Nel settore delle pompe idrauliche, il calcolo e il dimensionamento accurato sono fondamentali per garantire l'efficienza e l'affidabilità degli impianti. La scelta della pompa giusta per una specifica applicazione richiede la considerazione di diverse variabili, tra cui la portata, la prevalenza e le caratteristiche del fluido.
Potenza della Pompa Idraulica
Tutte le pompe idrauliche, al fine di spostare e aumentare la pressione di un fluido, consumano energia. La potenza di una pompa, nota anche come potenza assorbita, rappresenta l’energia impartita al fluido pompato per aumentarne la velocità e la pressione. La potenza richiesta dalla pompa dipende da una serie di fattori accessori della pompa stessa, tra cui l’efficienza del motore della pompa e la pressione.
Ulteriori fattori che influiscono sulla potenza della pompa fanno riferimento alle caratteristiche di densità, viscosità e portata del fluido trasportato. Le pompe non sono in grado di trasferire tutta l’energia che ricevono; a causa degli attriti, dissipazioni, turbolenze; per cui l’energia assorbita nell’unità di tempo dal motore, chiamata potenza assorbita, sarà maggiore di quella effettivamente acquistata dal liquido. Il rapporto tra la potenza utile e la potenza assorbita definisce il rendimento della pompa.
Il rendimento di una pompa può essere definito come il rapporto fra la potenza utile e la potenza assorbita. Nello specifico il rendimento è la capacità della pompa di trasformare energia meccanica in energia idraulica (efficienza), rappresenta la relazione tra la potenza fornita al fluido pompato (potenza idraulica) e la potenza del motore, quest’ultimo deve avere una potenza superiore a quella che si intende applicare al fluido, in modo da sopperire alla dissipazione. Il rendimento totale di una pompa considera le perdite di carico interne alla macchina.
Il rendimento di una pompa idraulica può essere calcolato a seconda della tecnologia di progettazione. Il rendimento volumetrico di una pompa è usato per quantificare le perdite di volume di fluido dovuto ai giochi tra girante della pompa e il relativo corpo. La potenza della pompa che si ottiene è espressa in watt (o in kilowatt, dove 1 kW = 1000 W).
Come abbiamo visto, effettuare il calcolo della potenza di una pompa centrifuga è abbastanza semplice. Conoscendo le diverse caratteristiche e applicando le formule riportate in questo articolo è possibile identificare correttamente i valori necessari.
Strumenti Digitali per il Dimensionamento
Da anni, strumenti come Wilo-Select sono considerati lo standard di settore per il dimensionamento delle pompe centrifughe. Con questo strumento di consulenza digitale è possibile individuare in modo semplice e affidabile la soluzione di pompaggio ideale per la propria applicazione specifica.
L’ultima versione del tool, Wilo-Select 5 online, presenta funzionalità aggiuntive come la determinazione approssimativa del punto di lavoro della pompa, il dimensionamento idraulico rapido e una selezione ottimizzata delle opzioni di prodotto, accessori e servizi. Subito dopo aver inserito il punto di lavoro della pompa, il dimensionamento idraulico rapido fornisce un chiaro orientamento sulle serie di pompe più adatte al progetto.
Il calcolo integrato e l’analisi dei costi del ciclo di vita, chiamato anche “LCC check”, consente di confrontare facilmente i costi di esercizio delle pompe esistenti con quelli delle attuali pompe Wilo.
Ricerca Rapida del Sistema Idraulico
Il menu di ricerca rapida del sistema idraulico permette di filtrare e selezionare i prodotti in base a un punto di lavoro specificato dall’utente. È situato nell’angolo in alto a destra della homepage di Select 5. Ecco i passaggi per utilizzarlo:
- Impostare un punto di lavoro inserendo i valori di portata [Q] e di prevalenza [H]. Le unità sono specificate dalla configurazione corrente delle stesse.
- Selezionare una frequenza di rete [50 Hz or 60 Hz] dal piccolo menu a tendina.
- Effettuare la selezione collocando i segni di spunta verdi sui prodotti desiderati.
- Per aggiungere la selezione al progetto, premere l’icona a forma di lente d’ingrandimento nell’angolo in alto a destra.
È possibile che la selezione includa pompe con tipi di circuito diversi. In questo caso, comparirà una finestra dove è possibile specificare il tipo di circuito. Tutti i prodotti contrassegnati in rosso saranno esclusi dalla selezione.
Ricerca Prodotti Specifica
La ricerca prodotti consente di cercare e selezionare prodotti specifici per nome e codice articolo. Tuttavia, se si utilizza questa opzione per prodotti meno recenti, potrebbe non essere visualizzato alcun risultato. In questo caso, utilizzare la ricerca per pompe non più in produzione.
