Lezioni di meccanica enologica Prof. Massimo Giubilei

LE POMPE Le pompe sono macchine idrauliche che

trasformano l’energia meccanica in energia cinetica o in pressione.

Le pompe conferiscono al liquido (o gas): energia cinetica determinando un flusso che si sostanzia nella portata; pressione che consente di superare dislivelli (prevalenza manometrica) o di creare sottovuoto; Forza per vincere le resistenze passive all’interno delle tubazioni o nei filtri.

Aspetti tecnici Prevalenza manometrica (o prevalenza geodetica

H), esprime la differenza di livello tra il pelo libero del liquido da aspirare e il punto di efflusso.

H1 = altezza geodetica di aspirazione;

H2 = altezza geodetica di mandata H1 + H2 = prevalenza manometrica

(o prevalenza geodetica H)

Aspetti tecnici La portata della pompa è il volume d'acqua, misurato

in litri o metri cubi, mosso dalla pompa nell'unità di tempo (generalmente secondi o minuti).

La portata si misura pertanto in: litri al secondo (l/s); litri al minuto (l/m); metri cubi all'ora (mc/h), ecc.

La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe.

Aspetti tecnici (potenza e rendimento)

La pompa, per sollevare una quantità di liquido Q e superare una prevalenza totale H, compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowatt/ora), cioè un'energia, fornitale attraverso un motore, definita dalla seguente espressione:

P = 9,8 * Q * H La formula esprime potenza utile, però a causa delle inevitabili perdite

d'energia la potenza utilizzata, cioè quella realmente necessaria per far funzionare la pompa deve essere maggiore, si parla allora di potenza assorbita.

Si definisce rendimento il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita.

Il rendimento è sempre inferiore all'unità (R < 1) perché in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile è sempre minore di quella assorbita.

Aspetti tecnici Nella scelta delle pompe bisogna considerare anche altri aspetti tecnici quali: Caratteristiche del liquido (es con solidi sospesi, abrasivo viscoso, denso ecc.) Perdite di carico, ossia le perdite di energia del liquido dovute oltre alla caratteristica del liquido (densità) anche alla lunghezza delle tubazioni alla loro scabrosità interna e alle curve. Perdite di tenuta* che si possono manifestare nelle giunture, nelle guarnizioni o in fori sulle tubazioni. (* Tenuta intesa come resistenza alle pressioni cui è sottoposta la pompa e la tubazione durante l’impiego)

Aspetti tecnici (curva caratteristica) La curva caratteristica (costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa) indica la prevalenza fornita dalla pompa in funzione della portata erogata. Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata.

Come si può osservare le curve superiori sono quelle afferenti ad alti numeri di giri N>1, mentre via via che tale numero di giri decresce le curve sono più basse. Frequentemente le stesse case costruttrici forniscono i diagrammi prevalenza-portata di una data pompa a diversi valori di N (così come ad esempio è riportato in figura 2), corredati tuttavia di linee iso-rendimento; tali linee possono essere definite come il luogo dei punti di funzionamento in cui il rendimento della pompa è costante.

La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore, per cui in realtà ogni pompa è caratterizzata da una serie di curve caratteristiche, che variano in funzione del numero di giri.

Aspetti tecnici (posizione e collegamento ) In base alla posizione in cui si trova la pompa rispetto al pelo libero, le pompe possono funzionare in: Aspirazione, se l’asse è ad un livello superiore del pelo libero del liquido da aspirare; Sottobattente (o di spinta), se l’asse è ad un livello inferiore al pelo libero del liquido da aspirare. Per quanto concerne il modo in cui si possono collegare più pompe si ha: In serie (una pompa dietro l’altra) con conseguente somma delle prevalenze e la portata resta invariata; In parallelo (ognuna con un proprio tubo di aspirazione e le mandate confluiscono insieme) con conseguente somma delle portate e le prevalenze rimangono le stesse.

