Pompa Idraulica: Principi di Funzionamento e Applicazioni
Le macchine idrauliche sono strumenti e macchinari che utilizzano la potenza di un fluido per compiere lavoro e trovano impiego in numerose applicazioni pesanti.
Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è la capacità di trasmettere grandi potenze a qualsiasi distanza tramite tubi flessibili, consentendo trasmissioni disassate e senza particolari vincoli di allineamento, con un'ottima capacità di assorbire i picchi di carico derivanti da urti e sovraccarichi.
Un'altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la possibilità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e indipendente dalla distanza tra ingresso e uscita, senza la necessità di un collegamento meccanico.
Questa moltiplicazione si può realizzare in vari modi, come nei cilindri idraulici, dove modificando l’area del pistone (a pari pressione) si ottiene una forza maggiore.
Principi di Funzionamento delle Pompe Idrauliche
In un sistema a trasmissione idrostatica, i motori assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa. Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto.
La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.
La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p). In realtà la potenza reale è diversa dalla potenza teorica.
Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.
Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq Qteorica). Il rendimento meccanico invece (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp pteorica).
Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.
Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite.
Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni. Anche queste vengono in genere fornite dal produttore dei tubi, in genere con abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.
Come già spiegato, il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi.
I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.
Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema. Solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili.
Tipologie di Pompe Idrauliche
Esistono diverse tipologie di pompe idrauliche, tra cui:
- Pompe a ingranaggi: Economiche, a durata elevata, dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa, e sono solitamente utilizzate per pressioni sotto ai 20 MPa.
- Pompe a pistoni: Vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema.
Una volta scelti i componenti principali non resta che scegliere i tubi. La scelta è facilitata dai cataloghi dei produttori, che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione.
Lo stesso vale per i raccordi e per le valvole di controllo; una volta scelti questi componenti e calcolate le perdite distribuite e concentrate, è utile ricalcolare la pressione e la portata richieste alla pompa, per valutare se si è ancora nel campo di regolazione della stessa.
Pompe Sommerse
Dobbiamo anzitutto fare una distinzione: quando ci riferiamo alle pompe sommerse, stiamo parlando della pompa idraulica, un macchinario che si occupa del pompaggio dei fluidi, prevalentemente dell'acqua.
Quando si necessità di spostare dei fluidi da un qualsiasi tipo di vano recipiente verso l’alto oppure orizzontalmente ciò di cui si necessita è una pompa elettrica.
La pompa, di per sé, è un dispositivo meccanico che ha come suo scopo fondamentale quello di spostare dei fluidi.
La pompa sommersa, che prende anche il nome di pompa ad immersione, è uno dei tipi di elettropompa più utilizzati nell'ambiente termoidraulico.
Le pompe sommerse più moderne sono ottime soluzioni per spostare una quantità di liquidi in un determinato periodo di tempo, e questa capacità varia a seconda della marca e della potenza nel pompaggio.
Tra gli scopi principali di una pompa sommersa, vi è anche lo svuotamento delle acque sporche.
Questo parametro idrico spiegherebbe quella che dovrebbe essere l’altezza sino alla quale la pompa sommersa riuscirebbe a spingere il fluido, senza sforzo.
Se aveste bisogno di svuotare il fondo di un pozzo delle acque sudicie, e la sua altezza del dislivello fosse di dieci metri, servirà una pompa sommersa che abbia prevalenza minima di dieci metri.
E' infatti questa l’altezza massima alla quale l'elettropompa idraulica potrà spingere i fluidi e qualora fosse minore, non si riuscirebbe a “pescare l'acqua” e quindi utilizzarla.
Trattandosi di un dispositivo elettrico, per farla funzionare si avrà bisogno di un galleggiante.
Vista la moltitudine di tipologie di pompe sommerse, ecco qualche consiglio per orientare meglio i vostri acquisti e limitare le possibilità di comprare una pompa sommersa trituratrice, se avete necessità, ad esempio, di movimentare solo acque limpide.
Se si ha la passione della coltivazione e non si sa come annaffiare il proprio orto, ma si dispone di un pozzo, il ricorso ad una pompa in grado per immersione sarà propiziatorio.
Con una piccola spesa sarà possibile sospingere le acque reflue verso l’alto e quindi utilizzarle per dissetare le piantine e gli alberi da frutto.
Definiamo:
- Ha (altezza geodetica di aspirazione) la differenza di livello tra A e la pompa
- Hm (altezza geodetica di mandata) la differenza di altezza tra il punto B e la pompa
- H (prevalenza geodetica) la differenza tra i livelli del liquido dal punto di prelievo al punto di arrivo.
Quando parliamo di prevalenza della pompa sommersa in maniera generica ci stiamo riferendo alla cosiddetta prevalenza geodetica, individuata e indicata con la lettera H.
La prevalenza geodetica corrisponde al 100% alla somma di Ha e Hm.
Per determinare la prevalenza di una pompa sommersa possiamo misurare la differenza che, in metri, c’è tra il livello dove viene aspirata l’acqua ed il livello a cui riesce a mandarla: se una pompa sommersa aspira da un pozzo posto a 3 metri sotto terra e riesce a mandare l’acqua ad un serbatoio posto a 7 metri sopra il livello del suolo, allora la pompa avrà una prevalenza di 10m, per cui H=10m.
