Le elettropompe sommergibili per acque reflue Classificazione, problematiche funzionali e linee guida per la scelta
Schema costruttivo della elettropompa sommergibile STATORE e CONNESSIONI ELETTRICHE ROTORE e TENUTE DINAMICHE PARTE IDRAULICA L elettropompa sommergibile è realizzata accoppiando rigidamente sullo stesso asse una macchina motrice elettrica ed una macchina operatrice idraulica
Il motore delle elettropompe sommergibili è raffreddato a liquido, il calore prodotto dall avvolgimento dello statore viene dissipato per convezione naturale o per convezione forzata, in entrambi i casi l involucro deve essere assolutamente stagno Tenute statiche sui cavi elettrici Statore e connessioni elettriche Tenute statiche sulla carcassa La durata dello statore dipende unicamente da un sottile strato di vernice isolante che ricopre i conduttori delle bobine di induzione. Il rivestimento è soggetto ad un naturale invecchiamento che determina un inevitabile decadimento della sua rigidità dielettrica. L invecchiamento della vernice isolante è tanto più rapido quanto più alta è la temperatura di funzionamento e quanto maggiore è il numero di transitori di riscaldamento/raffreddamento subiti. Quando la macchina è in funzione, la mancanza di raffreddamento o un sovraccarico possono far aumentare la temperatura dell avvolgimento fino a raggiungere valori pericolosi in pochi secondi. Per questo motivo all interno delle bobine sono installati dei sensori di temperatura in grado di arrestare la macchina se la soglia di sicurezza viene superata. Le cosiddette pastiglie termiche possono però svolgere il loro compito di protezione solo se sono collegate ad un adeguato dispositivo elettromeccanico in grado di arrestare la macchina
Rotore e tenute dinamiche Il blocco rotore-tenute contiene i componenti più sollecitati della elettropompa sommergibile. Le tenute ed i cuscinetti. La tenuta frontale lato acqua è il componente più a rischio in quanto direttamente esposto alle impurità contenute nel liquido pompato. Piccole perdite sono inevitabili quando il liquido trasporta impurità come sempre avviene per le acque reflue. Quando il sensore di conduzione segnala la presenza di acqua anche la seconda tenuta rischia di essere danneggiata irrimediabilmente e dovrà essere sostituita. Il controllo della purezza dell olio deve essere fatto tanto più spesso quanto più il refluo è carico di impurità Tenuta frontale lato olio in grafiteallumina Sensore di conduzione segnala la presenza di acqua nella camera olio Tenuta radiale a labbro in nitrile Il colletto impedisce che l olio venga trascinato in rotazione dalla tenuta. La sua circolazione intorno alla tenuta è ottenuta attraverso appositi fori Tenuta frontale lato acqua in carburo di silicio Olio raffredda le tenute ed emulsiona eventuali infiltrazioni di liquido
Margini di sicurezza utilizzati nei motori sommergibili L albero di un motore sommergibile è sollecitato da una forza radiale dovuta alla spinta della girante e da tre forze assiali una dovuta alla girante, una al peso del rotore stesso e della girante che su di esso è calettata una alla molla di precarico del cuscinetto superiore. Queste forze sono supportate da due cuscinetti. Quello inferiore è bloccato radialmente ed assialmente pertanto sopporta gran parte della spinta radiale e tutta la spinta assiale. Quello superiore è bloccato solo radialmente e sopporta solo una parte della spinta radiale. Esso ha essenzialmente il compito di mantenere centrato il rotore rispetto allo statore, per evitare che l assenza di carico possa procurare un funzionamento rumoroso esso è spinto da una piccola molla di precarico assiale. Molla di precarico del cuscinetto superiore Prendendo a riferimento i cuscinetti montati su motori normalizzati IEC la capacità di carico dei cuscinetti utilizzati in motore sommergibile di pari taglia sono mediamente superiori dell 80% a fronte di carichi pari o inferiori a quelli ammissibili per i motori normalizzati. L eventuale rottura dei cuscinetti in un motore sommergibile dipende sempre o da contaminazione per ingresso di acqua od impurità dalle tenute dinamiche o da un eccessivo surriscaldamento del motore per mancato collegamento delle protezioni termiche Spinta radiale della girante Spinta assiale della girante Il prodotto p x v (pressione per velocità) al quale lavorano le facce delle tenute montate su un motore sommergibile è tenuto (anche nei motori a 2poli) almeno cinque volte inferiore a quello normalmente utilizzato per liquidi puri. Peso del rotore La eventuale perdita accusata dalla tenuta è sempre dovuta ai corpi in sospensione nel refluo
