Funzionamento delle Pompe Idrauliche Meccaniche
Le pompe idrauliche sono macchine in grado di movimentare fluidi grazie all’energia prodotta da un motore in un circuito chiuso. La loro origine risale addirittura al terzo secolo A.C.: fu Archimede Pitagorico a progettare la prima pompa della storia. Nel corso dei secoli, il processo tecnologico ha prodotto costanti miglioramenti per questi dispositivi, adattandoli sempre di più alle esigenze dell’uomo. In tal senso, prima il motore a combustione, e poi quello elettrico, hanno sancito una svolta nella progettazione delle pompe idrauliche.
Caratteristiche Principali delle Pompe Idrauliche
Per comprendere a fondo le caratteristiche delle pompe idrauliche, è doveroso analizzare alcuni parametri fondamentali:
- Portata: È la grandezza che indica la quantità di acqua (espressa in litri o metri cubi) che una pompa può spostare in un determinato tempo.
- Prevalenza: Indica il dislivello che la pompa, grazie alla pressione esercitata, può far superare all’acqua. In questo caso, si adotta il metro come unità di misura.
- Potenza del motore: Viene espressa in Kilowatt (Kw) e influisce direttamente sulla capacità della pompa di svolgere il suo lavoro.
Abbiamo scritto, in precedenza, che compito della pompa è quello di spostare acqua da un punto all’altro, anche su diversi livelli. In questo caso, si adotta il metro come unità di misura. Infine, dobbiamo tener conto della potenza del motore elettrico della pompa, che viene espressa in Kilowatt (Kw). Questa premessa era doverosa, per comprendere a fondo quali sono le caratteristiche delle pompe idrauliche.
Tipologie di Pompe Idrauliche
Esistono diverse tipologie di pompe idrauliche, ognuna con caratteristiche e applicazioni specifiche:
Pompe Centrifughe Multistadio
Nelle pompe centrifughe multistadio, i giranti sono più di uno, e agiscono in sequenza durante il lavoro. Per scegliere la giusta dimensione di una pompa centrifuga, bisogna considerare quale apporto di acqua necessita il punto dove la stessa deve arrivare.
Pompe Idrauliche Sommerse
Le pompe idrauliche sommerse svolgono un lavoro specifico. E’ fondamentale che l’intera pompa sia coperta dall’acqua, “sommersa”, come indica il suo nome. Le pompe sommerse sono generalmente in funzione per periodi di tempo molto lunghi e sono progettate, quindi, per prestazioni di lunga durata, in rapporto ad un livello basso di manutenzione. L’alimentazione a corrente elettrica comporta di misurare bene la lunghezza del cavo elettrico che, inoltre, deve essere guainato e ideato proprio per questa funzione.
Pompe Portatili
La pompa viene collocata sotto il livello dell’acqua ma, diversamente da quella sommersa, una volta terminato di pompare l’acqua ha finito il suo compito e viene spenta. Grazie alla sua forma compatta e maneggevole, e al galleggiante integrato, è particolarmente adatta per pozzetti di scarico di dimensioni ridotte. Può trovare applicazione come pompa portatile per casi di emergenza quali: prelievo d’acqua da serbatoi o fiumi, svuotamento di piscine e fontane o di scavi e sottopassaggi. Idonea anche per giardinaggio ed hobbistica in genere.
Circolatori Elettronici
I circolatori elettronici sono uno strumento importantissimo negli impianti di riscaldamento. Il loro lavoro è quello di portare l’acqua nel circuito dei termosifoni e, in alcuni tipi di impianto, anche ai rubinetti. Oggi i circolatori sono dotati di motore inverter. I circolatori sfruttano al meglio l’energia meccanica fornita dal motore elettrico.
Stazioni di Raccolta e Sollevamento Acque
Le stazioni di raccolta e sollevamento acque sono altri meccanismi di manipolazione dell’acqua. Queste stazioni agiscono come una vera e propria pompa, quando le acque dei wc, dei lavandini, delle docce o dei bidet non riescono a essere espulse normalmente a causa di problemi di gravità.
