Pompe centrifughe orizzontali a tenuta meccanica

Dragon

Le pompe centrifughe orizzontali Dragon, sono pompe ad alta prestazione, dotate di un motore elettrico in presa diretta, che permette una rapida movimentazione e drenaggio di fluidi tra i 6 e i 40m3/h.

La girante semi-aperta, dal design innovativo, garantisce un flusso continuo anche nei casi più difficili, come il passaggio di liquidi sporchi, con viscosità fino a 500 cps, o con particelle solide.

Le Dragon sono composte da un corpo pompa solido e da una lanterna che collega il motore elettrico con una tenuta meccanica.

La girante semi-aperta è montata sull’albero della pompa che è parte integrante dell’albero del motore stesso.
La tenuta meccanica si trova subito dietro la girante.

Principio di funzionamento della pompa centrifuga

La pompa centrifuga è una pompa idraulica (turbomacchina) che elabora il fluido di lavoro in un volume costante nel tempo attraverso canali sempre aperti, con flusso tipicamente stazionario (quindi non sono necessarie valvole all’interno).

Quando la girante viene messa in rotazione imprime una rotazione anche al fluido (energia cinetica) e una depressione nel condotto di aspirazione che, assieme alla spinta della pressione atmosferica, risucchia il liquido all’interno della pompa centrifuga.

Il fluido percorre una traiettoria dal centro della girante alla sua periferia grazie all’azione delle forze centrifughe, e attraversa i canali a sezione crescente formati dalle palette curve. Già in questo percorso parte dell’energia cinetica viene trasformata in energia di pressione.

All’uscita dalla girante il fluido entra nella voluta, anch’essa realizzata con sezione crescente, e la rimanente quota di energia cinetica viene trasformata in energia di pressione che incrementa la prevalenza. Tanto più sarà l’energia di pressione trasferita al fluido, e quindi la prevalenza della pompa, quanto più lontano il fluido di lavoro potrà essere mandato.
Il range di funzionamento della pompa centrifuga è strettamente limitato alla sua curva caratteristica.

Caratteristiche della pompa centrifuga

Ad ogni pompa centrifuga è associata una propria curva caratteristica cioè la rappresentazione grafica delle prestazioni della pompa stessa.

Sull’asse delle ascisse (asse x) è riportata la portata Q, solitamente in m3/h. Essa indica la quantità di fluido che passa in ogni sezione della pompa centrifuga in un arco di tempo definito. Questa quantità dipende dalle caratteristiche dimensionali della pompa, dal numero di giri del motore (quindi la velocità di rotazione della girante) e dalle caratteristiche del fluido (densità e viscosità in funzione della temperatura). La portata influenza tutte le prestazioni della pompa centrifuga ed è il primo parametro tecnico da prendere in considerazione.
Sull’asse delle ordinate (asse y) è invece riportata la prevalenza H, solitamente in metri. Essa è calcolata dalla differenza di pressione tra l’uscita e l’ingresso della pompa centrifuga e rappresenta quanto lontano il fluido può essere spinto se nel suo percorso incontra delle resistenze come l’altezza, curve o valvole.

Definiamo:

ΔZ differenza d’altezza tra bacino di valle A e bacino di monte B;
P_A e P_B le pressioni che agiscono
rispettivamente sul pelo libero del bacino di
monte A e sul pelo libero del bacino di monte
B;
γ = peso specifico del fluido (= densità del
fluido*accelerazione di gravità g);
ΣY somma delle perdite distribuite e localizzate
all’interno dell’impianto.

Se fossimo in condizioni ideali, con condotte perfettamente lisce, senza curve, valvole o filtri quindi
𝛴𝑌 = 0 e con 𝑃𝐴 = 𝑃𝐵 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 avremmo che 𝐻 = 𝛥𝑍, quindi la pompa centrifuga cede tutta l’energia per superare solo l’altezza.
In realtà la pompa deve superare una quota maggiore della sola differenza d’altezza in quanto le condizioni ideali non possono mai essere raggiunte, quindi la prevalenza che deve raggiungere è

H = ΔZ + (P_B – P_A)γ + Σ Y

Stabilite le dimensioni della pompa centrifuga (girante e voluta) e la velocità di rotazione della girante (data dal numero di giri del motore) la curva caratteristica è univoca e tipica per ogni pompa.

