Prof. Roberto Riguzzi

Il trasporto dei liquidi

(PAG 159 DEL LIBRO DI TESTO)

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ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE “G. MARCONI”TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI CLASSE 3ACH

INTRODUZIONE

Il trasporto dei liquidi e dei fluidi è una della operazioni piùcomuni sia nell’industria, che nelle attività civili (pensiamoall’acqua corrente, alle fognature, al gas di città).Le competenze scientifiche richieste per affrontarel’argomento sono quelle dell’idrostatica e dell’idrodinamica.Dal punto di vista pratico il trasporto dei fluidi richiede unamacchina operatrice che trasferisca al liquido (o al gas) datrasportare l’energia necessaria a superare differenze diquota o di pressione tra la sezione finale e quella iniziale,oltre ovviamente alle perdite di carico.Le apparecchiature che trasferiscono energia meccanica aifluidi (la cosiddetta PREVALENZA) sono le pompe.

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PREVALENZA

L’energia meccanica trasferita per unità di peso del liquido sichiama PREVALENZA e si indica con la lettera H.Consideriamo di applicare l’equazione di Bernoulli fra duesezioni di un impianto con una pompa presente fra loro. Laprevalenza è l’energia necessaria trasferire al liquido dellasezione 2 affinchè raggiunga l’energia da esso posseduta nellaseconda sezione.h1 + P1/ + v1

2/2g + H = h2 + P2/ + v22/2g + y

Da cui si ricavaH= (h2 - h1) + (P2 - P1)/ + (v2

2 - v12)/2g + y

(h2 - h1)= prevalenza geometrica(P2 - P1)/= prevalenza piezometrica(v2

2 - v12)/2g= prevalenza cinetica

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POTENZA UTILE

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La potenza utile (Nu) è l'energia effettivamente trasferita al liquido per unità di tempo. È funzione della prevalenza,alla portata e al peso specifico del liquido trasportato. Nel S.I. è misurata in watt.

Nu= *Fv*H

Se consideriamo la portata in massa l'equazione diventa:

Nu= g*Fm*H

RENDIMENTO

La pompa per poter funzionare, azionata da un motore, solitamente elettrico. L'energiaelettrica deve, quindi, prima essere trasformata in lavoro meccanico, che ha sua volta deveessere trasformata in energia del liquido (la prevalenza). Questi passaggi inevitabilmentecomportano la dissipazione di energia. La potenza effettivamente usata dalla pompa permovimentare il liquido sarà sempre maggiore della potenza utile. Il rapporto fra potenzautile e potenza assorbita è il rendimento della pompa.

= Nu/Nass

Il rendimento sarà sempre minore di 1.

Da questa Nass= Nu/

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ESEMPIO

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Determinare la prevalenza e la potenza assorbita di una pompa che devetrasportare 300l/min di un liquido con g= 8624 N/m3 da un serbatoio ad un altroposto ad un altezza superiore di 50m e con una pressione di 500kPa maggiorerispetto al serbatoio iniziale. Le perdite di carico, fra continue e localizzate, sonocomplessivamente 1,6m. Il rendimento della pompa è il 93%.Applichiamo la formula che definisce la prevalenza alle superfici dei due liquidinel serbatoio.

H= (h2 - h1) + (P2 - P1)/ + (v22 - v1

2)/2g + y

La prevalenza cinetica è nulla (le velocità nelle grandi sezione come le superfici deiserbatoi sono considerate nulle).

La differenza di pressione (P2 - P1) fra le due superfici è pari a 500 kPa.

La prevalenza geometrica è pari a 50m. La prevalenza totale sarà pari a:

H= (h2 - h1) + (P2 - P1)/ + y= 50m + (500000/8624) m + 1,6m = 109,6 mNu= *Fv*H = 8624 N/m3 * 0,005m3/s * 109,6m = 4729W

Da questa Nass= Nu/=4729/0,93=5085 W

CLASSIFICAZIONE DELLE POMPEPOMPE VOLUMETRICHE: spostano quantità di liquido costanti per ogni ciclo difunzionamento. La portata erogata non dipende dalla prevalenza, ma dalnumero di cicli per unità di tempo. Possono essere:

– Alternative: il ciclo è rappresentato dalla corsa completa del pistone.– Rotative: il ciclo è rappresentato da un giro completo dell'elemento

propulsore.