Pompe Volumetriche
È opportuno precisare subito che una pompa volumetrica, di qualunque tipo essa sia, eroga semplicemente una portata che può essere considerata circa costante, mentre il livello di pressione alla mandata non dipende dalla pompa ma soltanto dal circuito a valle della stessa. Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche.
Cilindrata
Con il termine cilindrata di una pompa si indica il volume teorico di liquido spostato (aspirato ed espulso) in una rotazione completa dell’albero motore. Nel ciclo reale si hanno una serie di perdite che vanno ad incrementare l’area del ciclo e quindi la potenza interna richiesta dalla macchina. Inoltre, a causa delle perdite di tipo meccanico, la potenza assorbita dalla pompa è superiore alla potenza interna: si introduce, a tal fine, il rendimento meccanico ηm pari al rapporto tra la potenza interna e quella assorbita.
Il rendimento globale della pompa ηP, che appare nella espressione precedente, è definito come il rapporto tra la potenza idraulica conferita al fluido dalla pompa e la potenza meccanica assorbita attraverso l’albero motore ed è esprimibile come prodotto dei rendimenti volumetrico, idraulico e meccanico prima introdotti. All’avviamento della pompa, nei vani viene trasportata, dall’attacco di aspirazione a quello di mandata, solo l’aria presente nelle tubazioni dall’aspirazione al serbatoio. Affinché il funzionamento della pompa sia corretto, è necessario che i vani siano a tenuta pressoché perfetta, in modo da garantire un trasporto del fluido senza perdite rilevanti.
Pompe ad Ingranaggi Esterni
Le pompe ad ingranaggi esterni hanno cilindrate comprese tra 0.2 e 200 cm3, con una pressione massima di esercizio di circa 300 bar e una velocità di rotazione compresa fra i 500 e i 6000 RPM.
Pompe ad Ingranaggi Interni
La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità. Mettendo in rotazione il rotore dentato accoppiato al motore di azionamento il volume fra i fianchi dei denti aumenta e la pompa aspira. L'aumento di volume interessa un angolo di rotazione di circa 120°, per cui il vano si riempie in un tempo relativamente lungo. Nella zona delimitata dall'elemento di riempimento a forma di falce il fluido viene trasportato senza variazione di volume.
Pompe a Viti
Le pompe a viti, così come le pompe ad ingranaggi interni, presentano una notevole silenziosità di funzionamento. L’albero ad elica destra, viene accoppiato al motore dal quale riceve la coppia e trasmette il movimento rotatorio all’altro albero, munito di elica sinistra. Dal punto a minor distanza tra le due circonferenze, procedendo in senso orario si ha dapprima un progressivo aumento del volume delle camere, per poi subire una diminuzione progressiva.
Pompe a Pistoni Radiali
Nelle pompe a pistoni radiali con albero eccentrico, l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso. Le pompe a pistoni radiali vengono generalmente progettate con un numero di pompanti dispari, poiché un numero di pompanti pari - anche se maggiore - presenta una pulsazione di portata superiore.
Pompe a Pistoni Assiali
In questo tipo di macchina il movimento rotatorio dell’albero si trasforma in un moto oscillatorio dei pistoncini (pompanti) nella direzione parallela a quella dell’asse di rotazione. Mettendo in rotazione l’albero il blocco cilindri viene trascinato dall’accoppiamento scanalato.
Unità a Pistoni Assiali a Blocco Cilindri Inclinato
L'unità a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato (detta anche ad asse inclinato) è una macchina volumetrica i cui pistoni, insieme al blocco cilindri in cui scorrono, sono montati in posizione inclinata rispetto all'asse dell’albero. Ad ogni giro completo dell'albero i pistoni compiono nei rispettivi alloggiamenti ricavati nel blocco una corsa di andata e ritorno, la cui entità è proporzionale all'angolo d'inclinazione.
