Le pompe idrauliche sono componenti essenziali in molte applicazioni industriali e mobili, convertendo l'energia meccanica in energia idraulica per permettere il movimento dei fluidi all'interno di un sistema idraulico. Esistono vari tipi di pompe idrauliche, ognuna progettata per specifiche applicazioni e condizioni operative. Tra queste, le pompe a pistoni rappresentano una soluzione versatile ed efficiente, impiegata in numerosi settori.
Tipologie di Pompe Idrauliche
Tutte le pompe che verranno presentate di seguito hanno una caratteristica in comune: sono tutte pompe volumetriche. Una pompa volumetrica eroga una portata che può essere considerata circa costante, mentre il livello di pressione alla mandata non dipende dalla pompa ma soltanto dal circuito a valle della stessa.
Pompe a Pistoni
Le pompe a pistoni sono tra le più comuni e versatili nel settore idraulico; utilizzano pistoni mobili per comprimere il fluido idraulico e spingerlo attraverso il sistema. Esse sono progettate per generare un flusso costante di fluido ad alta pressione, mediante il movimento alternato di uno o più pistoni all'interno di cilindri.
Le pompe a pistone e le pompe a palette possono essere a cilindrata fissa o variabile, a seconda del modello.
Funzionamento delle Pompe a Pistoni
Nelle pompe a pistoni lo stantuffo è fissato ad un rotore con una biella così che, quando lo stantuffo in ceramica si contrae, produce pressione di aspirazione. Quando il rotore gira, lo stantuffo viene spinto indietro per spingere il liquido attraverso la valvola di uscita.
In questo tipo di macchina, il movimento rotatorio dell’albero si trasforma in un moto oscillatorio dei pistoncini (pompanti) nella direzione parallela a quella dell’asse di rotazione.
Le pompe a pistoni sfruttano il moto alternativo dei pistoni in ceramica per pressurizzare i liquidi e farli passare attraverso valvole di uscita. Lo stantuffo è generalmente realizzato in ceramica, particolarmente durevole e resistente all’usura.
L'unità a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato (detta anche ad asse inclinato) è una macchina volumetrica i cui pistoni, insieme al blocco cilindri in cui scorrono, sono montati in posizione inclinata rispetto all'asse dell’albero. Ad ogni giro completo dell'albero i pistoni compiono nei rispettivi alloggiamenti ricavati nel blocco una corsa di andata e ritorno, la cui entità è proporzionale all'angolo d'inclinazione.
Tipologie di Pompe a Pistoni
- Pompe a pistoni assiali: Note per l’efficienza e la capacità di operare a pressioni elevate, sono caratterizzate da pistoni che si muovono parallelamente all’albero motore.
- Pompe a pistoni radiali: Hanno pistoni disposti radialmente intorno all’albero motore: un design che permette un’alta capacità di generare pressione, ma le rende meno comuni rispetto alle pompe a pistoni assiali a causa della loro complessità costruttiva.
Vantaggi delle Pompe a Pistoni
Le pompe a pistoni offrono numerosi vantaggi rispetto ad altre tipologie di pompe, come quelle a palette o a ingranaggi.
- Regolabilità del flusso: Molte pompe a pistoni sono dotate di un sistema di controllo della portata, che permette di regolare il flusso in base alle esigenze del sistema.
Applicazioni delle Pompe a Pistoni
Le pompe a pistoni sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, soprattutto dove è richiesto un alto livello di potenza e precisione nel controllo del flusso.
- Sistemi idraulici industriali: Le pompe a pistoni sono impiegate per alimentare macchinari industriali ad alta pressione, come presse, piegatrici, e sistemi di movimentazione.
- Sistemi di trasmissione su macchine movimento terra e veicoli: In queste applicazioni, la pompa a pistoni è utilizzata per alimentare i sistemi di sterzo, le leve di comando e i sistemi di sollevamento idraulico.
- Sistemi di controllo in ambito navale e offshore: Le pompe a pistoni sono utilizzate per il controllo di timoni, gru e altre attrezzature marine.
Manutenzione delle Pompe a Pistoni
Le pompe a pistoni richiedono una manutenzione regolare per garantire il corretto funzionamento nel tempo.
