Una pompa fluidodinamica (detta comunemente pompa dinamica) è un tipo di pompa nel quale il movimento del fluido è prodotto da un momento indotto nel fluido stesso.
Queste pompe non hanno bisogno di valvole, ma hanno lo svantaggio che la portata e l'efficienza diminuiscono con l'aumentare della pressione all'uscita. In genere queste pompe hanno la necessità dell'adescamento, ovvero di essere inizialmente riempite di liquido per poter funzionare.
Tipologie elenco di alcune categorie di pompe: centrifuga; assiale; ariete idraulico; magnetofluidodinamica; lineare;
Pompa centrifuga La pompa centrifuga utilizza l'effetto centrifugo della sua girante per movimentare il liquido, trasformando l'energia meccanica proveniente dal suo motore prima in energia cinetica e successivamente in energia di pressione che conferisce al liquido sollevato.
La pompa centrifuga è di gran lunga la pompa di uso più comune, sia in ambito industriale che civile.
La definizione si limita generalmente alle pompe con girante radiale e semiassiale ossia alle pompe nelle quali il flusso di fluido attraversa la girante radialmente o semiassialmente, diversamente al caso delle giranti ad elica nelle quali il fluido attraversa la girante assialmente.
Costruzione Una pompa centrifuga è composta essenzialmente da una parte mobile detta girante (ruota palettata), che aspira il fluido da una tubazione di aspirazione, comunicante con il centro della pompa, e trasferisce al liquido l'energia meccanica trasmessa dal motore sotto forma di energia cinetica.
La ruota palettata gira in una camera fissa a forma di chiocciola, voluta o corpo di pompa, entro cui si muove il liquido spinto dalla forza centrifuga impressale dalla girante, che trasforma l'energia cinetica del liquido in energia di pressione e lo incanala nella tubazione di mandata comunicante con la periferia della pompa.
La girante è una ruota dotata di palette che può essere realizzata secondo molte varianti costruttive a seconda delle prestazioni richieste: girante chiusa, girante aperta, girante monocanale, girante arretrata, girante vortex, giranti assiali, giranti semiassiali.
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile statunitense API) verso l'alto. La supportazione può essere su piedini o centreline, 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.
Funzionamento
Se ne comprende il funzionamento osservando che un cilindro riempito d'acqua, posto in rotazione attorno al proprio asse, modifica la forma del pelo libero, facendogli assumere un profilo parabolico: infatti l'accelerazione centrifuga è proporzionale al quadrato della velocità angolare, ed al raggio di rotazione. La differenza H di livello che si osserva (e che, intuitivamente, è funzione della velocità angolare) si dice prevalenza della pompa. È anche intuitivo osservare che, a parità di velocità angolare (e quindi di profilo del liquido), se si pratica un foro esattamente all'altezza H non si avrà alcuna uscita di liquido. Se invece il foro viene praticato a una quota inferiore si osserverà una fuoriuscita di liquido; inoltre è intuitivo osservare che tanto più basso viene praticato il foro, tanto maggiore sarà la quantità nell'unità di tempo, detta portata, di liquido uscente.
Nella pratica, il fluido è contenuto all'interno di un corpo ed è messo in rotazione da una girante.
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e l'acqua, spinta dalla pressione atmosferica, risale lungo il tubo ed entra nella pompa.
la girante messa in rotazione dal motore dopo aver risucchiato il liquido lo proietta alla periferia del corpo-pompa in virtù della forza centrifuga prodotta dalla velocità della girante.
La girante è dotata di una serie di pallette curve che formano dei canali a sezione crescente dal centro verso la periferia.
Pertanto il liquido che entra dalla parte centrale della girante nel percorrere i vari canali per il principio di Bernoulli, convertono parte dell'energia cinetica trasmessagli dal movimento della girante in energia di pressione.
Il fluido esce dalla girante con velocità Vt, pertanto ancora dotato di energia cinetica, ed entra nella voluta.
Anche il corpo della pompa, o voluta, è costruito a sezione crescente in modo che, per la costanza (Bernoulli) dell'energia totale, la rimanente aliquota di cinetica si trasforma in energia di pressione, incrementando così la prevalenza.
La composizione delle velocità vettoriali definisce portata e prevalenza.
Prestazioni
Le caratteristiche idrauliche della pompa centrifuga sono espresse dalla curva caratteristica, un cui esempio appare nella figura a lato. 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). 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 assorbita all'asse della pompa con liquido avente densità 1000 kg/m3, nel nostro caso poco superiore a 3 kW.
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).
Classificazione Le pompe centrifughe in base alla disposizione dell'albero di trasmissione che muove la girante, si distinguono in pompe ad asse orizzontale e ad asse verticale. Inoltre in base alla direzione del flusso che le attraversa le pompe possono essere: radiali se la mandata è ortogonale all'aspirazione o assiali se la mandata e l'aspirazione sono sullo stesso asse.
