LA PREVALENZA DI UNA POMPA

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1 LE POMPE Le pompe sono macchine idrauliche operatrici che, ricevendo energia meccanica da un qualsiasi motore, la trasmettono, nella misura consentita dal rendimento del gruppo pompa-motore, motore, al liquido che le attraversa. Le pompe sono impiegate per sollevare quantitativi d'acqua da un livello inferiore ad uno superiore, facendogli vincere un certo dislivello e conferendo all'acqua una spinta.

2 LA PREVALENZA DI UNA POMPA Consideriamo una pompa che sollevi l'acqua dal livello A al livello B. Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo d'aspirazione, in modo tale che l'acqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica, ed inviarla in pressione nel tubo di mandata. Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento d'acqua a mezzo pompa e riferimenti per il calcolo della prevalenza. (1) tubo di aspirazione; (2) tubo di mandata altezza geodetica d'aspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa, altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa, prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e all'aspirazione (Figura 1).

3 PREVALENZA E PERDITA DI CARICO La prevalenza geodetica H, comunemente definita prevalenza,, corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche d'aspirazione Ha e di mandata Hm. Con riferimento alla figura precedente se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto r ad un unico piano di riferimento la prevalenza H è data dalla differenza: H = H2 - H1 Si può determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dell'acqua d'aspirazione e quello di mandata: una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno, contenente un metro d'acqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m. Nella vasca d'aspirazione ed in quella di mandata l'acqua è caratterizzata, oltre che da altezze diverse, anche diverse pressioni e velocità, per cui la pompa non le ha solo fornito un'energia potenziale sollevandola di un'altezza H2 - H1, ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocità (quindi un'energia cinetica) ) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocità finali ed iniziali. Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa l'acqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite d'energia, definite perdite di carico, che si traducono in una minor prevalenza. Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma ma con cui laviamo l'auto, l'acqua esce più lentamente e non arriva più dove arrivava prima: la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico, cioè si è verificata icata una perdita d'energia a discapito della prevalenza totale.

4 CURVA CARATTERISTICA DELLA POMPA Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse, essendo o la prima proporzionale al quadrato della velocità e la seconda direttamente proporzionale alla velocità. All'aumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza, e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica. Curva caratteristica delle pompe. (2a) Curva teorica; (2b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di giri al minuto (n) Dalla curva caratteristica, costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa, si può desumere quale sarà la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura a). 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 famiglia di curve caratteristiche, cioè da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura b).

5 PORTATA E POTENZA PORTATA DELLA POMPA 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( mc/h), ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe. POTENZA DELLA POMPA La pompa, per sollevare una portata d'acqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowatt/ora), cioè un'energia, fornitale attraverso o un motore, definita dalla seguente espressione: P = 9,8 * Q * Ht La potenza così espressa è la potenza utile, cioè quella strettamente necessaria per sollevare la portata d'acqua Q all'altezza H. A causa delle inevitabili perdite d'energia la potenza utilizzata, cioè quella realmente necessaria per far funzionare la pompa, è maggiore e viene definita potenza assorbita. Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita è definito rendimento. Il rendimento è sempre inferiore all'unità perché in qualsiasi macchina m operatrice la potenza utile è sempre minore di quella assorbita.

6 CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE Le condizioni operative in cui possono essere utilizzate le pompe e sono le più svariate, in relazione al tipo di fluido, alle pressioni e temperature di esercizio, alle caratteristiche idrauliche dell'impianto, ecc. Di conseguenza, diversi sono i tipi di pompe che vengono costruiti. In base al principio di funzionamento possiamo suddividere idere le pompe in tre categorie Le pompe si possono classificare in: CINETICHE VOLUMETRICHE SPECIALI

7 POMPE CINETICHE: Sono di impiego molto comune. Nelle pompe cinetiche, grazie all'azione di forze centrifughe, il liquido incrementa dapprima la sua energia cinetica che viene immediatamente trasformata in energia di pressione, da un opportuno sistema di riduzione della velocità. la portata erogata dipende dalla prevalenza

8 POMPE VOLUMETRICHE spostano quantità di liquido costanti per ogni ciclo di funzionamento. possono essere alternative o rotative. Per le pompe alternative si deve intendere per ciclo la corsa completa di un pistone, mentre per le rotative un giro completo dell'elemento propulsore. Caratteristica fondamentale per questo tipo di pompe è che la portata erogata non dipende dalla prevalenza, ma solo dal numero di cicli effettuati nell'unità di tempo

9 POMPE SPECIALI pompe speciali, tutte quelle pompe che non rientrano direttamente nelle categorie precedenti, che funzionano secondo principi di funzionamento particolari o che rispondono ad esigenze specifiche

10 SCELTA DELLA POMPA La scelta del tipo di pompa da installare è determinata da diversi fattori: la prevalenza da fornire e la portata di liquido da spostare; il tipo di liquido da pompare. (liquidi corrosivi, sospensioni, o liquidi di natura biologica, richiedono materiali adatti o particolari tipi di pompe; il tipo di energia disponibile, da cui dipende la scelta dell'organo motore da accoppiare alla pompa, motore elettrico, turbina a vapore o a gas.