Pompe a Ingranaggi
Le pompe a ingranaggi sono tra le più semplici e affidabili pompe idrauliche. Hanno una portata costante e generalmente operano a pressioni comprese tra 50 e 210 bar. Le pompe a ingranaggi hanno pochissimi componenti mobili e sono costituite da due ruote dentate che ingranano l’una nell’altra.
Tipologie di Pompe a Ingranaggi
- Pompe a ingranaggi esterni: Sono costituite da due ingranaggi che ruotano in direzioni opposte all’interno di una camera, creando un vuoto che aspira il fluido e lo spinge attraverso il sistema. 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 a ingranaggi interni: Utilizzano un ingranaggio esterno che ruota all’interno di un ingranaggio interno più grande. Questo design permette una maggiore efficienza volumetrica e un funzionamento più silenzioso rispetto alle pompe a ingranaggi esterni.
Le pompe ad ingranaggi esterni hanno cilindrate comprese tra 0.2 e 200 cm3, con una pressione massima di esercizio di circa 300 bar e una velocità di rotazione compresa fra i 500 e i 6000 RPM.
Pompe a Palette
Un altro tipo di pompa idraulica molto utilizzata è quella a palette, così chiamate poiché utilizzano palette scorrevoli montate su un rotore eccentrico per muovere il fluido attraverso il sistema. Sono costituite da un rotore con scanalature radiali, nelle quali sono alloggiate delle palette rettangolari.
Vantaggi delle Pompe a Palette
Funzionamento silenzioso, buona efficienza volumetrica e capacità di gestire fluidi a bassa viscosità sono i principali vantaggi delle pompe a palette.
Altri Tipi di Pompe
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.
Pompe centrifughe autoadescanti a canale laterale: 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 a Vite
Le pompe a viti, così come le pompe ad ingranaggi interni, presentano una notevole silenziosità di funzionamento. L’albero ad elica destra, viene accoppiato al motore dal quale riceve la coppia e trasmette il movimento rotatorio all’altro albero, munito di elica sinistra. Dal punto a minor distanza tra le due circonferenze, procedendo in senso orario si ha dapprima un progressivo aumento del volume delle camere, per poi subire una diminuzione progressiva.
Parametri Importanti
- Cilindrata: Con il termine cilindrata di una pompa si indica il volume teorico di liquido spostato (aspirato ed espulso) in una rotazione completa dell’albero motore.
- Portata (Qv): Chiamata anche flusso, che è espressa in l/min.
Nel ciclo reale si hanno una serie di perdite che vanno ad incrementare l’area del ciclo e quindi la potenza interna richiesta dalla macchina. Inoltre, a causa delle perdite di tipo meccanico, la potenza assorbita dalla pompa è superiore alla potenza interna: si introduce, a tal fine, il rendimento meccanico ηm pari al rapporto tra la potenza interna e quella assorbita.
Il rendimento globale della pompa ηP, che appare nella espressione precedente, è definito come il rapporto tra la potenza idraulica conferita al fluido dalla pompa e la potenza meccanica assorbita attraverso l’albero motore ed è esprimibile come prodotto dei rendimenti volumetrico, idraulico e meccanico prima introdotti.
Materiali e Applicazioni
Le pompe trovano impiego non solo nell’industria, specialmente nelle macchine per la pressofusione e per lo stampaggio a iniezione, ma anche nelle macchine per la costruzione e i lavori pubblici. Trovano impiego anche nelle macchine da taglio a getto d’acqua. In questo caso il fluido idraulico è acqua e non olio.
All’avviamento della pompa, nei vani viene trasportata, dall’attacco di aspirazione a quello di mandata, solo l’aria presente nelle tubazioni dall’aspirazione al serbatoio. Affinché il funzionamento della pompa sia corretto, è necessario che i vani siano a tenuta pressoché perfetta, in modo da garantire un trasporto del fluido senza perdite rilevanti.
Pompa a Pistone: Funzionamento e Vantaggi
La pompa a pistone fa parte delle tecnologie di alimentazione più potenti, consentendo di lavorare anche materiali densi e ad alta viscosità. Essa è preposta all'alimentazione del materiale dal contenitore alla pistola a spruzzo, generando una pressione con la quale il materiale viene erogato ad alta pressione attraverso l’ugello, quindi scomposto, nebulizzato e applicato a spruzzo sulla superficie.
