Macchina Idraulica per Sollevare Acqua: Funzionamento e Applicazioni

Le macchine idrauliche per il sollevamento dell'acqua sfruttano diverse tecnologie e principi fisici per trasferire l'acqua da un livello inferiore a uno superiore. Questi sistemi sono fondamentali in vari settori, dall'agricoltura all'industria, e si basano su meccanismi che vanno dalle semplici pompe manuali ai complessi sistemi oleodinamici.

Elettropompe Periferiche

L’elettropompa periferica deve il suo funzionamento al movimento dei giranti che si trovano all’interno del suo corpo meccanico. Il funzionamento autoadescante è la capacità della pompa di aspirare l’aria presente nella condotta di aspirazione nel momento in cui viene avviata. L’elettropompa periferica diventa così una valida alternativa alla pompa centrifuga e volumetrica.

Questo perché mentre nelle seconde all’aumentare della prevalenza si otterrà una diminuzione di portata, nelle prime la portata non viene influenzata dalla pressione. Questo tipo di pompa elettrica viene sfruttata per aumentare la pressione degli acquedotti negli impianti domestici o per la distribuzione delle acque attraverso piccole autoclavi. Generalmente, le elettropompe periferiche vengono installate in luoghi chiusi.

La principale particolarità delle elettropompe periferiche è quella di sviluppare prevalenze medio-alte con potenze relativamente modeste. Sono perfette per il sollevamento e la distribuzione di acqua negli impianti domestici, ville, cascine, piccoli poderi, giardini e per l’alimentazione di caldaie a pressione. La pompa periferica è utilizzata per il pompaggio di acque pulite all’interno di impianti domestici o piccoli impianti di irrigazione. La pompa di superficie può anche alimentare elettrodomestici, come lavatrice, lavastoviglie o anche un WC.

Pompa Idrobalo

Questo tipo di pompa, detta anche "idrobalo", fu ideato dal preposto milanese Carlo Castelli intorno al 1785 e fu chiamato dall'inventore "ventilatore idraulico" per la sua somiglianza con alcuni sistemi di ventilatori utilizzati nelle miniere. La pompa, in effetti, non ha pistoni né parti rotanti, ma funziona grazie ad una paratia mobile. È fissata su una grossa cassa di legno verniciato (dotata di due coperchi apribili) che funge da serbatoio per l'acqua.

Il corpo della macchina è formato da un grosso cilindro di ottone chiuso in alto da una calotta sferica sulla quale è imperniato un manubrio a movimento orizzontale. Sulla calotta è avvitata obliquamente una lunga lancia che termina con un ugello. I due tubi per l'aspirazione dell'acqua che si dipartono dalla pompa pescano nel serbatoio tramite maniche di cuoio rivestite di corda. Il corpo della pompa è diviso internamente da una coppia di settori prismatici muniti di valvole.

Nel suo movimento il manubrio aziona una paratia mobile imperniata verticalmente fra i settori. Il movimento della paratia aspira, da un lato, l'acqua dal serbatoio e, dall'altro, la spinge verso la calotta superiore dotata di lancia. La calotta funge anche da camera d'aria per mantenere una pressione costante. Questa pompa poteva essere usata per irrigare, per sollevare l'acqua da un pozzo o per domare incendi.

Vite di Archimede (Còclea)

La vite di Archimede, anche nota come còclea (dal latino cochlea, "chiocciola"), è uno strumento elementare inventato forse da Archimede e usato anticamente per le operazioni di "sollevamento" di acqua da fiumi o ruscelli o di materiale granulare (come sabbia o detriti), al fine di consentire l'irrigazione di campi per la loro coltivazione. Rappresenta uno dei primi esempi di pompa idraulica, ma viene utilizzata ancora oggi in svariate applicazioni anche di natura differente.

Storicamente, si attribuisce l'invenzione della còclea ad Archimede, tra il 287-212 a.C circa. L'idea è probabilmente frutto delle conoscenze maturate dall'inventore durante il suo periodo in Egitto, ma le fonti storiche a disposizione non riescono a dare certezza assoluta su questo aspetto, in quanto non esistono chiari documenti che ne definiscano precisamente il momento esatto dell'invenzione e le circostanze. Quello che è certo ad oggi è che non esiste nessun riferimento ad uno strumento simile in un periodo precedente a quello di riferimento per Archimede, motivo per il quale l'invenzione tramanda oramai la sua firma da secoli.

