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PRINCIPII DI FUNZIONAMENTO DELLE POMPE
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELLE POMPE
Le pompe sono macchine idrauliche operatrici che ricevendo energia meccanica da un qualsiasi motore la trasmettono nella misura consentita dal rendimento del gruppo pompa-motore al liquido che le attraversa
Le pompe sono impiegate per sollevare quantitativi dacqua o di altri liquidi da un livello inferiore ad uno superiore facendogli vincere un certo dislivello e conferendo allacqua una spinta
Le pompe si possono classificare nelle due grandi categorie delle macchine a moto rotatorio e a moto alternativo
POMPE CINETICHE in cui grazie allazione di forze centrifughe il liquido incrementa dapprima la sua energia cinetica che viene immediatamente trasformata in energia di pressione La portata erogata dipende dalla prevalenza A questa categoria appartengono le pompe di impiego piugrave comune ovvero le pompe centrifughe
POMPE VOLUMETRICHE che spostano quantitagrave di liquido costanti per ogni ciclo di funzionamento Possono essere alternative o rotative Caratteristica fondamentale egrave che la portata erogata non dipende dalla prevalenza ma solo dal numero di cicli effettuati nellunitagrave di tempo
POMPE SPECIALI tutte le pompe che non rientrano nelle categorie precedenti ce funzionano secondo principi di funzionamento particolari o che rispondono ad esigenze specifiche
Esaminiamole ora singolarmente
POMPE CINETICHE O DINAMICHE
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POMPE CENTRIFUGHE
La pompa centrifuga eacute di gran lunga la pompa di uso piugrave comune sia in ambito industriale che civile
Funzionamento
Se ne comprende il funzionamento osservando (figura 1) che un cilindro riempito dacqua posto in rotazione attorno al proprio asse modifica la forma del pelo libero facendole assumere un profilo parabolico infatti laccelerazione centrifuga egrave proporzionale al quadrato del raggio di rotazione ed alla velocitagrave angolare La differenza H di livello che si osserva (e che intuitivamente egrave funzione della velocitagrave di rotazione) si dice prevalenza della pompa Egrave anche intuitivo osservare che a paritagrave di velocitagrave angolare (e quindi di profilo del liquido) se io pratico un foro esattamente allaltezza H non avrograve alcuna uscita di liquido tanto piugrave basso lo pratico tanto maggiore saragrave la quantitagrave nellunitagrave di tempo detta portata di liquido uscente
Figura 1 Principio di funzionamento della pompa centrifuga
Nella pratica il fluido egrave contenuto allinterno di un corpo ed egrave messo in rotazione da una girante La figura 2 rappresenta lo schema tipico di una girante La pala curva ruota attorno allasse con velocitagrave periferica Vp ed il fluido esce nella direzione dellestremitagrave della pala con velocitagrave Vt La composizione delle velocitagrave vettoriali definisce portata e prevalenza Il corpo della pompa egrave poi costruito a sezione crescente in modo che per la costanza (Bernoulli) dellenergia totale la componente cinetica si trasforma in statica incrementando cosigrave la prevalenza
Figura 2 Dinamica del fluido in una pompa centrifuga
POMPE VOLUMETRICHE
Si dicono pompe volumetriche quelle pompe che sfruttano la variazione di volume in una camera per provocare unaspirazione o una spinta su un fluido
Il cuore delluomo e degli animali egrave una pompa di questo tipo
POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE
Figura 3 Pompa a vite di Archimede
bull Vite di Archimede
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Questo tipo di pompa sposta quantitagrave costanti di liquido ad ogni rotazione Per limitare i trafilamenti tra vite e statore si usa per basse prevalenze ed alte portate Egrave oggi utilizzata come idrovora e come mezzo di sollevamento negli impianti di depurazione acque
bull Noria
Malgrado la relativa antichitagrave di questa pompa la noria resta ad oggi lunica a utilizzare lo stesso fluido pompato come fluido motore Di fatto egrave unevoluzione della ruota idraulica combinando una ruota da sotto (motrice) con una modificata da sopra (operatrice)
POMPE VOLUMETRICHE A STANTUFFO O PISTONE
La variazione di volume egrave ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un cilindro e opportune valvole di ritegno forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone
Questo tipo di pompe puograve essere diviso in
bull a semplice effetto se il pistone compie lavoro solamente durante la corsa in un senso
bull a doppio effetto se il pistone compie lavoro sia allandata che al ritorno
Unaltra suddivisione molto empirica si puograve avere in
bull aspiranti il pistone produce una depressione che provoca il sollevamento del liquido lungo un tubo e la sua espulsione dalla pompa a pressione ambiente
bull prementi il fluido entra nel cilindro a pressione ambiente e viene sollevata per effetto della pressione in questo caso il cilindro si trova allo stesso livello o al di sotto del liquido da sollevare
bull aspiranti e prementi integrano entrambe le funzioni
Lazione della pompa premente non ha alcuna limitazione teorica I limiti sono dovuti ai problemi di contenimento della pressione elevata da parte della camera della pompa delle guarnizioni e delle valvole
Le pompe a stantuffo sono utilizzate per portate piccole e medie e per alte e altissime prevalenze
POMPE VOLUMETRICHE A MANO
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Di fatto si tratta di una pompa a pistone semplice di larghissimo impiego nelle campagne e in tempi passati nelle fontane pubbliche delle cittagrave Si presta bene allestrazione di acque da pozzi di piccola profonditagrave (fino a 10 - 15 m anche se esistono modelli capaci di pompare da 100 m in tal caso perograve possiedono sistemi piuttosto complessi di demoltiplicazione per ridurre lo sforzo)
Figura 4 Schema di pompa a mano
POMPE VOLUMETRICHE A MEMBRANA
Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo egrave la pompa a diaframma in cui la variazione di volume egrave data dalloscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera Il vantaggio di questa soluzione egrave lassoluta impermeabilitagrave ottenuta con leliminazione dello scorrimento tra parti
Il movimento puograve essere impresso alla membrana per via meccanica per esempio attraverso un sistema a leva e manovella o una camma oppure preumaticamente alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio
La pressione massima egrave limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la membrana solitamente gomma e nel caso di alimentazione pneumatica egrave direttamente proporzionale alla pressione fornita dallaria di alimentazione Sono utilizzate per portate piccole e medie e prevalenze medie e alte
Figura 5 pompe a membrana
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POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dallingranamento dei denti di due ingranaggi Sono ampiamente usate per pompare lolio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche se in tal caso il piugrave delle volte si tratta di una pompa ad ingranaggio trocoidale) per pompare lolio nel circuito idraulico di macchine per movimento terra e in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido egrave viscoso purcheacute non sia dannoso alla pompa stessa in funzione dello scorrimento tra le parti componenti Un caso particolare della pompa ad ingranaggi egrave la pompa a vite (da non confondere con quella a vite eccentrica) che si puograve considerare come pompa ad ingranaggi ad un solo dente
Figura 6 Schema di pompa ad ingranaggi
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi a lobi a palette e a vite eccentrica detta anche a cavitagrave progressiva o mono
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due lobi Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata creando cosigrave un flusso ragionevolmente continuo
Posizione 0-Gradi Trasporto attraverso i lobi superiori Chiusura attraverso i lobi inferiori
Posizione 90 Gradi Trasporto attraverso i lobi inferioriChiusura attraverso i lobi superiori
Corsa di ritorno Direzione di flusso invertita attraverso il cambiamento del senso di rotazione della pompa
