Pompe centrifughe senza tenuta e senza cuscinetti Analisi delle problematiche legate alla tecnologia delle pompe centrifughe e relative soluzioni, al fine di abbatterne i costi di manutenzione REVAMPING & RETROFITTING Dr. Reto Schöb. Levitronix GMBH, Zurigo, Svizzera Principio schematico della pompa canne senza cuscinetti. Uno dei principali problemi delle pompe centrifughe che movimentano fluidi altamente puri, tossici, sterili e delicati, è la tenuta meccanica d albero. Secondo P.C. Barnard di Exxon Chemical, l 80% delle pompe impiegate nell industria chimica vanno fuori servizio per problemi di tenuta, mentre il restante 20% per problemi di cuscinetti e di altri componenti ad essi correlati (1): nei primi cinque anni di esercizio, queste pompe hanno un costo di manutenzione pari a circa il doppio del loro valore. Una soluzione a questo problema viene dalle pompe a trascinamento magnetico o dalle pompe di tipo «canned»: queste ultime sono caratterizzate da un corpo ermetico che separa le parti rotanti dallo statore. In entrambi i casi, la coppia di trascinamento viene trasmessa al rotore da un campo magnetico rotante: nella pompa a trascinamento magnetico, il campo rotante viene generato da magneti permanenti posti in rotazione da un motore elettrico, mentre nelle pompe «canned» dagli stessi avvolgimenti di statore. Uno dei problemi fondamentali in queste pompe centrifughe ermetiche, è rappresentato dal corretto dimensionamento e dalla corretta scelta dei materiali dei cuscinetti, che per il buon funzionamento della pompa devono essere ben lubrificati dal liquido circolante. È risaputo che il funzionamento a secco delle pompe centrifughe, provoca gravi danni ai cuscinetti per usura meccanica. Inoltre non tutti i liquidi sono buoni lubrificanti, come ad esempio i fluidi con bassa tensione di vapore, che tendono ad evaporare nelle zona di strisciamento dei cuscinetti, e Fig. 1 i fluidi caricati di particelle abrasive, che ne provocano una rapida usura. Altri fluidi come il sangue ed alcuni liquidi biologici vengono danneggiati nella loro struttura estremamente delicata dallo schiacciamento delle loro molecole nella zona dei cuscinetti, con la tendenza a formare trombi, mentre nell industria dei semiconduttori, le particelle rilasciate da cuscinetti ed alberi è causa di gravi problemi al pari dell industria galvanica, dove il materiale di rivestimento tende a depositarsi sui cuscinetti, compromettendone, con l andare del tempo, il corretto gioco. Rotore a levitazione magnetica Tutti questi problemi sono stati risolti dalla tecnologia della levitazione magnetica. Diversi costruttori (2), (3), (4) hanno costruito e testato prototipi di pompe canned dotate di cuscinetti magnetici, ma nessuna di queste pompe è stata introdotta sul mercato a causa degli elevati costi. Grazie alla tecnologia rivoluzionaria del «motore senza cuscinetti», è stato possibile realizzare una pompa centrifuga molto semplice con girante a levitazione magnetica, costituita da un unico complesso motore/cuscinetto con la contemporanea funzione di trascinamento e di sostentamento della girante, grazie al controllo ed alla stabilizzazione dei suoi sei gradi di libertà. Rispetto alla pompe canned tradizionali, grazie alla nuova tecnologia è possibile realizzare traferri più ampi fra rotore e statore: il setto di separazione statore/rotore può essere realizzato in materiali plastici e formare esso stesso parte del corpo pompa. La pompa diventa in tal modo molto più semplice essendo costituita da sole tre parti: una girante dove MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO 2004 27
REVAMPING & RETROFITTING Fig. 2 Sezione di una pompa canned senza cuscinetti (Levitronix BP 3.1). Fig. 2 Pompa canned senza cuscinetti con corpo a perdere. viene opportunamente annegata la parte magnetica rotante, un bicchiere di contenimento o corpo inferiore ed un corpo superiore (vedi figg. 1 e 2). Questa parte della pompa può essere facilmente separata dal motore per una accurata pulizia periodica, od addirittura in alcune applicazioni (pompe per il sangue), può essere prodotta come componente a perdere (vedi fig. 3). Funzioni eccezionali Grazie alla esclusiva ed unica costruzione, la pompa canned senza cuscinetti è dotata di diverse funzioni eccezionali. Per