Il bilancio energetico del motore sommergibile Una macchina è un dispositivo realizzato per operare una trasformazione di energia. Sempre quando si opera una trasformazione parte della energia messa inizialmente a disposizione è inevitabilmente degradata in calore Il motore elettrico ad induzione è una macchina motrice che trasforma parte dell energia posseduta da un flusso di corrente elettrica in energia meccanica. Il rendimento di un motore elettrico a parità di ogni altra condizione dipende dalla taglia. Esso tende asintoticamente ad un valore limite man mano che le dimensioni del motore aumentano P1 Potenza assorbita dalla rete Perdite nel ferro 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Calore da scambiare con l esterno Perdite nelle bobine Andamento del rendimento e della P2 per la serie IEC 4poli 50Hz rendimento[%]-p2[kw] Potenza dissipata dalle tenute η=p2/p1 Il rendimento misura l efficienza della trasformazione di energia Potenza dissipata dai cuscinetti P2 Potenza resa disponibile all albero 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 rendimento potenza
Se il motore è lasciato libero di ruotare senza richiedere potenza all albero la sua velocità di rotazione dipende dalla frequenza di rete e dal numero di poli secondo una semplice relazione Caratteristiche funzionali dei motori asincroni trifasi ad induzione n =60 f / (p/2) Numero di poli Frequenza di rete Velocità di rotazione in giri/min Zona instabile Zona stabile Quando si applica una coppia resistente all albero la sua velocità di rotazione scende leggermente ed in proporzione. Questo comportamento caratteristico è chiamato scorrimento ed è tanto più evidente quanto più piccola è la taglia del motore Scorrimento in % della velocità di sincronismo 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 motori 4 poli 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 35 30 Se richiediamo all albero coppie sempre maggiori il motore rallenta progressivamente Coppia [Nm] 25 20 15 10 5 Variazione della coppia in funzione della velocità di rotazione per un motore grandezza IEC90 a 4 poli alimentato a 50Hz 0 0 500 1000 1500 Il motore asincrono trifase è una macchina motrice stabile è cioè in grado di adattarsi automaticamente alle condizioni di carico Il motore asincrono raggiunge la velocità di sincronismo quando la coppia richiesta all albero è nulla Alimentando il motore con un dispositivo in grado di variare opportunamente la frequenza e la tensione la sua velocità di rotazione e quindi la sua potenza possono essere facilmente modificate INVERTER Velocità di rotazione [giri/min] Se alimentiamo il motore a frequenza costante la velocità di sincronismo è il massimo valore raggiungibile
Valutazione delle prestazioni dei motori asincroni trifase basati sulla serie IEC POTENZA 4poli 2poli 6poli 8poli 100 90 La potenza erogata da un motore appartenete ad una serie omogenea caratterizzata dagli stessi parametri costruttivi dipende sia dalla taglia che dalla velocità di rotazione. Il costo di un motore della stessa serie dipende invece soprattutto dalla taglia che determina la massa del ferro e del rame necessarie alla costruzione. Il diagramma mostra che al crescere della taglia la potenza aumenta esponenzialmente ma in misura diversa a seconda del numero di poli Potenza nominale P2 [kw] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 2poli 6poli 8poli 80.00 60.00 Se riorganizziamo i dati del diagramma precedente confrontando per ogni taglia la P2 con quella del motore a quattro poli, tradizionalmente il più usato nelle elettropompe sommergibili, diventa evidente che. Tranne per il caso particolare della grandezza 180, i motori 2poli fino alla taglia 200 erogano a parità di costo una potenza dal 20 al 40% superiore del corrispondente quattro poli mentre il 6 e lo 8 poli una potenza molto inferiore variazione % P2 rispetto a 4poli 40.00 20.00 0.00-20.00-40.00-60.00-80.00 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280-100.00