Costi di Esercizio
Il menu dei costi di esercizio è accessibile una volta selezionata la pompa e indicato il punto di lavoro. Per questo caso d’uso, si consiglia di utilizzare la selezione della pompa idraulica oppure la ricerca rapida del sistema idraulico.
Per accedere al menu di gestione del progetto, fare clic sulle 3 barre accanto al logo Wilo situato nell’angolo in alto a sinistra della finestra dell’applicazione. Ecco i passaggi per la selezione della pompa idraulica e la visualizzazione dei costi di esercizio:
- Inserire un punto di lavoro per la serie di pompe selezionata e premere [Next].
- Fare clic sull’icona [Operating costs preview] situata nella sezione in alto a sinistra della panoramica di progetto.
Gestione dei Progetti
Wilo-Select 5 online offre funzionalità complete per la gestione dei progetti, tra cui l'importazione, il salvataggio e l'esportazione dei file di progetto.
- Importare: Selezionare dal menu [Open] -> [Import] e cercare i file di progetto sul proprio dispositivo locale. Se il caricamento di un progetto è avvenuto correttamente, il rispettivo nome apparirà nella barra delle applicazioni.
- Salvare: Per salvare un nuovo progetto nel database dei progetti, selezionare [Save] -> [Save as] e inserire un nome e un ID di progetto. Per sovrascrivere rapidamente un file salvato, utilizzare invece l’opzione [Save alterations]. I progetti salvati si trovano in [Project database] che può essere aperto dal menu.
- Esportare: Selezionare [Export] e scegliere un formato di file.
La Prevalenza di una Pompa
La prevalenza di una pompa è una grandezza fisica che esprime la capacità della pompa di sollevare un determinato volume di fluido, espresso solitamente in metri di colonna d’acqua, ad un livello superiore dal punto in cui è posizionata la pompa stessa. In poche parole, possiamo anche definire la prevalenza come l’altezza massima di sollevamento che la pompa riesce a trasmettere al fluido convogliato.
L’esempio più chiaro è quello di un tubo verticale che sale direttamente dall’uscita di mandata. Il fluido sarà pompato lungo il tubo a 5 metri dall’uscita di scarico da una pompa con una prevalenza di 5 metri. La prevalenza di una pompa è inversamente correlata con la portata.
Come anticipato, la prevalenza è effettivamente l’energia che la pompa cede al fluido. Il fluido, scorrendo all’interno di una tubazione, subisce perdite di carico (deducibili in termini di pressione) dovute all’attrito tra il fluido stesso e le pareti della tubazione.
Calcolo delle Perdite di Carico
Per calcolare le perdite di carico è necessario definire un fattore di attrito, dipendente dalla velocità del fluido. Lungo la tubazione di un impianto sono presenti numerosi elementi di costruzione e gestione, come valvole, raccordi, restringimenti, ecc., anch’essi responsabili di perdite di carico. Per il calcolo relativo a queste perdite di carico esistono diversi metodi.
L’indicatore prevalenza pompa è presente ed è consultabile all’interno delle schede tecniche di tutti i principali prodotti.
Esempio di Calcolo: Pompate Necessarie per Estendere un Cilindro
Un cilindro (corsa H=50 mm) viene azionato con una pompa a mano. Deve essere eseguita una corsa a vuoto L = 30 mm. Quante pompate occorrono per ottenere l’estensione completa del cilindro?
Per la corsa a vuoto vale:
S BP (mm) =[V BP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa-> V BP = 32cm³
-> S BP = (32.10) : 132,7 mm = 2,4 mm
Numero pompate per la corsa a vuoto: si divide la corsa a vuoto per la corsa ad ogni pompata:
PB BP = L (mm) : S BP (mm) = 30 : 2,4 = 13 pompate
Per la corsa sotto carico:
S AP (mm) =é V AP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa-> V AP = 3 cm³
-> S AP =(3.10) : 132,7 mm = 0,23 mm
Numero delle pompate per la corsa sotto carico: si divide la corsa residua per la corsa compiuta ad ogni pompata:
PB A = [H(mm) - L(mm)] : S AP(mm)= [50-30] : 0,2 =87 pompate
Risultato: In totale = PB BP + PB AP = 13 + 87 = 100 pompate.
Velocità d’Estensione di un Cilindro Idraulico
La velocità d’estensione di un cilindro idraulico azionato con una pompa elettrica dipende dall’area del pistone nel cilindro e dalla portata dell’elettropompa. Per le pompe bistadio si deve porre per il movimento del cilindro senza carico la porta-ta a bassa pressione Q BP e per gli spostamenti sotto carico invece la portata ad alta pressione Q AP .