brevità possiamo dire che in questa pompa si trovano riassunti i vantaggi della pompa canned di tipo tradizionale o della pompa a trascinamento magnetico, senza i problemi legati alla lubrificazione dei cuscinetti: non sono presenti giochi e passaggi ridotti, e cosa molto più importante, non avviene alcun rilascio di particelle inquinanti. Possono quindi essere utilizzate anche per fluidi estremamente delicati come il sangue, chimici ultra puri, e slurry CMP. Dal momento che non vi è alcuna parte della girante e del corpo della pompa accoppiate meccanicamente fra di loro, la pompa non produce virtualmente alcun tipo di vibrazione anche in presenza di un girante non perfettamente bilanciata (ad esempio per parti solide presenti nel fluido e che si dovessero attaccare alla girante durante il funzionamento). Le pompe senza cuscinetti risultano essere così molto silenziose ed il solo rumore udibile alle alte portate è quello idrodinamico del fluido in movimento. L assenza di ogni contatto fra parte rotante e parte fissa consente di realizzare un prodotto virtualmente privo di ogni usura: soggetto ad usura nel tempo è evidentemente il solo corpo pompa, nel caso la pompa venga utilizzata con fluidi abrasivi od altamente corrosivi, ma in questo caso il corpo può essere facilmente sostituito in pochi secondi o al massimo alcuni minuti in base al tipo di montaggio ed al fissaggio alle tubazioni esterne. Grazie alla possibilità di operare a velocità variabile, la pompa Levitronix consente inoltre un controllo molto preciso della portata o della pressione in un ampia gamma operativa: con un solo modello di pompa, è così possibile sostituire un intera gamma di pompe tradizionali a frequenza fissa. Grazie all assenza di cuscinetti ed agli ampi giochi, sono possibili velocità di rotazione molto elevate (fino a 10.000 giri al minuto), impensabili per una pompa centrifuga tradizionale. È quindi possibile raggiungere elevate pressioni di lavoro con pompe ad un unico stadio: per esempio con un diametro della girante di soli 65 mm., si ottengono pressioni di lavoro massime di oltre 6 Bar. Questo consente anche una riduzione delle dimensioni della pompa rispetto alle pompe a velocità fissa di uguale potenza. I vantaggi insiti nella pompa Levitronix possono essere catalogati in tre differenti categorie e qui di seguito riassunti: Vantaggi legati al design della pompa del tipo canned Nessuna tenuta d albero conseguente sistema ermetico e senza alcun contatto del liquido pompato con l esterno Vantaggi legati alla levitazione magnetica della girante Nessuna usura conseguente riduzione dei tempi di fermo macchina e bassi costi di manutenzione Nessuna lubrificazione conseguente possibilità di funzionare a secco anche continuativamente Nessun gioco né stretto passaggio conseguente facilità di pulizia, possibilità di sterilizzazione e nessuna formazione di pericolosi trombi Nessuna generazione di particelle inquinanti Ampia gamma di temperature Vibrazioni virtualmente assenti Dimensioni molto ridotte MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO 2004 29
Vantaggi legati al controllo elettronico della velocità Controllo della portata senza orifizi tarati conseguente alta efficienza del sistema Controllo preciso della portata e della pressione Portata continua o pulsante ottenibile attraverso il controllo elettronico Pompa a singolo stadio ad elevata pressione Dimensioni ridotte rispetto alle pompe a membrana o a soffietto con prestazioni equivalenti testati in laboratorio modelli più piccoli e più grandi (fino a 120l/min e 6 bar) con corpo in PTFE. Biotecnologie La totale assenza di giochi ed interstizi nelle pompe Levitronix impediscono ogni crescita batterica e l annidarsi degli stessi durante i cicli di sterilizzazione: queste caratteristiche, unite alla garanzia di una totale ermeticità, fanno di queste pompe l ideale soluzione nelle applicazioni Attuali limitazioni La principale limitazione della pompa canned senza cuscinetti è rappresentata oggi dal suo prezzo paragonabile solo alle pompe a membrana ed a soffietto di uguali caratteristiche e materiali di costruzione: questo limita l applicazioni di questa pompa alle applicazioni di fascia alta di mercato. Un altra limitazione è la scelta dei materiali (attualmente