Che cosa è una pompa?

Una pompa è un dispositivo meccanico progettato per trasferire liquidi o gas da un luogo a un altro. Esse possono essere alimentate da una varietà di fonti di energia, tra cui motori elettrici o motori a scoppio a seconda delle esigenze specifiche dell’applicazione.

Le pompe sono comunemente utilizzate per:

1. Per il sollevamento dell’acqua: Le pompe idrauliche sono utilizzate per estrarre l’acqua da pozzi, fiumi o laghi per scopi di irrigazione, approvvigionamento idrico e drenaggio.
2. Per il trasferimento di liquidi: Le pompe sono impiegate per spostare liquidi da un serbatoio o un contenitore a un altro, come nel caso del trasferimento di carburante, olio, acqua, prodotti chimici, ecc.
3. Per la Movimentazione dei rifiuti: Le pompe fognarie vengono utilizzate per pompare liquidi da sistemi fognari domestici e industriali.
4. Nel settore industriale: Le pompe sono fondamentali in numerose industrie, tra cui l’industria chimica, petrolchimica, alimentare, farmaceutica e mineraria, per il trasferimento di fluidi e la gestione dei processi.
5. Negli Impianti di condizionamento dell’aria: Le pompe sono utilizzate nei sistemi di condizionamento dell’aria per circolare l’aria e trasferire il refrigerante attraverso il sistema.

Le pompe possono essere classificate in vari modi, tra cui in base al tipo di movimento (pompe centrifughe o pompe volumetriche), al tipo di fluido che gestiscono (liquidi o gas), alla portata e alla pressione richieste, e al meccanismo di azionamento. Ogni tipo di pompa ha caratteristiche e applicazioni specifiche.

In questo articolo vediamo nel particolare quelle pompe più comuni per un manutentore di global service e cioè:

• Le pompe di circolazione
• Le pompe di pressurizzazione
• Le pompe di ricircolo

Le pompe di circolazione, di pressurizzazione e di ricircolo sono dispositivi utilizzati in diversi contesti e con diverse funzioni. Ecco le differenze principali tra di loro:

1. Pompe di circolazione:
   • Le pompe di circolazione sono progettate per spostare liquidi all’interno di un sistema chiuso, come un impianto di riscaldamento o di raffreddamento.
   • La loro principale funzione è quella di mantenere il flusso costante del liquido all’interno del sistema, assicurando che venga distribuito in modo uniforme.
   • Sono ampiamente utilizzate in impianti idraulici per garantire che l’acqua calda o fredda circoli efficacemente.
2. Pompe di pressurizzazione:
   • Le pompe di pressurizzazione sono progettate per aumentare la pressione di un liquido in un sistema, solitamente all’interno di una rete idrica domestica o industriale.
   • La loro principale funzione è quella di garantire che l’acqua o altri liquidi raggiungano i punti di consumo con la pressione necessaria, come i rubinetti o le docce.
   • Sono utilizzate per migliorare il flusso d’acqua in situazioni in cui la pressione naturale non è sufficiente.
3. Pompe di ricircolo:
   • Le pompe di ricircolo sono progettate per riportare il liquido da una destinazione specifica a un serbatoio o una fonte principale.
   • La loro principale funzione è quella di mantenere il flusso di liquido costante in un sistema chiuso, come ad esempio in impianti di raffreddamento o di riscaldamento, dove il liquido deve essere costantemente riportato al punto di origine per essere riutilizzato.
   • Queste pompe sono spesso utilizzate per migliorare l’efficienza energetica e ridurre gli sprechi di liquidi in sistemi a circuito chiuso.

In sintesi, queste tre tipologie di pompe hanno scopi diversi: le pompe di circolazione mantengono il flusso costante all’interno di un sistema, le pompe di pressurizzazione aumentano la pressione dell’acqua, mentre le pompe di ricircolo riportano il liquido al punto di origine. Ognuna di esse è progettata per soddisfare esigenze specifiche in diversi contesti.

