Pompa fluidodinamica
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Nelle pompe fluidodinamiche il movimento del fluido è prodotto da un momento indotto nel fluido stesso. Queste pompe non hanno bisogno di valvole, ma hanno lo svantaggio che la portata e l'efficienza diminuiscono con l'aumentare della pressione all'uscita. In genere queste pompe hanno la necessità dell'adescamento, ovvero di essere inizialmente riempite di liquido per poter funzionare.
Se ne riconoscono tre categorie :
- Pompe centrifughe
- Pompe magnetofluidodinamiche
- Pompe assiali
- Arieti idraulici
Indice |
[modifica] Pompe centrifughe
La pompa centrifuga é di gran lunga la pompa di uso più comune, sia in ambito industriale che civile.
[modifica] Funzionamento
Se ne comprende il funzionamento osservando (vedi figura 1) che un cilindro riempito d'acqua, posto in rotazione attorno al proprio asse, modifica la forma del pelo libero, facendole assumere un profilo parabolico: infatti l'accelerazione centrifuga è proporzionale al quadrato del raggio di rotazione, ed alla velocità angolare. La differenza H di livello che si osserva (e che, intuitivamente, è funzione della velocità angolare) si dice prevalenza della pompa. È anche intuitivo osservare che, a parità di velocità angolare (e quindi di profilo del liquido), se io pratico un foro esattamente all'altezza H non avrò alcuna uscita di liquido; tanto più basso lo pratico, tanto maggiore sarà la quantità nell'unità di tempo, detta portata, di liquido uscente.
Nella pratica, il fluido è contenuto all'interno di un corpo ed è messo in rotazione da una girante. La figura 2 rappresenta lo schema tipico di una girante. La pala curva ruota attorno all'asse con velocità periferica Vp, ed il fluido esce nella direzione dell'estremità della pala, con velocità Vt. La composizione delle velocità vettoriali definisce portata e prevalenza. Il corpo della pompa è poi costruito a sezione crescente in modo che, per la costanza (Bernoulli) dell'energia totale, la componente cinetica si trasforma in statica, incrementando così la prevalenza.
[modifica] Costruzione
In sintesi, la pompa centrifuga è costituita (figura 3) da un corpo 1, che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b, una girante 2, uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica; una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dall'esterno, un supporto 5 dell'albero, contenente i cuscinetti ed il lubrificante, e appunto un albero 6 che, collegato ad un motore (generalmente elettrico), trasmette il moto da quest'ultimo alla girante. Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso l'alto. La supportazione può essere su piedini, come in figura, o centreline (vedi figura 6), la prima più semplice, la seconda più robusta. In ogni caso, la quasi totalità delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out, che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1, appunto agendo nella parte posteriore, con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione.
[modifica] Prestazioni
Le caratteristiche idrauliche della pompa centrifuga sono espresse dalla curva caratteristica, un cui esempio appare in figura 4. Nell'esempio, si vede una pompa avente portata 16 m3/h e prevalenza 40.5 m (questa coppia di valori è solitamente definita punto di lavoro). La curva rossa è la caratteristica vera e propria, e si vede come alla portata di 20 m3/h la prevalenza si riduca a circa 36 m. Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro. Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale), che nel nostro caso è di poco inferiore al 50 %. La curva verde indica NPSH(r) della pompa, nel nostro caso pari a circa 1.4 m; si noti come si abbia il minimo NPSH (r), circa 1 m, alla portata di rendimento massimo. La curva blu esprime la potenza assorbita all'asse della pompa con liquido avente densità 1000 kg/m3, nel nostro caso poco superiore a 3 kW.
Nella selezione di una pompa centrifuga, è sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva. Ciò perché, oltre ad avere di norma un rendimento più elevato, questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante l'interposizione, in mandata, di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
[modifica] Normativa
In quanto elementi comuni di moltissime installazioni, le pompe centrifughe sono state in qualche modo normalizzate, in modo da poter sostituire pompe esistenti con altre di fabbricanti diversi.
Le norme più correnti sono la ISO 2858-1975 (e norme collegate), che si riferisce alle pompe centrifughe di uso generale e di processo, con flange metriche, e la API 610 - X edition 2004, che si riferisce a pompe di processo con flange in unità imperiali.
In figura sono mostrate due pompe tipiche dei diversi stili.
[modifica] Varianti
Esistono naturalmente molte varianti rispetto a quanto sopra descritto.
[modifica] Pompe multistadio
Più pompe centrifughe possono essere disposte in serie, in modo da ottenere, a parità di portata, una prevalenza che è un multiplo di quella ottenuta con una sola girante. In pratica, più giranti vengono disposte coassialmente nel corpo : si ottengono così prevalenze fino a diverse centinaia di metri, contro gli 80 - 100 massimi di una pompa monostadio. In figura 7 è mostrata una pompa multistadio, nel caso specifico a 5 stadi.
