Il trasporto dei liquidi

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE G. MARCONI TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI CLASSE 3ACH Il trasporto dei liquidi (PAG 159 DEL LIBRO DI TESTO) Prof. Roberto Riguzzi 1

INTRODUZIONE Il trasporto dei liquidi e dei fluidi è una della operazioni più comuni sia nell industria, che nelle attività civili (pensiamo all acqua corrente, alle fognature, al gas di città). Le competenze scientifiche richieste per affrontare l argomento sono quelle dell idrostatica e dell idrodinamica. Dal punto di vista pratico il trasporto dei fluidi richiede una macchina operatrice che trasferisca al liquido (o al gas) da trasportare l energia necessaria a superare differenze di quota o di pressione tra la sezione finale e quella iniziale, oltre ovviamente alle perdite di carico. Le apparecchiature che trasferiscono energia meccanica ai fluidi (la cosiddetta PREVALENZA) sono le pompe. 2

PREVALENZA L energia meccanica trasferita per unità di peso del liquido si chiama PREVALENZA e si indica con la lettera H. Consideriamo di applicare l equazione di Bernoulli fra due sezioni di un impianto con una pompa presente fra loro. La prevalenza è l energia necessaria trasferire al liquido della sezione 2 affinchè raggiunga l energia da esso posseduta nella seconda sezione. h 1 + P 1 / + v 12 /2g + H = h 2 + P 2 / + v 22 /2g + y Da cui si ricava H= (h 2 - h 1 ) + (P 2 - P 1 )/ + (v 22 - v 12 )/2g + y (h 2 - h 1 )= prevalenza geometrica (P 2 - P 1 )/ = prevalenza piezometrica (v 22 - v 12 )/2g= prevalenza cinetica 3

POTENZA UTILE La potenza utile (N u ) è l'energia effettivamente trasferita al liquido per unità di tempo. È funzione della prevalenza,alla portata e al peso specifico del liquido trasportato. Nel S.I. è misurata in watt. N u = *F v *H Se consideriamo la portata in massa l'equazione diventa: N u = g*f m *H 4

RENDIMENTO La pompa per poter funzionare, azionata da un motore, solitamente elettrico. L'energia elettrica deve, quindi, prima essere trasformata in lavoro meccanico, che ha sua volta deve essere trasformata in energia del liquido (la prevalenza). Questi passaggi inevitabilmente comportano la dissipazione di energia. La potenza effettivamente usata dalla pompa per movimentare il liquido sarà sempre maggiore della potenza utile. Il rapporto fra potenza utile e potenza assorbita è il rendimento della pompa. = N u /N ass Il rendimento sarà sempre minore di 1. Da questa N ass = N u / 5

ESEMPIO Determinare la prevalenza e la potenza assorbita di una pompa che deve trasportare 300l/min di un liquido con g= 8624 N/m3 da un serbatoio ad un altro posto ad un altezza superiore di 50m e con una pressione di 500kPa maggiore rispetto al serbatoio iniziale. Le perdite di carico, fra continue e localizzate, sono complessivamente 1,6m. Il rendimento della pompa è il 93%. Applichiamo la formula che definisce la prevalenza alle superfici dei due liquidi nel serbatoio. H= (h 2 - h 1 ) + (P 2 - P 1 )/ + (v 22 - v 12 )/2g + y La prevalenza cinetica è nulla (le velocità nelle grandi sezione come le superfici dei serbatoi sono considerate nulle). La differenza di pressione (P 2 - P 1 ) fra le due superfici è pari a 500 kpa. La prevalenza geometrica è pari a 50m. La prevalenza totale sarà pari a: H= (h 2 - h 1 ) + (P 2 - P 1 )/ + y= 50m + (500000/8624) m + 1,6m = 109,6 m N u = *F v *H = 8624 N/m 3 * 0,005m 3 /s * 109,6m = 4729W Da questa N ass = N u / =4729/0,93=5085 W 6

CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE POMPE VOLUMETRICHE: spostano quantità di liquido costanti per ogni ciclo di funzionamento. La portata erogata non dipende dalla prevalenza, ma dal numero di cicli per unità di tempo. Possono essere: Alternative: il ciclo è rappresentato dalla corsa completa del pistone. Rotative: il ciclo è rappresentato da un giro completo dell'elemento propulsore. POMPE CINETICHE: l'applicazione di forza centrifughe sul liquido incrementano dapprima la sua energia cinetica, che è trasformata in energia di pressione attraverso la riduzione della velocità del liquido. Appartengono a questa categorie le pompe di maggior impiego negli impianti industriali, le cosiddette pompe centrifughe. Nelle pompe cinetiche la portata erogata dipende dalla prevalenza. POMPE SPECIALI: tutte quelle pompe che non rientrano direttamente nelle categorie precedenti, o per requisiti specifici o principi di funzionamento particolari. 7

SCELTA DELLA POMPA La scelta della pompa da installare dipenderà da: 1) la prevalenza da fornire in funzione della portata di liquido da spostare. Da questo dipendono, oltre che il tipo di pompa, anche le sue dimensioni e la potenza assorbita. 2) il tipo di liquido da pompare (se è corrosivo, presenta solidi sospesi, requisiti igienico sanitari, viscosità, ecc). 3) tipologia dell'organo motore (elettrico, turbina a vapore o gas). 4) tenuta idraulica, nel caso la fuoriuscita di liquido fosse pericolosa per l'ambiente o la salute. 8

SCELTA DELLA POMPA Le pompe centrifughe sono adatte per portate elevate per ampi campi di prevalenza (diagramma portata/prevalenza). Le pompe volumetriche sono adatte per liquidi viscosi oppure è necessario raggiungere pressioni elevate (diagramma portata/pressione). 9

POMPE CENTRIFUGHE VANTAGGI: Sono di semplice costruzione e impiegati vari materiali. Erogano una portata costante. Possono lavorare ad alte velocità di rotazione (minori dimensioni a parità di portata). Possono trasportare liquidi contenenti solidi sospesi. Per prevalenze elevate servono pompe multigiranti. Presentano la massima efficienza in un campo limitato della curva caratteristica. Possono lavorare con la valvola di mandata chiusa. Non sono adatte a trasportare liquidi molto viscosi. 10

ASPETTI COSTRUTTIVI: POMPE CENTRIFUGHE Sistema motore: produce il lavoro meccanico trasformando l'energia primaria. Organi di collegamento: trasferisce il lavoro meccanico del motore alla parte idraulica attraverso l'albero motore. La supportazione può essere su piedini o a sedia, la prima più semplice, la seconda più robusta. In ogni caso, la quasi totalità delle pompe centrifughe è progettata per non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione. Parte idraulica: la girante è contenuta nella voluta. La rotazione della girante impartisce la forza centrifuga al liquido che l'acquisisce come energia cinetica. Dalla girante il liquido passa alla voluta e alla mandata, dove l'allargamento della sezione determina la trasformazione dell'energia cinetica in energia di pressione. Gli organi di tenuta impediscono il trasferimento di liquido dalla parte idraulica al motore attraverso l'albero motore. Il più impiegato è la cosiddetta tenuta meccanica in cui un disco statico e un disco solidale con l'albero sono spinti a contatto fra loro separati da olio lubrificante. Il tutto è completato da anelli di tenuta. 11

17 8 Pompa centrifuga 8 7 Pompa centrifuga multigirante Sezione di una pompa centrifuga (con supportazione su piedini): 1 - corpo 1a - bocchello di aspirazione 1b - diffusore 2 - girante 3 - scudo di chiusura della parte idraulica 4 - cassa stoppa (contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dall'esterno) 5 - supporto dell'albero (contenente i cuscinetti ed il lubrificante) 6 - albero (collegato ad un motore, generalmente elettrico) trasmette il moto dal motore alla girante. 7 - aspirazione 8 - mandata

GIRANTE: è l'elemento principale della pompa. La tipologia dipende anche dalla tipologia/ aggressività del liquido. La curvature delle palette nelle giranti moderne è quasi sempre rivolto nella direzione opposta del flusso. Questo consente pressioni maggiori e perdite di carico minori.