Fig7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore allinterno del quale scorrono in senso radiale delle palette caricate da molle che fanno cosigrave scorrere le palette contro lo statore le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta Con la rotazione del rotore si ha una serie di camere a volume costante o decrescente Il fluido viene cosigrave trasportato dalla bocca di aspirazione a quella di mandata Non sono necessarie le valvole e la pompa egrave facilmente reversibile La prevalenza di questo tipo di pompe egrave limitato dalla scarsa tenuta delle palette anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti aventi un certo potere lubrificante
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Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
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Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELLE POMPE
Le pompe sono macchine idrauliche operatrici che ricevendo energia meccanica da un qualsiasi motore la trasmettono nella misura consentita dal rendimento del gruppo pompa-motore al liquido che le attraversa
Le pompe sono impiegate per sollevare quantitativi dacqua o di altri liquidi da un livello inferiore ad uno superiore facendogli vincere un certo dislivello e conferendo allacqua una spinta
Le pompe si possono classificare nelle due grandi categorie delle macchine a moto rotatorio e a moto alternativo
POMPE CINETICHE in cui grazie allazione di forze centrifughe il liquido incrementa dapprima la sua energia cinetica che viene immediatamente trasformata in energia di pressione La portata erogata dipende dalla prevalenza A questa categoria appartengono le pompe di impiego piugrave comune ovvero le pompe centrifughe
POMPE VOLUMETRICHE che spostano quantitagrave di liquido costanti per ogni ciclo di funzionamento Possono essere alternative o rotative Caratteristica fondamentale egrave che la portata erogata non dipende dalla prevalenza ma solo dal numero di cicli effettuati nellunitagrave di tempo
POMPE SPECIALI tutte le pompe che non rientrano nelle categorie precedenti ce funzionano secondo principi di funzionamento particolari o che rispondono ad esigenze specifiche
Esaminiamole ora singolarmente
POMPE CINETICHE O DINAMICHE
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POMPE CENTRIFUGHE
La pompa centrifuga eacute di gran lunga la pompa di uso piugrave comune sia in ambito industriale che civile
Funzionamento
Se ne comprende il funzionamento osservando (figura 1) che un cilindro riempito dacqua posto in rotazione attorno al proprio asse modifica la forma del pelo libero facendole assumere un profilo parabolico infatti laccelerazione centrifuga egrave proporzionale al quadrato del raggio di rotazione ed alla velocitagrave angolare La differenza H di livello che si osserva (e che intuitivamente egrave funzione della velocitagrave di rotazione) si dice prevalenza della pompa Egrave anche intuitivo osservare che a paritagrave di velocitagrave angolare (e quindi di profilo del liquido) se io pratico un foro esattamente allaltezza H non avrograve alcuna uscita di liquido tanto piugrave basso lo pratico tanto maggiore saragrave la quantitagrave nellunitagrave di tempo detta portata di liquido uscente
Figura 1 Principio di funzionamento della pompa centrifuga
Nella pratica il fluido egrave contenuto allinterno di un corpo ed egrave messo in rotazione da una girante La figura 2 rappresenta lo schema tipico di una girante La pala curva ruota attorno allasse con velocitagrave periferica Vp ed il fluido esce nella direzione dellestremitagrave della pala con velocitagrave Vt La composizione delle velocitagrave vettoriali definisce portata e prevalenza Il corpo della pompa egrave poi costruito a sezione crescente in modo che per la costanza (Bernoulli) dellenergia totale la componente cinetica si trasforma in statica incrementando cosigrave la prevalenza
Figura 2 Dinamica del fluido in una pompa centrifuga
POMPE VOLUMETRICHE
Si dicono pompe volumetriche quelle pompe che sfruttano la variazione di volume in una camera per provocare unaspirazione o una spinta su un fluido
Il cuore delluomo e degli animali egrave una pompa di questo tipo
POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE
Figura 3 Pompa a vite di Archimede
bull Vite di Archimede
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Questo tipo di pompa sposta quantitagrave costanti di liquido ad ogni rotazione Per limitare i trafilamenti tra vite e statore si usa per basse prevalenze ed alte portate Egrave oggi utilizzata come idrovora e come mezzo di sollevamento negli impianti di depurazione acque
bull Noria
Malgrado la relativa antichitagrave di questa pompa la noria resta ad oggi lunica a utilizzare lo stesso fluido pompato come fluido motore Di fatto egrave unevoluzione della ruota idraulica combinando una ruota da sotto (motrice) con una modificata da sopra (operatrice)
POMPE VOLUMETRICHE A STANTUFFO O PISTONE
La variazione di volume egrave ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un cilindro e opportune valvole di ritegno forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone
Questo tipo di pompe puograve essere diviso in
bull a semplice effetto se il pistone compie lavoro solamente durante la corsa in un senso
bull a doppio effetto se il pistone compie lavoro sia allandata che al ritorno
Unaltra suddivisione molto empirica si puograve avere in
bull aspiranti il pistone produce una depressione che provoca il sollevamento del liquido lungo un tubo e la sua espulsione dalla pompa a pressione ambiente
bull prementi il fluido entra nel cilindro a pressione ambiente e viene sollevata per effetto della pressione in questo caso il cilindro si trova allo stesso livello o al di sotto del liquido da sollevare
bull aspiranti e prementi integrano entrambe le funzioni
Lazione della pompa premente non ha alcuna limitazione teorica I limiti sono dovuti ai problemi di contenimento della pressione elevata da parte della camera della pompa delle guarnizioni e delle valvole
Le pompe a stantuffo sono utilizzate per portate piccole e medie e per alte e altissime prevalenze
POMPE VOLUMETRICHE A MANO
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Di fatto si tratta di una pompa a pistone semplice di larghissimo impiego nelle campagne e in tempi passati nelle fontane pubbliche delle cittagrave Si presta bene allestrazione di acque da pozzi di piccola profonditagrave (fino a 10 - 15 m anche se esistono modelli capaci di pompare da 100 m in tal caso perograve possiedono sistemi piuttosto complessi di demoltiplicazione per ridurre lo sforzo)
Figura 4 Schema di pompa a mano
POMPE VOLUMETRICHE A MEMBRANA
Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo egrave la pompa a diaframma in cui la variazione di volume egrave data dalloscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera Il vantaggio di questa soluzione egrave lassoluta impermeabilitagrave ottenuta con leliminazione dello scorrimento tra parti
Il movimento puograve essere impresso alla membrana per via meccanica per esempio attraverso un sistema a leva e manovella o una camma oppure preumaticamente alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio
La pressione massima egrave limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la membrana solitamente gomma e nel caso di alimentazione pneumatica egrave direttamente proporzionale alla pressione fornita dallaria di alimentazione Sono utilizzate per portate piccole e medie e prevalenze medie e alte
Figura 5 pompe a membrana
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POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dallingranamento dei denti di due ingranaggi Sono ampiamente usate per pompare lolio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche se in tal caso il piugrave delle volte si tratta di una pompa ad ingranaggio trocoidale) per pompare lolio nel circuito idraulico di macchine per movimento terra e in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido egrave viscoso purcheacute non sia dannoso alla pompa stessa in funzione dello scorrimento tra le parti componenti Un caso particolare della pompa ad ingranaggi egrave la pompa a vite (da non confondere con quella a vite eccentrica) che si puograve considerare come pompa ad ingranaggi ad un solo dente