Valutazione delle prestazioni dei motori asincroni trifase basati sulla serie IEC 4poli 2poli 6poli 8poli POTENZA SPECIFICA 0.300 0.250 Se calcoliamo per ogni taglia il rapporto tra la potenza nominale e la massa del motore troviamo che la densità di potenza cresce all aumentare della taglia a prescindere dalla velocità di rotazione. Per quanto possa sembrare strano il diagramma mostra che in un motore di piccola taglia le sollecitazioni meccaniche sono inferiori a quelle di un motore di grossa taglia. Potenza specifica [kw/kg] 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 4poli 2poli 6poli 8poli 300 Se costruiamo un diagramma simile calcolando per ogni taglia il rapporto tra la potenza dissipata in calore e la massa troviamo che nei motori di grossa taglia i flussi di calore per unità di massa sono molto più alti che nei piccoli. Anche in questo caso l affermazione può sembrare strana ma è più facile surriscaldare un motore grande che uno piccolo. Mentre a parità di taglia un 2 poli può incorrere più facilmente in un surriscaldamento accidentale che un 8 poli. Calore dissipato per unità di massa [W/kg] 250 200 150 100 50 0 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280
Valutazione delle prestazioni dei motori asincroni trifase basati sulla serie IEC RENDIMENTO 4poli 2poli 6poli 8poli Il rendimento di un motore appartenete ad una serie omogenea caratterizzata dagli stessi parametri costruttivi dipende sia dalla taglia che dalla velocità di rotazione. Il diagramma mostra che al crescere della taglia il rendimento aumenta fino ad un valore limite poco superiore al 90% rendimento [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 2poli 6poli 8poli 20.00 Se riorganizziamo i dati del diagramma precedente confrontando per ogni taglia il rendimento con quello del motore a quattro poli, tradizionalmente il più usato nelle elettropompe sommergibili, diventa evidente che. Fino alla taglia 160 il rendimento di un motore 2poli è più alto di un quattro poli mentre il 6 e lo 8 poli hanno un rendimento inferiore Variazione % del rendimento rispetto a 4poli 10.00 0.00-10.00-20.00-30.00-40.00-50.00 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280
Linee guida per la scelta del motore di una elettropompa sommergibile Abbiamo visto che I componenti più sollecitati in un motore sommergibile sono l albero ed i cuscinetti. Il componente che maggiormente risente delle impurità contenute nel liquido pompato è la tenuta lato acqua. A parità di costo il motore 2 poli è in grado di erogare una potenza superiore rispetto al 4poli Un motore di piccola taglia è meno sollecitato di un motore di grossa taglia anche nei confronti di un accidentale surriscaldamento. I motori a 2poli fino alla grandezza IEC 160 hanno un rendimento superiore dei corrispondenti motori a 4poli. Quindi 1)- Se il motore sommergibile a 2poli è stato adeguatamente dimensionato, la durata dei cuscinetti è la stessa di un motore a 4poli. 2)- Il rischio di perdita della tenuta lato acqua di un motore a 2poli è lo stesso di un motore 4poli in quanto dipende solo dal liquido pompato. 3)- Un motore 2poli è più economico di un 4poli ed è in grado di offrire un migliore rapporto potenza/peso 4)- Fino alla grandezza 160 un motore 2 poli è in grado di offrire un rendimento sensibilmente più elevato di un 4poli
La parte idraulica La macchina operatrice accoppiata al motore elettrico sommergibile è generalmente uno stadio di pompa centrifuga adattato alla movimentazione di un liquido carico. L adattamento consiste nell aumentare il più possibile il passaggio offerto al liquido cercando di rendere minimo il rischio di bloccaggio o di intasamento. Rispetto ad una girante per liquidi puri, una girante per pompa sommergibile ha in genere un basso numero di pale ed passaggio molto superiore a quello richiesto per erogare la portata di progetto. Queste modifiche determinano un sensibile abbassamento del rendimento rispetto a quello che si otterrebbe con un tracciato ottimale. Disco d usura posteriore: ha il compito di proteggere la tenuta lato acqua da corpi grossolani (in genere di dimensioni superiori a 0.5mm) permette anche l adattamento di più idrauliche allo stesso motore. Girante: è il componente che trasmette energia al liquido pompato attraverso la formazione di un vortice centrifugo ad alta velocità Voluta:incanala il vortice centrifugo prodotto dalla girante verso la bocca di mandata e converte parte della energia cinetica acquistata dal liquido in energia di pressione. Disco d usura anteriore: separa la zona di alta pressione dalla zona di aspirazione realizzando una tenuta dinamica a labirinto, in genere è regolabile.
