Le pompe centrifughe a velocità variabile offrono notevoli vantaggi negli impianti di sollevamento degli acquedotti, migliorando sia la qualità del servizio che l'efficienza di gestione. Tuttavia, la loro versatilità può portare a un utilizzo non ottimale se non si comprendono appieno le loro caratteristiche e potenzialità.
Principi di Funzionamento
Il funzionamento di una pompa centrifuga è rappresentato dalla curva portata/prevalenza, fornita dal costruttore per ogni modello. Un altro elemento importante è il rendimento meccanico del gruppo motore-pompa, che varia a seconda del punto di funzionamento.
Variazione della Velocità e Curve Caratteristiche
Variando la velocità di rotazione della pompa, si ottiene una nuova curva caratteristica. Ad ogni nuova velocità corrisponde una nuova curva congruente con quella precedente e quindi ottenibile per semplice traslazione di essa nel mentre collegando tra di loro i punti di pari rendimento meccanico che si registrano nei vari casi si ottengono delle figure elissoidiche come rappresentato nel grafico di fig. 1. Ad esempio, aumentando sia il numero di giri che la portata del 20%, la prevalenza cresce del 44% mentre la potenza assorbita aumenta del 73%.
La variazione di velocità dei motori elettrici ha più di un secolo, ma inizialmente era attuata solo in corrente continua. Solo con la diffusione dei semiconduttori di potenza al silicio negli anni '50 si sono diffuse le applicazioni di motori in corrente alternata controllati da convertitori statici di frequenza (inverter). La disponibilità di microprocessori ha permesso di ottenere la massima regolarità di funzionamento anche alle basse velocità.
L’azienda Stubbe offre nel suo catalogo di prodotti la gamma di pompe ad elevata efficienza pompe X-Class con scocca in metallo interamente rivestita in materiale plastico che può essere scelto tra sette diversi polimeri per garantire altissima resistenza ad ogni genere di fluido.
Regolazione della Portata
Per comprendere meglio l’incidenza dei due metodi sull’efficienza energetica, e quindi sul potenziale risparmi ottenibile con il controllo a velocità variabile, di seguito analizzeremo graficamente la caratteristica di regolazione partendo da quella di progetto che definisce il posizionamento del punto del punto di funzionamento o di lavoro. Con questa configurazione la riduzione della portata rispetto a quella di progetto avviene attraverso la progressiva chiusura della valvola inserita a valle della pompa, normalmente con un sistema by-pass. In questo caso il punto di funzionamento di progetto della pompa si sposta lungo la curva caratteristica del sistema di tubazione posizionandosi in corrispondenza dell’intersezione con le varie curve caratteristiche ottenute per ogni valore di velocità di rotazione.
Nella pratica industriale viene utilizzato il diagramma collinare o a conchiglia, normalmente forniti dai costruttori, dove vengono rappresentati graficamente i rendimenti all’interno delle curve portata-prevalenza mediante le curve di iso-rendimento. Ci sembra utile ricordare la relazione di proporzionalità tra la velocità di rotazione, e la portata, la prevalenza e la potenza assorbita.
Nel grafico della figura 2 è rappresentato il funzionamento nel caso di pompaggio in una condotta nella quale siano preminenti le perdite di carico rispetto al dislivello geodetico. Si tratta, ad esempio, di un impianto di sollevamento con una lunghissima condotta di adduzione.
Nel grafico della figura 3 è rappresentato il funzionamento nel caso in cui sia invece preminente la prevalenza geodetica. E’ il caso di sollevamento in un serbatoio sopraelevato posto nelle vicinanze della pompa.
Vediamo ora che cosa succede variando la velocità di rotazione della pompa.
Limiti di Velocità
Il motore deve essere dimensionato per le condizioni più gravose, ovvero la massima velocità. L'inverter modula portata e pressione riducendo la frequenza della corrente. Non è possibile superare il dimensionamento della pompa e del motore. Esiste anche un limite minimo di velocità, poiché un gruppo pompa-motore a velocità molto bassa presenta consumi elevati rispetto al lavoro svolto.
L’esame dettagliato del grafico di fig. Importante, innanzitutto, la curva E-C-H ottenuta congiungendo tra di loro i punti di massimo rendimento alle varie velocità di rotazione, la quale rappresenta, appunto, l’utilizzazione ottimale della macchina per tutto il campo di variazione che le è proprio. Nella pratica risulta assai difficile che la pompa possa seguire esattamente tale curva pur restando accettabile il suo rendimento.