POMPE CINETICHE: l'applicazione di forza centrifughe sul liquido incrementanodapprima la sua energia cinetica, che è trasformata in energia di pressioneattraverso la riduzione della velocità del liquido. Appartengono a questacategorie le pompe di maggior impiego negli impianti industriali, le cosiddettepompe centrifughe. Nelle pompe cinetiche la portata erogata dipende dallaprevalenza.

POMPE SPECIALI: tutte quelle pompe che non rientrano direttamente nellecategorie precedenti, o per requisiti specifici o principi di funzionamentoparticolari.

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SCELTA DELLA POMPA

La scelta della pompa da installare dipenderà da:

1) la prevalenza da fornire in funzione della portata diliquido da spostare. Da questo dipendono, oltre che il tipodi pompa, anche le sue dimensioni e la potenza assorbita.

2) il tipo di liquido da pompare (se è corrosivo, presentasolidi sospesi, requisiti igienico sanitari, viscosità, ecc).

3) tipologia dell'organo motore (elettrico, turbina avapore o gas).

4) tenuta idraulica, nel caso la fuoriuscita di liquido fossepericolosa per l'ambiente o la salute.

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SCELTA DELLA POMPA

Le pompe centrifughe sono adatte per portate elevate perampi campi di prevalenza (diagrammaportata/prevalenza).

Le pompe volumetriche sono adatte per liquidi viscosioppure è necessario raggiungere pressioni elevate(diagramma portata/pressione).

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POMPE CENTRIFUGHE

VANTAGGI:

Sono di semplice costruzione e impiegati vari materiali.

Erogano una portata costante.

Possono lavorare ad alte velocità di rotazione (minori dimensioni aparità di portata).

Possono trasportare liquidi contenenti solidi sospesi.

Per prevalenze elevate servono pompe multigiranti.

Presentano la massima efficienza in un campo limitato della curvacaratteristica.

Possono lavorare con la valvola di mandata chiusa.

Non sono adatte a trasportare liquidi molto viscosi.

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POMPE CENTRIFUGHEASPETTI COSTRUTTIVI:

Sistema motore: produce il lavoro meccanico trasformando l'energia primaria.

Organi di collegamento: trasferisce il lavoro meccanico del motore alla parteidraulica attraverso l'albero motore.La supportazione può essere su piedini o a sedia, la prima più semplice, laseconda più robusta. In ogni caso, la quasi totalità delle pompe centrifughe èprogettata per non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gliinterventi di manutenzione.

Parte idraulica: la girante è contenuta nella voluta. La rotazione della giranteimpartisce la forza centrifuga al liquido che l'acquisisce come energia cinetica.Dalla girante il liquido passa alla voluta e alla mandata, dove l'allargamento dellasezione determina la trasformazione dell'energia cinetica in energia di pressione.

Gli organi di tenuta impediscono il trasferimento di liquido dalla parte idraulica almotore attraverso l'albero motore. Il più impiegato è la cosiddetta tenutameccanica in cui un disco statico e un disco solidale con l'albero sono spinti acontatto fra loro separati da olio lubrificante. Il tutto è completato da anelli ditenuta.

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Sezione di una pompacentrifuga(con supportazione su piedini):1 - corpo1a - bocchello di aspirazione1b - diffusore2 - girante3 - scudo di chiusura della parteidraulica4 - cassa stoppa (contiene il sistemadi isolamento della parte idraulicadall'esterno)5 - supporto dell'albero (contenentei cuscinetti ed il lubrificante)6 - albero (collegato ad un motore,generalmente elettrico) trasmette ilmoto dal motore alla girante.7 - aspirazione8 - mandataPompa centrifuga multigirante

Pompa centrifuga

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GIRANTE: è l'elemento principale della pompa. La tipologia dipende anchedalla tipologia/ aggressività del liquido. La curvature delle palette nellegiranti moderne è quasi sempre rivolto nella direzione opposta del flusso.Questo consente pressioni maggiori e perdite di carico minori.

