Cosa sono le pompe centrifughe?
Le pompe centrifughe sono ampiamente impiegate per il trasferimento di liquidi a bassa viscosità, come l'acqua. Sono particolarmente efficaci per il trasporto di grandi volumi di tali liquidi.
Grazie alla loro elevata capacità di flusso, facilità di manutenzione e robustezza complessiva, le pompe centrifughe trovano applicazione in numerosi settori industriali a livello globale.
Pompa Centrifuga Radiale con Cassa a Spirale
Componenti della Pompa Centrifuga
Le pompe centrifughe presentano un design relativamente semplice e sono costituite da pochi componenti. Di seguito sono elencati alcuni dei componenti più comuni.
Cassa a Spirale e Diffusore
La cassa a spirale o il diffusore sono utilizzati per convertire l'energia cinetica in pressione.
Cassa a Spirale con Girante (a)
La girante ruota e trasferisce energia cinetica al liquido circostante attraverso l'attrito. Durante la rotazione, il liquido si sposta verso la periferia della girante, trasformando l'energia cinetica in pressione.
Imballaggio a Compressione e Tenute Meccaniche
La sigillatura della pompa è ottenuta tramite imballaggio a compressione (conosciuto anche come imballaggio) o tenuta meccanica. L'imballaggio è una soluzione antica, mentre le tenute meccaniche rappresentano un'innovazione più recente.
L'imballaggio è l'opzione più economica, ma presenta diversi svantaggi rispetto alla tenuta meccanica, tra cui:
- Imballaggio a ghiandola che preme contro l'albero, creando una scanalatura che potrebbe richiedere riparazione.
- Il contatto tra ghiandola e albero genera attrito e calore, che devono essere dissipati per evitare danni.
- L'attrito aumenta il consumo di energia del motore della pompa, riducendo l'efficienza complessiva.
- L'imballaggio richiede regolazioni periodiche per mantenere il corretto tasso di perdita.
- La durata dell'imballaggio è generalmente inferiore rispetto a una tenuta meccanica.
Disposizione della Scatola di Imballaggio
In aggiunta, potrebbe essere necessario installare un anello di lanterna per raffreddare l'imballaggio.
Le tenute meccaniche non presentano gli stessi problemi dell'imballaggio, sebbene siano più costose e soggette a perdite se le superfici di tenuta non sono perfettamente pulite.
Anelli di Usura
Gli anelli di usura sigillano lo spazio tra la girante e la cassa. Gli anelli montati sulla girante sono detti 'anelli di usura della girante', mentre quelli sulla cassa sono 'anelli di usura della cassa'.
Senza anelli di usura, il liquido potrebbe rifluire dal lato di scarico a quello di aspirazione, riducendo l'efficienza della pompa. Sebbene sia possibile operare senza anelli di usura, ciò causerebbe danni alla girante e alla cassa, con costi di sostituzione superiori a quelli degli anelli di usura.
Il contatto tra girante e cassa può causare 'galling', un fenomeno in cui i metalli si saldano microstrutturalmente, potenzialmente bloccando la pompa.
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Come Funzionano le Pompe Centrifughe
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Il liquido viene aspirato attraverso il portello di aspirazione (foro centrale nella cassa) e scaricato attraverso il portello di scarico (foro sulla parte superiore della cassa).
Una volta che il liquido è passato attraverso il portello di aspirazione, attraversa la girante e viene espulso radialmente dall'occhio della girante (centro della girante). Il liquido si allontana dall'occhio della girante per effetto della forza centripeta, sebbene spesso si attribuisca erroneamente questo movimento alla forza centrifuga, che è una forza immaginaria.
Girante della Pompa Centrifuga
La girante è dotata di alette separate da canali, attraverso cui scorre il liquido. Ogni canale ha un'area di flusso crescente. Man mano che l'area di flusso aumenta, la velocità del liquido diminuisce e la pressione aumenta. Questa relazione è descritta dal Principio di Bernoulli.
Grazie alla forma unica della cassa a spirale, il liquido subisce un'ulteriore riduzione della velocità e un aumento della pressione. Il liquido viene quindi espulso attraverso il portello di scarico.
Classificazione per Flusso
Le pompe centrifughe sono classificate in base al tipo di flusso: radiale, assiale o misto.
Le pompe a flusso radiale espellono il liquido perpendicolarmente all'albero principale della pompa; questo tipo è ideale per molte applicazioni di pressione e flusso.
Pompa Centrifuga a Flusso Radiale
Le pompe a flusso misto espellono il liquido ad un angolo superiore a 90 gradi rispetto all'albero della pompa.
Pompa Centrifuga a Flusso Misto
Le pompe a flusso assiale sono utilizzate per applicazioni a bassa pressione e alto flusso. Sebbene impartiscano poca forza radiale al liquido, sono comunque classificate come centrifughe per via del movimento radiale del liquido.