Formula:
v(mm/s) = [Q(l / min).166,67] : A (cm²)
Dove:
- v= velocità del cilindro in mm / s
- Q= portata della pompa in l / min
- A= area del pistone nel cilindro in cm²
Considerazioni sul Rendimento
Ovviamente non tutta l’energia inizialmente disponibile viene trasferita al fluido, si deve perciò considerare un rendimento di tipo meccanico ma anche idraulico, dovuto a perdite di tipo fluidodinamico nei condotti. Il peso del liquido in movimento che attraversa la pompa nell’unità di tempo è dato dalla portata per il suo peso specifico.
Anche la forma e le dimensioni della cassa ne influenzano il comportamento, e di conseguenza il dimensionamento si baserà sui parametri impostati dall’impianto.
Correlazione tra Portata, Prevalenza e Dimensioni
A questo punto si può correlare la portata e la prevalenza che la pompa deve garantire alle dimensioni specifiche, consentendo di stimare il diametro esterno della girante, una volta nota la velocità di rotazione. Dove la velocità ω è misurata in [rad/s], la portata Q in [m3/s], la prevalenza H in [m] ed infine g rappresenta l’accelerazione di gravità.
La pompa è trascinata da un motore elettrico alimentato a frequenza di rete.
Ulteriori Parametri di Dimensionamento
Nota la potenza assorbita, è possibile stimare anche la coppia trasmessa e successivamente dimensionare l’albero che muove la girante, con il relativo diametro di imbocco. Nel nostro importante ruolo di produttori di pompe idrauliche siamo consapevoli dell’elevato numero di variabili che è necessario prendere in considerazione per scegliere la pompa adatta alle specifiche esigenze applicative.
Classificazione delle Pompe
Nel mondo dell’ingegneria e della meccanica dei fluidi, la classificazione delle pompe è essenziale per comprendere quale tipo di pompa utilizzare in base al fluido da trattare, al sistema da alimentare o alla configurazione dell’impianto.
La classificazione delle pompe si basa su due grandi famiglie: le pompe dinamiche (o cinetiche) e le pompe volumetriche. Questa suddivisione tiene conto del modo in cui viene sfruttata l’energia per mandare in pressione il fluido.
- Pompe dinamiche (o centrifughe): aumentano la velocità del fluido grazie a organi rotanti (come la girante), convertendo l’energia cinetica in pressione.
- Pompe volumetriche: agiscono grazie a un sistema meccanico che varia il volume di una camera per spostare il fluido.
Entrambe le categorie includono tipi di pompe diverse, ognuna progettata per specifiche applicazioni e condizioni operative.
💡 Nota: alcune pompe (come le elettriche o a immersione) sono classificate in base alla tecnologia o configurazione, mentre altre (come centrifughe, a pistone, a membrana) per meccanismo funzionale.
Tipi di Pompe in Base all'Applicazione
- Pompe per pozzi profondi: Utilizzate per estrarre acqua da grandi profondità, spesso superiori ai 30-50 metri. Queste pompe vengono inserite direttamente nel pozzo e spingono l’acqua verso l’alto sfruttando un motore elettrico immerso nel liquido.
- Pompe per acque sporche: Progettate per il pompaggio di liquidi densi o contenenti detriti, come acque reflue, liquami e fanghi. Integrano giranti aperte o trituratori per evitare ostruzioni.
- Pompe per irrigazione: Ideali per impianti agricoli di piccole e grandi dimensioni. Possono pescare da pozzi, laghi o vasche di raccolta e spingere l’acqua nei tubi di irrigazione a goccia o a pioggia.
- Pompe con galleggiante: Dotate di un sensore a galleggiante che attiva o disattiva la pompa in base al livello dell’acqua. Questa caratteristica è utile per evitare il funzionamento a secco e automatizzare la gestione di pozzi, serbatoi e impianti antiallagamento.
- Pompe industriali: Le pompe industriali sono progettate per garantire prestazioni elevate, resistenza a condizioni gravose e lunga durata. Vengono utilizzate in settori come chimica, petrolchimica, alimentare, trattamento acque e manifattura. Possono essere centrifughe, volumetriche o a immersione, e devono gestire liquidi di diversa viscosità, pressione e temperatura.
- Pompe oleodinamiche: Le pompe oleodinamiche sono specifiche per i circuiti a olio in pressione, tipici delle macchine industriali e da costruzione.