Quali sono i componenti principali di una pompa:

1. Corpo della pompa (o alloggiamento): Il corpo della pompa è la parte esterna che contiene e supporta gli altri componenti. È progettato per contenere il fluido e indirizzarlo attraverso il sistema di pompaggio.
2. Impeller o girante: L’impeller è una parte rotante all’interno della pompa che crea il flusso del fluido. Nelle pompe centrifughe, l’impeller è progettato per girare ad alta velocità e generare una forza centrifuga che spinge il fluido attraverso la pompa. Nelle pompe volumetriche, invece, l’impeller può essere sostituito da meccanismi alternativi come pistoni o membrane.
3. Camera di aspirazione (inlet): È la parte della pompa da cui il fluido viene aspirato prima di essere pompato. La camera di aspirazione può essere dotata di una valvola di aspirazione per regolare il flusso del fluido.
4. Camera di scarico (outlet): La camera di scarico è la parte della pompa attraverso cui il fluido viene espulso dopo essere stato pompato. Anche questa può avere una valvola di scarico per controllare il flusso.
5. Albero (shaft): L’albero è una parte che collega l’impeller al motore o al meccanismo di azionamento. La rotazione dell’albero permette all’impeller di girare e pompare il fluido.
6. Tenute: Le tenute sono utilizzate per prevenire perdite di fluido tra le parti rotanti (come l’impeller) e le parti fisse della pompa. Sono importanti per evitare perdite indesiderate.
7. Meccanismo di azionamento: Le pompe possono essere azionate da motori elettrici, motori a scoppio, motori idraulici o altre fonti di energia. Il meccanismo di azionamento trasmette l’energia al sistema di pompaggio.
8. Valvole: Alcune pompe, in particolare le pompe volumetriche, possono includere valvole che regolano il flusso di fluido. Le valvole assicurano che il fluido venga pompato nella direzione desiderata.
9. Base o supporto: La base o il supporto forniscono stabilità e sostegno alla pompa, solitamente fissando il corpo della pompa a una struttura o a una superficie stabile.

Saltiamo brutalmente tutto quello che ci sarebbe da dire sui vari componenti delle pompe perchè, sinceramente, nel caso di un guasto su una pompa, conviene sempre smontarla e mandarla in un centro assistenza per una revisione o per una riparazione.

In campo, le pompe vanno tenute monitorate nelle tenute idrauliche verificandone eventuali perdite, nella rumorosità dei cuscinetti, nell’assorbimento elettrico nel caso di un motore elettrico e nel tagliando motore nel caso di un motore a scoppio.

Passiamo quindi, a vedere quelli che sono i concetti di principio.

Visto che una pompa è composta essenzialmente da due componenti, troviamo sempre due targhe dati:

• Targa dati della pompa
• Targa dati del motore

Andremo poi a vedere, passo passo i dati nel particolare.

Concentriamoci al momento,in maniera molto molto elementare, sul fatto che, una pompa, aspira un liquido e spinge un liquido.

Ci troveremo quindi di fronte ad una pressione statica (quella del liquido da aspirare) ed una pressione dinamica (quella del liquido “spinto”)

Ma perchè serve “spingere” un liquido, o meglio, “pompare” un liquido?

Purtroppo dobbiamo parlare di idrostatica e della legge di Stevino, che afferma che, la pressione idrostatica in un liquido dipende dalla densità del liquido, dall’accelerazione di gravità e dall’altezza della colonna di liquido. In altre parole, la pressione aumenta all’aumentare della “profondità”.

Per l’acqua, che ha una densità di circa 1000 kg/m³, si può usare la seguente formula per calcolare la pressione in Pascal (Pa):

Pressione = 1000 kg/m³ × 9,81 m/s² × 10 m = 98100 Pascal (Pa)

dove:

• p è la pressione in Pascal (Pa)
• ρ è la densità dell’acqua in kg/m³
• g è l’accelerazione di gravità, circa 9,81 m/s²
• h è l’altezza della colonna d’acqua in metri

Per trovare la pressione di una colonna d’acqua alta 10 metri, mettendo dei valori numerici alla formula, si ottiene:

p=1000×9,81×10 = 98100 Pa ≈ 0,981 bar

Quindi, la pressione in una colonna d’acqua di 10 metri, sul fondo è di circa 98100 Pascal o 0,981 bar.