Quando il liquido abbandona la girante ed entra nella voluta a sezione dipassaggio crescente. Questo determina il rallentamento del liquido, che perl'equazione di Bernoulli determina la trasformazione dell'energia cinetica inenergia di pressione. Per avere prevalenze più alte si può inserire tra lagirante e la voluta un diffusore, palette statiche che consentono un migliorrecupero dell'energia di pressione.

Mentre l'ingresso del liquido avviene sempre in direzione assiale, l'uscitapuò essere in direzione radiale o assiale.La maggior parte delle le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale emandata radiale o tangenziale verso l'alto, ovvero in una direzione radiale(ortogonale) rispetto alla direzione di aspirazione.Nella pompa a flusso assiale il movimento del fluido è assicurato da un'elicaintubata, che spinge il fluido stesso come un'elica marina nella stessadirezione dell'ingresso. Di concezione piuttosto recente, sono stateutilizzate originariamente nei grandi lavori di bonifica, come idrovore, e inseguito hanno avuto impiego industriale in tutti quei casi in cui venivarichiesta una grande portata (normalmente superiore a 1000 m³/h) a bassaprevalenza (normalmente inferiore a 4 metri).Pompe sommerse: il motore è posto all'interno di un contenitore ermeticoper poter installare la pompa sotto il livello del liquido.

CAVITAZIONE E NPSHLa cavitazione consiste nella formazione di vapore all'interno dellapompa. Può portare a gravi danneggiamenti delle apparecchiaturemeccaniche. È uno degli aspetti più importanti da considerare inuna pompa.

In una pompa centrifuga, nell'occhio della girante (la sezione diingresso del liquido) a causa della elevata velocità del liquido c'è unrepentino abbassamento della pressione per l'equazione diBernoulli. Se la pressione scende al di sotto della tensione di vaporedel liquido, questo vaporizza.

In presenza di vapore la pressione e la portata diventano instabili.Se la pompa è installata in battente negativo (sopra il livello delliquido) non riesce più ad autoadescarsi.

Il progettista deve garantire una pressione di alimentazionesufficientemente elevata da garantire che non scenda sotto latensione di vapore alla temperatura di esercizio, durante ilpassaggio nella pompa.

CAVITAZIONE

CAVITAZIONE: DANNEGGIAMENTIDanneggiamento diuna girante a causadella cavitazione. Lacontinua formazionee rottura delle bolledi vapore causaerosione della girantee potenziali danni delmotore elettrico.Nelle figuresottostanti: vortici diricircolazione.

PRESSIONE DI ASPIRAZIONELa pompa opera in battente negativo. Nel tratto di aspirazione lapressione diminuisca. Calcoliamola con l'equazione di Bernoulli

Da cui si ricava

ed infine

NPSH

L'altezza di aspirazione netta positiva disponibile (NPSHd) è ladifferenza tra la pressione di un punto generico dell'impianto e latensione di vapore alla temperatura di esercizio, diviso il peso specifico.Se il punto è l'aspirazione della pompa diventa

NPSHd= (Pasp -Pv)/per il corretto funzionamento NPSHd >0

L'altezza di aspirazione netta positiva richiesta (NPSHr) la caduta dipressione all'interno della pompa, espressa in metri di colonna diliquido. È fornito dai costruttori calcolato con prove sperimentali.

