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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELLE POMPE
Le pompe sono macchine idrauliche operatrici che, ricevendo energia meccanica da un
qualsiasi motore, la trasmettono, nella misura consentita dal rendimento del gruppo
pompa-motore, al liquido che le attraversa.
Le pompe sono impiegate per sollevare quantitativi d'acqua o di altri liquidi da un livello
inferiore ad uno superiore, facendogli vincere un certo dislivello e conferendo all'acqua
una spinta.
Le pompe si possono classificare nelle due grandi categorie delle macchine a moto
rotatorio e a moto alternativo.
¾ POMPE CINETICHE , in cui, 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.
A questa categoria appartengono le pompe di impiego più comune, ovvero le
pompe centrifughe.
¾ POMPE VOLUMETRICHE, che spostano quantità di liquido costanti per ogni ciclo
di funzionamento. Possono essere alternative o rotative. Caratteristica
fondamentale è che la portata erogata non dipende dalla prevalenza, ma solo dal
numero di cicli effettuati nell'unità di tempo.
¾ POMPE SPECIALI, tutte le pompe che non rientrano nelle categorie precedenti,
ce funzionano secondo principi di funzionamento particolari o che rispondono ad
esigenze specifiche.
Esaminiamole ora singolarmente
POMPE CINETICHE O DINAMICHE
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POMPE CENTRIFUGHE
La pompa centrifuga é di gran lunga la pompa di uso più comune, sia in ambito
industriale che civile.
Funzionamento
Figura 1 : Principio di funzionamento
della pompa centrifuga
Se ne comprende il funzionamento osservando (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 di rotazione) 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.
Figura 2 : Dinamica del fluido in una
pompa centrifuga
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.
POMPE VOLUMETRICHE
Si dicono pompe volumetriche quelle pompe che sfruttano la variazione di volume in una
camera per provocare un'aspirazione o una spinta su un fluido.
Il cuore dell'uomo e degli animali è una pompa di questo tipo.
POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE
Figura 3: Pompa a vite di Archimede
•
Vite di Archimede
3
Questo tipo di pompa sposta quantità costanti di liquido ad ogni rotazione. Per limitare i
trafilamenti tra vite e statore si usa per basse prevalenze ed alte portate. È oggi utilizzata
come idrovora e come mezzo di sollevamento negli impianti di depurazione acque.
•
Noria
Malgrado la relativa antichità di questa pompa, la noria resta ad oggi l'unica a utilizzare lo
stesso fluido pompato come fluido motore. Di fatto è un'evoluzione della ruota idraulica,
combinando una ruota da sotto (motrice) con una, modificata, da sopra (operatrice).
POMPE VOLUMETRICHE A STANTUFFO O PISTONE
La variazione di volume è ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un cilindro,
e opportune valvole di ritegno forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne
impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone.
Questo tipo di pompe può essere diviso in:
•
•
a semplice effetto, se il pistone compie lavoro solamente durante la corsa in un
senso;
a doppio effetto, se il pistone compie lavoro sia all'andata che al ritorno.
Un'altra suddivisione molto empirica si può avere in:
•
•
•
aspiranti: il pistone produce una depressione che provoca il sollevamento del
liquido lungo un tubo e la sua espulsione dalla pompa a pressione ambiente;
prementi: il fluido entra nel cilindro a pressione ambiente e viene sollevata per
effetto della pressione; in questo caso il cilindro si trova allo stesso livello o al di
sotto del liquido da sollevare;
aspiranti e prementi: integrano entrambe le funzioni.
L'azione della pompa premente non ha alcuna limitazione teorica. I limiti sono dovuti ai
problemi di contenimento della pressione elevata da parte della camera della pompa, delle
guarnizioni e delle valvole.
Le pompe a stantuffo sono utilizzate per portate piccole e medie e per alte e altissime
prevalenze.
POMPE VOLUMETRICHE A MANO
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Di fatto si tratta di una pompa a pistone semplice, di
larghissimo impiego nelle campagne e, in tempi
passati, nelle fontane pubbliche delle città. Si presta
bene all'estrazione di acque da pozzi di piccola
profondità (fino a 10 - 15 m, anche se esistono modelli
capaci di pompare da 100 m: in tal caso, però,
possiedono
sistemi
piuttosto
complessi
di
demoltiplicazione per ridurre lo sforzo).
Figura 4: Schema di pompa a mano
POMPE VOLUMETRICHE A MEMBRANA
Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo è la pompa a diaframma, in
cui la variazione di volume è data dall'oscillazione di una membrana che chiude un lato di
una camera. Il vantaggio di questa soluzione è l'assoluta impermeabilità ottenuta con
l'eliminazione dello scorrimento tra parti.