Figura 6 Schema di pompa ad ingranaggi
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi a lobi a palette e a vite eccentrica detta anche a cavitagrave progressiva o mono
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due lobi Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata creando cosigrave un flusso ragionevolmente continuo
Posizione 0-Gradi Trasporto attraverso i lobi superiori Chiusura attraverso i lobi inferiori
Posizione 90 Gradi Trasporto attraverso i lobi inferioriChiusura attraverso i lobi superiori
Corsa di ritorno Direzione di flusso invertita attraverso il cambiamento del senso di rotazione della pompa
Fig7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore allinterno del quale scorrono in senso radiale delle palette caricate da molle che fanno cosigrave scorrere le palette contro lo statore le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta Con la rotazione del rotore si ha una serie di camere a volume costante o decrescente Il fluido viene cosigrave trasportato dalla bocca di aspirazione a quella di mandata Non sono necessarie le valvole e la pompa egrave facilmente reversibile La prevalenza di questo tipo di pompe egrave limitato dalla scarsa tenuta delle palette anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti aventi un certo potere lubrificante
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Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
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Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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POMPE CENTRIFUGHE
La pompa centrifuga eacute di gran lunga la pompa di uso piugrave comune sia in ambito industriale che civile
Funzionamento
Se ne comprende il funzionamento osservando (figura 1) che un cilindro riempito dacqua posto in rotazione attorno al proprio asse modifica la forma del pelo libero facendole assumere un profilo parabolico infatti laccelerazione centrifuga egrave proporzionale al quadrato del raggio di rotazione ed alla velocitagrave angolare La differenza H di livello che si osserva (e che intuitivamente egrave funzione della velocitagrave di rotazione) si dice prevalenza della pompa Egrave anche intuitivo osservare che a paritagrave di velocitagrave angolare (e quindi di profilo del liquido) se io pratico un foro esattamente allaltezza H non avrograve alcuna uscita di liquido tanto piugrave basso lo pratico tanto maggiore saragrave la quantitagrave nellunitagrave di tempo detta portata di liquido uscente
Figura 1 Principio di funzionamento della pompa centrifuga
Nella pratica il fluido egrave contenuto allinterno di un corpo ed egrave messo in rotazione da una girante La figura 2 rappresenta lo schema tipico di una girante La pala curva ruota attorno allasse con velocitagrave periferica Vp ed il fluido esce nella direzione dellestremitagrave della pala con velocitagrave Vt La composizione delle velocitagrave vettoriali definisce portata e prevalenza Il corpo della pompa egrave poi costruito a sezione crescente in modo che per la costanza (Bernoulli) dellenergia totale la componente cinetica si trasforma in statica incrementando cosigrave la prevalenza
Figura 2 Dinamica del fluido in una pompa centrifuga
POMPE VOLUMETRICHE
Si dicono pompe volumetriche quelle pompe che sfruttano la variazione di volume in una camera per provocare unaspirazione o una spinta su un fluido
Il cuore delluomo e degli animali egrave una pompa di questo tipo
POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE
Figura 3 Pompa a vite di Archimede
bull Vite di Archimede
3
Questo tipo di pompa sposta quantitagrave costanti di liquido ad ogni rotazione Per limitare i trafilamenti tra vite e statore si usa per basse prevalenze ed alte portate Egrave oggi utilizzata come idrovora e come mezzo di sollevamento negli impianti di depurazione acque
bull Noria
Malgrado la relativa antichitagrave di questa pompa la noria resta ad oggi lunica a utilizzare lo stesso fluido pompato come fluido motore Di fatto egrave unevoluzione della ruota idraulica combinando una ruota da sotto (motrice) con una modificata da sopra (operatrice)
POMPE VOLUMETRICHE A STANTUFFO O PISTONE
La variazione di volume egrave ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un cilindro e opportune valvole di ritegno forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone
Questo tipo di pompe puograve essere diviso in
bull a semplice effetto se il pistone compie lavoro solamente durante la corsa in un senso
bull a doppio effetto se il pistone compie lavoro sia allandata che al ritorno
Unaltra suddivisione molto empirica si puograve avere in
bull aspiranti il pistone produce una depressione che provoca il sollevamento del liquido lungo un tubo e la sua espulsione dalla pompa a pressione ambiente
bull prementi il fluido entra nel cilindro a pressione ambiente e viene sollevata per effetto della pressione in questo caso il cilindro si trova allo stesso livello o al di sotto del liquido da sollevare
bull aspiranti e prementi integrano entrambe le funzioni
Lazione della pompa premente non ha alcuna limitazione teorica I limiti sono dovuti ai problemi di contenimento della pressione elevata da parte della camera della pompa delle guarnizioni e delle valvole
Le pompe a stantuffo sono utilizzate per portate piccole e medie e per alte e altissime prevalenze
POMPE VOLUMETRICHE A MANO
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Di fatto si tratta di una pompa a pistone semplice di larghissimo impiego nelle campagne e in tempi passati nelle fontane pubbliche delle cittagrave Si presta bene allestrazione di acque da pozzi di piccola profonditagrave (fino a 10 - 15 m anche se esistono modelli capaci di pompare da 100 m in tal caso perograve possiedono sistemi piuttosto complessi di demoltiplicazione per ridurre lo sforzo)
Figura 4 Schema di pompa a mano
POMPE VOLUMETRICHE A MEMBRANA
Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo egrave la pompa a diaframma in cui la variazione di volume egrave data dalloscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera Il vantaggio di questa soluzione egrave lassoluta impermeabilitagrave ottenuta con leliminazione dello scorrimento tra parti
Il movimento puograve essere impresso alla membrana per via meccanica per esempio attraverso un sistema a leva e manovella o una camma oppure preumaticamente alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio
La pressione massima egrave limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la membrana solitamente gomma e nel caso di alimentazione pneumatica egrave direttamente proporzionale alla pressione fornita dallaria di alimentazione Sono utilizzate per portate piccole e medie e prevalenze medie e alte
Figura 5 pompe a membrana
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POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dallingranamento dei denti di due ingranaggi Sono ampiamente usate per pompare lolio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche se in tal caso il piugrave delle volte si tratta di una pompa ad ingranaggio trocoidale) per pompare lolio nel circuito idraulico di macchine per movimento terra e in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido egrave viscoso purcheacute non sia dannoso alla pompa stessa in funzione dello scorrimento tra le parti componenti Un caso particolare della pompa ad ingranaggi egrave la pompa a vite (da non confondere con quella a vite eccentrica) che si puograve considerare come pompa ad ingranaggi ad un solo dente
Figura 6 Schema di pompa ad ingranaggi
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi a lobi a palette e a vite eccentrica detta anche a cavitagrave progressiva o mono
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due lobi Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata creando cosigrave un flusso ragionevolmente continuo
Posizione 0-Gradi Trasporto attraverso i lobi superiori Chiusura attraverso i lobi inferiori
Posizione 90 Gradi Trasporto attraverso i lobi inferioriChiusura attraverso i lobi superiori