Al posto di una curva lineare sarà quindi opportuno considerare una fascia di lavoro come quella tratteggiata nel grafico che è stata ottenuta, in prima approssimazione, tracciando, per traslazione di quella E - C - H le due curve “s” e “d” , fascia che delimita i punti di buon funzionamento della pompa per tutte la possibile escursione di velocità anche se spinta fino ai valori estremi.
Caratteristica essenziale della fascia è di aver un andamento molto simile a quello del circuito idraulico sia quando questo è costituito da una condotta singola come pure da una rete di condotte, in cui immettere l’acqua sollevata. In altri termini la funzione che lega la pressione di testata della rete idrica con la portata dell’acqua che la stessa può addurre è molto vicina a quella che lega la prevalenza manometrica totale con la portata che una pompa a giri variabili è in grado di sollevare.
Se esaminiamo ora le curve di isorendimento del grafico constatiamo che, come già detto, esse hanno una forma elissoidica (vedi fig. 1 ) il cui asse maggiore è parallelo alla fascia prima indicata. La pompa presenta, pertanto, ottime caratteristiche di utilizzo per la parte centrale in cui sussiste un certo parallelismo tra tali curve e la fascia di lavoro nel mentre nei tratti finali le curve tagliano la fascia stessa denunciando un decadimento di rendimento che diventa sempre più gravoso man mano che ci si avvicina alle velocità estreme cioè a quella massima e a quella minima di rotazione.
E’ quindi necessario ricercare i limiti entro i quali deve essere contenuta la velocità di rotazione della pompa al fine di garantirne una corretta utilizzazione. Al riguardo, nel mentre il punto di massima velocità è, come già detto in precedenza, forzatamente definito dal dimensionamento del motore elettrico e corrisponde quindi alla velocità n=100 del grafico, risulta molto difficile fissare la velocità minima per le molte implicazioni che ne derivano.
Utile, allo scopo, il grafico di fig 4 relativo al funzionamento reale di una pompa a giri variabili nel quale non figura, per le motivazioni prima addotte, la parte superiore relativa alle velocità superiori al 100%, e dove sono riportate, oltre alle curve di isorendimento, le curve della potenza assorbita ai vari regimi. Vi è indicata anche la fascia di lavoro ottimale in sostituzione di quella prima definita in modo semplicistico dalle due curve “s” e “d” (vedi fig. 1 ) analoghe a quella di massimo rendimento.
Vi si ricava che per velocità variabili dal 100% al 80% il rendimento è ottimo essendo pari al 98 %. Esso diminuisce sensibilmente quando si scende al 50% della velocità e peggiora oltre. Si arriva a concludere che la velocità della pompa non dovrebbe scendere mai al di sotto del 60% circa al fine di contenere la perdita di rendimento entro il 6 % circa.
Si può notare come, alle velocità basse e bassissime contemporaneamente al citato scadimento nel rendimento meccanico ed elettrico, che arriva al massimo ad alcuni punti percentuali, si verifica però un ben più consistente risparmio energetico dovuto alla minor potenza assorbita. Ad esempio, alla velocità del 60% mentre la perdita di rendimento è stimabile nel 6% si ha un risparmio nella potenza pari a ben l’80%, per cui il risultato finale vede, a tale regime, una minor spesa energetica del 74%. Analogamente per velocità del 50% si hanno una perdita di rendimento del 7% ma un recupero nella potenza del 88% e quindi un ricupero finale di ben il 81%; al 40% di velocità la perdita di rendimento raggiunge il 12% ma il risparmio il 95% e quindi l’economia finale arriva all’83%.
Passando a velocità inferiori l’economia diventa ancora più sensibile.
Dai dati elencati si arriva a concludere che il rallentamento della velocità di rotazione della pompa, anche se spinto fino a valori estremi, è comunque atto a produrre una notevole economia energetica il che dà una chiara idea di quali siano i vantaggi che si possano ottenere dalla riduzione della pressione di pompaggio e, in definitiva, quanto sia importante la scelta della pressione variabile nell’alimentazione degli acquedotti in sostituzione di quella a pressione di partenza fissa che la maggior parte degli acquedotti attua normalmente.