Il movimento può essere impresso alla membrana per via meccanica, per esempio
attraverso un sistema a leva e manovella o una camma, oppure preumaticamente,
alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a
quella di pompaggio.
La pressione massima è limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la
membrana, solitamente gomma e, nel caso di alimentazione pneumatica, è direttamente
proporzionale alla pressione fornita dall'aria di alimentazione. Sono utilizzate per portate
piccole e medie, e prevalenze medie e alte.
Figura 5: pompe a membrana
5
POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
Figura 6: Schema di pompa ad ingranaggi
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume
causata dall'ingranamento dei denti di due
ingranaggi. Sono ampiamente usate per pompare
l'olio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche
se in tal caso il più delle volte si tratta di una pompa
ad ingranaggio trocoidale), per pompare l'olio nel
circuito idraulico di macchine per movimento terra, e
in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido è
viscoso purché non sia dannoso alla pompa stessa,
in funzione dello scorrimento tra le parti componenti.
Un caso particolare della pompa ad ingranaggi è la
pompa a vite (da non confondere con quella a vite
eccentrica), che si può considerare come pompa ad
ingranaggi ad un solo dente.
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi: a lobi, a palette e a vite eccentrica, detta anche a cavità progressiva o
mono.
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata, al cui interno ruotano su assi
paralleli ed in modo sincrono due lobi. Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca
di aspirazione a quella di mandata, creando così un flusso ragionevolmente continuo.
Posizione 0-Gradi:
Trasporto attraverso i lobi
superiori. Chiusura
attraverso i lobi inferiori.
Posizione 90 Gradi:
Trasporto attraverso i lobi
inferiori.Chiusura
attraverso i lobi superiori.
Corsa di ritorno:
Direzione di flusso invertita
attraverso il cambiamento
del senso di rotazione della
pompa.
Fig.7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore, all'interno del quale scorrono in senso
radiale delle palette, caricate da molle che fanno così scorrere le palette contro lo statore;
le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta. Con la rotazione del rotore si
ha una serie di camere, a volume costante o decrescente. Il fluido viene così trasportato
dalla bocca di aspirazione a quella di mandata. Non sono necessarie le valvole e la pompa
è facilmente reversibile. La prevalenza di questo tipo di pompe è limitato dalla scarsa
tenuta delle palette; anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti
aventi un certo potere lubrificante.
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Fig.8 Pompa a palette
Le pompe a cavità progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico
(solitamente gomma sintetica) all'interno del quale è impressa una spirale, e da un rotore
solitamente metallico a forma di spirale, di diametro inferiore a quello dell'impronta dello
statore, eccentrico rispetto all'asse di rotazione. Le due spirali sono realizzate in modo che
vi siano sempre generatrici a contatto, e si crea così una cavità stagna (grazie al contatto
rotore metallico - statore in gomma) che si sposta, grazie al movimento rotatorio
eccentrico, verso la bocca di mandata, Queste pompe sono molto versatili, e sopportano
liquidi con solidi in sospensione, se non troppo abrasivi; sono adatte per portate da basse
a medie e prevalenze medie e medio-alte. grazie al loro sviluppo longitudinale, hanno
basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo
svuotamento.
Fig.9 Pompa a cavità
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sull'effetto della peristalsi, ovvero lo
scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha
l'effetto di spremere attraverso di esso il fluido
contenuto. Sono costituite da un rotore che porta
diversi rulli. Ruotando i rulli schiacciano un tubo
di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10: Pompa peristaltica per calcestruzzo
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Il principale vantaggio di questa pompa è che il fluido contenuto non entra in contatto con
altra parte se non il tubo, ed è isolato dall'atmosfera. Per questo motivo è particolarmente
utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella
emodialisi.
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe più comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono
quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe.
Le pompe assiali possono spostare grandi quantità d'acqua, ma con prevalenze modeste
e vengono impiegate soprattutto in bonifica, dove è necessario sollevare portate d'acqua
ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore). Si tratta d'impianti di grandi dimensioni,
quindi fissi, utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non
avrebbero scolo. In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere
prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite, attraverso canali esistenti o
appositamente costruiti, verso queste pompe, adatte ad allontanare grandi quantità
d'acqua.
Le pompe centrifughe coprono ampi settori d'applicazione per la loro versatilità e per la
possibilità
di
raggiungere
forti
prevalenze
anche
con
portate
elevate.
Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento d'incendi, il
prosciugamento di locali allagati, l'approvvigionamento idrico in casi d'emergenza.
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento
dell'acqua per effetto della forza centrifuga.
Una pompa centrifuga è composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da
una parte fissa, o corpo di pompa, entro cui si muove l'acqua convogliata dalla forza
centrifuga impressale dalla girante. L'acqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di
aspirazione e viene inviata, attraverso il movimento della girante, nel tubo di mandata.
Il tubo di aspirazione è assiale rispetto alla girante, il tubo di mandata è radiale.
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e l'acqua,
spinta dalla pressione atmosferica, risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul
corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11).
Le pompe centrifughe, a seconda della disposizione dell'albero di trasmissione che muove
la girante, si distinguono in orizzontali e verticali.
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga.
(1) Tubo di aspirazione; (2) Tubo di mandata; (3) Girante;
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga.
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Figura 13 : Sezione di una pompa centrifuga
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 (elettrico o a scoppio), 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 14, o centreline (vedi figura 15), 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.
Figura 14 : Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe S.p.A.)
Figura 15 : Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe S.p.A.)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore, e a
seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina, si distinguono in
elettropompe o motopompe. Sono pompe molto versatili, di dimensioni e peso contenuti,
facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o
barellate). Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per l'uso
antincendio. In quest'ultimo caso devono fornire alte pressioni all'acqua pompata, e questo
si può ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio. L'acqua, all'uscita della
prima girante, entra in una seconda e così via fino ad imboccare il tubo di mandata. La
prevalenza della pompa è data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti.
Figura 16 : Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti è in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata.
Il limite delle pompe centrifughe orizzontali è la profondità massima d'aspirazione. Poiché
è la pressione atmosferica che spinge l'acqua nel tubo d'aspirazione, la profondità
massima da cui è possibile aspirare l'acqua è quella corrispondente alla pressione
atmosferica, cioè a 10,33 m. In realtà, a causa delle perdite di carico, non è possibile
sollevare l'acqua da una profondità superiore a 6-7 m dall'asse della pompa.
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo
pompa può essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre l'acqua, riducendo a zero
l'altezza d'aspirazione. Il gruppo motore rimane in superficie, accoppiato attraverso un
albero di trasmissione oppure, come avviene più comunemente oggi con le pompe
sommergibili o sommerse, realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore,
necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile all'acqua (figura 17).
11
Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio).
Le pompe sommergibili possono così essere calate sotto il livello dell'acqua, utilizzando il
tubo stesso di mandata dell'acqua, ed evitare i problemi dell'altezza d'aspirazione.
Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli d'acqua profondi o
con acque torbide, oppure per l'approvvigionamento idrico d'emergenza da pozzi.
Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli
prevalenze, quindi adottare giranti multiple. Un altro inconveniente, nel caso d'impiego in
emergenza, é costituito dal motore elettrico che può richiedere, in assenza d'alimentazione
elettrica, l'impiego di un gruppo elettrogeno.
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
13
PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi l'acqua dal livello A al livello B.
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo d'aspirazione, in modo tale che l'acqua vi
salga spinta dalla pressione atmosferica, ed inviarla in pressione nel tubo di mandata.
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento d'acqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza.
(1) tubo di aspirazione; (2) tubo di mandata
Si definisce:
•
•
•
altezza geodetica d'aspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la
pompa,
altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa,
prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
all'aspirazione (Figura 17).
La prevalenza geodetica H, comunemente definita prevalenza, corrisponde quindi alla
somma delle altezze geodetiche d'aspirazione Ha e di mandata Hm.
Con riferimento alla figura 17b, se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico
piano di riferimento la prevalenza H è data dalla differenza:
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dell'acqua all'aspirazione e quello alla mandata,
coincidente con l'altezza H di figura 17a.
Si può determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente
fra il livello dell'acqua d'aspirazione e quello di mandata: una pompa che aspira acqua da
una vasca appoggiata al terreno, contenente un metro d'acqua e la solleva fino ad un
serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m.
In realtà nella vasca d'aspirazione ed in quella di mandata l'acqua è caratterizzata, oltre
che da altezze diverse, anche diverse pressioni e velocità, per cui la pompa non le ha solo
fornito un'energia potenziale sollevandola di un'altezza H2 - H1, ma le ha anche dato una
pressione P2 - P1 ed una velocità (quindi un'energia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla
differenza fra la pressione e la velocità finali ed iniziali.
