Generalità sulle elettropompe 1) Introduzione Ne esistono diverse tipologie ma si possono inizialmente suddividere in turbopompe e pompe volumetriche. Le prime sono caratterizzate da un flusso continuo del fluido mentre le seconde da un flusso alternato. Pompa Centrifuga (Turbopompa) Pompa ad ingranaggi esterni (volumetrica) Pompa a stantuffo: Schema di funzionamento (Volumetrica) Spaccato di un elettropompa centrifuga A: motore elettrico D: Girante F: Condotto di aspirazione E: Condotto di mandata
Elettropompa ad immersione Spaccato di una pompa centrifuga monostadio Nella tecnica degli impianti civili la tipologia in assoluto più diffusa è la pompa centrifuga trascinata in rotazione da un motore elettrico (Elettropompa). Nel proseguo faremo riferimento a tale tipologia. 2) Caratteristiche generali di un elettropompa Una pompa per prima cosa è caratterizzata dalla potenza che essa può trasferire al fluido e dunque dal rendimento che permette di risalire alla potenza richiesta all asse. I costruttori possono fornire sia il rendimento della pompa che quello del gruppo elettropompa (motore+pompa) che ovviamente è minore del primo. La potenza in generale è invece riferita alla potenza assorbita dal motore elettrico in quanto per l installazione di apparecchiature elettriche è necessario confrontarsi con la potenza massima contrattuale che l ente distributore ci fornisce. Altre caratteristiche di notevole importanza sono la portata e la prevalenza manometrica della pompa. I costruttori forniscono al riguardo le curve Q-H dei loro prodotti per facilitare la scelta della macchina più appropriata in base alle esigenze. La prevalenza manometrica è data dalla differenza di carico (in metri di colonna d acqua) misurabile fra bocca di mandata e bocca di aspirazione della macchina. In pratica rappresenta l altezza teorica massima alla quale può essere sollevata l acqua per un assegnata portata. La prevalenza manometrica è legata alla portata e alla potenza della macchina dalla seguente equazione: P=γQH dove γ è il peso specifico del fluido (9810 N/m 3 per l acqua), Q è la portata (m 3 /s), H la prevalenza manometrica (m) e P la potenza (W). La figura successiva riporta le caratteristiche Q-H di più pompe appartenenti alla stessa famiglia.
Altro dato importante è l NPSH (Net positive suction head). Questo dato comporta una verifica che deve essere effettuata al fine di evitare che la pompa crei cavitazione all aspirazione (http://it.wikipedia.org/wiki/cavitazione). La figura successiva riporta in basso l NPSH di due famiglie di pompe. Affinché non vi sia innesco della cavitazione è necessario che l NPSH calcolato stia sopra la curva fornita dal costruttore. Il calcolo dell NPSH dipende da diversi fattori tra i quali la temperatura dell acqua, ovvero dalla tensione di vapore (http://it.wikipedia.org/wiki/tensione_di_vapore), dalle perdite di carico nel tratto che collega il serbatoio alla bocca di aspirazione della pompa e dal dislivello tra pelo libero del serbatoio e bocca di aspirazione della pompa. L NPSH si calcola con la seguente relazione che deriva dall applicazione del teorema di Bernoulli per fluidi reali fra pelo libero del serbatoio e bocca di aspirazione della pompa. Fatto riferimento allo schema a lato si ha: p1-p vap NPSH= -Δh-Y γ dove p 1 è la pressione presente al pelo libero del serbatoio p vap è la tensione di vapore del liquido alla temperatura assegnata Δh il dislivello tra pelo libero e ingresso pompa Y perdita di carico totale nel tratto che precede l ingresso Δh nella pompa. p 1
La tensione di vapore come accennato dipende dalla temperatura ed aumenta con quest ultima. Alcuni valori sono riportati nella tabella seguente: Temperatura C Tensione di vapore kpa 5 0,8721 10 1,2276 15 1,7051 20 2,339 25 3,169 30 4,246 Il pericolo di incorrere nella cavitazione aumenta con l aumentare della temperatura. Ad esempio consideriamo i due casi seguenti: p =1bar p =1bar 1 T =5 C 1 Δh=7m 2 T =30 C 2 Δh=7m Y=1,5m Y=1,5m La pompa che utilizzeremo è la 2HM3 funzionante a 60 l/min. Nel primo caso risulta p vap =0,8721 kpa mentre nel secondo p vap =4,246 kpa. Svolgendo i calcoli si ottiene:
p1-p vap 100000 872,1 NPSH 1= -Δh-Y= 5 1,5 = 3, 6m γ 9810 p2-pvap 100000 4246 NPSH 2= -Δh-Y= 5 1,5 = 3, 26m γ 9810 Dai dati tecnici della pompa si ottiene un NPSH minimo di circa 3,5m. Quindi nel primo caso siamo al limite della verifica mentre nel secondo caso è necessario abbassare la pompa per evitare che insorga la cavitazione. Se non è possibile si deve ricorrere ad un diverso modello. Da notare che in qualche manuale tecnico viene introdotto anche un coefficiente di sicurezza che va a diminuire l NPSH calcolato. Altro dato che forniscono i produttori riguarda il numero di stadi della pompa, ovvero il numero di giranti calettate sullo stesso asse. In generale, a parità di portata, all aumentare del numero di stadi aumenta la prevalenza e pure la potenza impegnata dalla macchina. I costruttori producono inoltre pompe per diverse tipologie di liquido da trattare ed avremo quindi pompe dedicate al trattamento dell acqua sanitaria, delle acque di scarico come pompe dedicate al trattamento di liquidi particolari ad uso industriale. Passando alla parte elettrica i dati salienti riguardano: Fasi del motore e tensione di alimentazione (2~ 230V; 3~ 400V) Frequenza della tensione di alimentazione (50 Hz in Europa) Potenza assorbita dal motore e cosφ Capacità del condensatore di avviamento per motori monofase (se non incorporato) Da questi dati risulta possibile dimensionare il cavo di alimentazione ed il relè magnetotermico a protezione della linea dai corto circuiti e del motore dai sovraccarichi. Altri sistemi elettrici di protezione riguardano la marcia a secco (dannosa in particolare per i cuscinetti di banco dell albero) che si realizza con un galleggiante coordinato con l alimentazione della macchina. La figura successiva riporta lo schema di installazione di un elettropompa sommersa ed i relativi dispositivi.
3) Adescamento L adescamento riguarda l avvio della pompa quando il circuito risulta essere scarico, ovvero pieno d aria. Molte pompe non si avviano autonomamente in questi casi e se il circuito non viene riempito la pompa lavora a secco con rischio di danneggiamento. Al riguardo vengono prodotte delle pompe autoadescanti o dei kit di adescamento da installare a ridosso della pompa. Una volta che la pompa ha adescato le valvole di ritegno poste nel circuito ne evitano lo svuotamento.