Le pompe sono generalmente raggruppate in due grandi categorie: pompe a spostamento positivo e pompe dinamiche (centrifughe). Le pompe volumetriche utilizzano un mezzo meccanico per variare la dimensione della (o spostare) camera del fluido per causare il flusso del fluido. D’altra parte, le pompe centrifughe impartiscono la quantità di moto al fluido ruotando le giranti che sono immerse nel fluido. La quantità di moto produce un aumento della pressione o del flusso all’uscita della pompa.
Le pompe volumetriche hanno una caratteristica di coppia costante, mentre le pompe centrifughe dimostrano caratteristiche di coppia variabili. Questo articolo discuterà solo le pompe centrifughe.
Una pompa centrifuga converte l’energia motrice in energia cinetica in un liquido accelerando il fluido al bordo esterno di una girante. La quantità di energia data al liquido corrisponde alla velocità al bordo o alla punta della paletta della girante. Più veloce gira la girante o più grande è la girante, più alta è la velocità del liquido all’estremità della paletta e maggiore è l’energia impartita al liquido.
Figura 1. Pompa centrifuga
Caratteristiche
La creazione di una resistenza al flusso controlla l’energia cinetica di un liquido che esce da una girante. La prima resistenza è creata dalla voluta della pompa (involucro), che cattura il liquido e lo rallenta. Quando il liquido rallenta nel corpo della pompa, una parte dell’energia cinetica è convertita in energia di pressione. È la resistenza al flusso della pompa che si legge su un manometro collegato alla linea di scarico. Una pompa non crea pressione, ma solo flusso. La pressione è una misura della resistenza al flusso.
Figura 2. Rappresentazione della testa statica di scarico, dell’ascensore statico di aspirazione e della testa statica totale
Testa-Resistenza al flusso
Nei fluidi newtoniani (veri) (liquidi non viscosi, come l’acqua o la benzina), il termine testa è la misura dell’energia cinetica che una pompa centrifuga crea. Immaginate un tubo che spara un getto d’acqua direttamente nell’aria. L’altezza che l’acqua raggiunge è la testa. La testa misura l’altezza di una colonna di liquido che la pompa potrebbe creare grazie all’energia cinetica che la pompa centrifuga dà al liquido. La ragione principale per usare la prevalenza invece della pressione per misurare l’energia di una pompa centrifuga è che la pressione di una pompa cambierà se il peso specifico (peso) del liquido cambia, ma la prevalenza non cambierà. Gli utenti finali possono sempre descrivere le prestazioni di una pompa su qualsiasi fluido newtoniano, che sia pesante (acido solforico) o leggero (benzina), usando la prevalenza. La prevalenza è legata alla velocità che il liquido guadagna quando passa attraverso la pompa.
Tutte le forme di energia coinvolte in un sistema di flusso del liquido possono essere espresse in termini di piedi di liquido. Il totale di queste teste determina la testa totale del sistema o il lavoro che una pompa deve eseguire nel sistema. I diversi tipi di prevalenza – attrito, velocità e pressione – sono definiti in questa sezione.
Testa di attrito (hf)
La testa di attrito è la testa necessaria per vincere la resistenza al flusso nella tubazione e nei raccordi. Dipende dalle dimensioni, dalle condizioni e dal tipo di tubo; dal numero e dal tipo di raccordi; dalla portata e dalla natura del liquido.
Testa di velocità (hv)
La testa di velocità è l’energia di un liquido come risultato del suo movimento ad una certa velocità (V). È la testa equivalente in piedi attraverso cui l’acqua dovrebbe cadere per acquisire la stessa velocità o, in altre parole, la testa necessaria per accelerare l’acqua. La testa della velocità può essere calcolata usando la seguente formula:
dove:
g = 32.2 ft./sec.2
V = velocità del liquido in ft./sec.
La prevalenza della velocità è solitamente insignificante e può essere ignorata nella maggior parte dei sistemi ad alta prevalenza. Tuttavia, può essere un grande fattore e deve essere considerato nei sistemi a bassa prevalenza.
Testa di pressione
La testa di pressione deve essere considerata quando un sistema di pompaggio inizia o si svuota in un serbatoio che è sotto una pressione diversa da quella atmosferica. La pressione in un tale serbatoio deve prima essere convertita in piedi di liquido. Un vuoto nel serbatoio di aspirazione o una pressione positiva nel serbatoio di scarico devono essere aggiunti alla testa del sistema, mentre una pressione positiva nel serbatoio di aspirazione o il vuoto nel serbatoio di scarico devono essere sottratti. La seguente è una formula per convertire i pollici di vuoto di mercurio in piedi di liquido:
I diversi tipi di testa sono combinati per formare la testa totale del sistema a qualsiasi portata particolare. Le descrizioni in questa sezione sono di queste teste combinate o dinamiche, come si applicano alla pompa centrifuga.