Pompa Centrifuga a Flusso Assiale
Classificazione per Girante
Le giranti sono disponibili in tre design comuni: chiuso, semi-aperto e aperto.
Giranti Aperte, Semi-Aperte e Chiuse
Chiusa – le giranti chiuse hanno due dischi di copertura che racchiudono completamente le alette. Sono molto efficienti per il pompaggio di liquidi a bassa viscosità con pochi solidi sospesi. Offrono la maggiore resistenza meccanica grazie al supporto fornito dai dischi di copertura.
Semi-Aperta/Semi-Chiusa – conosciuta anche come girante 'parzialmente aperta' o 'parzialmente chiusa', ha un solo disco di copertura. È utilizzata per il pompaggio di liquidi con una moderata quantità di solidi sospesi. Meno efficiente rispetto alle giranti chiuse, poiché il liquido non è guidato direttamente lungo le alette.
Aperta – le giranti aperte non hanno dischi di copertura. Sono ideali per il pompaggio di liquidi ad alta viscosità e con molti solidi sospesi. Tipiche applicazioni includono acque reflue e polpa di carta. A volte, il centro della girante è dotato di un coltello dentellato per tritare i solidi mentre vengono aspirati.
Classificazione per Stadio
Le pompe centrifughe possono essere a singolo o multi-stadio.
Una pompa a singolo stadio ha una sola girante. Solitamente utilizza una cassa a spirale, sebbene un diffusore possa essere impiegato in spazi ristretti.
Una pompa multi-stadio ha più giranti. Utilizza tipicamente diffusori, poiché installare una cassa a spirale per ogni girante sarebbe impraticabile.
Le pompe multi-stadio sono denominate in base al numero di giranti su un albero comune, ad esempio, una pompa a cinque stadi ha cinque giranti.
Le pompe multi-stadio permettono al liquido di passare attraverso più giranti e diffusori, aumentando gradualmente la pressione a ogni stadio.
Classificazione per Tipo di Aspirazione
Le giranti possono essere a singola aspirazione o a doppia aspirazione.
Le giranti a singola aspirazione hanno un solo ingresso di aspirazione.
Le giranti a doppia aspirazione hanno due ingressi di aspirazione.
Aspirazione Singola e Doppia
Tra Cuscinetti o Sospesa
Le giranti delle pompe centrifughe possono essere supportate a un'estremità in un arrangiamento a sbalzo, o a entrambe le estremità.
Le giranti supportate solo a un'estremità sono chiamate pompe sospese, perché la girante è 'sospesa' all'interno della cassa.
Le giranti supportate su entrambi i lati sono chiamate pompe tra cuscinetti, perché la girante(i) è installata tra i cuscinetti dell'albero. Le pompe centrifughe di grandi dimensioni e le pompe centrifughe multi-stadio sono quasi sempre pompe tra cuscinetti.
Curve della Pompa
Le curve della pompa sono utilizzate per determinare le condizioni operative ottimali in base a caratteristiche specifiche, come il tipo di liquido, la pressione e la portata desiderate. Le caratteristiche richieste dipendono dalle esigenze specifiche; alcune pompe devono soddisfare molte condizioni prima di essere messe in servizio.
Due delle caratteristiche più importanti di una curva della pompa sono la testa di arresto e il runout della pompa.
La testa di arresto rappresenta la massima testa statica generabile dalla pompa.
Il valore di runout è la massima portata consentita senza danneggiare la pompa.
Curva della Pompa
Testa di Arresto – è la massima testa statica (a volte chiamata 'testa totale') generabile dalla pompa a una certa velocità. Una volta raggiunta, non c'è flusso.
Esempio
Immagina di pompare un liquido attraverso un tubo verticale lungo 10m. Non conosci la testa di arresto, quindi inizi a praticare fori nel tubo finché l'acqua non fuoriesce. Pratichi un foro a 10m, poi a 9m, e l'acqua fuoriesce a 8m. Tagli l'ultimo metro e vedi che il livello dell'acqua è a circa 8,5m, senza flusso. Questo rappresenta la testa di arresto.
Nel nostro esempio, l'altezza può essere classificata come la testa di scarico, che è la pressione che solleva il liquido dal tubo di scarico della pompa fino all'uscita finale.
La testa statica (o testa totale) è la differenza in altezza verticale dalla parte superiore del liquido pompato al punto più alto di scarico.
La testa di arresto è il valore della testa totale quando non si verifica alcun flusso.
Testa di Pressione Totale (testa statica)
Runout – è la massima portata consentita senza danneggiare la pompa. Alte portate possono causare cavitazione, che è indesiderata.
Cavitazione
La cavitazione si verifica a causa delle variazioni di pressione incontrate dal liquido mentre attraversa la girante della pompa. Le bolle di vapore intrappolate si formano e collassano a causa di questo improvviso cambiamento di pressione. Sebbene la cavitazione sia insignificante su piccola scala, è molto dannosa per la pompa quando si ripete migliaia di volte al secondo.
