Calcolo e Dimensionamento delle Pompe Idrauliche

Nel ruolo di produttori di pompe idrauliche, siamo consapevoli dell’elevato numero di variabili da considerare per scegliere la pompa adatta alle specifiche esigenze applicative. Questo articolo approfondisce i calcoli e i fattori chiave per il dimensionamento delle pompe idrauliche.

Cos'è la Prevalenza di una Pompa?

La prevalenza di una pompa è una grandezza fisica che esprime la capacità della pompa di sollevare un determinato volume di fluido, espresso solitamente in metri di colonna d’acqua, ad un livello superiore dal punto in cui è posizionata la pompa stessa. Possiamo definire la prevalenza come l’altezza massima di sollevamento che la pompa riesce a trasmettere al fluido convogliato. Un esempio è un tubo verticale che sale direttamente dall’uscita di mandata: il fluido sarà pompato lungo il tubo a 5 metri dall’uscita di scarico da una pompa con una prevalenza di 5 metri. La prevalenza è inversamente correlata con la portata.

La prevalenza è l’energia che la pompa cede al fluido. Il fluido, scorrendo all’interno di una tubazione, subisce perdite di carico (deducibili in termini di pressione) dovute all’attrito tra il fluido stesso e le pareti della tubazione. Per calcolarle è necessario definire un fattore di attrito, dipendente dalla velocità del fluido. Lungo la tubazione di un impianto sono presenti numerosi elementi di costruzione e gestione, come valvole, raccordi, restringimenti, ecc., anch’essi responsabili di perdite di carico; per il calcolo relativo a queste perdite di carico esistono diversi metodi. L’indicatore prevalenza pompa è presente ed è consultabile all’interno delle schede tecniche di tutti i nostri principali prodotti.

Ovviamente non tutta l’energia inizialmente disponibile viene trasferita al fluido, si deve perciò considerare un rendimento di tipo meccanico ma anche idraulico, dovuto a perdite di tipo fluidodinamico nei condotti. Anche la forma e le dimensioni della cassa ne influenzano il comportamento, e di conseguenza il dimensionamento si baserà sui parametri impostati dall’impianto.

Portata e Prevalenza: Curve Caratteristiche

La portata Q è il volume utile di liquido convogliato alla bocca premente della pompa nell’unità di tempo. L’unità di misura della portata è metri cubi al secondo (si usano talvolta anche l/sec e m3/h). L’energia meccanica trasferita per unità di peso del liquido si chiama prevalenza e si indica con la lettera H.

Il legame tra portata Q e la prevalenza totale H, a numero di giri costante, è tipico di ciascuna pompa ed è rappresentato da una curva nel piano cartesiano Q, H che si chiama curva caratteristica della pompa. Tale curva rappresenta quindi le variazioni della prevalenza H in funzione della portata Q e viene tracciata sperimentalmente per punti, a numero di giri costante, riportando in ordinata la prevalenza H ed in ascissa la portata Q in un sistema di assi cartesiani ortogonali.

Rendimento delle Pompe

Un’altra grandezza importante è il rendimento η di una pompa, ovvero il rapporto tra la potenza utile Wu e la potenza assorbita W, cioè η = Wu/W. La curva dei rendimenti ha un andamento dapprima ascendente e poi discendente.

Spesso, tuttavia, si hanno a disposizione altri dati per il calcolo della prevalenza, riferiti alle caratteristiche della pompa: si tratta della potenza assorbita e del rendimento. La potenza P assorbita da una pompa è la potenza meccanica assorbita all’albero della pompa o al giunto ed è espressa in kW o W ed è proporzionale alla velocità di rotazione elevata alla terza potenza. Il rendimento η della pompa e la potenza assorbita sono ricavabili dalle curve caratteristiche esposte in precedenza. Per esempio poniamo il caso di calcolare la prevalenza di una pompa centrifuga che assorbe 4,5 KW di potenza con rendimento del 70% fornendo una portata d’acqua di 350 dm3/min.