Quando il liquido abbandona la girante ed entra nella voluta a sezione di passaggio crescente. Questo determina il rallentamento del liquido, che per l'equazione di Bernoulli determina la trasformazione dell'energia cinetica in energia di pressione. Per avere prevalenze più alte si può inserire tra la girante e la voluta un diffusore, palette statiche che consentono un miglior recupero dell'energia di pressione.

Mentre l'ingresso del liquido avviene sempre in direzione assiale, l'uscita può essere in direzione radiale o assiale. La maggior parte delle le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale o tangenziale verso l'alto, ovvero in una direzione radiale (ortogonale) rispetto alla direzione di aspirazione. Nella pompa a flusso assiale il movimento del fluido è assicurato da un'elica intubata, che spinge il fluido stesso come un'elica marina nella stessa direzione dell'ingresso. Di concezione piuttosto recente, sono state utilizzate originariamente nei grandi lavori di bonifica, come idrovore, e in seguito hanno avuto impiego industriale in tutti quei casi in cui veniva richiesta una grande portata (normalmente superiore a 1000 m³/h) a bassa prevalenza (normalmente inferiore a 4 metri). Pompe sommerse: il motore è posto all'interno di un contenitore ermetico per poter installare la pompa sotto il livello del liquido.

CAVITAZIONE E NPSH La cavitazione consiste nella formazione di vapore all'interno della pompa. Può portare a gravi danneggiamenti delle apparecchiature meccaniche. È uno degli aspetti più importanti da considerare in una pompa. In una pompa centrifuga, nell'occhio della girante (la sezione di ingresso del liquido) a causa della elevata velocità del liquido c'è un repentino abbassamento della pressione per l'equazione di Bernoulli. Se la pressione scende al di sotto della tensione di vapore del liquido, questo vaporizza. In presenza di vapore la pressione e la portata diventano instabili. Se la pompa è installata in battente negativo (sopra il livello del liquido) non riesce più ad autoadescarsi. Il progettista deve garantire una pressione di alimentazione sufficientemente elevata da garantire che non scenda sotto la tensione di vapore alla temperatura di esercizio, durante il passaggio nella pompa.

CAVITAZIONE

CAVITAZIONE: DANNEGGIAMENTI Danneggiamento di una girante a causa della cavitazione. La continua formazione e rottura delle bolle di vapore causa erosione della girante e potenziali danni del motore elettrico. Nelle figure sottostanti: vortici di ricircolazione.

PRESSIONE DI ASPIRAZIONE La pompa opera in battente negativo. Nel tratto di aspirazione la pressione diminuisca. Calcoliamola con l'equazione di Bernoulli Da cui si ricava ed infine

NPSH L'altezza di aspirazione netta positiva disponibile (NPSH d ) è la differenza tra la pressione di un punto generico dell'impianto e la tensione di vapore alla temperatura di esercizio, diviso il peso specifico. Se il punto è l'aspirazione della pompa diventa NPSH d = (P asp -P v )/ per il corretto funzionamento NPSH d > 0 L'altezza di aspirazione netta positiva richiesta (NPSH r ) la caduta di pressione all'interno della pompa, espressa in metri di colonna di liquido. È fornito dai costruttori calcolato con prove sperimentali. NPSH d > NPSH r da cui (P asp -P v )/ NPSH r da cui (P asp / - NPSH d > P v / Esempio 6.2 PAG 172

