Le macchine operatrici

la prevalenza

Un liquido può ricevere o cedere energia all’ambiente esterno. Non sarà possibile spostare il liquido dal serbatoio in basso a quello in alto senza fornire energia perché i liquidi non vanno spontaneamente da punti ad energia inferiore a punti di energia superiore. Lo spostamento di un liquido, in questo sistema, è possibile solo installando una pompa, ovvero una macchina operatrice che trasforma l’energia meccanica in energia idraulica. La quantità di energia trasferita da 1 Kg di liquido, espressi in metri colonna di liquido, viene chiamata prevalenza e si indica con la lettera H.

Le macchine reali non sono in grado di trasferire tutta l’energia che ricevono. Infatti, causa di attriti, dissipazioni, turbolenze, la potenza assorbita sarà maggiore di quella effettivamente acquistata dal liquido. Il rapporto tra potenza utile (Nu) e la potenza assorbita (Nass) definisce il rendimento η della pompa.

classificazione e campi d’impiego delle pompe

Sono molte le condizioni in cui possono essere utilizzate le pompe. In base al principio di funzionamento si suddividono così:

1. pompe volumetriche: spostano quantità di liquido costanti per ogni ciclo di funzionamento. Possono essere alternative, per ciclo la corsa completa di un pistone, o rotative, per ciclo un giro completo dell’elemento propulsore. La caratteristica fondamentale è che la portata erogata non dipende dalla prevalenza, ma solo dal numero di cicli effettuati nell’unità di tempo.
2. pompe cinetiche: grazie all’azione di forze centrifughe, il liquido incrementa dapprima la sua energia cinetica che viene immediatamente trasformata in energia di pressione. La portata erogata dipende dalla prevalenza.
3. pompe speciali: sono pompe che funzionano secondo principi di funzionamento particolari o che rispondono ad esigenze specifiche.

La scelta del tipo di pompa da installare è determinata da diversi fattori:

1. la prevalenza e la portata: sono indispensabili per la scelta del tipo, delle dimensioni e della potenza assorbita.
2. il tipo di liquido da pompare: per alcuni liquidi che richiedono materiali adatti.
3. il tipo di energia disponibile: per la scelta del motore.

le pompe centrifughe

Principi di funzionamento

Le pompe centrifuga sono utilizzate in un vastissimo campo di applicazioni. Sono costituite da una girante, connessa con l’albero di un motore, che ruota all’interno di una carcassa. Il liquido entra in direzione assiale. A seconda della direzione del flusso di uscita, si distinguono pompe a flusso radiale (le più comuni), in cui il flusso di uscita è in direzione radiale, a flusso assiale, con flusso di uscita assiale e pompe a flusso misto. Le pompe a flusso radiale sono costituite da una serie di palette che creano dei vani in cui trova posto il liquido. Il moto rotatorio della girante determina una forza centrifuga sulle particelle del liquido che vengono proiettate nella periferia.. Quando il liquido abbandona la girante entra nel diffusore. Questo, grazie alla sua sezione di passaggio crescente, abbassa gradualmente la velocità, trasformando l’energia cinetica in energia di pressione. Esistono vari tipi di giranti: a reazione, presenta una curvatura delle palette rivolta in senso opposto a quello di rotazione, ad azione, curvatura nello stesso senso di rotazione, e le giranti a palettate dritte. Nella girante a reazione, la curva delle palette deve evitare urti con il liquido in movimento e rendere le velocità non eccessivamente elevate. La velocità del liquido all’uscita della girante si ricava facendo la composizione vettoriale tra la velocità relativa alla paletta e la velocità di spostamento della paletta. La pompa può essere munita di un anello di diffusione fisso che, accompagnando il liquido in un graduale cambiamento di direzione, consente minori perdite di carico ed un recupero migliore di energia di pressione. Onde evitare urti tra il liquido e le guide, ‘angolo di contatto delle guide deve essere uguale a quello della velocità risultante. è possibile scegliere tra diversi modelli di girante, in funzione della prevalenza richiesta e del tipo di fluido da spostare. Per fluidi con solidi sospesi c’è bisogno di giranti aperte, per liquidi aggressivi c’è bisogno di giranti di materiale opportuno o rivestite di PTFE, per superare prevalenze alte si possono usare pompe centrifughe multigirante. Sono disponibili pompe ad asse verticale o orizzontale.

Curve caratteristiche

La portata erogata da una pompa centrifuga dipende da diversi fattori:

• numero di giri nell’unità di tempo
• diametro della girante
• prevalenza

Le caratteristiche operative sono illustrate dai diagrammi caratteristici

 

All’aumentare dei giri le due curve si spostano verso l’alto. All’aumentare del diametro della girante la curva si sposta verso l’alto. All’aumentare della portata erogata, diminuisce la prevalenza che la pompa può superare e viceversa.  Il punto di funzionamento della pompa sarà dato dall’intersezione tra la curva caratteristica della pompa e la curva caratteristica dell’impianto.