Normalmente, o quantomeno in maniera più generica, la prevalenza della pompa sommersa si riferisce all’aumento dell’energia ottenuto da 1kg d’acqua nel passaggio dall’entrata all’uscita della pompa sommersa stessa.
In realtà sarebbe più semplice e pratico riferirsi alla prevalenza manometrica, indicata con Hman: questa viene misurata in metri di colonna d’acqua, misura che ci informa anche sulla “quantità” (la portata) di liquido che la pompa sommersa sposta innalzandosi ad una determinata altezza.
Generalmente, sul corpo della pompa sommersa è allegata una targhetta con indicati tutti i valori di prestazione della pompa, tra cui quelli di prevalenza massima, portata ed il loro rapporto.
I due valori, ovviamente, non sono fissi: essi variano in maniera inversamente proporzionale.
I valori di prevalenza e portata vengono inscritti all’interno di un asse cartesiano, dove, per ogni valore di portata è possibile individuare il corrispettivo valore di prevalenza.
La curva che unisce tutti i punti può essere tanto piatta quanto ripida.
Le pompe sommerse che hanno una curva piatta hanno poca variazione di prevalenza ma grosse escursioni del valore di portata, mentre quelle che hanno una curva “ripida” presentano grandi escursioni di prevalenza ma una portata costante.
La pompa sommersa, che, per l'appunto, è un dispositivo elettrico, ha bisogno, per attivarsi, di un galleggiante: quando i fluidi raggiungono una determinata altezza, il galleggiante attiva la pompa, innescandone il movimento.
A questo punto la pompa, nell’attivarsi, trasforma l’energia elettrica in energia cinetica: la girante, attivata da questo trasferimento, imprime forza ai fluidi, trasformando l’energia cinetica in forza di pressione, sospingendo i fluidi verso l’alto.
Questi, grossomodo, sono i vari step attraverso i quali la pompa sposta i fluidi e svuota il nostro vano (o recipiente) che li conteneva.
Naturalmente, oltre al galleggiante, la pompa sommersa necessita del motore: il motore sommerso costituisce la parte elettrica di quello che va a costituirsi come vera e propria "elettropompa".
La pompa sommersa per acque nere è quel particolare tipo di pompa che viene generalmente installata all’interno dei pozzi neri.
Questa tipologia di pompa ha il compito di sospingere le acque nere (anche dette acque reflue o acque sporche - liquami perlopiù) verso l’alto.
Quando parliamo di pompe sommerse per pozzi ci riferiamo alle pompe sommerse per acque chiare, spesso installate all'interno di pozzi per prelievo di acqua pulita.
Un pozzo è detto artesiano (dal nome della città francese di Artois) quando è naturalmente effluente.
La pompa, in questo caso, serve ad estrarre l'acqua dal pozzo, per incanalarla poi entro una vasca dalla quale verrà poi filtrata.
Ariete Idraulico
L'ariete idraulico si presta per piccoli impianti di sollevamento d'acqua, ad es. per uso potabile od agricolo, purché beninteso si disponga d'una certa caduta e d'una portata esuberante.
Lo schema di un ariete idraulico è indicato nella seguente figura.
Dalla condotta d'arrivo, l'acqua defluisce attraverso la valvola a; fino a che questa, trascinata dalla velocità d'efflusso, repentinamente si chiude.
Ciò determina una sovrapressione (colpo d'ariete) che provoca l'apertura d'una seconda valvola a′, attraverso la quale una certa quantità d'acqua entra quindi in un serbatoio d'aria, che regolarizza il flusso nella condotta premente.
La valvola a si riapre, sotto l'azione d'una molla opportunamente regolata; e il ciclo di funzionamento dell'apparecchio ricomincia.
essendo Q la portata scaricata dall'apparecchio, q la portata sollevata, h l'altezza di carico a monte (al di sopra della valvola d'arresto a), h′ l'altezza di sollevamento (rispetto alla stessa valvola a).
Cavitazione
Si verifica quando la pressione nel circuito scende fino a raggiungere la tensione di vapore del liquido e si manifesta con la formazione di piccole bolle, il cui collasso istantaneo genera microgetti ad altissima pressione che possono provocare danni gravi.
La fase di collasso ed implosione libera una quantità di energia che può provocare danni importanti al sistema.
La cavitazione può causare:
- Un peggioramento delle performance della pompa, dovuta alle turbolenze provocate dalla cavitazione.
- La rovina delle componenti interne alla pompa, dovuta al collasso della bolla vicino alla parete di una componente.
In questo caso si genera un microgetto liquido (impinging jet) che erode la superficie solida e forma quelli che vengono chiamati pits erosivi.
NPSHR viene dedotto sperimentalmente e generalmente dato dai fornitori.
Per evitare la cavitazione, la pressione del liquido in tutti i punti deve essere al di sotto della pressione di saturazione.
Come mostrato in questo articolo, il fenomeno della cavitazione è di grande importanza e di possibile criticità per il funzionamento di un circuito idraulico.