La pompa centrifuga della figura aspira 0,002mc/sec di acqua alla profondità di 4 m. La tubazione del diametro di 4 cm termina sotto al livello del pozzo con una valvola di ritegno. La somma delle perdite di carico (localizzate e continue) è pari a 0,86 m. Alla temperatura di esercizio la tensione di vapore dell'acqua è 2340 Pa. Determinare la pressione di aspirazione e se la pompa possa funzionare, nell'ipotesi che l'npsh r sia di 3m, h 1 + P 1 / + v 2 1 /2g = h asp + P asp / + v 2 asp /2g + y P asp / =h 1 - h asp + P 1 / v 2 asp /2g + y = -4 m + 10,33m -0,13m 0,86m = 5,34 m NPSH d = (P asp P v )/ = 5,34 - (2240 /9800)= 5,10 m> di 3m per cui è dimostrato NPSH d >NPSH r

CURVE CARATTERISTICHE DELLA POMPA Sono utilizzate per prevedere il comportamento di una pompa ai diversi regimi. In ascissa si riporta la portata volumetrica. In ordinate le diverse variabili dipendenti dalla portata: prevalenza, rendimento, potenza assorbita e NPSH r. Per ogni portata, queste altre variabili assumeranno valori vincolanti che sono determinati dal grafico.

CURVE CARATTERISTICHE DELL'IMPIANTO Il punto di funzionamento ottimale della pompa, ovvero la coppia prevalenza portata possibile, possiamo individuarlo nel punto di intersezione della curva della pompa con la curva caratteristica dell'impianto. Calcoliamola: Definiamo la Prevalenza statica H s = (h 2 -h 1 )+(P 2 -P 1 )/ è una quota fissa dipendente esclusivamente dalle caratteristiche dell'impianto; invece la Prevalenza dinamica H d = (v 22 -v 12 )2g + y è una funzione variabile dipendente dalla portata.

PUNTO DI FUNZIONAMENTO DELLA POMPA Se poniamo sullo stesso grafico la curva caratteristica della pompa della prevalenza con la funzione che descrive la prevalenza statica dell'impianto, il punto di incontro ci fornisce il Punto di funzionamento della pompa, la coppia di valori prevalenza portata che consente di svolgere i lavoro richiesto dall'impianto. ESEMPIO 6.3. PAG 175

CURVE ISORENDIMENTO Per garantire risparmio energetico e ridurre i rischi di ricircolazione e cavitazione, è importante far lavorare le pompe nelle condizioni di maggior rendimento. Le curve caratteristiche delle pompe sono calcolate su numeri di giri differenti o su diametri differenti. Le diverse curve sono riportate nello stesso grafico.

INSTALLAZIONE DELLA POMPA CENTRIFUGA 1) Fissare al suolo la pompa con una piattaforma piana e ancoraggi adeguati alle sollecitazioni meccaniche. 2) Allineamento pompa e motore, periodicamente controllata per evitare distorsioni determinate dall'uso della pompa. 3) Adescare la pompa, ovvero riempirla di liquido e liberata dell'aria. 4) Ridurre al minimo le perdite di carico nella tubazione di aspirazione (diametri troppo piccoli, curve, valvole, apparecchiature di misure, ecc). Questo per avere un NPSH d sufficientemente alto all'aspirazione. 5) Per evitare lo svuotamento, introdurre le valvole di ritegno nelle pompe a battente negativo (sopra il livello del liquido da movimentare) che chiuda la tubazione della aspirazione. 6) Valvole di intercettazione prima e dopo la pompa per sezionare l'impianto in caso di sostituzione della pompa.

REGOLAZIONE POMPA CENTRIFUGA 1) La regolazione della portata di una pompa centrifuga si effettua introducendo una valvola di regolazione nella tubazione di mandata. 2) Il regime del motore della pompa è mantenuto costante. 3) L'apertura o la chiusura della pompa cambia la L eq /d della valvola e conseguentemente la curva caratteristica dell'impianto. 4) La regolazione può essere fatta variando il regime del motore elettrico, anche se è una tecnica poco utilizzata (fig. b).