Lo scambio di energia tra girante e liquido pompato La girante trasferisce energia al liquido che la attraversa costringendolo a ruotare in un vortice forzato (a velocità angolare costante). Il liquido lanciato in direzione centrifuga fuori dalla girante continua naturalmente a ruotare nella voluta in un vortice libero caratterizzato dalla costanza del prodotto tra la componente tangenziale della velocità ed il raggio misurato dall asse di rotazione. Il modello fisico che descrive il comportamento del liquido costretto ad attraversare una pompa centrifuga è stato enunciato da Leonard Euler nel 1700. La cosiddetta prevalenza di una pompa centrifuga misura la quantità di energia trasferita al liquido per unità di massa. Una semplice relazione lega le componenti medie della velocità assunte dal liquido all uscita della girante alla prevalenza. H=U2 Ct2 Il numero che si ottiene da questo prodotto ha le dimensioni di una energia per unità di massa [J/kg] che una volta diviso per la accelerazione di gravità g [m/s2] fornisce un nuovo numero con le dimensioni di una lunghezza [m] che è universalmente adottato per tracciare insieme alla portata ed alla velocità di rotazione la curva caratteristica della pompa. La prevalenza dipende solo ed esclusivamente dalla velocità di rotazione e dal diametro. A parità di prevalenza la velocità del vortice all interno di qualsiasi pompa è la stessa. Direzione del flusso rispetto alla voluta Senso di rotazione del vortice prodotto dalla girante Piano di rotazione del vortice prodotto dalla girante Direzione del flusso rispetto ai canali rotanti della girante Direzione di alimentazione della girante
La curve caratteristiche A differenza della pompa volumetrica la portata erogata da una pompa centrifuga dipende dalla pressione che agisce sulla sua bocca di mandata per questo motivo non ha senso riferirsi alla portata senza specificare a che pressione debba essere erogata. La pompa centrifuga può stabilire il suo punto di lavoro su qualsiasi punto della curva caratteristica, che raggiunge trovando automaticamente l equilibrio tra l energia specifica ceduta al liquido dalla girante e l energia specifica richiesta dall impianto. L energia richiesta dall impianto è la somma della energia potenziale richiesta per il sollevamento del liquido (altezza geodetica), l energia cinetica richiesta per mantenere in movimento il liquido all interno delle condotte e l energia dissipata per attrito sulle pareti delle condotte e in tutti gli eventuali componenti accessori disseminati lungo le condotte (curve, gomiti, raccordi, valvole, filtri etc ). La potenza trasferita al liquido è il prodotto della portata in massa [kg/s] moltiplicata per l energia specifica [J/kg], pertanto anche la potenza assorbita all albero varia al variare della portata. Il rendimento della pompa è il rapporto tra la potenza trasferita al liquido misurata sulla bocca di mandata e la potenza P2 erogata dal motore. Qualsiasi pompa centrifuga ha un solo punto di massimo rendimento. Il valore del rendimento tende a zero sia quando la pompa lavora con portate basse e prevalenze alte sia quando lavora con portate alte e prevalenze basse. Il rendimento dà una misura di quanta energia è dissipata internamente in calore Energia specifica disponibile sulla bocca di mandata L energia specifica è la quantità di energia ceduta ad ogni kg di liquido che attraversa la pompa Potenza assorbita all albero Rendimento della pompa Perdite di energia specifica interne alla pompa Potenza trasferita al liquido 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70-10 U2 ct2/g Hth Dhi1 Dha Dhb Dhe Dhf Dhg Hpdl Dh01 Dhd 10 8 100 80 6 60 4 40 2 20 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Q[m 3/h] Pidra Pass eta