- Pompe per applicazioni domestiche: Le applicazioni domestiche includono il prelievo d’acqua da pozzi per uso sanitario, l’alimentazione della lavatrice, l’irrigazione del giardino o lo svuotamento di locali allagati.
- Pompe per uso agricolo: In agricoltura servono a mandare acqua a campi coltivati, serre o orti, anche a chilometri di distanza. Negli allevamenti, sono utilizzate per il rifornimento di abbeveratoi, la pulizia dei locali e la gestione dei reflui.
- Pompe per antincendio: Le pompe per antincendio sono progettate per funzionare in emergenza, spesso con alimentazione alternata o sistemi a doppia pompa. Devono garantire portata e pressione elevata in tempi rapidi, anche con riserva d’acqua.
Pompe Oleodinamiche: Un Approfondimento
Le pompe oleodinamiche sono dispositivi cruciali nei sistemi idraulici, poiché sono responsabili del flusso e della pressione del fluido nel circuito. Le pompe oleodinamiche possono essere suddivise in diverse categorie in base al loro principio di funzionamento e alle caratteristiche tecniche.
- Pompe a ingranaggi: le più semplici e robuste. Funzionano grazie al movimento di ingranaggi che spingono il fluido attraverso il sistema. Sono ideali per applicazioni che richiedono portate costanti e pressioni moderate.
- Pompe a pistoni: sono più complesse ma offrono una maggiore efficienza e la capacità di operare a pressioni elevate.
- Pompe a palette: utilizzano un rotore con palette che scorrono all’interno di una cavità e sono più efficienti delle pompe a ingranaggi e, a differenza delle pompe a pistoni, più silenziose.
La scelta della pompa oleodinamica dipende da diversi fattori tecnici che variano in base alle specifiche esigenze del sistema.
- Portata e pressione: La pompa deve essere in grado di fornire la portata e la pressione necessarie per il corretto funzionamento del sistema. La portata indica la quantità di fluido che deve essere spostata per unità di tempo (solitamente espressa in litri al minuto o galloni al minuto), mentre la pressione indica la forza con cui il fluido deve essere spinto attraverso il sistema (espressa in bar o psi).
- Tipo di fluido: olio minerale, olio sintetico, acqua o altri influiscono sulla scelta della pompa. Alcuni fluidi sono più viscosi di altri, il che significa che richiedono pompe con capacità di movimentazione diverse.
- Efficienza e consumo energetico: Le pompe oleodinamiche consumano energia per generare pressione e movimento. Scegliere una pompa efficiente dal punto di vista energetico può ridurre i costi operativi e migliorare l’affidabilità del sistema.
Una volta scelta la tipologia di pompa, è importante considerare il dimensionamento corretto per l’impianto. Un dimensionamento errato può causare inefficienze, usura prematura dei componenti o addirittura guasti del sistema. Per dimensionare correttamente una pompa, è necessario tener conto della portata richiesta, della pressione operativa e delle caratteristiche del fluido.
L’installazione della pompa, inoltre, deve essere eseguita seguendo le specifiche tecniche per garantire un funzionamento sicuro e duraturo.
Manutenzione delle Pompe Sommerse
L’installazione di una pompa sommersa richiede la verifica della profondità del pozzo, il corretto dimensionamento del cavo elettrico e della tubazione, e l’inserimento della valvola di ritegno. Le pompe da 220V monofase sono adatte a impianti domestici con assorbimenti contenuti. Quelle da 380V trifase offrono maggiore potenza, efficienza e durata, ideali per impianti agricoli o industriali.
Per scegliere correttamente la pompa, bisogna considerare la prevalenza totale, data dalla profondità del pozzo sommata alle perdite di carico del sistema. Anche la portata richiesta (in litri/ora) incide sulla scelta del modello, oltre alla pressione necessaria all’uscita.
Una manutenzione regolare include la pulizia dei filtri, il controllo del corretto assorbimento del motore, la verifica delle guarnizioni e della valvola di non ritorno. Le manutenzioni straordinarie riguardano la sostituzione delle parti usurate o la riparazione del motore elettrico.
Rilevamento di Guasti
Una pompa guasta può mostrare segnali evidenti come rumori anomali, vibrazioni, scatti del salvavita, o semplicemente il mancato avvio. In alcuni casi, la pompa sembra funzionare ma la pressione dell’acqua è insufficiente. Cali di pressione improvvisi, getti irregolari o perdite lungo il tubo possono derivare da rotture interne, ostruzioni, usura della girante, o ingresso d’aria nel sistema.