REGOLAZIONE POMPE CENTRIFUGHE Misuratore di portata Linea di trasmissione del segnale (pneumatico) Attuatore pneumatico BYPASS di sicurezza

POMPE VOLUMETRICHE La portata erogata è teoricamente indipendente dalla prevalenza. In realtà l'aumento di pressione man mano che aumentano i regimi determina modifiche alla portata trasportata. Le pompe volumetriche sono adatte a trasportare liquidi viscosi. Nelle pompe centrifughe, l'aumento di viscosità porta ad un incremento delle perdite di carico e un abbassamento dell'npsh d. Al contrario nelle pompe volumetriche consente un completo riempimento della pompa e migliora l'efficienza. Sono ideali per il dosaggio dei reagenti (pompe dosatrici), per maggior accuratezza nella portata. Sono ideali anche in condizioni di regime variabile (viscosità, temperatura, pressione, composizione, ecc). La pompa centrifuga ha una zona di efficienza ottimale ristretta.

POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE (O A STANTUFFO) La parte meccanica è un pistone collegato ad un sistema biella manovella, che trasforma il moto rotatorio del motore in alternativo. Il movimento del pistone avviene all'interno di un pistone. Il limite di funzionamento è dato dalla resistenza alla pressione e di tenuta delle parti meccaniche della pompa. Per questo è necessario una valvola di sicurezza sulla mandata. Nel ciclo di funzionamento della pompa possiamo individuare una fase di aspirazione (riempimento della camera) e una di scarico o mandata (svuotamento).

POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE Pompa simplex a singolo effetto Le tubazioni di mandata e aspirazione sono collegate al pistone attraverso valvole di ritegno. Il grafico mostra la portata erogata di una pompa simplex a semplice effetto.

POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE Pompa simplex a duplice effetto La camera è divisa in due dal pistone in modo che per ogni movimento alternativo avvenga sia una fase di aspirazione che di mandata. Per avere una portata più costante, è necessario mettere un polmone sulla mandata. La velocità del pistone non deve essere tale da determinare il distacco del liquido dal pistone. Per questo le portate erogate non possono essere elevate. Infatti, non potendo agire sulla velocità del pistone, per elevate portate servono apparecchiature di dimensioni rilevanti, difficilmente gestibili.

REGOLAZIONE POMPE ALTERNATIVE In tutte le pompe volumetriche la portata non può essere regolata con valvole sulla mandata, perchè determinerebbero sovrappressioni pericolose per le apparecchiature. La portata erogata dipende solo dal numero di cicli dello stantuffo. La regolazione agendo sulla velocità del pistone è però poco precisa, lenta e complessa. Inoltre non avendo un regime costante, l'efficienza della pompa diminuisce. Si preferisce perciò fare un bypass con valvola di regolazione. La portata in mandata è regolata deviando parte del flusso nel riciclo aprendo la valvola di regolazione. L'eccesso di liquido in mandata torna nella linea di aspirazione. FC: controllo di portata.

POMPE ALTERNATIVE A STANTUFFO TUFFANTE

POMPE ALTERNATIVE A DIAFRAMMA (MEMBRANA)

POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE POMPA AD INGRANAGGI POMPA A LOBI Adatta per liquidi molto viscosi, inadatte per sospensioni abrasive. Fondamentale la precisione della meccanica per evitare il ritorno di liquido dalla parte centrale.

POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE La pompa peristaltica trova largo impiego in biotecnologie e come pompa dosatrice.

POMPE PER APPLICAZIONI SPECIALI AIR LIFT: il gorgogliamento dell'aria in H t fa diminuire la densità del liquido al suo interno che è spinto verso l'alto dalla pressione idrostatica (Legge di Stevin) del liquido esterno. Oltre a questa possiamo citare anche la vite di Archimede.