Approssimativamente diciamo che 1 bar è la pressione di una colonna d’acqua di 10 m

Questa è una regola empirica che si può usare per approssimare la pressione idrostatica in acqua. Per altri liquidi con densità diverse, bisogna usare la formula generale e sostituire il valore corretto di ρ.

Guardiamo ora questa immagine e facciamo due ragionamenti:

Ipotizziamo la condizione di pressione statica (pompa ferma), in cui il serbatoio abbia un’altezza del livello dell’acqua di 5 m (legge di Stevino = 0,5 bar) e che il punto in cui dovete portare l’acqua sia a 15 m di altezza rispetto al fondo del serbatoio.

In teoria:

• Per arrivare a 15m ad una pressione di 0 bar servono 1,5 bar
• La colonna del serbatoio h = 5m ha una pressione statica di 0,5 bar
• Anche per il principio dei vasi comunicanti, l’acqua si fermerebbe a 5 m.

La teoria, trasformata in pratica, è quella che al WC non avrete acqua.

La necessità pratica è, a tutti gli effetti, quella di far arrivare acqua al WC che magari abbia una pressione di 2 o 3 bar per avere un “dignitoso” getto d’acqua e quindi calcoliamo

Pressione statica = 0,5 bar

Pressione dinamica = 1,5 bar + 2 o 3

Per far funzionare tutto serve quindi pompare o spingere l’acqua dal fondo del serbatoio a 3,5 o 4 bar nella tubazione che arriva al WC. Quindi: serve una pompa.

Con la stessa legge di Stevino provate a ragionare sul portare acqua al 10° piano di un edificio (più o meno alto 40 m) oppure provate a vedere a quali pressioni arrivano gli acquedotti nelle varie città e magari scoprirete che, in alcuni casi, invece di pompare pressione, è necessario ridurla.

Quindi diciamo che, una delle funzioni principali di una pompa è quella di vincere la pressione della colonna d’acqua dovuta all’altezza.

Il dato, sulla targa della pompa, si chiama prevalenza ed è espresso in metri

Se vogliamo complicarci un pochino la cosa, nel calcolo della prevalenza, dobbiamo inserire anche delle perdite di carico dovute al circuito idraulico (curve delle tubazioni, valvole, sezioni dei tubi, contatori ecc..) quindi nel calcolo, non considerare solo l’altezza.

Un’altro dato presente sulla targa della pompa è quello della portata d’acqua espresso in litri/minuto

La portata d’acqua per una pompa si riferisce alla quantità di acqua che la pompa può spostare o pompare in un determinato periodo di tempo. Questa misura è generalmente espressa in litri al secondo (L/s) o metri cubi all’ora (m³/h). La portata d’acqua dipende dalla potenza della pompa e dalle caratteristiche del sistema idraulico in cui viene utilizzata. È importante calcolare correttamente la portata d’acqua per garantire che la pompa sia in grado di soddisfare le esigenze del sistema, evitando così problemi

Nelle apparecchiature è infatti fondamentale rispettare le richieste di portata d’acqua richieste dai progettisti. Questi valori sono considerati nei progetti costruttivi e quindi di fondamentale importanza a livello di un corretto funzionamento.

Prendiamo ad esempio uno scambiatore di calore (vedi articolo su Gli impianti di riscaldamento)

Come abbiamo visto, lo scambiatore cede calore da un fluido che circola entrando nel primario (Tube inlet) e uscendo dal primario (Tube Outlet) ad un’altro fluido che entra nel secondario (Shell Inlet) ed esce dal secondario (Shell Outlet).

Ora facciamoci queste teoriche domande:

Cambia qualcosa se io faccio entrare nel secondario 1 litro al minuto o 1000 litri al minuto?

Queste due condizioni cambiano il tempo di scambio termico tra i due fluidi?

Lascio a voi la risposta.

Altre apparecchiature hanno necessità di portata d’acqua calcolata durante la progettazione (Chiller, Caldaie ecc..) e questo fa si che la portata di una pompa sia un dato importante da dimensionare e verificare in caso di mal funzionamenti.

La rottura, anche parziale, della girante ad esempio potrebbe ridurre questo valore e creare problemi sugli impianti con ulteriori guasti concatenati.