Motori Idraulici e Pompe Oleodinamiche
Cos'è e Come Funziona un Motore Idraulico?
Le pompe oleodinamiche vengono utilizzate nei sistemi idraulici in numerosi settori industriali. Esse convertono l’energia meccanica in energia idraulica, permettendo di muovere fluidi sotto pressione per generare forza e movimento. Una pompa oleodinamica è un dispositivo che trasforma l’energia meccanica, derivata solitamente da un motore elettrico o a combustione interna, in energia idraulica. Questo avviene attraverso il movimento di un fluido, tipicamente olio, che viene pressurizzato e fatto circolare nel sistema idraulico.
Tipologie di Pompe Oleodinamiche
- Pompe a pistoni: Sono tra le più efficienti e vengono utilizzate in applicazioni che richiedono alta pressione e precisione. Il loro funzionamento si basa sul movimento di pistoni all’interno di cilindri, che comprime il fluido e lo spinge nel sistema idraulico. Queste pompe possono essere a pistoni assiali o radiali, a seconda dell’orientamento dei pistoni rispetto all’albero motore.
- Pompe a ingranaggi: Sono tra le più comuni e sono utilizzate per applicazioni che richiedono portate costanti e medie pressioni. Queste pompe funzionano grazie a due ingranaggi che, ruotando, intrappolano il fluido tra i denti e lo spingono nel sistema idraulico.
- Pompe a palette: Sono caratterizzate da un rotore dotato di palette scorrevoli che spingono il fluido nella camera di compressione. Queste pompe sono utilizzate in applicazioni che richiedono pressioni moderate e sono apprezzate per il loro funzionamento silenzioso e la capacità di gestire fluidi con viscosità variabile.
Le pompe oleodinamiche trovano applicazione in una vasta gamma di settori, tra cui l’industria manifatturiera, la costruzione, l’agricoltura e l’automazione. Uno dei principali vantaggi delle pompe oleodinamiche è la loro capacità di fornire elevata potenza con dimensioni e peso relativamente contenuti.
Evoluzione Storica delle Pompe Idrauliche
Una prima comparsa delle pompe idrauliche avviene nel terzo secolo A.C. grazie ad Archimede, il quale progettò la pompa nota come Vite di Archimede: questo dispositivo era in grado di spostare grosse quantità di fluido, a basse prevalenze. Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria: si tratta di un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri. Il funzionamento è quello tipico di un mulino, dove un corso d’acqua svolge la funzione di fonte di fluido e di energia meccanica.
Intorno al 1600 l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia.
Tipologie di Pompe Idrauliche Basate sul Movimento
Pompe Alternative (o a Stantuffo)
Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo. Questo esercita una pressione sul fluido trasferendovi energia.
Pompe Centrifughe
Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore.
Girante
Si tratta di un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido. Le pompe centrifughe, quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, possono essere a multi-girante. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore.
Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Queste ultime possono essere impiegate quando lo spazio disponibile per l’installazione è veramente esiguo, in quanto il motore è posto proprio sopra la pompa. Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico. Queste pompe possono, perciò, essere installate sotto il livello del liquido e sono utilizzate quindi per pompare acqua da pozzi particolarmente profondi o da serbatoi interrati.
Le centrifughe possono essere anche autoadescanti, queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato.
Pompe Centrifughe Autoadescanti a Canale Laterale
Presentano dalla parte più esterna una camera separata in due settori che individuano la camera di aspirazione e la camera di mandata. Nella zona centrale delle due camere sono presenti rispettivamente una luce di aspirazione ed una luce di mandata. Posteriormente a questa camera esterna è presente una camera in cui ruota una girante aperta di tipo stellare, rotante con un gioco minimo, in modo da assicurare una elevata capacità d’innesco, lavora cioè a sfioramento con il corpo e la culatta della pompa, creando così una depressione che preleva il liquido che, dalla camera di aspirazione, tramite la luce di carico, viene trasferito alla luce di scarico e quindi alla camera di mandata.
Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico.
Pompe Rotative
Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione.
Pompe ad Ingranaggi
Pompe ad ingranaggi che sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento.
Funzionamento Generale e Aspetti Importanti
La funzione principale delle pompe idrauliche è quella di movimentare le acque di flusso. L'elemento essenziale che permette alla pompa di compiere questo sforzo è il motore. La pompa cosiddetta centrifuga possiede un'entrata dell'acqua (definita aspirazione), posizionata in corrispondenza dell'asse centrale dell'elettropompa. L'accensione di un motore elettrico fa muovere alcune pale, dette giranti, che spingono i liquidi pompati dal centro della pompa, verso l'esterno.
Il disegno caratteristico di una pompa è caratterizzato da una curva. Come si leggono e interpretano le informazioni di questo schema, presente nella scheda tecnica di ogni pompa è molto semplice. Il grafico mette in relazione 2 assi che rappresentano da un lato la massima pressione (prevalenza) prodotta dell'elettropompa e dall'altro la lunghezza portata in litri/min. Come è facile intuire, conoscendo un minimo i principi fisici che regolano la pressione dei liquidi, la pompa avrà il massimo della prevalenza e quindi della forza, quando la portata sarà pari a zero. Ogni libretto delle istruzioni presenta un disegno di questo tipo.
Queste tipologie di pompe sono differenti da quelle centrifughe monogirante, perchè montano sull'asse diverse giranti, separate tra loro da diffusori, ovvero dei propri "raddrizzatori del flusso dell'acqua". La differenza principale del il sistema di funzionamento trifase è che in questo caso non si necessita ne del condensatore, ne tanto meno del collegamento con il neutro.
Ogni pompa che andrà installata dovrà essere completamente piena di acqua e non contenere alcun minima particella d'aria, affinchè la possa trasferire energia all'acqua. La spurgo dell’aria avviene di solito al primo avviamento e la pompa deve essere in marcia. In questo caso il livello dell'acqua nel serbatoio si trova ad un'altezza superiore rispetto alla pompa. L'acqua riempie la pompa cadendo dall'alto, spinta dal suo stesso peso dal serbatoio di raccolta.
Il funzionamento dello spurgo è più complicato quando la pompa dovrà compiere un'aspirazione da un pozzo, cisterna o serbatoio che e’ posto al di sotto della pompa stessa. In questo caso la tubazione necessaria per l'aspirazione dovrà disporre di una valvola di non ritorno immersa nel serbatoio. In concreto, le valvole di non risalita, saranno montate all'estremità del tubo di aspirazione e in corrispondenza di un filtro, costituito da una rete metallica, che blocchi l'aspirazione dello sporco, rimasto sul fondo del deposito dell'acqua. La massima altezza affinchè una pompa possa lavorare correttamente, detta anche capacità di autodescamento, è di circa 8-9 metri.
Un aspetto da considerare nel momento in cui si volesse comprare un'elettropompa è che una per prelevare l'acqua e spostarla dovrà essere necessariamente collegata all'elettricità. Questo significa avere una pompa idraulica sempre attiva, indipendentemente dal fatto che avvenga o meno un consumo di acqua. Il funzionamento di un presscontrol dipenderà dalla pressione massima della pompa. Questo particolare strumento dovrà sempre tener conto della potenza della pompa elettrica. Sarà indispensabile fare sempre riferimento ai dati tecnici riportati sulla confezione del presscontrol, dove è indicato certamente la potenza massima di corrente che potrà tollerare.
Come dicevamo sopra, il compito di un presscontroll potrà anche essere svolto da un pressostato.
L'altezza di aspirazione non può, in nessun caso, superare limiti ben precisi. Ha non superi i 6÷7 metri, questo per evitare la cavitazione.