Pompe Monostadio e Multistadio
È possibile però distinguere tra i diversi tipi di pompe in base al numero di giranti. In termini di prestazioni, le pompe per liquidi multistadio, che possono essere in serie o in parallelo, offrono proprio un servizio “due in uno”: se sono azionate in posizione di volume (parallelo), eguagliano le prestazioni delle pompe monostadio.
Per quanto riguarda la complessità di funzionamento, sulla carta una pompa monostadio è più semplice rispetto a una pompa multistadio, perché l’operatore di quest’ultima deve decidere se posizionare la pompa in parallelo o in serie.
Pompe Sommerse e di Superficie
Le pompe sommerse hanno motori e corpi pompa sigillati, e offrono il vantaggio di non dover mai essere innescate. Se utilizzate in un solo luogo, le pompe sommerse di alta qualità come quelle della gamma PEMOPUMPS possono essere lasciate permanentemente nel sito di applicazione: sono estremamente resistenti e non temono danni causati dall’umidità.
Effettuare riparazioni o sostituzioni può essere più complesso rispetto alle pompe di superficie, perché le pompe sommerse possono trovarsi costantemente immerse in liquidi o fanghi, anche a decine di metri sotto terra, e sigillate all’interno di sistemi di tubazioni.
- Costo: proprio per contrastare la corrosione, le pompe sommerse devono essere realizzate in materiali particolarmente resistenti (per es.
- Funzionamento: a differenza delle pompe sommerse, le pompe di superficie devono essere adescate, ovvero messe in condizione di aspirare il fluido.
Parametri Aggiuntivi
La granulometria indica, esprimendola in millimetri, la dimensione massima delle particelle e impurità che possono passare attraverso le pompe di sollevamento senza intasarle. Il flusso, espresso in litri al minuto (l/mn) oppure in metri cubi all’ora (m3/h), è la caratteristica principale di qualsiasi pompa, ed è strettamente collegato all’altezza manometrica totale (ATM), a sua volta espressa in metri.
Circolatori per Acqua di Riscaldamento
La scelta del circolatore più adatto è basilare per garantire nell’impianto una portata tale che si sviluppi la potenza stabilita in fase di progettazione e per evitare problemi nel funzionamento.
Sapendo questo dato e considerando il salto termico Δt fra mandata e ritorno, potremo ottenere la portata in kg/h.
E’ inoltre un dato di fatto il tipo di modulo che si utilizza, che conosciamo già a priori in quanto scelto in base al tipo di impianto da realizzare.
Esempio di Calcolo
Per un impianto che utilizza un gruppo diretto M2 e che richiede una potenza P = 50 kW con un salto termico Dt = 20 K calcoliamo la portata:
(50 kW X 860):20K = 2150 kg/h
Dobbiamo ora quantificare le perdite di carico del nostro impianto, in modo tale da scegliere un circolatore che non risulti sottodimensionato.
Per quanto riguarda il modulo, possiamo conoscerne le perdite di carico seguendo sul diagramma la curva relativa al modello voluto.
Troviamo nel nostro caso che per il gruppo di pompaggio diretto M2 ad una portata di 2150 kg/h corrisponde una perdita di carico di 0,75 m di colonna d’acqua.
A questa va aggiunta la perdita di carico complessiva dell’impianto (tubi, raccordi, elementi radianti, ecc.) che dovrà essere un dato fornitoci dal progettista.
Dal grafico, il circolatore Star RS 25/6 per una portata di 2150 kg/h ha una prevalenza di 3,6 m.: considerato che, il modulo ne assorbe 0,73 m, rimarrà 2,87 m (poichè 3,6 - 0,73 = 2,87 m) di colonna d’acqua disponibile per compensare le perdite di carico dell’impianto.
Se questo dato è sufficiente, possiamo utilizzare la Star RS 25/6, altrimenti si dovrà utilizzare il modello di pompa con prevalenza maggiore.
NOTA: alla portata desiderata, se necessario, è possibile calcolare con procedimento matematico la caduta di pressione causata dalla presenza di un dispositivo idraulico, quando se ne conosce il Kvs; pertanto, con buona approssimazione, assumendo la temperatura standard pari a 20°C e trascurando gli effetti dovuti alla viscosità del fluido, risulta infatti:
Kvs = Q : √h
ove la portata Q viene espressa in m3/h e h, la differenza di pressione ai capi del dispositivo (caduta di pressione), in bar.
Invertendo la formula precedente si ottiene quindi:
h = (Q:Kvs)2
essendo 1 bar corrispondente a circa 10,198 mH2O, la caduta di pressione risulta dunque pari a 0,73 mH2O, come riportato nel diagramma.