Conoscendo il peso specifico del fluido γ è possibile anche calcolare la potenza teorica 𝑾, in Watt, richiesta per movimentarlo:

𝑊 = 𝛾 ⋅ 𝑄 ⋅ 𝐻
La potenza reale 𝑾𝒂 assorbita dal motore è leggermente maggiore in quanto bisogna considerare che ci saranno sempre delle perdite per attrito e fluidodinamiche all’interno della pompa stessa considerate nel rendimento η. La curva della potenza, sempre in funzione della portata Q, fa quindi riferimento alla seguente formula
𝑊𝑎 = 𝑊/𝜂
È intuitivo capire che all’aumentare della portata la potenza richiesta aumenterà, come mostrato nel grafico sottostante

Scegliere una pompa centrifuga

La pompa centrifuga è adatta ad applicazioni in cui è richiesto di trasportare un liquido con una certa rapidità e continuità. Prima di sceglierla è però fondamentale valutare tutte le condizioni di esercizio:

Fluido elaborato: una pompa centrifuga è una macchina ad alta prestazione ma piuttosto delicata. È necessario quindi che il liquido di lavoro abbia una viscosità bassa o media ed un peso specifico fino a 1,9 kg/L. Valori superiori affaticherebbero eccessivamente le parti meccaniche e la girante, inoltre verrebbe compromesso il funzionamento del motore a causa di assorbimenti fuori range.
Nonostante la girante aperta, che permette il passaggio di liquidi sporchi, è sconsigliata l’aspirazione di liquidi con particelle solide lunghe e con diametro maggiore al millimetro.
L’utilizzo della pompa centrifuga per fluidi troppo corrosivi o molto sporchevoli rischia di danneggiare la girante o le tenute meccaniche.
Temperatura: è possibile utilizzare le pompe centrifughe Fluimac in un range tra i -5°C e +65°C se realizzate in polipropilene, altrimenti in un range tra i -20°C e +95°C se la pompa centrifuga è realizzata in PVDF. L’importante è che il fluido rimanga sempre allo stato liquido.
Condizioni di lavoro: ad ogni pompa centrifuga è associata una curva caratteristica specifica che riporta la prevalenza [m] che la macchina può raggiungere data una certa portata [m3/h]. Conoscere le condizioni del proprio impianto prima di scegliere una pompa centrifuga previene il rischio di performance inadeguate e il danneggiamento dell’impianto e della macchina.
Configurazione: Fluimac propone sia pompe centrifughe orizzontali, sia pompe centrifughe verticali. Le prime sono poste esternamente al serbatoio di prelievo, sotto il livello del pelo libero del fluido, con asse parallelo al suolo; le seconde sono parzialmente sommerse nel fluido e posizionate con asse verticale rispetto a suolo.
Alimentazione del motore: le pompe centrifughe Fluimac sono progettate per un funzionamento principalmente tramite motore elettrico, ma sono possibili configurazioni con motore pneumatico. L’impianto deve essere adeguato e dimensionato per garantire un’alimentazione continua.

Come è fatta la nostra pompa centrifuga orizzontale Dragon

La pompa centrifuga è una turbomacchina idraulica operatrice in grado di elaborare il fluido mediante il lavoro compiuto per effetto centrifugo attraverso canali fissi e rotanti sempre aperti, senza modificare la comprimibilità del fluido stesso. Da qui il nome pompa centrifuga. Il movimento meccanico impresso dal motore alla girante fornisce energia cinetica al flusso (accelerazione in direzione radiale) che viene trasformata in energia di pressione nei successivi canali divergenti.

I componenti principali di una pompa centrifuga orizzontale a tenuta meccanica sono:

La girante è il componente principale della pompa centrifuga nonché l’organo mobile con cui il fluido scambia energia. Costruita in materiale plastico rinforzato da fibre (PP + VTR o PVDF + CF secondo l’impiego della pompa centrifuga e del fluido elaborato) è composta da una serie di palette curve che formano canali via via crescenti con l’aumentare del raggio. La girante aperta permette il passaggio anche di liquidi leggermente sporchi, mentre l’elaborazione di fluidi con viscosità fino a 500 CPS o pesi specifici fino a 1,9 kg/L è garantita dal movimento solidale e concentrico della girante rispetto al motore, collegati tramite un albero di trasmissione del moto.
È possibile raggiungere portate volumetriche [m3/h] e prevalenze [m] diverse controllando il diametro della girante, la curvatura, l’altezza e il numero delle palette.