Per pozzi molto profondi, si utilizzano pompe di questo tipo, che però vengono immerse completamente nell'acqua (figura 8) ed inserite alla profondità opportuna mediante tubi di diametro adeguato: il tubo di mandata diventa solitamente il supporto/sospensione della pompa. Queste pompe hanno mandata centrale, e quindi la particolarità che il fluido pompato viene convogliato attraverso l'albero motore. Ciò richiede tenute più efficienti, ma garantisce un miglior raffreddamento del motore che quindi diventa di dimensioni molto compatte.
[modifica] Giranti
La girante è evidentemente l'elemento centrale della pompa centrifuga, e la sua corretta progettazione è della massima importanza. In genere si usano giranti chiuse (figura 9) che consentono il massimo controllo del flusso, avendo un percorso idraulico ben definito. Tuttavia, in presenza di solidi, specie di dimensioni che eccedono le aperture di passaggio, si usa la girante aperta (figura 10), che assicura un minore rendimento ma evita, per quanto possibile, lo sporcamento della girante stessa.
Per scopi particolari (liquidi abrasivi o grandi quantità di solidi sospesi) si usa arretrare la girante (in questo caso sempre aperta) rispetto al corpo, in modo da creare una rotazione indotta, e la maggior parte del fluido pompato non entra a contatto della girante: si riduce così l'effetto di abrasione. Queste pompe sono dette a girante arretrata.
Il rendimento è naturalmente molto inferiore a quello delle giranti chiuse (a girante nuova) ma si conserva relativamente costante proprio per la ridotta abrasione o sporcamento.
[modifica] Pompe magnetofluidodinamiche
La pompa magneto-fluido-dinamica è un dispositivo in grado di sfruttare la forza di Lorentz. La forza di Lorentz è una forza relativistica che agisce su una particella in transito attraverso un campo magnetico ortogonale al senso del moto. La direzione della forza è perpendicolare sia alla velocità che alle linee dei campo magnetico.
In una pompa di questo tipo, un liquido elettricamente conduttore è libero di scorrere in un tubo immerso in un campo magnetico ortogonale all'asse della conduttura. Per mezzo di due elettrodi viene fatta scorrere una corrente elettrica attraverso il liquido, trasversalmente al tubo e ortogonalmente al campo magnetico. Per effetto della forza di Lorentz le particelle cariche in queste condizioni subiscono una forza in direzione parallela all'asse del tubo e verso determinato dalla stessa legge.
Questo tipo di pompa è estremamente affidabile per via della totale assenza di parti in movimento ed è esente dagli effetti della cavitazione e quindi da fenomeni di usura. Il limite è di potere essere usata solamente per liquidi elettricamente conduttori.
Un tipico impiego si ha nei circuiti di raffreddamento per reattori nucleari a sodio liquido, dove è richiesta una affidabilità elevata. Il sodio al di sopra della temperatura di fusione è infatti elettricamente conduttore.
Un altro impiego, ancora a livello sperimentale, si ha nei sottomarini militari. In questo caso è apprezzata la totale silenziosità, che rende il vascello difficilmente individuabile. Lo sviluppo di questa tecnica è però ostacolato dalla scarsa conducibilità elettrica dell'acqua di mare, che può essere compensata aumentando l'intensità del campo magnetico, ricorrendo eventualmente a magneti superconduttori.
[modifica] Pompa assiale
[modifica] Principio di funzionamento
Nella pompa assiale il movimento del fluido è assicurato da un'elica intubata, che spinge il fluido stesso come un'elica marina. 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). Esistono oggi pompe assiali con portate superiori a 50,000 m3/h. Il funzionamento è semplice ed intuitivo (vedi figura 1) : delle pale inclinate ruotano nel fluido, e quindi lo spingono nella direzione voluta. La pompa assiale è di solito configurata come una curva, per consentire il passaggio dell'albero. Nelle pompe moderne, l'albero è montato a sbalzo (come mostrato in figura) per evitare cuscinetti immersi nel fluido, e solo nei modelli di maggiore portata la supportazione è doppia, comunque fuori dal fluido pompato.
[modifica] Prestazioni
Il movimento del fluido non è, all'uscita della girante, puramente assiale, in quanto la rotazione della stessa da evidentemente una componente rotatoria. Per questa ragione si usa a volte un raddrizzatore di flusso, impropriamente chiamato diffusore, che migliora il rendimento globale della pompa.
La curva caratteristica tipica è illustrata in figura 2. Si noti come la potenza assorbita aumenti all'aumentare della prevalenza, contrariamente a quanto accade per le pompe centrifughe. Questa è una limitazione d'impiego, in quanto sporcamenti nei tubi possono portare all'arresto della pompa per alto assorbimento.
Si può anche notare che, mentre nelle pompe centrifughe si varia la curva cambiando il diametro della girante, nelle pompe assiali si modifica l'angolo di attacco delle pale: le curve rappresentate sono appunto tracciate per angoli di attacco da 10 a 25°. É quindi abbastanza comune l'utilizzo di pompe con palette ad angolo variabile.
[modifica] Impiego
Si è già citato l'impiego di queste pompe nelle opere di bonifica ed in genere come idrovore. Un uso particolare si ha nelle chiuse su fiumi o canali, dove appunto sono richieste grandi o grandissime portate.