11 POMPE CINETICHE: CENTRIFUGHE E A TURBINA Sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dell'acqua per effetto della forza centrifuga. Una pompa centrifuga è composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa, o corpo di pompa, entro cui si muove l'acqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante. L'acqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata, attraverso il movimento della girante, nel tubo di mandata. Il tubo di aspirazione è assiale rispetto alla girante, il tubo di mandata è radiale. La mandata può essere anche assiale, in questo caso si parla di pompe a turbina Le pompe centrifughe coprono ampi settori d'applicazione per la loro versatilità e per la possibilità di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate. Le pompe assiali possono spostare grandi quantità d'acqua, ma con prevalenze modeste.

12 POMPE CENTRIFUGHE: SCHEMA Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e il liquido, spinto dalla pressione atmosferica, risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata Le pompe centrifughe, a seconda della disposizione dell'albero di trasmissione che muove la girante, si distinguono in orizzontali e verticali.

13 POMPE CENTRIFUGHE: ORIZZONTALI E VERTICALI Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore, e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina, si distinguono in elettropompe o motopompe. Sono pompe molto versatili, di dimensioni e peso contenuti. Volendo dare alte pressioni al liquido pompato si possono impiegare pompe a giranti multiple o pluristadio: il liquido, all'uscita della prima girante, entra in una seconda e così via fino ad imboccare il tubo di mandata. La prevalenza della pompa è data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti. Il numero di giranti è in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata. Il limite delle pompe centrifughe orizzontali è la profondità massima d'aspirazione. Poiché è la pressione atmosferica che spinge l'acqua nel tubo d'aspirazione, la profondità massima da cui è possibile aspirare l'acqua è quella corrispondente alla pressione atmosferica, cioè a 10,33 m. In realtà, a causa delle perdite di carico, non è possibile sollevare l'acqua da una profondità superiore a 6-7 m dall'asse della pompa. Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa può essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre l'acqua, riducendo a zero l'altezza d'aspirazione. Il gruppo motore rimane in superficie, accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure, come avviene più comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse, realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore, necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile all'acqua

14 POMPE VOLUMETRICHE

15 Installazione e regolazione delle pompe centrifughe 1 L'installazione di una pompa centrifuga richiede alcuni semplici ma importanti accorgimenti. la pompa deve essere ben fissata al suolo, onde evitare vibrazioni che a lungo andare potrebbero causare danni. Nelle pompe più potenti il motore può essere separato dalla pompa. In questo caso si deve curare la perfetta coassialità tra i due alberi. La pompa, per funzionare, deve essere "adescata" ovvero deve essere ere riempita di liquido. Ciò avviene automaticamente per le installazioni sotto battente positivo, ma può richiedere un intervento esterno in caso di battente negativo. Sulla tubazione di mandata deve essere presente una valvola di ritegno, r per evitare, che il liquido torni indietro quando la pompa viene fermata. Valvole di intercettazione sono necessarie prima e dopo, per consentire, quando necessario, l'eventuale asportazione della pompa. Rispettando la simbologia UNICHIM, l'installazione sarà fatta secondo quanto illustrato sotto

16 Installazione e regolazione delle pompe centrifughe 2 Particolare cura richiede la manutenzione degli organi di tenuta,, che assicurano l'isolamento tra la parte rotante, a contatto con il liquido, e l'esterno. la tecnica più comune per la regolazione della portata consiste nell'agire su una valvola di regolazione posta sulla linea di mandata. Variando il grado di apertura della valvola di regolazione, si agisce a sulle perdite di carico e quindi sulla curva caratteristica dell'impianto. Un altro sistema è quello di riciclare una frazione di portata erogata e all'aspirazione, regolando il ricielo tramite una apposita valvola di regolazione(fig. 5,18b). Un'altra alternativa è quella di adoperare are un variatore del numero di giri, che consente un risparmio di energia.