Classificazione delle pompe In base al principio di funzionamento possiamo suddividere in due categorie: Volumetriche

A moto alternato o alternative

Rotative

Centrifughe Autoadescanti Non autoadescanti

• A pistoni o stantuffo • A membrana

• A vite eccentrica Mohno • A rotore ellittico • A lobi • Peristaltiche

POMPE ALTERNATIVE

Pompe a pistoni e Pompe a membrana

Pompa a pistoni Le pompe a pistoni si suddividono in 3 tipologie in base al loro funzionamento: A stantuffo aspirante (non utilizzate in enologia) A stantuffo aspirante-premente (ormai in disuso) A doppio effetto (molto diffuse e usate soprattutto per il trasporto di liquidi anche con piccole particelle solide)

Pompa a pistoni a stantuffo aspirante

La pompa a pistoni a stantuffo aspirante, non trovano applicazioni in enologia, sono costituite da una camera cilindrica nella quale scorre il pistone. Sul pistone è posizionata una valvola (valvola premente o di trapasso) che consente la funzione di aspirazione, una valvola analoga (valvola di aspirazione) è posizionata all'inizio della tubazione di aspirazione.

Pompa a pistoni a stantuffo aspirante

La pompa a pistoni a stantuffo aspirante, non trovano applicazioni in enologia, sono costituite da una camera cilindrica nella quale scorre il pistone. Sul pistone è posizionata una valvola (valvola premente o di trapasso) che consente la funzione di aspirazione, una valvola analoga (valvola di aspirazione) è posizionata all'inizio della tubazione di aspirazione.

Pompa a pistoni a stantuffo aspirante

Il funzionamento è il seguente: durante la corsa di salita si apre la valvola

di aspirazione posta alla base e il liquido entra nella camera inferiore della pompa, mentre il liquido che si trova nella camera superiore viene espulso dalla pompa.

Durante la corsa di discesa si apre la valvola posta sul pistone che permette il passaggio del liquido dalla camera inferiore a quella superiore. La valvola di aspirazione è chiusa.

Pompa a pistoni aspirante-premente La pompa a pistoni a stantuffo aspirante-premente a semplice effetto sono ormai superate da quelle a doppio effetto. Esse sono sono costituite da una camera cilindrica con due valvole, una di aspirazione e l'altra di mandata, il movimento alternato del pistone, all'interno della camera, consente prima l'aspirazione e poi la mandata. Queste pompe sono caratterizzate da un evidente effetto pulsante, che può essere attenuato con l'applicazione di una camera di compensazione (camera d'aria) posta a valle della valvola di mandata.

Pompa aspirante premente.mp4

Pompa a pistoni a doppio effetto

Le pompe a pistoni a doppio effetto sono molto diffuse nelle cantine e spesso sono costituite da due cilindri per rendere più continuo il flusso e migliorare l'efficienza. In queste pompe lo stantuffo divide il cilindro in due parti, ognuna delle quali è dotata sia della valvola di aspirazione che di quella di mandata. In questo modo ad ogni corsa del pistone si ha sia l'aspirazione e contemporaneamente la mandata. In questo modo l'effetto pulsante è notevolmente ridotto e con l'ausilio della camera d'aria diviene quasi continuo.

Pompe a pistoni

Le pompe a pistoni sono impiegate per travasi di vino, uva diraspata, mosto, feccia, ecc… e liquidi densi in genere anche con corpi in sospensione

Sono autoadescanti Possono funzionare a secco senza problemi. Il dimensionamento è tale da consentire il più basso numero

di cicli del pistone a parità di portata (al fine di mantenere quanto più possibile inalterato il prodotto da travasare)

La portata è direttamente proporzionale all'alesaggio, alla corsa e al numero delle corse

In genere sono munite di invertitore di flusso

Pompa a pistoni caratteristiche

Le pompe a membrana sono adatte soprattutto per liquidi abrasivi (esempio quando si usano le farine fossili); si impiegano, infatti, per alimentare i filtri ad alluvionaggio continuo e per la preparazione del prepanello dei filtri sottovuoto Sono costituite da due calotte divise da una membrana elastica, chiamata diaframma, che viene mossa verso l'alto e verso il basso da un moto alternato di una manovella. Sulla calotta inferiore sono collegati i tubi di aspirazione e di mandata, muniti entrambe delle rispettive valvole.