Come Funziona la Coclea

Stiamo parlando di un oggetto formato da un elemento cilindrico a sezione circolare a cui è avvolta un'elica per creare dei "piani" nella sezione del cilindro. Le dimensioni dell'elica variano a seconda dell'utilizzo della coclea, così come anche la presenza o meno di un cilindro di rivestimento o di pareti laterali. Nella sostanza, il cilindro - inclinato rispetto ad un piano orizzontale - può essere messo in rotazione e questo comporta il movimento della struttura elicoidale.

Visivamente, si ha l'impressione che l'elica tenda a spostarsi (avvitarsi o svitarsi): nella realtà, la conformazione geometrica della spirale permette questa illusione. A questo effetto ottico è però collegato un particolare effetto fisico che consente lo spostamento, verso l'alto o verso il basso, del materiale contenuto all'interno delle pale dell'elica a seconda del verso imposto alla rotazione del cilindro. Questo spostamento è nei fatti generato proprio dalla conformazione dell'elica attorno al cilindro, che tende a formare dei "contenitori" durante la rotazione.

Altre Applicazioni della Vite di Archimede

Sebbene sia stata inizialmente pensata con l'unico scopo di "sollevare" l'acqua (come farebbe una pompa), la vite di Archimede trova oggigiorno svariate applicazioni aggiuntive:

• Una macchina operatrice, cioè viene immessa energia dall'esterno per sollevare ad esempio un fluido. In questo caso l'energia esterna viene fornita per il tramite di rotazione del cilindro centrale.
• Una macchina motrice, cioè si sfrutta il moto del fluido per gravità per generare energia meccanica (la rotazione del cilindro centrale), che può conseguentemente essere trasformata in energia elettrica, ad esempio. In questo caso abbiamo a che fare con una vera e propria turbina.

Turbina di Archimede

Nella sua funzione di macchina motrice, quindi, la vite di Archimede è usata oggi in diversi impianti idroelettrici come turbina. Essa funge quindi da strumento meccanico che converte l'energia di un fluido in movimento in corrente elettrica. La coclea è anche utilizzata nella miscelazione del calcestruzzo all'interno di una betoniera.

Una curiosa applicazione si deve a John Burland, accademico e ingegnere geotecnico che ha partecipato ai recenti interventi di stabilizzazione della Torre di Pisa: la vite in questo caso è stata utilizzata per ottenere una rimozione di terreno negli strati profondi negli intorni della fondazione della torre, consentendo una riduzione di qualche frazione di grado della sua inclinazione, riducendone il rischio di collasso.

Oleodinamica

L’oleodinamica è una tecnica che utilizza i fluidi per generare pressione e convertirla in energia meccanica. I cilindri e le pompe idrauliche consentono di sollevare carichi pesanti con il minimo sforzo. Questi vengono inoltre utilizzati anche nelle frizioni o nei sistemi frenanti dei veicoli commerciali.

La parola oleodinamica è composta da due parole greche: “élaion”, riferito a sostanze dotate di untuosità, e “dynamikós” riferito alla forza e al movimento. Da ciò si può dedurre in cosa consiste un sistema oleodinamico: un fluido viscoso viene immesso in un sistema chiuso dove successivamente viene creata o aumentata una certa pressione per azione meccanica o statica. In entrambi i processi, la pressione che si crea viene trasmessa attraverso tubi o sistemi di tubature fino a innescare la reazione (meccanica) desiderata in un punto specifico.

In virtù del loro semplice funzionamento, gli impianti oleodinamici vengono utilizzati in un’ampia gamma di aree di lavoro. Per il funzionamento di sistemi oleodinamici viene raramente utilizzata l’acqua. Di solito tali impianti vengono azionati con l’aiuto di un olio speciale (olio idraulico). Grazie alle sue proprietà, l’olio è perfettamente idoneo a garantire un funzionamento delicato all’interno della meccanica di precisione di macchine e motori. Come oli oleodinamici si possono utilizzare, a seconda del settore di applicazione, oli minerali, oli vegetali, emulsioni acqua-olio o fluidi sintetici.

I sistemi oleodinamici possono movimentare grandi carichi con una forza facile da gestire. In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico. La seguente panoramica passo dopo passo spiega in maniera semplice come funziona l’oleodinamica.