Bene, abbiamo capito quali sono i dati importanti sulla targa della pompa e passiamo ora ai dati sulla targa del motore.

I dati sulla targa del motore non sono altro che la conseguenza dei dati della pompa.

Quanta potenza serve per far si che la pompa dia quelle prestazioni?

In effetti, le elettropompe e le motopompe, inizialemente sono sempre vendute con la pompa accoppiata al motore dai costruttori.

Abbiamo quindi, nel caso di una elettropompa, dei dati come:

• Potenza (kW)
• Giri al minuto (rpm)
• Tensione (Volt)
• Corrente assorbita (A)
• Tipologia di motore (IE)

Di questi dati bisogna solo prenderne atto in caso di sostituzione del motore, o nel caso di calcoli per i consumi elettrici degli impianti

Facciamo un piccolo riassunto:

• Su una pompa dovete monitorare la tenuta idraulica e verificare se ci sono perdite
• Dovete verificare l’assorbimento elettrico tramite una pinza amperometrica e confrontarlo con gli Ampere indicati sulla targa del motore
• Dovete verificare la rumorosità della trasmissione meccanica tra motore e pompa
• Di una pompa dovete conoscere la prevalenza e la portata
• Questi dati sono disponibili sulla targa della pompa
• Per le motopompe, oltre alla tenuta idraulica, dovete prevedere i tagliandi del motore a scoppio, le perdite d’olio, le batterie ed il livello del carburante.

Approfondiamo ora alcuni concetti sulle pompe:

Che cosa è la curva di lavoro di una pompa?

La curva di lavoro di una pompa è un grafico che rappresenta il comportamento di una pompa in relazione alla sua portata e alla prevalenza che è in grado di generare. Questa curva fornisce informazioni importanti per la selezione e la progettazione di pompe in diversi contesti.

Come abbiamo visto, la portata, generalmente espressa in litri al minuto o metri cubi all’ora, e rappresenta il volume di liquido che la pompa è in grado di spostare in un determinato periodo di tempo. La prevalenza, espressa in metri o psi, indica la pressione che la pompa può generare per sollevare il liquido o spingerlo attraverso un sistema di tubazioni.

La curva di lavoro mostra come la portata e la prevalenza si influenzano a vicenda. Solitamente, la curva ha una forma caratteristica che indica come la pompa funziona in varie condizioni. Ad esempio, a una portata più elevata, la prevalenza generata dalla pompa potrebbe diminuire, e viceversa.

Grazie a questa curva, è possibile selezionare la pompa più adatta per un’applicazione specifica in base ai requisiti di portata e pressione. Inoltre, aiuta gli ingegneri a valutare l’efficienza energetica della pompa e a ottimizzare il sistema in cui è utilizzata.

Dalle schede tecniche dei costruttori è sempre disponibile la curva di lavoro delle pompe

A cosa serve un inverter montato sul motore elettrico di una pompa?

Un inverter montato su una pompa è un dispositivo utilizzato per controllare e regolare la velocità di una pompa elettrica. Questo può essere utile in molte applicazioni, ad esempio:

1. Risparmio energetico: L’inverter consente di regolare la velocità della pompa in base alle esigenze effettive, riducendo così il consumo di energia quando la piena potenza non è necessaria. Ciò può portare a notevoli risparmi energetici.
2. Controllo preciso del flusso: Con un inverter, è possibile regolare con precisione la portata d’acqua o la pressione in un sistema, il che è particolarmente utile in applicazioni in cui è richiesta una regolazione fine, come in impianti di riscaldamento o condizionamento dell’aria.
3. Protezione del motore: L’inverter può fornire protezione al motore della pompa regolandone la velocità e evitando picchi di corrente o avviamenti bruschi, prolungando così la vita utile del motore.
4. Riduzione delle vibrazioni e del rumore: Regolare la velocità della pompa con un inverter può contribuire a ridurre le vibrazioni e il rumore associati all’operazione della pompa, migliorando il comfort dell’ambiente circostante.