Pompa a membrana

A = valvole a sfera B = camera di pompaggio C1 = membrana lato prodotto C2 = membrana lato aria D = collettore di aspirazione E = collettore di mandata F = scambiatore pneumatico

Pompa a membrana schema

Pompa a membrana caratteristiche

Le pompe a membrana sono impiegate per liquidi abrasivi Sono autoadescanti Manifestano l'effetto pulsante Hanno alta prevalenza e bassa portata

Pompa a membrana

POMPE ROTATIVE

Mohno o a vite eccentrica o monovite A rotore ellittico A lobi Peristaltiche

Pompa monovite Le pompe volumetriche a vite eccentrica (pompe mohno) utilizzano il principio di Archimede, sono adatte al pompaggio di liquidi, vino, uva pigiata e diraspata; per la particolare costruzione trasferiscono in modo delicato e funzionano anche con corpi solidi leggermente abrasivi in sospensione. Dal punto di vista tecnico si evidenziano: •Il flusso costante con assenza di pulsazioni; •l’aerazione ed l’emulsione del prodotto è minima; •la bassa rumorosità e le trascurabili vibrazioni. •sono autoadescanti e reversibili •la pressione di lavoro raggiungibile è di 4÷6 bar. •possono essere dotate di by-pass automatico di sicurezza.

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Pompa monovite

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La portata è in funzione del regime di rotazione del rotore, lo statore è realizzato in gomma alimentare e il movimento combinato di questi organi crea un flusso continuo, senza sbattimenti e con il massimo rispetto delle caratteristiche organolettiche del prodotto.

Pompa monovite

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Il prodotto viene convogliato da una coclea fino all'interno della pompa, dove l'azione di un rotore ellittico in acciaio inox, a mezzo di una valvola separatrice, lo spinge nella tubazione di uscita. Il pompaggio avviene per pressione e non per forza centrifuga, evitando la rottura dei raspi e la frantumazione degli acini, ottenendo così un'ottima qualità di prodotto finito.

Pompa monovite Esempio di alcuni modelli della ENOVENETA

MODELLO V614 V615 V616 V618 V619

KW 1.5 2.2 3.0 5.5 7.5

LT / H 600/3000 1500/6000 3000/13000 4000/21000 8000/41000

PREVALENZA MT 20 25 30 30 40

GIRI/MIN 190/1000 125/500 125/500 155/400 70/370

RACCORDI 40 40 60 80 100

MISURE 1200X460X745 1435X500X835 1640X500X980 2100X600X1000 2300X600X1000

PESO KG 60 195 220 290 350

Pompa monovite filmati

Funzionamento pompa a vite.mp4

Pompa a vite funzionamento.mp4

Pompa a vite modello funzionamento.mp4

Pompe a rotore ellittico Queste pompe sono adatte al trasferimento di uva intera o pigiata, vinacce fresche o fermentate. Questo tipo di pompa agisce per mezzo di un rotore ellittico che esercita la pressione sul prodotto, assicurando così il miglior trattamento al prodotto pompato evitando la rottura dei raspi e la frantumazione di bucce e vinaccioli, ottenendo così un´ottima qualità di prodotto finito.

Pompe a rotore ellittico È formata dall´unità monoblocco (1) (costruita interamente in acciaio inox) Il prodotto viene convogliato da una coclea fino all´interno della pompa (2), dove l´azione di un rotore ellittico in acciaio inox (3), a mezzo di una valvola separatrice (4), lo spinge nella tubazione di uscita (5). Il pompaggio avviene per pressione e non per forza centrifuga.

Pompe a rotore ellittico Dati tecnici PREL 6 150 PREL 6 220 PREL 8

Produzione oraria (uva) [t/h] 14 20 25

Potenza motore elettrico [kW] 4-5,5-7,5 4-5,5-7,5 4-5,5-7,5

Altezza di scarico (uva) [m] 5/8/10 4/7/9 4/6/8

Distanza di scarico (uva) [m] 30/40/55 25/35/45 20/30/40

Rotore inox Ø [mm] 300x150 300x220 300x220

Coclea tramoggia Ø [mm] 220 220 220

Velocità rotazione pompa [giri/min] 47-58 47-58 77

Uscita di scarico pompa Ø [mm] 100-120 100-120 100-120

Peso [kg] 195/210/220 195/210/220 195/210/220

La pompa a lobi è una pompa volumetrica. L'effetto trasporto viene generato dai due elementi di pompaggio (i lobi) controrotanti e sincronizzati che ruotano, senza che si tocchino tra loro, all'interno di una camera (vano della pompa).

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Pompa a lobi

Il prodotto viene trasportato all'interno del corpo pompa dagli elementi di pompaggio e passa dal lato aspirazione al lato mandata.

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Pompa a lobi

La forma dei lobi varia, cosi come possono variare il numero dei lobi di ogni elemento.