17 RIEPILOGO POMPE CENTRIFUGHE sono di semplice costruzione e possono essere impiegati vari materiali; erogano una portata costante; possono lavorare ad alte velocità di rotazione, riducendo così le dimensioni richieste per una data capacità; possono trasportare liquidi contenenti solidi sospesi; per prevalenze elevate sono necessarie pompe multigirante presentano una efficienza massima solo in un limitato campo della curva caratteristica; possono lavorare senza danni anche con la valvola di mandata chiusa; non sono indicate per il trasporto di liquidi molto viscosi

18 POMPE SOMMERGIBILI Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio). Le pompe sommergibili possono così essere calate sotto il livello dell'acqua, utilizzando il tubo stesso di mandata dell'acqua, ed evitare i problemi dell'altezza d'aspirazione. Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli d'acqua profondi o con acque torbide, oppure per l'approvvigionamento idrico d'emergenza da pozzi. Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze, quindi adottare giranti multiple. Un altro inconveniente, nel caso d'impiego in emergenza, é costituito dal motore elettrico che può richiedere, in assenza d'alimentazione elettrica, l'impiego di un gruppo elettrogeno

19 POMPA CENTRIFUGA MULTISTADIO RITORNA

20 POMPA SOMMERGIBILE PER LIQUIDI CON SOSPENSIONI RITORNA

21 POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE 1 Le pompe alternative funzionano per mezzo di un pistone che si muove di moto alternativo, azionato da un motore elettrico o da un sistema a vapore. La trasformazione di un moto rotatorio, quello dell'albero del motore, in un moto alternativo, quello del pistone, viene realizzato con un dispositivo chiamato biellamanovella, comune ad altri sistemi meccanici. Quando la velocità si inverte si manifestano notevoli inerzie che comportano dissipazione di energia. Le pompe alternative più comuni sono le pompe a pistone, che possono essere suddivise, in base al tipo di pistone ed alla modalità di flusso, nei seguenti modelli: pompe simplex monocilindriche a semplice effetto e duplice effetto pompe duplex bicilindriche a semplice e duplice effetto pompe a pistone tuffante pompe a membrana (o a diaframma

22 POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE 2 POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE 2 La pompa simplex a semplice effetto è costituita da un cilindro fisso in cui si muove, con moto alternativo, un pistone munito di anelli di tenuta La camera del cilindro è collegata alle tubazioni di aspirazione e di mandata tramite valvole di ritegno che consentono il flusso solo nella direzione voluta. Il ciclo completo di funzionamento prevede due fasi: fase di aspirazione, in cui il pistone va dal punto morto superiore a quello inferiore, che consente, grazie al senso di flusso delle valvole di ritegno, l'ingresso del liquido dalla tubazione di aspirazione; fase di scarico, in cui il pistone inverte il moto spingendo il liquido nella tubazione di mandata

23 POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE 3 Nelle pompe simplex, la fase attiva è una sola come si vede dal digramma portata/tempo

24 POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE 4 Nella pompa a doppio effetto la camera è divisa dal pistone in due settori: quando uno è in aspirazione l'altro è in mandata. La portata erogata in funzione del tempo è mostrata a fianco.

25 POMPE VOLUMETRICHE: REGOLAZIONE PORTATA La regolazione di una pompa alternativa, e delle pompe volumetriche in generale, va fatta variando il numero dei cicli al secondo (e non agendo sulla valvola della mandata come nelle centrifughe) oppure riciclando il liquido tra mandata e aspirazione come nella figura a sotto

26 POMPA ALTERNATIVA A MEMBRANA Le pompe a diaframma, o a membrana, vengono impiegate nel trasporto di liquidi corrosivi, nel trasporto di sospensioni e in tutti quei casi in cui si vuole isolare il liquido dagli organi in movimento, come, ad esempio, nell'industria farmaceutica o delle fermentazioni. Sono costituite da un corpo pompa diviso in due settori: in uno agisce un pistone immerso in olio, mentre in un secondo settore, separato dal primo da una membrana in metallo, gomma o altro materiale plastico, si muove il liquido da trasportare. Il movimento del pistone viene trasmesso alla membrana che agisce, a sua volta, sul liquido da trasportare. Le valvole di ritegno sono costruite in materiale resistente al particolare liquido. Le pompe a membrana possono essere azionate da aria compressa. Ciò ne consente l'installazione anche in aree dove sarebbe pericoloso installare motori e cavi elettrici

27 POMPE ALTERNATIVE PARTICOLARI Le pompe a pistone si prestano bene per essere adoperato come dosatori di reattivi. La corsa del pistone viene regolata in modo da mandare il volume desiderato. per portate più grandi, possono essere preferite le pompe a membrana. In definitiva, le pompe alternative a pistone presentano una maggiore complessità rispetto alle pompe centrifughe. Esse sono preferite quando si devono vincere prevalenze molto elevate con portate relativamente piccole o per scopi specifici, come le pompe a membrana e le pompe dosatrici.

28 POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE Le pompe volumetriche rotative possono superare prevalenze inferiori rispetto a quelle alternative, ma possono erogare portate continue e di maggiore entità non avendo i problemi di inerzia tipici dei moti alternativi. Queste pompe come tutte le pompe volumetriche in generale, non possono essere regolate tramite una valvola sulla mandata e dovrebbero essere munite di valvole di sicurezza per proteggere la pompa da chiusure accidentali. le pompe rotative possono essere impiegate per liquidi molto viscosi ed erogano una portata regolare. Inoltre, sono prive di valvole e la tenuta è assicurata dalla minima tolleranza esistente tra gli organi rotanti e la carcassa.