Il principio dell'alimentazione è basato sullo spostamento poiché il pistone spinge il materiale nel tubo dopo che è stato aspirato, ragion per cui la pompa a movimento alternativo può essere ritenuta una pompa volumetrica. La pompa a pistone è composta da un cilindro dove è alloggiato il pistone stesso. Essa presenta inoltre un ingresso, tramite il quale viene aspirato il materiale nella pompa a movimento alternativo, e un'uscita attraverso la quale il materiale viene spinto nel tubo. L'ingresso e l'uscita sono dotati di valvole atte ad assicurare il movimento del materiale in una sola direzione.
Quando il pistone si allontana dall'ingresso, si crea un vuoto, un'aspirazione. La valvola si apre quindi automaticamente e il materiale viene aspirato nella camera del cilindro. Quando il pistone viene spinto nella direzione opposta della biella, cioè verso l'uscita, la pressione solleva l'elemento di chiusura della valvola di uscita e il materiale alimentato viene pressurizzato nel tubo.
Dato che con le successive corse del pistone viene aspirato sempre più materiale e infine spinto nel tubo, esso viene alimentato alla pistola a pressione crescente anche all'interno del tubo, quindi scomposto e nebulizzato attraverso l'ugello. La pompa a pistone non è un maratoneta. Ciò significa: si attiva quando la pressione scende al di sotto di una determinata soglia. Essa alimenta quindi il materiale riformando la pressione impostata sul dispositivo. La pompa si arresta al raggiungimento della pressione necessaria. Spruzzando il materiale la pressione si abbassa di nuovo.
Vantaggi della Pompa a Pistone
- Elevata aspirazione
- Ottima portata, in particolare per materiali ad alta viscosità
- Robustezza e resistenza
- Risparmio delle parti soggette a usura
Campi di Applicazione della Pompa a Pistone
La pompa a pistone presenta un ampio campo di applicazione. Dai materiali liquidi, quali le velature, fino a quelli ad alta viscosità e ad alto riempimento per esterni è praticamente tutto possibile.
Possono essere applicati:
- Smalti e velature
- Colori a dispersione
- Vernici a base di latex
- Prodotti ignifughi
- Materiali per rivestimenti spessi
- Vernici a base di polveri di zinco
- Ferro micaceo
- Stucchi a spruzzo Airless
- Trattamenti anticorrosione
- Isolamenti per edifici
- Materiali bituminosi e di rivestimento simili
- Adesivi per tessuti
- Sigillanti
- Intonaci (se non riempiti) ed altri
Alternative alla Pompa a Pistone
- Pompa a membrana
- Pompa a doppia membrana
- Pompa a vite
- Turbina
Il Pistone Idraulico: Componente Chiave
Il pistone idraulico è tipicamente costituito da un tubo, chiuso da due terminali: il fondello e la testata. All'interno scorre uno stelo. Molto frequentemente, il pistone è congiunto allo stelo tramite un collegamento a filetto. Per prevenire lo svitamento del pistone, i costruttori di cilindri hanno adottato personali soluzioni empiriche.
Il funzionamento del pistone idraulico è un meccanismo all’apparenza complesso ma, come per il funzionamento di un ascensore, è abbastanza semplice da capire. Il pistone idraulico è la parte mobile di un organo idraulico, che si muove grazie ad un fluido. Spesso, più il cilindro è grande più sarà lento, perché la quantità di liquido che deve entrare per permettere al pistone di scorrere e percorrere la sua strada sarà maggiore.
Applicazioni del Pistone Idraulico
Il pistone idraulico è uno strumento destinato a vari usi. Adottare un impianto simile vuol dire rendere indipendenti le persone che hanno problemi con la deambulazione. I pistoni, che si trovano all’interno dei cilindri, vengono azionati dall’olio minerale in pressione, regolati da una valvola. La portata è così resa personalizzabile.
Manutenzione dei Pistoni Idraulici
Per assicurare il corretto funzionamento del sistema di elevazione, è fondamentale eseguire un’attenta manutenzione dei pistoni idraulici. Nella fase di manutenzione dei pistoni idraulici viene controllato lo stato di usura. Bisognerà prevedere un piano di riciclaggio per l’olio utilizzato. Un uso eccessivo dell’impianto potrebbe portare a un surriscaldamento precoce del liquido.
Evoluzione Storica
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. Il funzionamento è quello tipico di un mulino, dove un corso d’acqua svolge la funzione di fonte di fluido e di energia meccanica.
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.