Il bilancio energetico della pompa Anche la pompa è un dispositivo realizzato per operare una trasformazione di energia. Come nel caso del motore elettrico solo una parte della energia messa inizialmente a disposizione è ceduta al fluido La pompa centrifuga è una macchina operatrice in grado di cedere energia meccanica ad un liquido. Come nel caso del un motore elettrico il rendimento a parità di ogni altra condizione dipende dalla taglia. Esso dipende da un numero caratteristico che dipende dalla velocità di rotazione dalla portata e dalla prevalenza P2 Potenza disponibile all albero Rendimento Perdite per diffusione all imbocco ed all uscita della palettatura Portate in [m3/h] Numero caratteristico Nel caso della pompa le perdite di energia sono dissipate direttamente nel liquido pompato che si scalda Perdite per attrito viscoso nella girante Perdite per attrito viscoso nella voluta η=pi/p2 Anche in questo caso il rendimento misura l efficienza della trasformazione di energia Potenza dissipata dai trafilamenti interni di liquido Pi La potenza viene ceduta al liquido sia come energia di pressione sia come energia cinetica
Poca energia di pressione Molta energia di pressione Molta energia cinetica Poca energia cinetica Giranti radiali nq basso Giranti semiassiali nq medio Giranti assiali nq alto Numero caratteristico Velocità di rotazione [giri/min] Portata [m 3 /s] Asse di rotazione nq=n Q 1/2 H 3/4 Prevalenza [m] A parità di diametro il rendimento dipende dalla forma della girante Valore del numero caratteristico A parità di portata e prevalenza il numero caratteristico aumenta all aumentare della velocità di rotazione A parità di numero caratteristico il rendimento aumenta all aumentare delle dimensioni della pompa
Caratteristiche delle idrauliche utilizzate per realizzare elettropompe sommergibili Le idrauliche utilizzate nelle elettropompe sommergibili si differenziano notevolmente da quelle utilizzate nelle pompe per liquidi puri. Il problema spesso irrisolvibile è riuscire a movimentare un liquido che per definizione trasporta dei corpi solidi di natura concentrazione e dimensione più disparata ed incontrollabile. Quando entrano nel vortice prodotto dalla girante un granello di sabbia si comporta in maniera completamente diversa da un capello che si comporta in maniera differente di un pezzo di carta che a sua volta si comporta diversamente da un brandello di stoffa che non ha lo stesso comportamento di un brandello di polietilene. Non esiste una soluzione unica la probabilità di intasamento può essere resa caso per caso bassa ma mai completamente annullata. Nel tempo e solo sulla base dell esperienza diretta sono state selezionate delle forme costruttive che si comportano meglio o peggio di altre con i vari reflui che si incontrano nelle applicazioni reali. Ognuna delle idrauliche mostrate risolve alcuni problemi ma ne provoca di collaterali Girante monocanale Vantaggi:grande passaggio curva caratteristica ripida rendimento medio-alto. Svantaggi:l usura non uniforme provoca vibrazioni e sollecitazioni incontrollabili sul rotore Girante arretrata con basso numero di pale Vantaggi:grande passaggio curva caratteristica ripida rendimento basso insensibile all usura da sabbia. Svantaggi:intasabile da stracci Girante arretrata con alto numero di pale Vantaggi:grande passaggio rendimento medio-basso insensibile all usura da sabbia insensibile agli stracci. Svantaggi:curva caratteristica piatta
Caratteristiche delle idrauliche utilizzate per realizzare elettropompe sommergibili Girante a canali Vantaggi:rendimento alto. Svantaggi:sensibile ai corpi filamentosi passaggio limitato, curva piatta Girante con bordo di ingresso tagliente Vantaggi: rendimento medio passaggio ampio curva ripida permette di movimentare reflui zotecnici Svantaggi:sensibile alla sabbia ed agli stracci Girante a canali e trituratore Vantaggi:piccola portata con alta prevalenza Svantaggi:rendimento medio-basso, pericolo di bloccaggio del motore all avviamento