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Pompa a lobi

Le caratteristiche delle pompe a lobi sono: • Reversibili • Autoadescanti • Resistenti al funzionamento a secco • Resistenti a sostanze grossolane • Portata proporzionale alla velocità • Pompaggio soffice

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Pompa a lobi caratteristiche

Il principio di funzionamento della pompa peristaltica consiste nello schiacciamento progressivo di un tubo elastomerico da parte di rulli opportunamente posizionati. Fra una compressione e la successiva il tubo ritorna al suo diametro primitivo provocando un vuoto idoneo ad aspirare il prodotto da veicolare. Questo pompaggio delicato non causa danno al prodotto e gli evita contaminazione con organi meccanici e lubrificanti della pompa.

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Pompa peristaltica

Le principali caratteristiche di queste pompe sono: • rispetto della integrità del prodotto • possibilità di trasferire prodotti eterogenei con corpi

solidi in sospensione (esempio vinacce o pigiato) • assenza di contatto fra il prodotto da trasferire e gli

organi meccanici • elevato potere autoadescante • invertibilità del flusso • funzionamento senza prodotto da trasferire.

La pompa peristaltica è per sua natura una pompa "pulsante", in quanto la portata non è costante sul singolo giro. Per ridurre il fenomeno della pulsazione vengono impiegati compensatori – campane- di forma e dimensione opportuna che assorbono il "picco della pulsazione", fino ad ottenere una portata costante.

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Pompa peristaltica

POMPE CENTRIFUGHE

Autoadescanti Non autoadescanti

Pompe centrifughe Le pompe centrifughe sono costituite da un organo mobile: la girante, (formata da un piatto sul quale sono inserite delle palette) e da una parte fissa: cassa a spirale (chiocciola o voluta). Facendo ruotare velocemente la girante, il liquido viene spinto, per effetto della forza centrifuga, dal centro verso la periferia della girante. La forza centrifuga avendo una direzione radiale, crea in prossimità del centro (occhio della pompa) una depressione capace di richiamare attraverso la condotta di aspirazione altro liquido.

Pompe centrifughe Le pompe centrifughe è preferibile siano installate in posizione sotto battente, perché la pompa per poter sollevare il fluido deve essere adescata, cioè sia il condotto di aspirazione, sia il corpo della pompa devono essere sempre pieni di liquido. Quando si installa in aspirazione, bisogna prevedere opportuni dispositivi per evitare il funzionamento a secco e la formazione di vortici e la possibile aspirazione di aria; il funzionamento a secco o in presenza di bolle d’aria causa il danneggiamento della tenuta meccanica. Per questo bisogna disporre all’inizio del condotto di aspirazione una valvola di fondo (o di non ritorno), in modo da mantenere sempre pieni il tubo e la pompa.

Pompe centrifughe Il liquido spinto dalla girante sulle pareti della chiocciola e per la conformazione di quest’ultima che è a sezione crescente, acquista energia cinetica ed energia di pressione che permette la risalita del fluido attraverso la condotta di mandata. L a forza centrifuga (Fc) che spinge il liquido verso la periferia è direttamente proporzionale alla massa del liquido (M) e all’accelerazione centrifuga (ac)

Fc = M * ac Forza Centrifuga = Massa * Accelerazione Centrifuga

L’ accelerazione centrifuga è data dal raggio medio della girante (R) per la velocità angolare della girante ω Ac= ω2 x R

Pompe centrifughe autoadescanti L’aria (frecce gialle) viene aspirata all’interno della pompa dalla depressione creata dalla girante in movimento e si emulsiona col liquido (frecce blu) contenuto nel corpo pompa. L’emulsione aria-liquido viene spinta nella camera d’innescamento dove l’aria, più leggera, si separa ed esce dal tubo di mandata; il liquido, più pesante, ricade e torna in circolazione. Espulsa tutta l’aria dal condotto di aspirazione, la pompa s’innescherà e funzionerà come una normale pompa centrifuga.

Tubazioni e raccordi Le tubazioni in genere sono costituite da tubi flessibili in PVC plastificato con spirale di rinforzo in PVC rigido antiurto. Queste tubazioni hanno la superficie interna liscia e un’ottima resistenza allo schiacciamento; ciò gli conferisce una ottima resistenza e indeformabilità sia in fase di aspirazione che di mandata del liquido. La raccorderia normalmente è in acciaio inox. Ad ogni giunzione si devono prevedere adeguati fissaggi e guarnizioni.

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Tubazioni e raccordi Si possono avere anche tubazioni fisse realizzate in acciaio inox che collegano i vasi vinari

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