Cavitazione e NPSH

Il principio di funzionamento delle pompe centrifughe prevede che il liquido assuma inizialmente una elevata energia cinetica. Ciò prevede l’instaurarsi di moti vorticosi che comportano perdite di carico e cadute di pressione. La diminuzione di pressione può portare il liquido all’ebollizione con formazione di bolle di vapore e funzionamento anomalo della pompa. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Quando la pressione di vapore eguaglia quella che agisce sul liquido, questa va in ebollizione e l’evaporazione si estende a tutta la massa.
Quando si deve operare sotto battente negativo, la pressione nella tubazione di aspirazione diminuisce via via che il liquido sale verso la pompa, e si potrebbero raggiungere valori inferiori alla tensione di vapore del liquido che porterebbero all’ebollizione nella condotta di aspirazione e la pompa non potrebbe funzionare. Per evitare questo evento, in ogni punto della pompa la pressione deve essere maggiore della tensione di vapore . Si definisce altezza di aspirazione netta positiva (NPSH), la differenza tra la pressione in un punto e la tensione di vapore fratto il peso specifico. . Per evitare l’ebollizione in ogni punto NPSH deve essere maggiore di 0.
Il liquido all’interno della pompa subisce notevoli perdite di carico, quindi NPSH > 0 non è sufficiente.
Per minimizzare il rischio di cavitazione, è necessario evitare i piccoli diametri e tutto ciò che possadeterminare perdite di carico. Alle elevate temperature maggiori sono i rischi di cavitazione. Nonostante le precauzioni adottate, è possibile che la pompa vada in cavitazione

Installazione e regolazione delle pompe centrifughe

La pompa deve essere fissata bene al suolo per evitare vibrazioni. Nelle pompe più potenti il motore può non costituire un corpo unico con la pompa. In questo caso si deve curare la perfetta coassialità tra i due alberi. La pompa deve essere adescata, cioè riempita di liquido. In casi particolari è bene installare solo le attrezzature indispensabili per evitare la cavitazione. Sulla tubazione di mandata deve essere presente una valvola di ritegno, 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.
          Installazione di una pompa centrifuga   

Bisogna avere particolare cura per gli organi di tenuta. Per la regolazione della portata bisogna mettere una valvola di regolazione posta sulla linea di mandata.

Pompe volumetriche

Pompe alternative

Le pompe alternative funzionano per mezzo di un pistone che si muove di moto alternativo. La trasformazione di un moto rotativo del motore in un moto alternativo del pistone, viene realizzato con un dispositivo chiamato biella-manovella. 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, in:

• pompe simplex a semplice e duplice effetto
• pompe duplex a semplice e duplice effetto
• pompe a pistone tuffante
• pompe a membrana

La pompa simplex a semplice effetto è costituita da un cilindro fisso in cui si muove un pistone. La camera del cilindro e collegata alle tubazioni di aspirazione e mandata tramite valvole di ritegno.
La pompa a doppio effetto ha una camera che è divisa dal pistone in due parti: quando una è in aspirazione l’altra è in mandata.
La pompa duplex riesce a far ottenere una portata ancora più uniforme, è costituita da due cilindri funzionanti in maniera da far coincidere la massima portata di una con la minima dell’altro. Per le pompe alternative la velocità del pistone non può essere molto elevata per non determinare il distacco del liquido nella fase di aspirazione.
Una variante della pompa a singolo effetto è la pompa a stantuffo tuffante, in cui il pistone è immerso nel liquido da pompare. Questo tipo di pompa è adatto a trasportare sospensioni.

 

Pompe 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. Le pompe rotative possono essere impiegate per liquidi molto viscosi ed erogano una portata regolare. Sono prive di valvole e la tenuta è assicurata dalla minima tolleranza esistente tra gli organi rotanti e la carcassa.
Una delle più usate è la pompa ad ingranaggi. è costituita da un corpo pompa all’interno del quale ruotano due ruote dentate; le ruote spingono il liquido negli spazi che si creano tra l’incavo dei denti e il corpo della pompa.
La pompa ad ingranaggi interni è costruita con i due ingranaggi uno all’interno dell’altro su assi sfalsati e separati da un setto fisso a forma di mezza luna. La depressione provocata dal movimento degli ingranaggi consente l’ingresso del liquido che occupa lo spazio libero tra i denti e viene spinto verso l’uscita.
La pompa a lobi è una modifica a quella ad ingranaggi, in cui gli ingranaggi sono sostituiti da lobi con meno denti. Quindi la portata erogata non è continua, ma leggermente pulsata. Il livello di pulsazione diminuisce all’aumentare del numero dei denti. Può trasportare liquidi viscosi.
Le pompe a capsulismi sono costituite da un rotore munito di capsulismi, elementi che per effetto della 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, che sotto l’azione della forza centrifuga si muovono in direzione radiale