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. In conclusione appare chiaro come la scelta del sistema di pompaggio dipenda da numerose variabili, non solo legate alle caratteristiche “dimensionali” della pompa stessa (portata e prevalenza) ma anche dall’impianto (tipo di fluido, perdite di carico, diametro delle tubazioni, ecc…).

Tipologie di Pompe Idrauliche

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.

Fra le varie tipologie di pompe da scegliere in commercio, le pompe centrifughe risultano sicuramente le più versatili, grazie a un campo di applicabilità particolarmente esteso. Solo per maggiori prevalenze e piccole portate risulta tecnicamente ed economicamente vantaggioso l’impiego di pompe a stantuffo (o pompe volumetriche). Le pompe a ingranaggi hanno pochissimi componenti mobili. Sono costituite da due ruote dentate che ingranano l’una nell’altra. Hanno una portata costante e generalmente operano a pressioni comprese tra 50 e 210 bar. Nelle pompe a ingranaggi esterni, solo una delle ruote dentate, la ruota motrice, è collegata alla trasmissione. Esistono pompe a doppio ingranaggio esterno, che consistono in due pompe a ingranaggi azionate dallo stesso albero.

Pompe ad Ingranaggi per Impianti Oleodinamici

Le pompe ad ingranaggi per impianti oleodinamici, sia in configurazione singola che multipla (a due o più stadi) è uno dei componenti maggiormente impiegato nei moderni impianti oleodinamici. Essa unisce in sé caratteristiche di versatilità, resistenza, lunga durata. Il corpo è un profilato in lega di alluminio ottenuto attraverso processo di estrusione. Flange e coperchi sono costruiti in speciali leghe d'alluminio ad alta resistenza per le micropompe e per i modelli della serie ALP; sono invece fusioni in ghisa sferoidale per i modelli della serie GHP.

Le ruote dentate sono realizzate in acciaio speciale; il processo di produzione comprende le fasi di cementazione e di tempra; la successiva rettifica e superfinitura permettono di ottenere un elevatissimo grado di finitura superficiale. Le boccole sono ottenute attraverso processo di pressofusione utilizzando una speciale lega di alluminio che unisce doti di antifrizione ad una elevata resistenza. Per le pompe ad ingranaggi di tipo GHP sono inoltre dotate di cuscinetti a strisciamento con rivestimento in materiale antifrizione.

Fattori Tecnici nella Scelta della Pompa Oleodinamica

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.

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. Per calcolarle 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.

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.

Calcolo della Portata Volumetrica

Il calcolo della portata volumetrica dei fluidi è di fondamentale importanza in molti settori e applicazioni industriali. La misurazione della portata volumetrica è essenziale per diverse ragioni: in molti processi industriali, la conoscenza precisa della portata volumetrica dei fluidi è cruciale per garantire un funzionamento efficiente e sicuro dei sistemi. Monitorare la portata volumetrica consente inoltre di ottimizzare la produzione, controllare la qualità dei prodotti, prevenire perdite o sovrapressioni e garantire una distribuzione adeguata dei fluidi.

La portata Q è il volume utile di liquido convogliato alla bocca premente della pompa nell’unità di tempo; l’unità di misura della portata è metri cubi al secondo (si usano talvolta anche l/sec e m3/h).

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

Potenza e Rendimento della Pompa

La potenza di una pompa, nota anche come potenza assorbita, rappresenta l’energia impartita al fluido pompato per aumentarne la velocità e la pressione. Tutte le pompe idrauliche, al fine di spostare e aumentare la pressione di un fluido, consumano energia. 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 totale di una pompa considera le perdite di carico interne alla macchina. 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 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.

Esempio di Calcolo della Prevalenza

Per esempio poniamo il caso di calcolare la prevalenza di una pompa centrifuga che assorbe 4,5 KW di potenza con rendimento del 70% fornendo una portata d’acqua di 350 dm3/min.