In altri casi invece si hanno a disposizione dei dati diversi, relativi per esempio alle perdite di carico, al dislivello e alla differenza di pressione fra due serbatoi.

La prevalenza è proporzionale al quadrato della velocità di rotazione della girante ed è indipendente dalla densità del liquido convogliato: quindi, una pompa può convogliare diversi liquidi (aventi la stessa viscosità) alla stessa prevalenza H, indipendentemente dalla loro densità.

Calcolo della Portata nei Sistemi di Riscaldamento

La scelta del circolatore più adatto è basilare per garantire nell’impianto una portata tale che si sviluppi la potenza stabilita in fase di progettazione e per evitare problemi nel funzionamento. Sapendo questo dato e considerando il salto termico Δt fra mandata e ritorno, potremo ottenere la portata in kg/h.

E’ inoltre un dato di fatto il tipo di modulo che si utilizza, che conosciamo già a priori in quanto scelto in base al tipo di impianto da realizzare.

Esempio: per un impianto che utilizza un gruppo diretto M2 e che richiede una potenza P = 50 kW con un salto termico Dt = 20 K calcoliamo la portata: (50 kW X 860):20K = 2150 kg/h

Dobbiamo ora quantificare le perdite di carico del nostro impianto, in modo tale da scegliere un circolatore che non risulti sottodimensionato. Per quanto riguarda il modulo, possiamo conoscerne le perdite di carico seguendo sul diagramma la curva relativa al modello voluto. Troviamo nel nostro caso che per il gruppo di pompaggio diretto M2 ad una portata di 2150 kg/h corrisponde una perdita di carico di 0,75 m di colonna d’acqua. A questa va aggiunta la perdita di carico complessiva dell’impianto (tubi, raccordi, elementi radianti, ecc.) che dovrà essere un dato fornitoci dal progettista.

Dal grafico, il circolatore Star RS 25/6 per una portata di 2150 kg/h ha una prevalenza di 3,6 m.: considerato che, il modulo ne assorbe 0,73 m, rimarrà 2,87 m (poichè 3,6 - 0,73 = 2,87 m) di colonna d’acqua disponibile per compensare le perdite di carico dell’impianto. Se questo dato è sufficiente, possiamo utilizzare la Star RS 25/6, altrimenti si dovrà utilizzare il modello di pompa con prevalenza maggiore.

Calcolo della Caduta di Pressione

Alla portata desiderata, se necessario, è possibile calcolare con procedimento matematico la caduta di pressione causata dalla presenza di un dispositivo idraulico, quando se ne conosce il Kvs; pertanto, con buona approssimazione, assumendo la temperatura standard pari a 20°C e trascurando gli effetti dovuti alla viscosità del fluido, risulta infatti:

Kvs = Q : √h

Dove la portata Q viene espressa in m3/h e h, la differenza di pressione ai capi del dispositivo (caduta di pressione), in bar.

Invertendo la formula precedente si ottiene quindi:

h = (Q:Kvs)2

Essendo 1 bar corrispondente a circa 10,198 mH2O, la caduta di pressione risulta dunque pari a 0,73 mH2O, come riportato nel diagramma.

Strumenti di Dimensionamento

In pochi passaggi questo configuratore per il dimensionamento della pompa ti aiuterà a confrontare i diversi modelli di pompe sommergibili e a trovare quello adatto alla tua applicazione. Con tre semplici click potrai effettuare il calcolo delle prestazioni della pompa. Questo strumento per il dimensionamento della pompa offre un'ampia panoramica delle caratteristiche del prodotto, delle curve di prestazione e della potenza nominale.

Ti stai ancora chiedendo come scegliere la pompa sommergibile giusta? Drenaggio, fanghi leggeri o fanghi pesanti.

Riepilogo Formule Utili

Concludendo, il dimensionamento delle pompe idrauliche richiede un'analisi accurata di diversi fattori, tra cui la prevalenza, la portata, le perdite di carico e il rendimento. L'utilizzo di strumenti di calcolo e la comprensione delle curve caratteristiche sono fondamentali per la scelta della pompa più adatta alle specifiche esigenze dell'impianto.

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