Generalità sulle pompe idrauliche

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/m3 per l’acqua), Q è la portata (m3/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:
NPSH=
p1 -p vap
γ
-Δh-Y
dove p1 è la pressione presente al pelo libero del serbatoio
pvap 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
nella pompa.
Δh
p1
La tensione di vapore come accennato dipende dalla temperatura ed aumenta con quest’ultima.
Alcuni valori sono riportati nella tabella seguente:
Temperatura °C
5
10
15
20
25
30
Tensione di vapore kPA
0,8721
1,2276
1,7051
2,339
3,169
4,246
Il pericolo di incorrere nella cavitazione aumenta con l’aumentare della temperatura.
Ad esempio consideriamo i due casi seguenti:
p1 =1bar
p 2 =1bar
T1 =5°C
T2 =30°C
Δh=7m
Y=1,5m
Δh=7m
Y=1,5m
La pompa che utilizzeremo è la 2HM3 funzionante a 60 l/min.
Nel primo caso risulta pvap=0,8721 kPA mentre nel secondo pvap=4,246 kPa.
Svolgendo i calcoli si ottiene:
NPSH1 =
NPSH 2 =
p1 -p vap
γ
p 2 -p vap
γ
-Δh-Y=
100000 − 872,1
− 5 − 1,5 = 3, 6m
9810
-Δh-Y=
100000 − 4246
− 5 − 1,5 = 3, 26m
9810
Dai dati tecnici della pompa si ottiene un NPSHminimo 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.