Corsa di ritorno Direzione di flusso invertita attraverso il cambiamento del senso di rotazione della pompa
Fig7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore allinterno del quale scorrono in senso radiale delle palette caricate da molle che fanno cosigrave scorrere le palette contro lo statore le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta Con la rotazione del rotore si ha una serie di camere a volume costante o decrescente Il fluido viene cosigrave trasportato dalla bocca di aspirazione a quella di mandata Non sono necessarie le valvole e la pompa egrave facilmente reversibile La prevalenza di questo tipo di pompe egrave limitato dalla scarsa tenuta delle palette anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti aventi un certo potere lubrificante
6
Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
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Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
11
Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
14
vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
15
PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
17
La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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Questo tipo di pompa sposta quantitagrave costanti di liquido ad ogni rotazione Per limitare i trafilamenti tra vite e statore si usa per basse prevalenze ed alte portate Egrave oggi utilizzata come idrovora e come mezzo di sollevamento negli impianti di depurazione acque
bull Noria
Malgrado la relativa antichitagrave di questa pompa la noria resta ad oggi lunica a utilizzare lo stesso fluido pompato come fluido motore Di fatto egrave unevoluzione della ruota idraulica combinando una ruota da sotto (motrice) con una modificata da sopra (operatrice)
POMPE VOLUMETRICHE A STANTUFFO O PISTONE
La variazione di volume egrave ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un cilindro e opportune valvole di ritegno forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone
Questo tipo di pompe puograve essere diviso in
bull a semplice effetto se il pistone compie lavoro solamente durante la corsa in un senso
bull a doppio effetto se il pistone compie lavoro sia allandata che al ritorno
Unaltra suddivisione molto empirica si puograve avere in
bull aspiranti il pistone produce una depressione che provoca il sollevamento del liquido lungo un tubo e la sua espulsione dalla pompa a pressione ambiente
bull prementi il fluido entra nel cilindro a pressione ambiente e viene sollevata per effetto della pressione in questo caso il cilindro si trova allo stesso livello o al di sotto del liquido da sollevare
bull aspiranti e prementi integrano entrambe le funzioni
Lazione della pompa premente non ha alcuna limitazione teorica I limiti sono dovuti ai problemi di contenimento della pressione elevata da parte della camera della pompa delle guarnizioni e delle valvole
Le pompe a stantuffo sono utilizzate per portate piccole e medie e per alte e altissime prevalenze
POMPE VOLUMETRICHE A MANO
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Di fatto si tratta di una pompa a pistone semplice di larghissimo impiego nelle campagne e in tempi passati nelle fontane pubbliche delle cittagrave Si presta bene allestrazione di acque da pozzi di piccola profonditagrave (fino a 10 - 15 m anche se esistono modelli capaci di pompare da 100 m in tal caso perograve possiedono sistemi piuttosto complessi di demoltiplicazione per ridurre lo sforzo)
Figura 4 Schema di pompa a mano
POMPE VOLUMETRICHE A MEMBRANA
Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo egrave la pompa a diaframma in cui la variazione di volume egrave data dalloscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera Il vantaggio di questa soluzione egrave lassoluta impermeabilitagrave ottenuta con leliminazione dello scorrimento tra parti
Il movimento puograve essere impresso alla membrana per via meccanica per esempio attraverso un sistema a leva e manovella o una camma oppure preumaticamente alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio
La pressione massima egrave limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la membrana solitamente gomma e nel caso di alimentazione pneumatica egrave direttamente proporzionale alla pressione fornita dallaria di alimentazione Sono utilizzate per portate piccole e medie e prevalenze medie e alte
Figura 5 pompe a membrana
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POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dallingranamento dei denti di due ingranaggi Sono ampiamente usate per pompare lolio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche se in tal caso il piugrave delle volte si tratta di una pompa ad ingranaggio trocoidale) per pompare lolio nel circuito idraulico di macchine per movimento terra e in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido egrave viscoso purcheacute non sia dannoso alla pompa stessa in funzione dello scorrimento tra le parti componenti Un caso particolare della pompa ad ingranaggi egrave la pompa a vite (da non confondere con quella a vite eccentrica) che si puograve considerare come pompa ad ingranaggi ad un solo dente
Figura 6 Schema di pompa ad ingranaggi
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi a lobi a palette e a vite eccentrica detta anche a cavitagrave progressiva o mono
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due lobi Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata creando cosigrave un flusso ragionevolmente continuo
Posizione 0-Gradi Trasporto attraverso i lobi superiori Chiusura attraverso i lobi inferiori
Posizione 90 Gradi Trasporto attraverso i lobi inferioriChiusura attraverso i lobi superiori
Corsa di ritorno Direzione di flusso invertita attraverso il cambiamento del senso di rotazione della pompa
Fig7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore allinterno del quale scorrono in senso radiale delle palette caricate da molle che fanno cosigrave scorrere le palette contro lo statore le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta Con la rotazione del rotore si ha una serie di camere a volume costante o decrescente Il fluido viene cosigrave trasportato dalla bocca di aspirazione a quella di mandata Non sono necessarie le valvole e la pompa egrave facilmente reversibile La prevalenza di questo tipo di pompe egrave limitato dalla scarsa tenuta delle palette anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti aventi un certo potere lubrificante
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Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
7
Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
14
vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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Di fatto si tratta di una pompa a pistone semplice di larghissimo impiego nelle campagne e in tempi passati nelle fontane pubbliche delle cittagrave Si presta bene allestrazione di acque da pozzi di piccola profonditagrave (fino a 10 - 15 m anche se esistono modelli capaci di pompare da 100 m in tal caso perograve possiedono sistemi piuttosto complessi di demoltiplicazione per ridurre lo sforzo)
Figura 4 Schema di pompa a mano
POMPE VOLUMETRICHE A MEMBRANA
Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo egrave la pompa a diaframma in cui la variazione di volume egrave data dalloscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera Il vantaggio di questa soluzione egrave lassoluta impermeabilitagrave ottenuta con leliminazione dello scorrimento tra parti
Il movimento puograve essere impresso alla membrana per via meccanica per esempio attraverso un sistema a leva e manovella o una camma oppure preumaticamente alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio
La pressione massima egrave limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la membrana solitamente gomma e nel caso di alimentazione pneumatica egrave direttamente proporzionale alla pressione fornita dallaria di alimentazione Sono utilizzate per portate piccole e medie e prevalenze medie e alte
Figura 5 pompe a membrana
5
POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dallingranamento dei denti di due ingranaggi Sono ampiamente usate per pompare lolio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche se in tal caso il piugrave delle volte si tratta di una pompa ad ingranaggio trocoidale) per pompare lolio nel circuito idraulico di macchine per movimento terra e in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido egrave viscoso purcheacute non sia dannoso alla pompa stessa in funzione dello scorrimento tra le parti componenti Un caso particolare della pompa ad ingranaggi egrave la pompa a vite (da non confondere con quella a vite eccentrica) che si puograve considerare come pompa ad ingranaggi ad un solo dente
Figura 6 Schema di pompa ad ingranaggi
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi a lobi a palette e a vite eccentrica detta anche a cavitagrave progressiva o mono
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due lobi Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata creando cosigrave un flusso ragionevolmente continuo
Posizione 0-Gradi Trasporto attraverso i lobi superiori Chiusura attraverso i lobi inferiori
Posizione 90 Gradi Trasporto attraverso i lobi inferioriChiusura attraverso i lobi superiori
Corsa di ritorno Direzione di flusso invertita attraverso il cambiamento del senso di rotazione della pompa
Fig7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore allinterno del quale scorrono in senso radiale delle palette caricate da molle che fanno cosigrave scorrere le palette contro lo statore le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta Con la rotazione del rotore si ha una serie di camere a volume costante o decrescente Il fluido viene cosigrave trasportato dalla bocca di aspirazione a quella di mandata Non sono necessarie le valvole e la pompa egrave facilmente reversibile La prevalenza di questo tipo di pompe egrave limitato dalla scarsa tenuta delle palette anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti aventi un certo potere lubrificante
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Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
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Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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POMPE VOLUMETRICHE A INGRANAGGI
In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dallingranamento dei denti di due ingranaggi Sono ampiamente usate per pompare lolio lubrificante nei motori degli autoveicoli (anche se in tal caso il piugrave delle volte si tratta di una pompa ad ingranaggio trocoidale) per pompare lolio nel circuito idraulico di macchine per movimento terra e in genere in tutte quelle applicazioni in cui il fluido egrave viscoso purcheacute non sia dannoso alla pompa stessa in funzione dello scorrimento tra le parti componenti Un caso particolare della pompa ad ingranaggi egrave la pompa a vite (da non confondere con quella a vite eccentrica) che si puograve considerare come pompa ad ingranaggi ad un solo dente
Figura 6 Schema di pompa ad ingranaggi
POMPE VOLUMETRICHE A CAMERA VARIABILE
Ve ne sono vari tipi a lobi a palette e a vite eccentrica detta anche a cavitagrave progressiva o mono
Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due lobi Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata creando cosigrave un flusso ragionevolmente continuo
Posizione 0-Gradi Trasporto attraverso i lobi superiori Chiusura attraverso i lobi inferiori
Posizione 90 Gradi Trasporto attraverso i lobi inferioriChiusura attraverso i lobi superiori
Corsa di ritorno Direzione di flusso invertita attraverso il cambiamento del senso di rotazione della pompa
Fig7 Pompa a lobi
Le pompe a palette presentano invece un rotore allinterno del quale scorrono in senso radiale delle palette caricate da molle che fanno cosigrave scorrere le palette contro lo statore le superfici sono lavorate in modo da avere una certa tenuta Con la rotazione del rotore si ha una serie di camere a volume costante o decrescente Il fluido viene cosigrave trasportato dalla bocca di aspirazione a quella di mandata Non sono necessarie le valvole e la pompa egrave facilmente reversibile La prevalenza di questo tipo di pompe egrave limitato dalla scarsa tenuta delle palette anche queste pompe si prestano bene al pompaggio di liquidi puliti aventi un certo potere lubrificante
6
Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
7
Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
17
La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
19
Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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Fig8 Pompa a palette
Le pompe a cavitagrave progressiva sono costituite da uno statore in materiale elastico (solitamente gomma sintetica) allinterno del quale egrave impressa una spirale e da un rotore solitamente metallico a forma di spirale di diametro inferiore a quello dellimpronta dello statore eccentrico rispetto allasse di rotazione Le due spirali sono realizzate in modo che vi siano sempre generatrici a contatto e si crea cosigrave una cavitagrave stagna (grazie al contatto rotore metallico - statore in gomma) che si sposta grazie al movimento rotatorio eccentrico verso la bocca di mandata Queste pompe sono molto versatili e sopportano liquidi con solidi in sospensione se non troppo abrasivi sono adatte per portate da basse a medie e prevalenze medie e medio-alte grazie al loro sviluppo longitudinale hanno basso ingombro e sono adatte ad essere introdotte nei barili per effettuarne lo svuotamento
Fig9 Pompa a cavitagrave
POMPE VOLUMETRICHE PERISTALTICHE
Si basano sulleffetto della peristalsi ovvero lo scorrimento di una strozzatura su un tubo che ha leffetto di spremere attraverso di esso il fluido contenuto Sono costituite da un rotore che porta diversi rulli Ruotando i rulli schiacciano un tubo di gomma contro una parete cilindrica
Figura 10 Pompa peristaltica per calcestruzzo
7
Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
8
Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
10
Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
11
Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
14
vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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Prima edizione 2008
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Il principale vantaggio di questa pompa egrave che il fluido contenuto non entra in contatto con altra parte se non il tubo ed egrave isolato dallatmosfera Per questo motivo egrave particolarmente utilizzata in medicina per pompare il sangue nella circolazione extracorporea e nella emodialisi
POMPE CENTRIFUGHE - COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I tipi di pompe piugrave comunemente impiegate nelle operazioni di protezione civile sono quelle assiali o elico-pompe e quelle centrifughe
Le pompe assiali possono spostare grandi quantitagrave dacqua ma con prevalenze modeste e vengono impiegate soprattutto in bonifica dove egrave necessario sollevare portate dacqua ingenti con modesti dislivelli (pompe idrovore) Si tratta dimpianti di grandi dimensioni quindi fissi utilizzati normalmente per liberare dalle acque ampie zone che altrimenti non avrebbero scolo In caso di esondazioni fluviali le aree allagate possono essere prosciugate facendo confluire le acque fuoriuscite attraverso canali esistenti o appositamente costruiti verso queste pompe adatte ad allontanare grandi quantitagrave dacqua
Le pompe centrifughe coprono ampi settori dapplicazione per la loro versatilitagrave e per la possibilitagrave di raggiungere forti prevalenze anche con portate elevate Nelle operazioni di protezione civile vengono impiegate per lo spegnimento dincendi il prosciugamento di locali allagati lapprovvigionamento idrico in casi demergenza
Queste ultime sono macchine idrauliche operatrici con le quali si ottiene il sollevamento dellacqua per effetto della forza centrifuga
Una pompa centrifuga egrave composta essenzialmente da una parte rotante detta girante e da una parte fissa o corpo di pompa entro cui si muove lacqua convogliata dalla forza centrifuga impressale dalla girante Lacqua entra nel corpo di pompa attraverso il tubo di aspirazione e viene inviata attraverso il movimento della girante nel tubo di mandata Il tubo di aspirazione egrave assiale rispetto alla girante il tubo di mandata egrave radiale
Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e lacqua spinta dalla pressione atmosferica risale lungo il tubo e viene proiettata dalla girante sul corpo della pompa dal quale esce attraverso il tubo di mandata (figura 11) Le pompe centrifughe a seconda della disposizione dellalbero di trasmissione che muove la girante si distinguono in orizzontali e verticali
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
17
La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Figura 11 Rappresentazione schematica di una pompa centrifuga (1) Tubo di aspirazione (2) Tubo di mandata (3) Girante
TENUTE ASSIALI
GIRANTE
Figura 12 sezione di un corpo pompa centrifuga
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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Figura 13 Sezione di una pompa centrifuga
In sintesi la pompa centrifuga egrave costituita (figura 3) da un corpo 1 che comprende il bocchello di aspirazione 1a ed il diffusore 1b una girante 2 uno scudo 3 di chiusura della parte idraulica una cassa stoppa 4 che contiene il sistema di isolamento della parte idraulica dallesterno un supporto 5 dellalbero contenente i cuscinetti ed il lubrificante e appunto un albero 6 che collegato ad un motore (elettrico o a scoppio) trasmette il moto da questultimo alla girante
Quasi tutte le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e mandata radiale (stile europeo ISO) o tangenziale (stile americano API) verso lalto La supportazione puograve essere su piedini come in figura 14 o centreline (vedi figura 15) la prima piugrave semplice la seconda piugrave robusta In ogni caso la quasi totalitagrave delle pompe centrifughe ha una supportazione back pull-out che consente di estrarre il supporto 5 completo di cassa stoppa 4 e albero 6 senza dover smontare il corpo 1 appunto agendo nella parte posteriore con il vantaggio di non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli interventi di manutenzione
Figura 14 Pompa tipo ISO (per concessione di Finder Pompe SpA)
Figura 15 Pompa tipo API (per concessione di Finder Pompe SpA)
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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Le pompe centrifughe orizzontali sono accoppiate direttamente al gruppo motore e a seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a benzina si distinguono in elettropompe o motopompe Sono pompe molto versatili di dimensioni e peso contenuti facilmente spostabili e trasportabili sia su automezzi sia a mano (pompe carrellate o barellate) Si prestano quindi sia per il prosciugamento di locali allagati che per luso antincendio In questultimo caso devono fornire alte pressioni allacqua pompata e questo si puograve ottenere con pompe a giranti multiple o pluristadio Lacqua alluscita della prima girante entra in una seconda e cosigrave via fino ad imboccare il tubo di mandata La prevalenza della pompa egrave data dalla somma delle prevalenze delle singole giranti
Figura 16 Pompa per uso antincendio ad alta pressione
Il numero di giranti egrave in funzione della pressione che si vuole avere alla mandata Il limite delle pompe centrifughe orizzontali egrave la profonditagrave massima daspirazione Poicheacute egrave la pressione atmosferica che spinge lacqua nel tubo daspirazione la profonditagrave massima da cui egrave possibile aspirare lacqua egrave quella corrispondente alla pressione atmosferica cioegrave a 1033 m In realtagrave a causa delle perdite di carico non egrave possibile sollevare lacqua da una profonditagrave superiore a 6-7 m dallasse della pompa
Le pompe centrifughe verticali ovviano a questo inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa puograve essere calato nella vasca o pozzo da cui estrarre lacqua riducendo a zero laltezza daspirazione Il gruppo motore rimane in superficie accoppiato attraverso un albero di trasmissione oppure come avviene piugrave comunemente oggi con le pompe sommergibili o sommerse realizzando in un unico corpo gruppo pompa e gruppo motore necessariamente di tipo elettrico e perfettamente impermeabile allacqua (figura 17)
11
Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
12
Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
13
PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
14
vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
15
PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
17
La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
19
Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
21
OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
22
5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
23
11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
24
CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
25
Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
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Figura 17 Elettropompe sommergibili a giranti multiple (pluristadio)
Le pompe sommergibili possono cosigrave essere calate sotto il livello dellacqua utilizzando il tubo stesso di mandata dellacqua ed evitare i problemi dellaltezza daspirazione Questo tipo di pompa si presta per il prosciugamento di locali con livelli dacqua profondi o con acque torbide oppure per lapprovvigionamento idrico demergenza da pozzi Essendo collocate molto spesso sotto il piano campagna devono fornire notevoli prevalenze quindi adottare giranti multiple Un altro inconveniente nel caso dimpiego in emergenza eacute costituito dal motore elettrico che puograve richiedere in assenza dalimentazione elettrica limpiego di un gruppo elettrogeno
Figura 18 Elettropompe sommergibili posizionamento
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Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
25
Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
Prima edizione 2008
26
Figura 16 Elettropompe sommergibili posizionamento e principio di funzionamento
13
PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
14
vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
15
PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
17
La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
19
Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
21
OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
22
5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
23
11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
24
CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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PREVALENZA
Consideriamo una pompa che sollevi lacqua dal livello A al livello B
Per fare questo deve creare il vuoto nel tubo daspirazione in modo tale che lacqua vi salga spinta dalla pressione atmosferica ed inviarla in pressione nel tubo di mandata
Figura 17 Schema di funzionamento di un impianto di sollevamento dacqua a mezzo pompa e riferimenti
per il calcolo della prevalenza (1) tubo di aspirazione (2) tubo di mandata
Si definisce
bull altezza geodetica daspirazione Ha la differenza di livello tra il punto A e la pompa
bull altezza geodetica di mandata Hm la differenza di livello tra il punto B e la pompa bull prevalenza geodetica H la differenza tra i livelli del liquido alla mandata e
allaspirazione (Figura 17)
La prevalenza geodetica H comunemente definita prevalenza corrisponde quindi alla somma delle altezze geodetiche daspirazione Ha e di mandata Hm Con riferimento alla figura 17b se misuriamo i livelli dei punti A e B rispetto ad un unico piano di riferimento la prevalenza H egrave data dalla differenza
H = H2 - H1
14
vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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Prima edizione 2008
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vale a dire dalla differenza tra il livello dellacqua allaspirazione e quello alla mandata coincidente con laltezza H di figura 17a
Si puograve determinare la prevalenza di una pompa misurando la differenza in metri esistente fra il livello dellacqua daspirazione e quello di mandata una pompa che aspira acqua da una vasca appoggiata al terreno contenente un metro dacqua e la solleva fino ad un serbatoio a 15 metri dal suolo ha una prevalenza H = 14 m