Il prolungamento del bordo di ingresso della palettatura verso l aspirazione migliora la capacità di pompare reflui con forte presenza di materiali filamentosi Giranti monocanale Bordo di ingresso prolungato Bordo di ingresso convenzionale Bordo di ingresso prolungato Bordo di ingresso convenzionale Bordo di ingresso prolungato Giranti a canali Bordo di ingresso convenzionale Giranti a vortice
Quando la portata si discosta dal valore che determina un angolo di uscita dalla girante uguale a quello costruttivo della lingua si sviluppano forti accelerazioni locali in quanto il liquido urta il ventre o il dorso della parete fissa ciò determina pulsazioni e perdite per sviluppo di scie vorticose Urto sul dorso a portate basse Angolo costruttivo della lingua La lingua della voluta è inevitabilmente percepita come un ostacolo dal liquido che si avvia ad alta velocità verso la bocca di mandata Bordo di uscita della palettatura Assenza di urto solo alla portata nominale Urto sul ventre a portate alte Evoluzione delle sezioni trasversali dalla lingua fino alla gola del diffusore Bordo di uscita della palettatura Il liquido che fuoriesce dalla girante tende a disporsi secondo un vortice libero per raccoglierlo e portarlo verso la bocca di mandata con un condotto che giace sullo stesso piano del vortice è necessario offrire sezioni di flusso via via più grandi in senso tangenziale Passaggio offerto dalla lingua Traccia del piano su cui si sviluppa il vortice
La soppressione della lingua della voluta permette di migliorare il comportamento dinamico della idraulica e la capacità di pompaggio di liquidi carichi Raggio dell anello di diffusione R 3 R 2 Raggio del bordo di uscita dalla girante La superfice di flusso offerta al liquido che esce dalla girante è priva di ostacoli Diffusore ad anello Mandata Bordo di uscita della palettatura All uscita della girante il liquido si dispone secondo un vortice libero e la componente tangenziale della velocità è direttamente proporzionale al raggio Aspirazione c u2 R 2 =c u3 R 3 Nel caso di idrauliche veloci con prevalenza bassa rispetto alla portata (alto numero caratteristico) uno schema costruttivo con diffusore ad anello disassato rispetto alla bocca di mandata permette di diminuire l ingombro radiale della macchina e la sua massa L integrazione in un unico componente dell anello di diffusione e del condotto di aspirazione permette di realizzare un sistema di regolazione fine del gioco particolarmente efficace ed economico
Linee guida per la scelta della idraulica di una elettropompa sommergibile Abbiamo visto che La prevalenza dipende dalla velocità del vortice prodotto dalla girante. A parità di prevalenza la velocità del fluido nella macchina è la stessa per qualsiasi pompa centrifuga Il rendimento della pompa ha un punto di massimo Il rendimento della pompa tende a zero sia a portate alte che a portate basse. La forma della girante è determinata dal tipo di refluo che deve essere movimentato e non dal punto di lavoro richiesto Quindi 1)- Non è possibile soddisfare un punto di lavoro con prevalenza alta e portata bassa con una idraulica mossa da un motore lento. 2)- A parità di portata e prevalenza l idraulica è attraversata dal liquido alla stessa velocità sia quando è dimensionata per un motore a 2poli sia quando è dimensionata per un motore a 4poli, l usura è perfettamente la stessa se le due giranti hanno la stessa forma. 3)- L unico modo per limitare le dissipazioni di energia è di scegliere il punto di lavoro in prossimità del punto di massimo rendimento. 4)- Il rischio di intasamento si riduce solo scegliendo una idraulica di forma adeguata al refluo da trattare.