29 POMPE ROTATIVE A INGRANAGGI Una delle più usate è la pompa ad ingranaggi. Essa è costituita da un corpo pompa all'interno del quale ruotano due ruote dentate (gli ingranaggi). Una ruota è azionata da un motore elettrico mentre l'altra è trascinata dalla prima. Nel loro moto rotatorio, le ruote spingono il liquido negli spazi che si creano tra l'incavo dei denti e il corpo della pompa. La tolleranza tra il bordo superiore dei denti e il corpo pompa deve essere minima per evitare perdite di liquido.

30 POMPE ROTATIVE A LOBI E A VITE Delle modifiche alla pompa a ingranaggi hanno portato alla pompa a lobi e alla pompa a vite Nella pompa a lobi gli ingranaggi sono stati sostituiti da ingranaggi naggi a ridotto numero di denti. La portata erogata non è continua, ma leggermente pulsante. Il livello di pulsazione diminuisce all'aumentare del numero dei denti. Questo tipo di pompa può trasportare efficacemente liquidi molto viscosi ma non liquidi contenenti materiali in sospensione. Un altra modificazione della pompa ad ingranaggi è la pompa a vite. In essa due viti senza fine, azionate da una terza vite collegata ad un motore, ruotano all'interno dello statore. Il liquido si inserisce negli spazi lasciati l liberi e procede, con un flusso parallelo all'asse delle viti, verso l'uscita. Sono o indicate per liquidi particolarmente viscosi.

31 POMPE ROTATIVE MOYNO Particolarmente indicate per trasportare fanghi o correnti molto cariche in solidi, ma anche liquidi corrosivi, sono le pompe Moyno; Queste sono costituite da un rotore a forma di elicoide, rotante all'interno di una camera cilindrica costruita in gomma o altro materiale elastomerico. Le pompe Moyno, come tutte le pompe rotative, erogano portate uniformi. La pressione di mandata dipende dalla lunghezza del rotore.

32 POMPE ROTATIVE A CAPSULISMI Altri tipi di pompe volumetriche rotative sono le pompe a capsulismi e ad alette. Le pompe a capsulismi sono costituite da un rotore munito di capsulismi, che per effetto della forza centrifuga ruotano accostandosi sempre alla carcassa della pompa. In questa maniera generano dei vani in cui si inserisce il liquido da trasportare, che viene spinto verso la mandata. Le pompe ad alette differiscono solo per la forma ed il movimento delle alette, te, che sotto l'azione della forza centrifuga si muovono in direzione radiale Ad alette A capsulismi

33 POMPE SPECIALI Con questa definizione si vuole raggruppare quei sistemi di sollevamento che funzionano secondo principi diversi da quelli precedenti. I più comuni tra questi sono: air lift o sollevamento idropneumatico; pompe peristaltiche; a viti di Archimede.

34 POMPE SPECIALI: AIR LIFT Le pompe air lift sono adoperate per il sollevamento di liquidi contenenti solidi in grandi quantità o di dimensioni relativamente te grandi. Esse sono costituite da una tubo immerso nel liquido da sollevare. e. Alla base del tubo è inserita una corrente di aria compressa Questo tipo di pompe è molto impiegato per il sollevamento di sabbie o fanghi negli impianti di depurazione

35 POMPE SPECIALI: POMPA PERISTALTICA La pompa peristaltica è costituita da un tubo flessibile, generalmente di silicone, sistemato a semicerchio su un apposito telaio. Il flusso è determinato da un rotore con due o tre pioli che ruota in maniera concentrica al telaio. I pioli, nel loro movimento, appiattiscono il tubo spostando in avanti il liquido in esso contenuto. Questa pompa è particolarmente indicata in alcune operazioni biotecnologiche,, in cui si deve assicurare la sterilità ed evitare il contatto con metalli tossici per i microrganismi

36 POMPE SPECIALI: VITE DI ARCHIMEDE La vite di Archimede è un sistema utilizzato per sollevare liquidi molto carichi in solidi, per pendenze relativamente modeste ma per portate anche rilevanti. E costituita da una vite senza fine che ruota, azionata da un motore, all'interno di un cassonetto in lamiera. La vite pesca, alla sua base in un pozzetto di raccolta che copre un certo numero di spire. La caratteristica principale è che la portata erogata è funzione del numero di spire coperte, per cui maggiore è l'afflusso di liquido nel pozzetto di raccolta, maggiore sarà il grado di copertura delle spire e, di conseguenza, maggiore sarà la portata erogata. Vengono impiegate negli impianti di depurazione delle acque reflue