In realtagrave nella vasca daspirazione ed in quella di mandata lacqua egrave caratterizzata oltre che da altezze diverse anche diverse pressioni e velocitagrave per cui la pompa non le ha solo fornito unenergia potenziale sollevandola di unaltezza H2 - H1 ma le ha anche dato una pressione P2 - P1 ed una velocitagrave (quindi unenergia cinetica) V2 - V1 corrispondenti alla differenza fra la pressione e la velocitagrave finali ed iniziali
Nel passare attraverso le tubazioni e la pompa stessa lacqua subisce dei rallentamenti e quindi delle perdite denergia definite perdite di carico che si traducono in una minor prevalenza Quando chiudiamo parzialmente il rubinetto della gomma con cui laviamo lauto lacqua esce piugrave lentamente e non arriva piugrave dove arrivava prima la chiusura del rubinetto ha aumentato le perdite di carico cioegrave si egrave verificata una perdita denergia a discapito della prevalenza totale
PORTATA
La portata della pompa egrave il volume dacqua misurato in litri o metri cubi che viene mosso dalla pompa nellunitagrave di tempo (generalmente secondi o minuti) La portata si misura pertanto in litri al secondo (ls) litri al minuto (lm) metri cubi allora (mch) ecc La portata e la prevalenza sono i due elementi fondamentali che contraddistinguono le pompe
POTENZA
La pompa per sollevare una portata dacqua Q fornendole una prevalenza totale Ht compie un lavoro di sollevamento che richiede una potenza P (misurata in kilowattora) cioegrave unenergia fornitale attraverso un motore definita dalla seguente espressione
P = 98 Q Ht
La potenza cosigrave espressa egrave la potenza utile cioegrave quella strettamente necessaria per sollevare la portata dacqua Q allaltezza H
A causa delle inevitabili perdite denergia la potenza utilizzata cioegrave quella realmente necessaria per far funzionare la pompa egrave maggiore e viene definita potenza assorbita Il rapporto fra la potenza utile e quella assorbita egrave definito rendimento Il rendimento egrave sempre inferiore allunitagrave percheacute in qualsiasi macchina operatrice la potenza utile egrave sempre minore di quella assorbita
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
16
assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
17
La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
18
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
22
5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
23
11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
25
Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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PRESTAZIONI DELLE POMPE
Prevalenza e portata seguono leggi di variazione diverse essendo la prima proporzionale al quadrato della velocitagrave e la seconda direttamente proporzionale alla velocitagrave Allaumentare della portata corrisponde una diminuzione della prevalenza e la reciproca variazione di queste grandezze viene rappresentata in una curva chiamata curva caratteristica
Un esempio appare in figura 18 Nellesempio si vede una pompa avente portata 16 msup3h e prevalenza 405 m (questa coppia di valori egrave solitamente definita punto di lavoro)
Figura 18 Curva caratteristica
La curva rossa egrave la caratteristica vera e propria e si vede come alla portata di 20 msup3h la prevalenza si riduca a circa 36 m Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con giranti di diverso diametro
Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale) che nel nostro caso egrave di poco inferiore al 50 La curva verde indica NPSH(r) della pompa nel nostro caso pari a circa 14 m si noti come si abbia il minimo NPSH (r) circa 1 m alla portata di rendimento massimo La curva blu esprime la potenza
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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assorbita allasse della pompa con liquido avente densitagrave 1000 kgm3 nel nostro caso poco superiore a 3 kW
Figura 19 Curva caratteristica delle pompe (19a) Curva teorica (19b) Curva reale di una pompa centrifuga pluristadio per alte pressioni in funzione del numero di
giri al minuto (n)
Dalla curva caratteristica costruita sperimentalmente per ogni tipo di pompa si puograve desumere quale saragrave la prevalenza fornita dalla pompa per ogni valore di portata erogata (figura 19a) Ne consegue che il valore di prevalenza di una pompa deve sempre essere riferito alla portata erogata
La curva caratteristica varia poi in funzione del numero di giri del motore per cui in realtagrave ogni pompa egrave caratterizzata da una famiglia di curve caratteristiche cioegrave da andamenti portate-prevalenze che variano in funzione del numero di giri (figura 19b)
Nella selezione di una pompa centrifuga egrave sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva Ciograve percheacute oltre ad avere di norma un rendimento piugrave elevato questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante linterposizione in mandata di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola)
IL FENOMENO DELLA CAVITAZIONE
Fig 20 Studio del fenomeno della cavitazione in un tunnel ad acqua
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
20
sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
21
OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
22
5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
23
11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
24
CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
25
Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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La cavitazione egrave un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore allinterno di un liquido che poi implodono producendo un rumore caratteristico
Ciograve avviene a causa dellabbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso che subisce cosigrave un cambiamento di fase a gas formando cavitagrave contenenti vapore
La dinamica del processo egrave molto simile a quella dellebollizione La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione egrave che nellebollizione a causa dellaumento di temperatura la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido creando quindi una bolla meccanicamente stabile percheacute piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante nella cavitazione invece egrave la pressione del liquido a scendere improvvisamente mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti Per questo motivo la bolla da cavitazione resiste solo fincheacute non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica appena ritorna in una zona del fluido in quiete la pressione di vapore non egrave sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente
Il fenomeno puograve avvenire sulle eliche delle navi nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante
Affincheacute la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione puograve essere la superficie di un contenitore impuritagrave presenti nel liquido oppure altre irregolaritagrave La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione poicheacute altera la tensione di vapore Se la temperatura aumenta la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata o la prevalenza o la potenza generata calano di piugrave del 3 rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione
PROBLEMI DOVUTI ALLA CAVITAZIONE
In genere la cavitazione egrave un fenomeno indesiderato e fonte di problemi In dispositivi come pompe ed eliche la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza emissione di rumore e danneggiamento dei componenti
DANNI AD ELICHE E POMPE
Quando le lame di unelica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato Piugrave velocemente la lama avanza maggiore egrave labbassamento di pressione quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore il liquido evapora e forma le bolle di gas Nelle pompe la cavitazione si puograve manifestare in due modi
Fig 21 Danneggiamento dovuto alla cavitazione in una Turbina Francis