In ambito industriale, queste pompe si usano in genere come circolatori nell'industria cartaria e nell'industria chimica, in particolare negli evaporatori.
[modifica] Ad ariete idraulico
Questa pompa sfrutta il fenomeno, solitamente temuto, del colpo d'ariete. Quando un liquido scorre in una conduttura, possiede a causa della sua massa una certa quantità di moto. Se per qualche motivo un flusso di liquido incomprimibile viene arrestato, l'energia meccanica viene convertita in un impulso di pressione che si scarica sulle pareti delle condotte, convertendosi in calore ed eventualmente deformazioni plastiche dei materiali.
La pompa ad ariete idraulico sfrutta questo fenomeno per spingere una parte del liquido ad una altezza superiore a quella corrispondente al livello piezometrico del flusso di liquido in entrata. In pratica si sfrutta la caduta da un dislivello per sollevare parte del liquido ad un livello superiore. Poiché non è possibile violare il principio di conservazione dell'energia infatti, l'energia ricavata dalla caduta di una massa da un dislivello può essere utilizzata per sollevare una massa minore ad una altezza maggiore, senza considerare il rendimento, che solitamente si colloca intorno al 60%, ma si possono ottenere valori dell'80%. In una pompa ad ariete efficiente si riesce a sollevare una quantità d'acqua pari a meno del 10% del flusso entrante a una altezza massima generalmente inferiore a dieci volte il dislivello di partenza.
Il dispositivo è costituito da un tubo (1) al cui interno è presente una paratia mobile (4) che viene indotta a chiudersi dalla velocità del flusso di liquido. La valvola è studiata in modo tale che la chiusura una volta innescata proceda a valanga, bloccando il flusso quanto più bruscamente possibile. Poco a monte della valvola è presente una diramazione laterale dotata di valvola di non-ritorno (5), ovvero una valvola che consente il fluire del liquido verso l'esterno del tubo ma non in senso inverso. Dall'altro lato di questa valvola di non ritorno si trova un serbatoio pneumatico (6), in cui è presente cioè una sacca d'aria con funzione di accumulatore di pressione. Da questo serbatoio parte il tubo (6) da cui fuoriesce l'acqua a pressione. Quando la valvola di blocco è aperta, l'acqua viene scaricata al livello della pompa (2).
Quando inizialmente viene fatto scorrere il liquido alla pompa, la valvola principale è aperta ed il liquido incrementa la sua velocità, fino a ché, giunta ad un limite critico, la valvola interviene, chiudendo il flusso. Inizialmente il serbatoio pneumatico è vuoto, per cui inizia a riempirsi senza difficoltà attraverso la valvola di non ritorno. Quando la pressione del serbatoio eguaglia la pressione del tubo la valvola di non ritorno si chiude e tale pressione rimane accumulata. Nel frattempo, essendosi annullata la velocità del fluido nel tubo, la valvola principale si riapre ed il ciclo ricomincia. Ogni volta la valvola di non ritorno consente il passaggio del liquido a pressione verso il serbatoio ma non viceversa, e dopo diversi cicli la pressione nel serbatoio si porta ad un valore di regime. Il serbatoio ha quindi la funzione di livellare a un valore medio gli impulsi di pressione prodotti dai colpi d'ariete.
Questo tipo di pompa non richiede alcun tipo di alimentazione se non la caduta d'acqua lungo un dislivello, ma comporta una notevole perdita di fluido trasportato. Il suo utilizzo principale, seppur occasionale, si ha per sollevare acqua in luoghi isolati dove ve ne sia in abbondanza ma ad una quota inferiore a quella di utilizzo.
[modifica] Lineari
In queste pompe il movimento è ottenuto applicando un momento linearmente. Un esempio è l'eiettore, in cui un fluido ad alta velocità trascina il fluido da pompare. Nella pompa ad acqua un flusso di acqua viene fatto passare ad alta velocità in una camera. Per effetto dell'equazione di Bernoulli l'aumento della velocità del fluido comporta una diminuzione della pressione e quindi una aspirazione.
[modifica] Voci correlate
| Progetto Ingegneria - Bar degli ingegneri - L'ingegnere - I materiali - Le unità di misura | ||
| Settore Ingegneria Civile e Ambientale Ambiente e territorio - Civile - Geotecnica - Idraulica - Naturalistica - Sicurezza - Sismica - Strutturale - Trasporti |
Settore Ingegneria Informazione Acustica - Biomedica - Elettronica - Informatica - Telecomunicazioni |
Settore Ingegneria Industriale Aerospaziale - Automazione - Biochimica - Chimica - Elettrica - Energetica - Gestionale - Industriale - Materiali - Meccanica - Navale - Nucleare - Processi di produzione |
| Categorie ingegneristiche Aerospaziale - Automazione - Biomedica - Chimica - Civile - Comunicazioni - Elettrica - Geotecnica - Gestionale - Idraulica - Industriale - Informatica - Materiali - Meccanica - Navale - Nucleare - Sismica - Strumentale - Strutturale - Termotecnica - Territorio - Trasporti |
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