Per ogni girante ci sarà una curva caratteristica della pompa centrifuga cioè quale prevalenza è possibile raggiungere data una certa portata, il range di funzionamento e il punto di lavoro.
Il corpo pompa o voluta, a forma di chiocciola, con sezione crescente nella direzione del moto, permette l’aspirazione del fluido in senso assiale e mandata radiale verso l’alto. Oltre a direzionare il flusso è fondamentale anche per le prestazioni della pompa centrifuga: l’area crescente rallenta opportunamente il fluido quindi l’energia cinetica viene trasformata in energia di pressione.
La tenuta meccanica a soffietto è il componente che lavora a sfregamento, quindi sottoposto a maggiore usura e assicura l’isolamento del fluido e della parte idraulica dall’esterno. È composta da una parte mobile che gira solidale con la girante e una fissa bloccata rispetto i componenti statici della pompa centrifuga. Normalmente una pompa centrifuga raggiunge velocità di rotazione di circa 3000 rpm, quindi si arriva a temperature molto elevate in brevissimo tempo. È fondamentale che la tenuta meccanica sia sempre raffreddata (dal liquido di lavoro stesso) e che la pompa centrifuga non venga mai azionata a secco, altrimenti si rischia di sciogliere i componenti fissi.

Le parti che lavorano a sfregamento sono fatte di carburo di silicio che garantisce un’usura minore, ha una maggiore resistenza meccanica e chimica e sopporta meglio gli shock termici permettendo di lavorare a temperature più elevate.
La cassa esterna è l’assieme di flange di collegamento e lanterna che collega il motore alla parte idraulica mantenendo quest’ultima isolata dall’esterno. Una struttura solida riduce al minimo vibrazioni e attriti indesiderati allungando la vita d’utilizzo della pompa centrifuga.
Il motore è l’organo che trasmette il movimento. Nei casi più comuni si tratta di un motore elettrico a 2 poli (circa 3000 rpm). In base al numero di giri è possibile ottenere diverse curve caratteristiche della pompa centrifuga.

Come usare la pompa centrifuga orizzontale Dragon

Le pompe centrifughe orizzontali funzionano tramite una tenuta meccanica a soffietto che deve essere sempre raffreddata. Noi le abbiamo progettate in modo che questo compito sia sempre svolto dal fluido di lavoro, senza l’impiego di mezzi supplementari ma è importante ricordare che la pompa centrifuga va messa in moto solo se invasata, mai a secco, per evitare la fusione dei componenti.

Le pompe centrifughe sono ideali nel caso in cui sia richiesto un flusso continuo ma, date le importanti velocità e forze in gioco, è preferibile evitare fluidi ricchi di particelle solide o molto corrosivi che danneggerebbero la girante e ostruirebbero i canali di passaggio.
È possibile movimentare fluidi fino a 500 CPS o peso specifico fino a 1,9 kg/L aumentando la potenza del motore. A parità di numero giri [rpm] aumentare la potenza del motore non influisce sulla portata e la prevalenza della pompa centrifuga ma compensa l’aumento di sforzo dovuto a liquidi più pesanti.
Una pompa centrifuga è una macchina molto efficiente ma delicata. Bisogna conoscere le caratteristiche dell’impianto e del fluido di lavoro per poter scegliere la macchina adeguata.
- Per il loro principio di funzionamento le pompe centrifughe creano una depressione in aspirazione. Se la pressione assoluta all’ingresso della girante è inferiore alla tensione di vapore del liquido di lavoro, si incorre nel fenomeno di cavitazione (creazione di bolle di liquido evaporato e implosione sulla girante). Le pompe centrifughe orizzontali Fluimac, solitamente posizionate all’esterno delle vasche del fluido, vanno installate sempre sotto battente affinché il liquido non abbia difficoltà ad entrare nell’aspirazione della pompa. È comunque possibile controllare la massima altezza d’aspirazione tramite le curve dell’NPSH: L’NPSH della pompa (disponibile) deve sempre essere maggiore all’NPSH richiesto dall’impianto considerando l’altezza geodetica (differenza d’altezza tra serbatoio di valle e l’ingresso della pompa), le perdite di carico tra queste due sezioni e la differenza di pressione tra la pressione del pelo libero del serbatoio di valle e la tensione di vapore del liquido.
- Oltre alle condizioni in aspirazione è fondamentale conoscere le caratteristiche delle condotte di mandata perché influiscono sul calcolo della prevalenza. Prima di scegliere la pompa centrifuga orizzontale è necessario conoscere la prevalenza richiesta dall’impianto: all’altezza geodetica (differenza d’altezza tra il serbatoio di valle e quello di monte attraverso cui spostare il fluido) è necessario aggiungere tutte le perdite di carico dovute all’impianto. Possiamo dividere le perdite in due tipi: distribuite e localizzate. Le prime dipendono dallo scorrimento del fluido nelle condotte e serve conoscere le dimensioni e le condizioni dei tubi, le seconde dipendono da fattori localizzati nell’impianto come ad esempio curve, valvole o filtri.
- Infine serve conoscere il fluido di lavoro. Anche la viscosità e la densità influiscono sul calcolo delle perdite di carico e anche nella scelta della potenza del motore