L’altezza totale di aspirazione dinamica (hs)
L’altezza totale di aspirazione dinamica è l’altezza di aspirazione statica meno la testa di velocità alla flangia di aspirazione della pompa più la testa totale di attrito nella linea di aspirazione. L’altezza di aspirazione dinamica totale, come determinata su un test della pompa, è la lettura di un manometro sulla flangia di aspirazione, convertita in piedi di liquido e corretta alla linea centrale della pompa, meno la testa della velocità al punto di attacco del manometro.
La testa di scarico dinamica totale (hd)
La testa di scarico dinamica totale è la testa di scarico statica più la testa della velocità alla flangia di scarico della pompa più la testa di attrito totale nella linea di scarico. La prevalenza dinamica totale di scarico, come determinata sul test della pompa, è la lettura di un manometro alla flangia di scarico, convertita in piedi di liquido e corretta alla linea centrale della pompa, più la prevalenza della velocità al punto di attacco del manometro.
Termini della pompa
L’ascensore di aspirazione esiste quando la fonte di alimentazione è sotto la linea centrale della pompa. Pertanto, l’altezza di aspirazione statica è la distanza verticale in piedi dalla linea centrale della pompa al livello libero del liquido da pompare.
La prevalenza di aspirazione esiste quando la fonte di alimentazione è sopra la linea centrale della pompa. Pertanto, la prevalenza statica di aspirazione è la distanza verticale in piedi dalla linea centrale della pompa al livello libero del liquido da pompare.
La prevalenza statica di scarico è la distanza verticale in piedi tra la linea centrale della pompa e il punto di scarico libero o la superficie del liquido nel serbatoio di scarico.
La prevalenza statica totale è la distanza verticale in piedi tra il livello libero della sorgente di alimentazione e il punto di scarico libero o la superficie libera del liquido di scarico.
Testa totale o testa dinamica totale
La testa totale (H), o testa dinamica totale (TDH), è la testa dinamica totale di scarico meno la testa dinamica totale di aspirazione:
TDH = hd + hs (con sollevamento in aspirazione)
TDH = hd – hs (con prevalenza in aspirazione)
Potenza
Il lavoro eseguito da una pompa centrifuga è una funzione della prevalenza totale e del peso del liquido pompato in un dato periodo di tempo. La capacità della pompa in galloni al minuto e il peso specifico del liquido sono normalmente usati nelle formule piuttosto che il peso effettivo del liquido.
L’input della pompa o potenza del freno (BHP) è la potenza effettiva fornita all’albero della pompa. La potenza della pompa o potenza dell’acqua (WHP) è la potenza in cavalli del liquido fornita dalla pompa. Questi due termini sono definiti dalle seguenti formule:
Lettura della curva delle prestazioni di una pompa
Le caratteristiche della pompa, come la portata, la pressione, l’efficienza e i cavalli vapore, sono mostrate graficamente su una curva della pompa. Il primo elemento da guardare è la dimensione della pompa. La dimensione della pompa, 2×3-8 è mostrata nella sezione superiore del grafico. I numeri 2×3-8 indicano:
- L’uscita (porta di scarico) è di 2 pollici.
- L’ingresso (porta di aspirazione) è di 3 pollici.
- La girante ha un diametro di 8 pollici.
Alcune aziende possono avere il numero indicato come 3×2-8. Il più grande dei primi due numeri è l’ingresso. La velocità della pompa (rpm) è anche mostrata nella sezione superiore del grafico e indica le prestazioni ad una velocità di 3.560 rpm. Tutte le informazioni sono rappresentative di questa velocità operativa.
La capacità o flusso è mostrata lungo la parte inferiore della curva. I livelli di flusso sono mostrati per la velocità operativa di 3.560 giri/min, ma indicano l’effetto della testa quando l’uscita è strozzata.
Il lato sinistro della curva delle prestazioni mostra la testa (piedi) generata alle diverse portate. Sul grafico sono presenti più curve di flusso rispetto alla prevalenza (vedi Figura 3). Ognuna di esse rappresenta una diversa dimensione della girante (tagliata). Per questa pompa, la gamma di giranti è da 5,5 pollici a 8,375 pollici.
Figura 3. Esempio di curva delle prestazioni della pompa
Le curve di efficienza sono sovrapposte al grafico (linee verticali) e indicano dal 64 al 45% di efficienza per questa pompa. All’aumentare della prevalenza, il flusso e l’efficienza diminuiscono.
La potenza di frenata è mostrata con le linee tratteggiate disegnate diagonalmente dall’alto a sinistra verso il basso a destra. Le curve BHP sono mostrate da 7,5 a 30 cavalli. Usando la girante da 8 pollici con un flusso di 250 gpm, il BHP è di circa 25 cavalli.
Le leggi di affinità applicate alle applicazioni delle pompe centrifughe
Curve della pompa e del sistema
La curva della pompa è esclusivamente una funzione delle caratteristiche fisiche della pompa. La curva del sistema dipende completamente dalle dimensioni del tubo, dalla lunghezza del tubo, dal numero e dalla posizione dei gomiti e da altri fattori. Il punto in cui queste due curve si intersecano è il punto di funzionamento naturale (vedi Figura 4). Questo è il punto in cui la pressione della pompa corrisponde alle perdite del sistema e tutto è bilanciato.