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:

  1. Impostare un punto di lavoro inserendo i valori di portata [Q] e di prevalenza [H]. Le unità sono specificate dalla configurazione corrente delle stesse.
  2. Selezionare una frequenza di rete [50 Hz or 60 Hz] dal piccolo menu a tendina.
  3. Effettuare la selezione collocando i segni di spunta verdi sui prodotti desiderati.
  4. 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.

Passaggi per la selezione della pompa idraulica e la visualizzazione dei costi di esercizio:

  1. Inserire un punto di lavoro per la serie di pompe selezionata e premere [Next].
  2. 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.

Misuratori di Portata

Esistono diversi tipi di misuratori di portata utilizzati in vari contesti industriali. Ecco alcuni dei più comuni:

  • Misuratori a turbina: Possono operare anche a temperature e pressioni molto elevate e sono indicati in processi a portata elevata.
  • Misuratori di portata a vortice: Sfruttano i vortici che si creano in prossimità di un ostacolo e che vengono poi trascinati via dal passaggio del flusso; il numero dei vortici è quindi proporzionale alla velocità del flusso.
  • Misuratori ad ultrasuoni: Sono adatti per una vasta gamma di fluidi, inclusi liquidi e gas, e possono gestire temperature e pressioni elevate.
  • Misuratori di portata elettromagnetico: Si tratta di strumenti adatti a misurare la portata di liquidi con conducibilità elettrica (inclusi i liquidi abrasivi) e di liquidi con elevato contenuto di particelle in sospensione.
  • Misuratori di portata in massa: Sono dispositivi utilizzati per misurare la quantità di massa di un fluido che attraversa un sistema.

Materiali Utilizzati nelle Pompe

Nel settore chimico-industriale capita spesso di dover movimentare fluidi corrosivi o pericolosi: in tal caso sarà opportuno prestare attenzione alle scelta di ogni elemento dell’impianto, in primis le pompe. Ecco alcuni materiali comuni e le loro resistenze chimiche:

  • Polipropilene: Materiale largamente utilizzato nell’impiantistica. Resistente ad acidi, basi, soluzioni saline e composti organici. Non adatto per idrocarburi aromatici e clorurati.
  • PVDF (Fluoruro di polivinilidene): Presenta un’eccezionale resistenza ad acidi, soluzioni saline, idrocarburi alifatici, aromatici e clorurati, agli alcoli e agli alogeni. Non idoneo per basi organiche, soluzioni alcaline, chetoni, esteri ed eteri. Indicato nell’industria dei semiconduttori e con liquidi da preservare da contaminazione.
  • Polietilene: Resistenza chimica analoga al polipropilene. Apprezzato per la sua resistenza all’abrasione.
  • Gomma EPDM: Elastomero ad alto modulo elastico, buona resistenza ad acidi, basi, alcooli e chetoni. Sconsigliato per idrocarburi, oli e grassi. Materiale base per anelli di tenuta e particolari di usura.
  • PTFE (Politetrafluoroetilene): Elevata durezza, resistenza all’usura e all’azione di agenti chimici. Chimicamente inerte fino a 250 °C in presenza di qualsiasi agente chimico, sconsigliato solo per metalli alcalini fusi, per trifluoruro di cloro e fluoro gassoso ad elevate temperature. Può essere ‘caricato’ con materiali quali il vetro o la ceramica o con grafite e carbone.
  • PFA (Perfluoroalcossi): Fluoropolimero dalle caratteristiche di resistenza chimica analoghe al PTFE ma con minore permeabilità.

Raccomandazioni per l'Installazione e l'Utilizzo

Per ottenere dalle pompe le migliori condizioni in termini di durata e prestazioni è consigliato seguire le raccomandazioni e i suggerimenti di installazione ed utilizzo indicate nel presente catalogo. È inoltre importante dotare l’impianto di idonei sistemi di sicurezza, di strumentazione affidabile e di sistemi adeguati atti ad evitare turbolenze nel fluido, in special modo sul condotto di ritorno al serbatoio, e ad evitare l’entrata in circolo nel sistema d’aria, acqua, o contaminanti di vario genere.

