modello funzionamento.mp4

29 Pompe a rotore ellittico Queste pompe sono adatte al trasferimento di uva intera o pigiata, vinacce fresche o fermentate. Questo tipo di pompa agisce per mezzo di un rotore ellittico che esercita la pressione sul prodotto, assicurando così il miglior trattamento al prodotto pompato evitando la rottura dei raspi e la frantumazione di bucce e vinaccioli, ottenendo così un ottima qualità di prodotto finito.

30 Pompe a rotore ellittico È formata dall unità monoblocco (1) (costruita interamente in acciaio inox) Il prodotto viene convogliato da una coclea fino all interno della pompa (2), dove l azione di un rotore ellittico in acciaio inox (3), a mezzo di una valvola separatrice (4), lo spinge nella tubazione di uscita (5). Il pompaggio avviene per pressione e non per forza centrifuga.

31 Pompe a rotore ellittico Dati tecnici PREL PREL PREL 8 Produzione oraria (uva) [t/h] Potenza motore elettrico [kw] 4-5,5-7,5 4-5,5-7,5 4-5,5-7,5 Altezza di scarico (uva) [m] 5/8/10 4/7/9 4/6/8 Distanza di scarico (uva) [m] 30/40/55 25/35/45 20/30/40 Rotore inox Ø [mm] 300x x x220 Coclea tramoggia Ø [mm] Velocità rotazione pompa [giri/min] Uscita di scarico pompa Ø [mm] Peso [kg] 195/210/ /210/ /210/220

32 Pompa a lobi La pompa a lobi è una pompa volumetrica. L'effetto trasporto viene generato dai due elementi di pompaggio (i lobi) controrotanti e sincronizzati che ruotano, senza che si tocchino tra loro, all'interno di una camera (vano della pompa). 32

33 Pompa a lobi Il prodotto viene trasportato all'interno del corpo pompa dagli elementi di pompaggio e passa dal lato aspirazione al lato mandata. 33

34 Pompa a lobi La forma dei lobi varia, cosi come possono variare il numero dei lobi di ogni elemento. 34

35 Pompa a lobi caratteristiche Le caratteristiche delle pompe a lobi sono: Reversibili Autoadescanti Resistenti al funzionamento a secco Resistenti a sostanze grossolane Portata proporzionale alla velocità Pompaggio soffice 35

36 Pompa peristaltica Il principio di funzionamento della pompa peristaltica consiste nello schiacciamento progressivo di un tubo elastomerico da parte di rulli opportunamente posizionati. Fra una compressione e la successiva il tubo ritorna al suo diametro primitivo provocando un vuoto idoneo ad aspirare il prodotto da veicolare. Questo pompaggio delicato non causa danno al prodotto e gli evita contaminazione con organi meccanici e lubrificanti della pompa. 36

37 Pompa peristaltica Le principali caratteristiche di queste pompe sono: rispetto della integrità del prodotto possibilità di trasferire prodotti eterogenei con corpi solidi in sospensione (esempio vinacce o pigiato) assenza di contatto fra il prodotto da trasferire e gli organi meccanici elevato potere autoadescante invertibilità del flusso funzionamento senza prodotto da trasferire. La pompa peristaltica è per sua natura una pompa "pulsante", in quanto la portata non è costante sul singolo giro. Per ridurre il fenomeno della pulsazione vengono impiegati compensatori campane- di forma e dimensione opportuna che assorbono il "picco della pulsazione", fino ad ottenere una portata costante. 37

38 Autoadescanti Non autoadescanti POMPE CENTRIFUGHE

39 Pompe centrifughe Le pompe centrifughe sono costituite da un organo mobile: la girante, (formata da un piatto sul quale sono inserite delle palette) e da una parte fissa: cassa a spirale (chiocciola o voluta). Facendo ruotare velocemente la girante, il liquido viene spinto, per effetto della forza centrifuga, dal centro verso la periferia della girante. La forza centrifuga avendo una direzione radiale, crea in prossimità del centro (occhio della pompa) una depressione capace di richiamare attraverso la condotta di aspirazione altro liquido.

40 Pompe centrifughe Le pompe centrifughe è preferibile siano installate in posizione sotto battente, perché la pompa per poter sollevare il fluido deve essere adescata, cioè sia il condotto di aspirazione, sia il corpo della pompa devono essere sempre pieni di liquido. Quando si installa in aspirazione, bisogna prevedere opportuni dispositivi per evitare il funzionamento a secco e la formazione di vortici e la possibile aspirazione di aria; il funzionamento a secco o in presenza di bolle d aria causa il danneggiamento della tenuta meccanica. Per questo bisogna disporre all inizio del condotto di aspirazione una valvola di fondo (o di non ritorno), in modo da mantenere sempre pieni il tubo e la pompa.

41 Pompe centrifughe Il liquido spinto dalla girante sulle pareti della chiocciola e per la conformazione di quest ultima che è a sezione crescente, acquista energia cinetica ed energia di pressione che permette la risalita del fluido attraverso la condotta di mandata. L a forza centrifuga (Fc) che spinge il liquido verso la periferia è direttamente proporzionale alla massa del liquido (M) e all accelerazione centrifuga (ac) Fc = M * ac Forza Centrifuga = Massa * Accelerazione Centrifuga L accelerazione centrifuga è data dal raggio medio della girante (R) per la velocità angolare della girante ω Ac= ω 2 x R

42 Pompe centrifughe autoadescanti L aria (frecce gialle) viene aspirata all interno della pompa dalla depressione creata dalla girante in movimento e si emulsiona col liquido (frecce blu) contenuto nel corpo pompa. L emulsione aria-liquido viene spinta nella camera d innescamento dove l aria, più leggera, si separa ed esce dal tubo di mandata; il liquido, più pesante, ricade e torna in circolazione. Espulsa tutta l aria dal condotto di aspirazione, la pompa s innescherà e funzionerà come una normale pompa centrifuga.

43 Tubazioni e raccordi Le tubazioni in genere sono costituite da tubi flessibili in PVC plastificato con spirale di rinforzo in PVC rigido antiurto. Queste tubazioni hanno la superficie interna liscia e un ottima resistenza allo schiacciamento; ciò gli conferisce una ottima resistenza e indeformabilità sia in fase di aspirazione che di mandata del liquido. La raccorderia normalmente è in acciaio inox. Ad ogni giunzione si devono prevedere adeguati fissaggi e guarnizioni. 43

44 Tubazioni e raccordi Si possono avere anche tubazioni fisse realizzate in acciaio inox che collegano i vasi vinari 44