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa Le bolle di vapore attraversano la girante e quando giungono nella sezione di uscita lalta pressione qui presente ne causa la violenta implosione che crea il caratteristico rumore come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia Ciograve comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche
La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione egrave espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head) in genere espresso in metri (sistema tecnico) In particolare lNPSH(r) (acronimo per NPSH required) egrave caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per lattraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico energia cinetica eventuale dislivello) LNPSH(a) (acronimo per NPSH available) strettamente legato al circuito esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione decurtato della quantitagrave Psat(T)γ Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovragrave avere che NPSH(a) gt NPSH(r)
LE MOTOPOMPE USATE IN PROTEZIONE CIVILE
Fig 22 Motopompa autoadescante
Le pompe sono di tipo centrifugo autoadescante a girante aperta e piatto drsquousura riportato Lrsquoautoadescamento avviene per borbottamento dellrsquoaria allrsquointerno del liquido imprigionato nel corpo della pompa che quindi deve essere di disegno e forma tali da permettere un rapido e sicuro autoadescamento fino a 8 m di profonditagrave Una valvola di non ritorno incorporata nel corpo evita lo svuotamento di questrsquoultimo alla fermata della pompa permettendo un rapido innescamento alla ripartenza della pompa La tenuta meccanica egrave in metallo duro resistente allrsquoabrasione ed egrave lubrificata tramite una camera a grasso sul retrotenuta VANTAGGI La capacitagrave di autoadescamento permette lrsquouso di tali pompe senza riempire la condotta di aspirazione ed evita la valvola di fondo Possono quindi essere agevolmente usate in versione trasportabile con motori elettrici o endotermici oppure nellrsquoaspirazione da vasche o canali profondi o lontani
19
Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Fig 23 Particolare che mostra come non sia necessario riempire il tubo di aspirazione e la valvola di fondo La girante di tipo aperto con palettatura di forte spessore ed il piatto di usura nichelato e riportato con viti di acciaio inossidabile conferiscono alla macchina una buona resistenza allrsquoazione meccanica di sostanze abrasive quali sabbia terriccio polvere di marmo ecc Ampie aperture sul corpo permettono lrsquoispezione dellrsquointerno della girante senza dover smontare la pompa
Fig 24 Spaccato di una pompa autoadescante per usi di Prot civile
AUTOADESCAMENTO Lrsquoautoadescamento egrave la capacitagrave di aspirare lrsquoaria nella condotta di aspirazione durante la fase di avviamento della pompa Ciograve avviene mettendo in forte turbolenza il liquido allrsquointerno del corpo pompa Ersquo quindi necessario riempire preventivamente tramite lrsquoapposita portina superiore il corpo pompa di liquido da pompare Allrsquoavviamento della girante si instaura un circuito turbolento tra la zona di aspirazione e di mandata della girante che provoca un trasporto di aria dalla condotta di aspirazione alla mandata Qui lrsquoaria si separa grazie alla forte diminuzione della velocitagrave Tutte le pompe autoadescanti
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sono in grado di creare una depressione Questa depressione egrave ampiamente sufficiente per garantire durante la fase di pompaggioun corretto funzionamento della pompa
Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
Le motopompe da svuotamento sono state progettate per impieghi gravosi continuativi di Vigili del Fuoco e Protezione Civile Il rapido adescamento anche con elevata prevalenza di aspirazione lrsquoelevata portata e prevalenza e lrsquoaltissima qualitagrave dei materiali impiegati per la costruzione sono le caratteristiche principali
La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Fig 25 fase di adescamento MOTOPOMPE DA SVUOTAMENTO
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La robustissima costruzione del corpo pompa unita alla particolare conformazione della girante permette il trattamento ed il trasferimento acque luride con sassi e corpi solidi in sospensione rendendo cosigrave possibile anche lrsquoutilizzo senza impiegare il filtro di aspirazione
Fig 25 particolare della girante
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
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5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
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11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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Prima edizione 2008
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OPERAZIONI NECESSARIE PER METTERE IN FUNZIONE UNA POMPA DA SVUOTAMENTO Ora vediamo insieme le operazioni passo-passo da eseguire per mettere in funzione una motopompa autoadescante
1 RIMUOVERE IL TUBO DI ASPIRAZIONE 2 APRIRE GLI SPORTELLI - AGGANCIARE IL TUBO DI ASPIRAZIONE
3 AVVITARE IL TUBO DI MANDATA 4 CONTROLLARE IL LIVELLO DEL GASOLIO
22
5 SVITARE IL TAPPO DI RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 6 RIEMPIRE IL CORPO POMPA
7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
9 COLLEGARE LA BATTERIA (PRIMA IL POSITIVO) 10 TIRARE LA LEVA A FARFALLA E GIRARE LA CHIAVE PER AVVIARE
23
11 ATTENDERE LrsquoADESCAMENTO DELLA POMPA CONTROLLANDO IL MANOMETRO DI ASPIRAZIONE
12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
24
CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
25
Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
E-mailinfogorpadernoit ndash httpwwwgorpadernoit Stampato in proprio e destinato esclusivamente alla distribuzione interna
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7 RIEMPIMENTO DEL CORPO POMPA 8 RICHIUDERE IL TAPPO DEL CORPO POMPA
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12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
25
Progetto e dispensa dellrsquoopera egrave stata effettuata dal GOR Paderno Tel02-9105541 Fax 02-99045022
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12 DURANTE LE OPERAZIONI DI POMPAGGIO MONITORARE IL MANOMETRO DI MANDATA
13 PER LO SPEGNIMENTO DELLA MOTOPOMPA GIRARE LA VALVOLA A FARFALLA
14 EVENTUALE PROCEDURA PER AVVIAMENTO A STRAPPO
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CASI TIPICI DI MALFUNZIONAMENTO
Inconvenienti Probabili cause Pompa bloccata bull Ossidazione delle parti rotanti dovuta ad un prolungato
periodo di sosta
Mancata erogazione drsquoacqua bull Presenza drsquoaria nella pompa e nella tubazione di aspirazione
bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
Portata insufficiente bull Tubazione di aspirazione e valvola di fondo di diametro insufficiente
bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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bull Valvola di fondo difettosa o ostruita bull Entrata drsquoaria dal premistoppa o dalla tubazione di
aspirazione bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione
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bull Girante usurata o ostruita bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Tenute sul corpo pompa usurate bull Valvola di fondo ostruita
Pressione insufficiente bull Altezza drsquoaspirazione eccessiva bull Velocitagrave di rotazione troppo bassa bull Errato senso di rotazione bull Eccessiva quantitagrave drsquoaria o gas nellrsquoacqua bull Girante usurata o ostruita bull Aspirazione drsquoaria dalla tubazione di aspirazione dalla
valvola di fondo o dalla sede del premistoppa
Rumore e vibrazioni nella pompa
bull Funzionamento in cavitazione bull Pompa e tubazioni non saldamente fissate bull Funzionamento a portata troppo ridotta bull Presenza di corpi estranei nella pompa bull Errato allineamento del gruppo bull Cuscinetti usurati
Surriscaldamento della pompa
bull Mancanza o eccesso di lubrificazione bull Eccessiva spinta causata da usura agli organi meccanici
Eccessivo assorbimento di potenza
bull Velocitagrave di rotazione eccessiva bull Scelta della pompa con caratteristiche errate bull Pompa non regolata alle caratteristiche previste bull Errato allineamento del gruppo
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