Effetto del Cambiamento di Pressione su una Bolla di Vapore (cavitazione)
La cavitazione spesso fa sembrare che la pompa stia scuotendo biglie all'interno della cassa della pompa. Se si sospetta la cavitazione, devono essere prese misure correttive per ridurre o fermare la cavitazione il prima possibile.
Bloccaggio del Gas
Il liquido pompato è essenziale per il funzionamento della pompa. Senza liquido, la pompa non funzionerà correttamente. Il bloccaggio del gas si verifica quando c'è troppo poco liquido nella pompa e non si può ottenere una pressione di aspirazione negativa. Senza questa pressione, nessun liquido può essere aspirato, impedendo il flusso.
Nota: Le pompe a spostamento positivo non soffrono di bloccaggio del gas poiché sono auto-adescanti (possono pompare aria).
Adescamento
Le pompe che possono pompare aria sono chiamate 'auto-adescanti'. A differenza delle pompe a spostamento positivo, una pompa centrifuga non può pompare aria e quindi non è auto-adescante. È normalmente richiesto che una testa di pressione sia disponibile quando la pompa viene avviata, questo spesso significa che la pompa è installata sotto il livello del liquido pompato (il liquido viene aspirato nella pompa a causa della gravità). Un altro mezzo per adescare la pompa è utilizzare una pompa aggiuntiva per alimentare la pompa centrifuga principale fino a quando non si ottiene l'aspirazione.
Pompa Installata Sotto il Liquido Pompato
Dettagli del Modello 3D
Questo modello 3D mostra tutti i principali componenti associati a una tipica pompa centrifuga, questi includono:
- Girante
- Cassa a Spirale
- Albero
- Tenuta Meccanica
- Portelli di Aspirazione e Scarico
- Chiave dell'Albero
- Cuscinetto
- Dadi e Bulloni
- Anelli di Usura
- Imballaggio a Compressione
- Anello di Lanterna
Questo è un modello 3D di una Pompa Centrifuga.
Annotazioni del Modello 3D
Scarico/Uscita
Il fluido viene scaricato attraverso questa connessione.
Aspirazione/Ingresso
Il fluido viene aspirato nella girante attraverso questa connessione.
Anello di Usura
Un anello di usura della girante è installato per ridurre il gioco tra la cassa e la girante. Ridurre il gioco riduce la quantità di perdita dal lato di scarico al lato di aspirazione della girante; questo migliora in definitiva l'efficienza della pompa.
Girante
Il fluido fluisce nell'occhio della girante e poi verso l'esterno radialmente. Man mano che il fluido si muove verso l'esterno attraverso le alette della girante, la sua energia cinetica viene convertita in energia di pressione. Esistono tre tipi di girante centrifuga, questi sono i tipi chiuso, parzialmente chiuso e aperto; il tipo utilizzato dipende dal fluido che viene pompato.
Cassa a Spirale
Le casse delle pompe centrifughe sono di tipo diffusore o a spirale. Le pompe a singolo stadio (una girante) utilizzano quasi sempre casse a spirale, mentre le pompe multi-stadio (>1 girante) utilizzano solitamente casse diffusore.
Imballaggio a Compressione
L'imballaggio a compressione sigilla lo spazio tra l'albero e la cassa. L'imballaggio a compressione è solitamente indicato semplicemente come 'imballaggio'. Un'alternativa all'imballaggio a compressione è la tenuta meccanica.
Scatola di Imballaggio
L'area in cui sono installati l'imballaggio e l'anello di lanterna è nota come 'scatola di imballaggio'. L'imballaggio è letteralmente 'imbottito' in questo spazio. Su questo modello, il marcatore di annotazione è stato posizionato sopra la scatola di imballaggio.
Anello di Lanterna
Gli anelli di lanterna sono utilizzati per distribuire il liquido di raffreddamento all'imballaggio. Il liquido raffredda e lubrifica l'imballaggio, il che aiuta a prevenire il surriscaldamento.
Seguace della Ghiandola
Un seguace della ghiandola viene utilizzato per comprimere l'imballaggio, ma è importante mantenere un tasso di perdita attraverso l'imballaggio. Il tasso di perdita dovrebbe essere misurato in gocce al minuto e il seguace della ghiandola dovrebbe essere regolato se il tasso di perdita diventa eccessivo.
Cuscinetti a Sfera
I cuscinetti supportano i carichi assiali e radiali generati dalla pompa quando è ferma e in servizio. Il tipo di cuscinetto utilizzato dipende da molti fattori, sebbene i cuscinetti a sfera siano considerati un cuscinetto adatto per molte applicazioni di servizio. I cuscinetti a sfera sono un tipo di cuscinetto anti-attrito.
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Come Funzionano le Pompe a Mano (pompa idraulica per acqua)
Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_pump
https://www.powerzone.com/resources/glossary/centrifugal-pump
https://www.introtopumps.com/pumps-101/what-is-a-centrifugal-pump