Le pompe centrifughe inoltre si suddividono in centrifughe monostadio o multistadio, in base alla quantità di giranti di cui sono dotate.
Più giranti ci sono, più aumenta la prevalenza totale generata dalla pompa, che è data dalla somma delle prevalenze erogate da ciascuna girante.
Le pompe centrifughe a seconda che queste siano ad alimentazione elettrica o a benzina, si distinguono in elettropompe o motopompe.
Installazione Le pompe possono essere installate: sotto battente; sopra battente o in aspirazione
Un'installazione è definita "sottobattente" quando l'asse della pompa si trova al disotto del livello minimo del liquido da aspirare; tutte le altre installazioni sono definite "soprabattente".
La condotta di aspirazione deve essere orizzontale o avere pendenza in salita verso la pompa e comunque essere realizzata in modo da evitare la formazione di sacche d'aria.
Nelle installazioni in aspirazione, per evitare pericolosi fenomeni di cavitazione è necessario che tra il pelo minimo del liquido da sollevare e l'asse della pompa non ci sia un dislivello superiore a 5–6 m.
La condotta di aspirazione di un'installazione soprabattente deve essere dotata di valvola di ritegno perché altrimenti ad ogni fermo della pompa la condotta si svuoterebbe e la pompa non si innescherebbe al successivo avvio (a meno che non si tratti di una pompa autoadescante).
Infatti per potersi innescare sia il corpo della pompa sia la condotta di aspirazione devono essere mantenuti costantemente pieni di liquido.
Un avvio definito “a secco” della pompa, causa il surriscaldamento della pompa con conseguente rottura.
Normativa
In quanto elementi comuni di moltissime installazioni, le pompe centrifughe sono state in qualche modo normalizzate, in modo da poter sostituire pompe esistenti con altre di fabbricanti diversi.
Le norme più correnti sono la ISO 2858-1975 (e norme collegate), che si riferisce alle pompe centrifughe di uso generale e di processo, con flange metriche, e la API 610 - X edition 2004, che si riferisce a pompe di processo con flange in unità imperiali.
Varianti Pompe multistadio
Più pompe centrifughe possono essere disposte in serie, in modo da ottenere, a parità di portata, una prevalenza che è un multiplo di quella ottenuta con una sola girante. In pratica, più giranti vengono disposte coassialmente nel corpo: si ottengono così prevalenze fino a diverse centinaia di metri, contro gli 80-100 massimi di una pompa monostadio.
Per pozzi molto profondi, si utilizzano pompe di questo tipo, che però vengono immerse completamente nell'acqua ed inserite alla profondità opportuna mediante tubi di diametro adeguato: il tubo di mandata diventa solitamente il supporto/sospensione della pompa. Queste pompe hanno mandata centrale, e quindi la particolarità che il fluido pompato viene convogliato attraverso l'albero motore. Ciò richiede tenute più efficienti, ma garantisce un miglior raffreddamento del motore che quindi diventa di dimensioni molto compatte.
Pompe a rotore immerso Nelle pompe a rotore immerso il traferro del motore elettrico è pieno d'acqua col vantaggio che non necessitano di tenuta idraulica, e gli svantaggi della dissipazione fluidodinamica aggiuntiva nel traferro ed elettrica specie in fluido conduttore come l'acqua che manifesta la necessità di superfici di statore e rotore idrodinamiche e di un isolamento più spinto degli avvolgimenti del motore. Assumendo di avere un fluido newtoniano in movimento, quindi con sforzo di taglio che segue la semplice legge di Newton della viscosità:
con distribuzione di velocità radialmente lineare tra la superficie laterale cilindrica rotorica 1 e quella statorica 2:
Avremo che il rendimento meccanico dell'accoppiamento rotoidale sarà approssimabile come:
Poiché lo spessore del traferro (r2 - r1) influenza la riluttanza in base alla legge di Hopkinson e quindi il rendimento del motore elettrico, la variabile manipolabile è il raggio interno a spessore di traferro costante: le pompe a rotore immerso hanno sezione al motore elettrico snella, compatibilmente con i limiti di resistenza a fatica.
Giranti aperte La girante è evidentemente l'elemento centrale della pompa centrifuga, e la sua corretta progettazione è della massima importanza. In genere si usano giranti chiuse (a girante nuova), che consentono il massimo controllo del flusso, avendo un percorso idraulico ben definito.
Per scopi particolari (liquidi abrasivi o grandi quantità di solidi sospesi) si usa la girante aperta, che assicura un minore rendimento ma evita, per quanto possibile, lo sporcamento della girante stessa, talvolta arretrata rispetto al corpo, in modo da creare una rotazione indotta, e la maggior parte del fluido pompato non entra a contatto della girante: si riduce così l'effetto di abrasione.
Il rendimento è inizialmente tanto inferiore a quello delle giranti chiuse quanto maggiore è l'arretramento ma al contrario che con queste ultime si mantiene relativamente costante con l'uso.
Pompa assiale Principio di funzionamento