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa l'acqua subisce dei rallentamenti e
quindi delle perdite d'energia, definite perdite di carico, che si traducono in una minor
prevalenza. Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo
l'auto, l'acqua esce più lentamente e non arriva più dove arrivava prima: la chiusura del
rubinetto ha aumentato le perdite di carico, cioè si è verificata una perdita d'energia a
discapito della prevalenza totale.
PORTATA
La portata della pompa è il volume d'acqua, misurato in litri o metri cubi, che viene mosso
dalla pompa nell'unità di tempo (generalmente secondi o minuti). La portata si misura
pertanto in litri al secondo (l/s), litri al minuto (l/m), metri cubi all'ora (mc/h), ecc.
La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le
pompe.
POTENZA
La pompa, per sollevare una portata d'acqua Q fornendole una prevalenza totale Ht
compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowatt/ora),
cioè un'energia, fornitale attraverso un motore, definita dalla seguente espressione:
P = 9,8 * Q * Ht
La potenza così espressa è la potenza utile, cioè quella strettamente necessaria per
sollevare la portata d'acqua Q all'altezza H.
A causa delle inevitabili perdite d'energia la potenza utilizzata, cioè quella realmente
necessaria per far funzionare la pompa, è maggiore e viene definita potenza assorbita.
Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita è definito rendimento. Il rendimento è
sempre inferiore all'unità perché in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile è sempre
minore di quella assorbita.
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse, essendo la prima proporzionale
al quadrato della velocità e la seconda direttamente proporzionale alla velocità.
All'aumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza, e la reciproca
variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva
caratteristica.
Un esempio appare in figura 18. 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)
Figura 18 : Curva caratteristica
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
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assorbita all'asse della pompa con liquido avente densità 1000 kg/m3, nel nostro caso
poco superiore a 3 kW.
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe.
(19a) Curva teorica; (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica, costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa, si può
desumere quale sarà la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata
(figura 19a). Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere
riferito alla portata erogata.
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore, per cui in realtà
ogni pompa è caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche, cioè da andamenti
portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b).
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)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all'interno
di un liquido, che poi implodono producendo un rumore caratteristico.
Ciò avviene a causa dell'abbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla
tensione di vapore del liquido stesso, che subisce così un cambiamento di fase a gas,
formando cavità contenenti vapore.
La dinamica del processo è molto simile a quella dell'ebollizione. La principale differenza
tra cavitazione ed ebollizione è che nell'ebollizione, a causa dell'aumento di temperatura,
la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido, creando quindi una
bolla meccanicamente stabile, perché piena di vapore alla stessa pressione del liquido
circostante: nella cavitazione invece è la pressione del liquido a scendere
improvvisamente, mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti. Per
questo motivo la "bolla" da cavitazione resiste solo finché non esce dalla zona di bassa
pressione idrostatica: appena ritorna in una zona del fluido in quiete, la pressione di
vapore non è sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione
implode immediatamente.
Il fenomeno può avvenire sulle eliche delle navi, nelle pompe e nel sistema vascolare delle
piante.
Affinché la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di
nucleazione: può essere la superficie di un contenitore, impurità presenti nel liquido
oppure altre irregolarità. La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione,
poiché altera la tensione di vapore. Se la temperatura aumenta, la maggiore tensione di
vapore facilita la cavitazione.
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione
quando la portata, o la prevalenza, o la potenza generata calano di più del 3% rispetto a
condizioni analoghe in assenza di cavitazione.
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione è un fenomeno indesiderato e fonte di problemi. In dispositivi
come pompe ed eliche, la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza,
emissione di rumore e danneggiamento dei componenti.
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di un'elica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono
nel liquido, si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato. Più
velocemente la lama avanza, maggiore è l'abbassamento di pressione; quando viene
raggiunto il valore della tensione di vapore, il liquido evapora e forma le bolle di gas. Nelle
pompe la cavitazione si può manifestare in due modi:
Fig. 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa
pressione, e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa. Le bolle di
vapore attraversano la girante, e quando giungono nella sezione di uscita, l'alta pressione
qui presente ne causa la violenta implosione, che crea il caratteristico rumore, come se la
pompa stesse facendo passare della ghiaia. Ciò comporta una consistente erosione della
pompa sia in aspirazione che in mandata, con conseguente diminuzione delle
caratteristiche idrauliche.