In generale, l’uso di un inverter su una pompa varia il punto di lavoro della curva a seconda delle esigenze dell’impianto tramite un sistema di automazione fatto di Regolatori e trasduttori di pressione (vedi qui articolo sulla automazione)

Differenza tra motori elettrici IE

I motori elettrici IE (Efficienza Integrale) sono un sistema di classificazione che indica il livello di efficienza energetica di un motore elettrico. Questa classificazione è stata introdotta per promuovere l’uso di motori più efficienti dal punto di vista energetico e ridurre il consumo di energia elettrica. La differenza tra i vari tipi di motori elettrici IE sta nella loro efficienza e prestazioni energetiche.

Ci sono diverse categorie di motori elettrici IE, come IE1, IE2, IE3, IE4 e altre. Più alto è il numero IE, maggiore è l’efficienza del motore. Ad esempio, un motore IE4 è più efficiente di un motore IE1. I motori IE4 e superiori sono noti per avere una maggiore efficienza e ridurre le perdite di energia rispetto ai motori meno efficienti.

In sintesi, la differenza tra i motori elettrici IE sta nell’efficienza energetica, con motori di classe IE superiore che sono progettati per consumare meno energia elettrica rispetto a quelli di classe inferiore.

Viene a questo punto facile pensare che, per ridurre i consumi elettrici, installare Inverter e motori di classe IE alta è l’accoppiata vincente.

Le pompe sommerse di sollevamento

Sono una tipologia di pompe che vengono completamente immerse nel liquido e possono essere utilizzate per pozzi di acqua di falda, per vasche di raccolta delle acque meteoriche (acque bianche) o in vasche di raccolta di acque di scarico di lavabi (acque grigie) o WC (acque nere).

L’accorgimento di queste pompe è quello di farle lavorare sempre completamente immerse nel liquido per un discorso di raffreddamento del motore. Il galleggiante di stop che ferma la pompa deve essere infatti tenere in considerazione questo concetto nel suo posizionamento o programmazione.

Chiudiamo questo articolo parlando del:

L’Allineamento dell’albero di trasmissione della pompa al motore.

L’allineamento dell’albero di trasmissione con la pompa idraulica è importante per garantire che entrambi siano correttamente connessi e funzionino in modo efficiente. Questo processo è cruciale per evitare vibrazioni e usura prematura dei componenti. Quando l’albero di trasmissione e la pompa idraulica non sono allineati correttamente, possono verificarsi problemi come rumorosità eccessiva, surriscaldamento e danni ai cuscinetti e alle guarnizioni.

La cavitazione

La cavitazione è un fenomeno che si verifica quando la pressione dell’acqua all’interno di una pompa o di un sistema idraulico diventa così bassa che l’acqua inizia a vaporizzare e formare bolle di vapore. Questo accade quando la pressione locale dell’acqua scende al di sotto della sua pressione di vapore, che è la pressione alla quale l’acqua può passare dallo stato liquido a quello gassoso.

Nel contesto di una pompa, la cavitazione può verificarsi durante la fase di aspirazione, quando la pompa sta tirando l’acqua all’interno. Se la pressione in questa fase diventa troppo bassa, le bolle di vapore iniziano a formarsi. Successivamente, quando queste bolle di vapore raggiungono zone ad alta pressione all’interno della pompa, ad esempio vicino alle pale dell’impeller o dell’elica, le bolle collassano rapidamente a causa dell’aumento della pressione.

Il collasso delle bolle è un processo molto energetico che può causare danni alle parti della pompa. Quando le bolle implodono, generano onde d’urto e picchi di pressione localizzati, che possono causare erosione, microfratture e deformazioni sulla superficie delle pale dell’impeller o delle altre parti della pompa. Nel tempo, questo può portare a un deterioramento delle prestazioni e a danni strutturali.

Per prevenire la cavitazione, è importante progettare il sistema in modo che la pressione dell’acqua non scenda al di sotto del livello critico. Ciò può coinvolgere la scelta di pompe dimensionate correttamente, la corretta progettazione del sistema di tubazioni e l’installazione di dispositivi come ventole o prese d’aria per garantire un flusso d’acqua uniforme e una pressione adeguata durante la fase di aspirazione. Il monitoraggio regolare delle condizioni operative è anche cruciale per rilevare eventuali segni precoci di cavitazione e prendere misure correttive.