tutti plastici) e la potenza installata (attualmente inferiore a 500W). Dato che la possibilità di realizzare pompe metalliche in sistemi di più grandi dimensioni e già stata dimostrata in laboratorio, queste limitazioni potranno essere superate in un prossimo futuro. Principali applicazioni Elettromedicale È stata progettata una prima pompa per applicazioni medicali (vedi Fig. 4). Studiata per pompare sangue in applicazioni circolatorie extracorporee (bypass cardiopolmonare), essa è costituita da una piccola unità motrice (87x70 mm) e da un corpo pompa in policarbonato del tipo a perdere, con una portata massima di 18 l/min ed una pressione massima di 1,1 Bar. Grazie al suo innovativo design, la velocità di emolisi della pompa è di circa due volte inferiore a quella della pompa al top tecnologico attualmente esistente, la Biomedicus BP-80. Grazie agli ampi giochi e all assenza di zona di stagnazione, la pompa senza cuscinetti consente di evitare trombi e può essere utilizzata per lungo tempo senza intasamenti. Industria dei semiconduttori Le stesse proprietà, ridotta deformazione dei componenti il fluido e nessuna formazione trombi, sono un must per il pompaggio di rifiuti CMP e per il processo di doratura durante la produzione di microchip: l assenza di particelle generate, la portata estremamente precisa e senza pulsazioni, unita all assoluta inerzia chimica dei materiali utilizzati, sono altre richieste specifiche dell industria dei semiconduttori. Per questa esigente industria è stata messo a punto un gruppo (vedi Fig. 5), con pompa in PVDF vergine o PT- FE, con portate fino a 50 l/min e pressioni di lavoro fino a 2,5 Bar. Questa pompa è stata utilizzata con successo da oltre un anno nei processi di incisione, pulizia e strippaggio durante la produzione di microchips: attualmente vengono Fig. 4 Fig. 5 Pompa di supporto alla circolazione extracorporea con corpo in Policarbonato a perdere. Pompa canned senza cuscinetti in PVDF vergine con riferimento motore in ECTFE, per l industria dei semiconduttori. 30 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO 2004
REVAMPING & RETROFITTING bio-tecnologiche. La forma costruttiva della pompa, permette inoltre la progettazione di sistemi di bioproduzione totalmente ermetici, e grazie all adozione di una flangia di accoppiamento e di una girante speciale, di agitatori senza tenuta. Il flusso continuo e senza pulsazioni, ne fa la scelta ideale per sistemi di filtraggio a flusso incrociato. Industria galvanica I metalli in soluzione e le vernici, per loro natura tendono ad addensarsi nelle parti striscianti, quali i cuscinetti della pompa, ed inoltre le molecole di alcune di esse tendono a danneggiarsi per stiramento. Il design della pompa Levitronix che prevede ampi giochi,una costruzione ermetica e l assenza di dannosi effetti di stiramento, aiuta a risolvere questi problemi ed attualmente molte pompe sono sotto test in diversi impianti galvanici. Sintesi e panoramica La pompa canned senza cuscinetti assomma tutti i vantaggi delle tradizionali pompe canned e delle tradizionali pompe a trascinamento magnetico, al vantaggio di una pompa senza cuscinetti. I primi prototipi sono stati realizzati per l industria medicale e dei semiconduttori, ma sono già in fase avanzata di valutazione altre applicazioni per la biotecnologia e l industria galvanica. Ulteriori sviluppi dell elettronica di regolazione e comando, porteranno ad avere pompe di più grandi dimensioni e di diversi materiali, mentre con l aumento dei volumi venduti, si assisterà ad una riduzione dei costi, aprendo così la strada all applicazione di queste pompe nei settori chimico di base, chimico fine, farmaceutico ed alimentare. Bibliografia 1. P.C. Barnard «The way forward» Meeting of the British Institute of Mechanical Engineers, 1991 2. P.E. Allaire «Design, Construction and test of magnetic bearings in industrial canned-motor pump» Worl Pump September, 1989 3. S Katsuta et al. «Centrifugal pump having magnetic bearings» EP 0355796 A2, February 1990 4. M Brunet et al. «Rotary pump with immerse rotor» WO 99/14503 March, 1999 In riferimento all articolo contattare: Ing. Massimo ALETTI Pompe GPM S.r.l. Passirana di Rho (Milano) l Autore MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO 2004 31