In caso di funzionamento con pressione in aspirazione maggiore del valore indicato è disponibile la versione speciale “TR”. Tale versione è disponibile solo per la tipologia di micropompe. l’estrema riduzione delle tolleranze che contraddistinguono i piccoli componenti delle micropompe e il loro conseguente funzionamento con giochi ridotti, possono essere irrimediabilmente compromessi se non si pone estrema cura nel mantenere il fluido pulito.

È comunemente accertato che le particelle circolanti continuamente nel fluido agiscono come agente abrasivo danneggiando le superfici con cui vengono a contatto e contribuendo alla formazione di ulteriore contaminante. Per questo raccomandiamo di porre molta attenzione alla pulizia in fase di avviamento e al mantenimento della stessa nell’impianto.

Controllo della Contaminazione

Gli interventi necessari per controllare e limitare il grado di contaminazione devono essere effettuati in maniera preventiva e correttiva. Le azioni preventive comprendono l’accurata pulizia dell’impianto durante la fase di montaggio, la conseguente eliminazione delle bave residue, delle scorie delle saldature ecc., ed il trattamento del fluido prima del riempimento. L’iniziale livello di contaminazione del fluido usato per riempire l’impianto non dovrebbe superare la classe 18/15 (rif. ISO 4406). Tale livello potrebbe essere superato anche da fluidi nuovi; prevedere quindi una adeguata filtrazione anche al momento del riempimento dell’impianto e comunque ad ogni rabbocco.

Dimensionare adeguatamente il serbatoio facendo in modo che abbia una capacità almeno doppia rispetto al volume del fluido spostato dalla pompa in un minuto di funzionamento. Il controllo e la correzione dei livelli di contaminazione del fluido durante il funzionamento si ottiene attraverso l’installazione di filtri aventi la funzione di trattenere le particelle trasportate dal fluido. Due sono i parametri che determinano la buona scelta del filtro: il potere assoluto di filtrazione e il rapporto di filtrazione β.

Bassi valori di potere assoluto di filtrazione e alti valori del rapporto di filtrazione β per particelle di piccole dimensioni concorrono a garantire buone caratteristiche di filtrazione. È pertanto molto importante limitare, oltre alle dimensioni massime, anche il numero delle particelle di più piccole dimensioni che oltrepassano il filtro. Risulta pertanto evidente che, all’aumentare della pressione di esercizio e al grado di sofisticazione dell’impianto, la filtrazione deve diventare sempre più efficace.

Bruschi cambiamenti di direzione, piccoli raggi di curvatura, improvvise variazioni di sezione e la loro lunghezza non deve essere eccessiva o sproporzionata; la sezione dei condotti deve essere dimensionata affinché la velocità del fluido non ecceda i valori consigliati.

Nota: I valori dei ηvol e ηhm (e di conseguenza htot) dipendono dal differenziale di pressione tra aspirazione e mandata, dalla velocità di rotazione, dalle caratteristiche del fluido utilizzato (in relazione ai fattori di temperatura e di viscosità) e dal grado di filtrazione.

Tabella Riassuntiva dei Materiali e Resistenze Chimiche

Materiale Resistenza Chimica Non Adatto per
Polipropilene Acidi, basi, soluzioni saline, composti organici Idrocarburi aromatici e clorurati
PVDF Acidi, soluzioni saline, idrocarburi alifatici, aromatici e clorurati, alcoli, alogeni Basi organiche, soluzioni alcaline, chetoni, esteri, eteri
Polietilene Simile al polipropilene Simile al polipropilene
Gomma EPDM Acidi, basi, alcoli, chetoni Idrocarburi, oli, grassi
PTFE Quasi tutti gli agenti chimici fino a 250°C Metalli alcalini fusi, trifluoruro di cloro, fluoro gassoso ad alte temperature
PFA Simile al PTFE, ma con minore permeabilità Simile al PTFE

TAG: #Idraulica #Pompa

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