Figura 4. Esempio di curve del sistema di pompaggio
Se il sistema fa parte di un processo che cambia spesso o continuamente, allora è necessario qualche metodo per alterare le caratteristiche della pompa o i parametri del sistema. Due metodi possono realizzare l’obiettivo della variazione continua del flusso. Un metodo è la strozzatura, che modifica la curva del sistema mediante l’uso di una valvola di controllo o di strozzatura. L’altro metodo è quello di variare la velocità della pompa, che modifica la curva della pompa.
Sistema di strozzamento
Con il metodo di strozzamento, l’ostruzione del flusso aumenta la pressione di testa. Un sistema con due diverse impostazioni della valvola è mostrato nella Figura 6.
Figura 5. Sistema di strozzamento
Figura 6. Esempio di requisiti di potenza per il sistema di strozzamento
Per fare un confronto, usiamo un esempio per determinare i requisiti di potenza per il sistema di strozzamento, poi il sistema a velocità variabile. Si utilizza una pompa (con una girante da 8 pollici) che funziona ad una velocità base di 3.560 giri/min. Questa pompa deve azionare un sistema che richiede una prevalenza di 250 piedi a 250 gpm (vedi Figura 6).
Dalle informazioni mostrate, i requisiti di potenza in cavalli alle portate del sistema di strozzamento sono mostrati nella Tabella 1.
Tabella 1. Requisiti di potenza del sistema di strozzatura
Sistema a velocità variabile
In confronto, il metodo a velocità variabile sfrutta il cambiamento delle caratteristiche della pompa che si verifica quando la velocità della girante viene modificata (vedere la Figura 7). La minore velocità della pompa modifica la curva della pompa in base alla prevalenza generata dalla velocità del fluido pompato. Ricordate che la prevalenza è uguale a V2/2g.
Figura 7. Esempio di sistema a velocità variabile
Le leggi di affinità
Un insieme di formule che viene utilizzato per prevedere il funzionamento di una pompa centrifuga in qualsiasi punto di funzionamento in base alle caratteristiche originali della pompa è noto come leggi di affinità.
Dove:
N = Velocità della pompa
Q = Flusso (gpm)
P = Pressione (piedi)
HP = Cavalli
Utilizzando lo stesso esempio di pompa del sistema di strozzamento, i requisiti di potenza sono calcolati per il sistema per diverse
velocità (vedi Tabella 2).
Utilizzare le leggi di affinità per calcolare i valori per i restanti punti di funzionamento. Ovviamente, variare la velocità richiede molta meno potenza. Per determinare l’effettiva potenza richiesta, bisogna tenere conto dell’efficienza dell’azionamento. Il risparmio energetico dipenderà dalla quantità di tempo in cui la pompa viene fatta funzionare ad ogni punto di velocità ridotta.
Per calcolare il risparmio effettivo, i cavalli vapore del freno devono essere convertiti in watt e poi moltiplicati per le ore di funzionamento. Il risultato viene poi moltiplicato per il costo per chilowattora per mostrare il costo di funzionamento della pompa ad ogni punto di flusso. Sottrarre il valore della velocità variabile dal valore della strozzatura per mostrare la differenza nel costo dell’energia.
Utilizzando le cifre della tabella 2, una portata di 200 gpm con la strozzatura richiede 22,5 cavalli. Con la velocità variabile sono necessari solo 12,8 cavalli. Se il flusso è richiesto per 2.000 ore all’anno a 7 centesimi per kilowattora, il confronto dei costi è:
Sistema a farfalla:
22,5 HP x 0,746 = 16,785 kW
16,785 x 2.000 = 33.570 kWh
33.570 x 0.07 = $2,350
Sistema a velocità variabile:
12,8 x 0,746 = 9,5488 kW
9,5488 x 2,000 = 19,097 kWh
19,097 x 0,07 = $1,337
Risparmio:
$2,350 -$1,337 = $1,013
L’esempio non aveva una testa statica associata. Un sistema con prevalenza statica cambia la curva del sistema e i requisiti di potenza. Maggiore è la prevalenza statica di un sistema, minore è il possibile risparmio energetico. Questo perché la curva del sistema è più piatta, quindi la maggior parte dell’energia viene utilizzata per superare il cambiamento di elevazione associato ai sistemi ad alta prevalenza statica.
Conclusione
Questo articolo illustra come la natura intrinseca del funzionamento delle pompe centrifughe le rende candidate privilegiate per il risparmio energetico. La maggior parte dei sistemi di pompe sono progettati e sovradimensionati per le condizioni di carico peggiori. Seguendo il principio delle leggi di affinità, semplicemente abbassando la portata di una pompa centrifuga sovradimensionata del 20 per cento si può ridurre il consumo di energia di circa il 50 per cento, con conseguenti risparmi energetici notevoli.