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione è espresso dal concetto di
NPSH (Net Positive Suction Head), in genere espresso in metri (sistema tecnico). In
particolare l'NPSH(r) (acronimo per NPSH required) è caratteristico della pompa ed
esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per l'attraversamento della porzione
della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico,
energia cinetica, eventuale dislivello). L'NPSH(a) (acronimo per NPSH available),
strettamente legato al circuito, esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della
flangia di aspirazione, decurtato della quantità Psat(T)/γ. Per assicurare il funzionamento
in assenza di cavitazione si dovrà avere che NPSH(a) > NPSH(r).
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig. 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto d’usura riportato.
L’autoadescamento avviene per borbottamento dell’aria all’interno del liquido imprigionato
nel corpo della pompa, che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un
rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profondità. Una valvola di non ritorno
incorporata nel corpo evita lo svuotamento di quest’ultimo alla fermata della pompa,
permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa. La tenuta meccanica è
in metallo duro resistente all’abrasione ed è lubrificata tramite una camera a grasso sul
retrotenuta.
VANTAGGI
La capacità di autoadescamento permette l’uso di tali pompe senza riempire la condotta di
aspirazione ed evita la valvola di fondo. Possono quindi essere agevolmente usate in
versione trasportabile con motori elettrici o endotermici, oppure nell’aspirazione da vasche
o canali profondi o lontani.
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Fig. 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo
La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e
riportato con viti di acciaio inossidabile, conferiscono alla macchina una buona resistenza
all’azione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia, terriccio, polvere di marmo ecc..
Ampie aperture sul corpo permettono l’ispezione dell’interno della girante senza dover
smontare la pompa.
Fig. 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot. civile
AUTOADESCAMENTO
L’autoadescamento è la capacità di aspirare l’aria nella condotta di aspirazione durante la
fase di
avviamento della pompa. Ciò avviene mettendo in forte turbolenza il liquido all’interno del
corpo pompa. E’ quindi necessario riempire preventivamente, tramite l’apposita portina
superiore, il corpo pompa di liquido da pompare.
All’avviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di
mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla
mandata. Qui l’aria si separa grazie alla forte diminuzione della velocità. Tutte le pompe
autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione. Questa depressione è ampiamente sufficiente
per garantire, durante la fase di pompaggio,un corretto funzionamento della pompa.
Fig. 25 fase di adescamento
MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di
Vigili del Fuoco e Protezione Civile. Il rapido adescamento, anche con elevata prevalenza
di aspirazione, l’elevata portata e prevalenza e l’altissima qualità dei materiali impiegati
per la costruzione sono le caratteristiche principali .
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della
girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride, con sassi e corpi solidi in
sospensione rendendo così possibile anche l’utilizzo senza impiegare il filtro di
aspirazione.
Fig. 25 particolare della girante
21
OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA
SVUOTAMENTO
Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una
motopompa autoadescante
1. RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
2. APRIRE GLI SPORTELLI AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3. AVVITARE IL TUBO DI MANDATA
4. CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
22
5. SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO
POMPA
6. RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7. RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA
8. RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9. COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO)
10. TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA
CHIAVE PER AVVIARE
23
11. ATTENDERE L’ADESCAMENTO DELLA POMPA
CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12. DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO
MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13. PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA
GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14. EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A
STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti
Probabili cause
Pompa bloccata
•
Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione d’acqua
•
Presenza d’aria nella pompa e nella tubazione di
aspirazione
Valvola di fondo difettosa o ostruita
Entrata d’aria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione
Altezza d’aspirazione eccessiva
Velocità di rotazione troppo bassa
Errato senso di rotazione
•
•
•
•
•
Portata insufficiente
•
•
•
•
•
Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro
insufficiente
Girante usurata o ostruita
Altezza d’aspirazione eccessiva
Tenute sul corpo pompa usurate
Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente
•
•
•
•
•
•
Altezza d’aspirazione eccessiva
Velocità di rotazione troppo bassa
Errato senso di rotazione
Eccessiva quantità d’aria o gas nell’acqua
Girante usurata o ostruita
Aspirazione d’aria dalla tubazione di aspirazione, dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella
pompa
•
•
•
•
•
•
Funzionamento in cavitazione
Pompa e tubazioni non saldamente fissate
Funzionamento a portata troppo ridotta
Presenza di corpi estranei nella pompa
Errato allineamento del gruppo
Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della
pompa
•
•
Mancanza o eccesso di lubrificazione
Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di
potenza
•
•
•
•
Velocità di rotazione eccessiva
Scelta della pompa con caratteristiche errate
Pompa non regolata alle caratteristiche previste
Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dell’opera è stata effettuata dal G.O.R. Paderno
Tel.:02-9105541 Fax.: 02-99045022
E-mail:[email protected] – http:\\www.gorpaderno.it
Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione
2008
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