1. Aumento della pressione: La pompa idraulica viene azionata manualmente (ad esempio azionando una leva o un pedale) o tramite un motore. Il movimento del pistone riduce lo spazio per l’olio idraulico. La pressione continua a salire.
2. Distribuzione del volume o del flusso: Il fluido in pressione è chiamato anche volume o flusso. Questo viene distribuito attraverso i tubi idraulici del sistema. Nei sistemi oleodinamici complessi è possibile utilizzare delle valvole per controllare la direzione del flusso volumetrico.
3. Conversione in energia meccanica: Una volta che il fluido si è diffuso attraverso i tubi e ha accumulato una pressione sufficiente, attiva un secondo cilindro o motore idraulico (cilindro idraulico doppio effetto) che è responsabile del processo corrispondente (ad esempio, il sollevamento di una piattaforma o l’attivazione del freno).
4. Ritorno del fluido idraulico: Infine, per abbassare nuovamente la pressione nel caso di sistemi manuali a molla (in un sistema frenante, ad esempio), è sufficiente riposizionare la leva nella sua collocazione iniziale. Sulle macchine edili più grandi o su elevatori idraulici potenti è presente di solito un secondo interruttore che abbassa il pistone e, se necessario, apre una valvola di ritorno in modo che il fluido idraulico venga nuovamente distribuito in maniera uniforme all’interno del sistema.

Nota bene: Il funzionamento della centralina oleodinamica è essenziale per gestire la distribuzione del fluido e il controllo delle valvole, inclusa la valvola di massima pressione.

Anche se le modalità di funzionamento sono molto simili, l’oleodinamica presenta alcuni vantaggi rispetto alla pneumatica. I sistemi e gli azionamenti oleodinamici sono estremamente potenti.

Settori che Impiegano l’Oleodinamica

• Macchine agricole e da costruzione: accessori per escavatori, gru, trattori e benne ad alto ribaltamento
• Officina meccanica: piattaforme di sollevamento, utensili, sollevatori idraulici
• Ingegneria automobilistica: frizione, freni, servosterzo, telaio
• Ingegneria logistica: carrelli elevatori, transpallet manuali
• Impianti di sollevamento
• Produzione: presse idrauliche, banchi prova, nastri trasportatori

Vantaggi di un Sistema Oleodinamico

• Elevata trasmissione di potenza
• Ingombro relativamente ridotto
• Buona adattabilità alle contingenti condizioni di spazio grazie a tubi e collegamenti flessibili
• Idoneità anche per macchine di precisione grazie a sequenze di movimento lente e regolabili separatamente
• Lunga durata e bassa usura (se mantenuti e utilizzati seguendo le istruzioni)
• L’olio idraulico previene l’attrito e allo stesso tempo svolge una funzione refrigerante, aumentando così la durata del sistema

Importanza del Funzionamento di una Centralina Oleodinamica

La centralina oleodinamica è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema. Regola la pressione e il flusso del fluido idraulico, garantendo l’efficienza e la sicurezza dell’intero circuito.

Pompe Volumetriche

Pompe volumetriche: sono caratterizzate da un moto alternativo degli organi mobili. Una prima comparsa delle pompe idrauliche avviene nel terzo secolo A.C. grazie ad Archimede, il quale progettò la pompa nota come Vite di Archimede: questo dispositivo era in grado di spostare grosse quantità di fluido, a basse prevalenze. Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria: si tratta di un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri.

Intorno al 1600 l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia. Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo. Questo esercita una pressione sul fluido trasferendovi energia.

Pompe Centrifughe

Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore.

Girante: si tratta di un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido. Le pompe centrifughe, quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, possono essere a multi-girante. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore.

Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Queste ultime possono essere impiegate quando lo spazio disponibile per l’installazione è veramente esiguo, in quanto il motore è posto proprio sopra la pompa. Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico. Queste pompe possono, perciò, essere installate sotto il livello del liquido e sono utilizzate quindi per pompare acqua da pozzi particolarmente profondi o da serbatoi interrati.

Le centrifughe possono essere anche autoadescanti, queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato.

Presentano dalla parte più esterna una camera separata in due settori che individuano la camera di aspirazione e la camera di mandata. Nella zona centrale delle due camere sono presenti rispettivamente una luce di aspirazione ed una luce di mandata. Posteriormente a questa camera esterna è presente una camera in cui ruota una girante aperta di tipo stellare, rotante con un gioco minimo, in modo da assicurare una elevata capacità d’innesco, lavora cioè a sfioramento con il corpo e la culatta della pompa, creando così una depressione che preleva il liquido che, dalla camera di aspirazione, tramite la luce di carico, viene trasferito alla luce di scarico e quindi alla camera di mandata.

Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico.

Pompe Rotative

Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione.

Pompe ad ingranaggi che sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento.

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