NPSHd > NPSHr da cui (Pasp -Pv)/NPSHr da cui

(Pasp/ - NPSHd > Pv/

Esempio 6.2 PAG 172

La pompa centrifuga della figura aspira 0,002mc/sec di acqua alla profondità di 4m. La tubazione del diametro di 4 cm termina sotto al livello del pozzo con unavalvola di ritegno. La somma delle perdite di carico (localizzate e continue) è pari a0,86 m. Alla temperatura di esercizio la tensione di vapore dell'acqua è 2340 Pa.Determinare la pressione di aspirazione e se la pompa possa funzionare,nell'ipotesi che l'NPSHr sia di 3m,

h1 + P1/ + v12/2g = hasp + Pasp / + vasp

2 /2g + yPasp / =h1 - hasp + P1/vasp

2 /2g + y = -4 m + 10,33m -0,13m – 0,86m = 5,34 mNPSHd = (Pasp – Pv)/ = 5,34 - (2240 /9800)= 5,10 m> di 3m per cui è dimostrato NPSHd>NPSHr

CURVECARATTERISTICHEDELLA POMPASono utilizzate per prevedere ilcomportamento di una pompa aidiversi regimi. In ascissa si riportala portata volumetrica. Inordinate le diverse variabilidipendenti dalla portata:prevalenza, rendimento, potenzaassorbita e NPSHr. Per ogniportata, queste altre variabiliassumeranno valori vincolantiche sono determinati dal grafico.

CURVE CARATTERISTICHE DELL'IMPIANTO

Il punto di funzionamento ottimale della pompa, ovvero la coppiaprevalenza portata possibile, possiamo individuarlo nel punto diintersezione della curva della pompa con la curva caratteristicadell'impianto. Calcoliamola:

Definiamo la Prevalenza statica Hs = (h2-h1)+(P2-P1)/è una quotafissa dipendente esclusivamente dalle caratteristiche dell'impianto;

invece la Prevalenza dinamica Hd = (v22-v1

2)2g + y è una funzionevariabile dipendente dalla portata.

PUNTO DI FUNZIONAMENTO DELLA POMPA

Se poniamo sullo stesso grafico la curva caratteristica della pompa dellaprevalenza con la funzione che descrive la prevalenza statica dell'impianto, ilpunto di incontro ci fornisce il Punto di funzionamento della pompa, la coppiadi valori prevalenza portata che consente di svolgere i lavoro richiestodall'impianto. ESEMPIO 6.3. PAG 175

CURVE ISORENDIMENTOPer garantire risparmio energetico e ridurre i rischi di ricircolazione e cavitazione, èimportante far lavorare le pompe nelle condizioni di maggior rendimento. Le curvecaratteristiche delle pompe sono calcolate su numeri di giri differenti o su diametri differenti.Le diverse curve sono riportate nello stesso grafico.

INSTALLAZIONE DELLA POMPA CENTRIFUGA1) Fissare al suolo la pompa con una piattaforma piana e ancoraggi

adeguati alle sollecitazioni meccaniche.

2) Allineamento pompa e motore, periodicamente controllata per evitaredistorsioni determinate dall'uso della pompa.

3) “Adescare la pompa”, ovvero riempirla di liquido e liberata dell'aria.

4) Ridurre al minimo le perdite di carico nella tubazione di aspirazione(diametri troppo piccoli, curve, valvole, apparecchiature di misure,ecc). Questo per avere un NPSHd sufficientemente alto all'aspirazione.

5) Per evitare lo svuotamento, introdurre le valvole di ritegno nellepompe a battente negativo (sopra il livello del liquido damovimentare) che chiuda la tubazione della aspirazione.

6) Valvole di intercettazione prima e dopo la pompa per sezionarel'impianto in caso di sostituzione della pompa.

REGOLAZIONE POMPA CENTRIFUGA1) La regolazione della portata di una pompa centrifuga si effettua

introducendo una valvola di regolazione nella tubazione di mandata.

2) Il regime del motore della pompa è mantenuto costante.

3) L'apertura o la chiusura della pompa cambia la Leq/d della valvola econseguentemente la curva caratteristica dell'impianto.

4) La regolazione può essere fatta variando il regime del motore elettrico,anche se è una tecnica poco utilizzata (fig. b).

REGOLAZIONE POMPE CENTRIFUGHE

Misuratore di portata

Attuatore pneumatico

Linea ditrasmissione delsegnale(pneumatico)

BYPASS di sicurezza

POMPE VOLUMETRICHE

La portata erogata è teoricamente indipendente dalla prevalenza.In realtà l'aumento di pressione man mano che aumentano iregimi determina modifiche alla portata trasportata.

Le pompe volumetriche sono adatte a trasportare liquidi viscosi.Nelle pompe centrifughe, l'aumento di viscosità porta ad unincremento delle perdite di carico e un abbassamentodell'NPSHd. Al contrario nelle pompe volumetriche consente uncompleto riempimento della pompa e migliora l'efficienza.

Sono ideali per il dosaggio dei reagenti (pompe dosatrici), permaggior accuratezza nella portata.

Sono ideali anche in condizioni di regime variabile (viscosità,temperatura, pressione, composizione, ecc). La pompacentrifuga ha una zona di efficienza ottimale ristretta.

POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE(O A STANTUFFO)

La parte meccanica è un pistone collegato ad unsistema biella manovella, che trasforma il motorotatorio del motore in alternativo. Il movimentodel pistone avviene all'interno di un pistone.

Il limite di funzionamento è dato dalla resistenza allapressione e di tenuta delle parti meccaniche dellapompa. Per questo è necessario una valvola disicurezza sulla mandata.

Nel ciclo di funzionamento della pompa possiamoindividuare una fase di aspirazione (riempimentodella camera) e una di scarico o mandata(svuotamento).

POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVEPompa simplex a singolo effetto

Le tubazioni di mandata easpirazione sono collegateal pistone attraversovalvole di ritegno. Il graficomostra la portata erogatadi una pompa simplex asemplice effetto.

POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVEPompa simplex a duplice effetto

La camera è divisa in due dal pistone in modo che per ogni movimento alternativo avvenga siauna fase di aspirazione che di mandata. Per avere una portata più costante, è necessariomettere un polmone sulla mandata.La velocità del pistone non deve essere tale da determinare il distacco del liquido dal pistone.Per questo le portate erogate non possono essere elevate. Infatti, non potendo agire sullavelocità del pistone, per elevate portate servono apparecchiature di dimensioni rilevanti,difficilmente gestibili.

REGOLAZIONE POMPE ALTERNATIVEIn tutte le pompe volumetriche la portata non può essere regolata con valvole sullamandata, perchè determinerebbero sovrappressioni pericolose per le apparecchiature.La portata erogata dipende solo dal numero di cicli dello stantuffo.La regolazione agendo sulla velocità del pistone è però poco precisa, lenta e complessa.Inoltre non avendo un regime costante, l'efficienza della pompa diminuisce.Si preferisce perciò fare un bypass con valvola di regolazione. La portata in mandata èregolata deviando parte del flusso nel riciclo aprendo la valvola di regolazione. L'eccessodi liquido in mandata torna nella linea di aspirazione.FC: controllo di portata.

POMPE ALTERNATIVEA STANTUFFO TUFFANTE

POMPE ALTERNATIVE A DIAFRAMMA (MEMBRANA)

POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE

Adatta per liquidi molto viscosi, inadatte per sospensioni abrasive. Fondamentale laprecisione della meccanica per evitare il ritorno di liquido dalla parte centrale.

POMPA AD INGRANAGGI POMPA A LOBI

POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE

La pompa peristaltica trova largo impiego in biotecnologie ecome pompa dosatrice.

POMPE PER APPLICAZIONI SPECIALIAIR LIFT: il gorgogliamento dell'aria in Ht

fa diminuire la densità del liquido al suointerno che è spinto verso l'alto dallapressione idrostatica (Legge di Stevin) delliquido esterno.Oltre a questa possiamo citare anche lavite di Archimede.