E’ evidente che ulteriori marcate economie energetiche potrebbero aversi qualora si riuscisse a contenere i rendimenti meccanici della pompa costantemente entro valori ottimali. Ciò può aver luogo soltanto tramite installazione di più pompe a giri variabili ognuna delle quali funziona da sola quando le caratteristiche di portata e prevalenza richiesta dal circuito idraulico rientrano entro i suoi limiti di corretto funzionamento.
Dalle considerazioni esposte risulta chiaramente che la scelta dell’assetto definitivo di ogni impianto di sollevamento deve derivare dal raffronto tecnico/economico tra costi di installazione e di esercizio di più gruppi pompa aventi diversificate caratteristiche. Ad esempio in una rete caratterizzata da basse e bassissime richieste dell’utenza molto rare potrà essere conveniente prevedere un’unica pompa a velocità variabile anche se eccezionalmente impiegata fuori rendimento.
Pompaggio Diretto in Rete a Pressione Variabile
Sulla scorta dei concetti espressi nei capitoli precedenti e tenuta presente la convenienza di adottare nell’esercizio delle reti di distribuzione a sollevamento meccanico, il pompaggio diretto in rete a pressione variabile asservita alle necessità dell’utenza per i molti vantaggi che, come meglio dimostrato nell’articolo “LA RAZIONALIZZAZIONE DELLE RETI DI DISTRIBUZIONE ACQUA POTABILE A SOLLEVAMENTO MECCANICO” pubblicato anche sulla rivista “L’ACQUA” n. 1.
Una sola pompa a giri variabili che, immettendo l’acqua direttamente in rete, sia destinata a svolgere il ruolo principale cioè a coprire le fasce di consumo che vanno dalla portata massima prevista per l’ora di punta del giorno di massimo consumo fino alle basse portate per le quali i rendimenti meccanici ed elettrici sono ancora accettabili. La sua grande flessibilità le consentirà, durante l’anno tipo, di fronteggiare agevolmente le punte di consumo elevate ed elevatissime che, statisticamente, sono rare. Essa sarà destinata a funzionare per la maggior parte dell’anno a velocità moderate consentendo così di ottenere rilevanti economie energetiche vista la minor potenza assorbita a tali regimi.
Una serie di due o tre piccole pompe a giri fissi di adeguata portata e prevalenza, che, funzionando singolarmente, soddisfino, con ottimi rendimenti meccanici, le basse portate. Si tratta di un ruolo molto importante visto che statisticamente avrà, durante l’anno tipo, una durata notevole e che, grazie alle modesta potenza assorbita, consentirà di avere consistenti economie energetiche.
Trova piena giustificazione l’adozione di macchine a giri fissi meno costose che quelle variabili ed atte comunque a svolgere correttamente e senza dissipazione energetica il sollevamento della piccole portate richieste dall’utenza nelle condizioni di regime che qui si esaminano. L’unico inconveniente che può aversi è un funzionamento fuori rendimento per la pompa più piccola quando le portate richieste sono molto basse.
Esempi di Circuiti Idraulici
Circuito con Serbatoi a Quote Differenti
Esaminiamo un circuito idraulico composto da due serbatoi posti a quote altimetriche notevolmente differenti e tra di loro collegati da condotta di adduzione munita di pompa che deve sollevare dall’una all’altra vasca una portata variabile nel tempo (fig. 5). La curva caratteristica portata/prevalenza del circuito idraulico, considerando trascurabili le perdite di carico della condotta e le escursioni di livello dell’acqua nei due serbatoio in quanto valori relativamente modesti nei confronti del dislivello geodetico da vincere con il pompaggio, è rappresentata nel grafico di fig.5 con una retta sub-orizzontale che interseca, come rappresentato con linea grossa, la fascia di lavoro della pompa a giri variabili.
Se ne arguisce che le modalità di regola zione della velocità sono molto ridotte e che, pertanto, la caratteristica precipua della pompa a giri variabili cioè la sua grande versatilità è praticamente nulla. Molto meglio, in un’applicazione come quella in oggetto, scegliere una pompa a giri fissi di portata pari a quella di massima richiesta che, con semplice funzionamento pulsante regolato da un galleggiante posto nel serbatoio superiore, è in grado di immettervi i volumi d’acqua richiesti e per qualsivoglia portata.
Una possibile variante nel pompaggio a prevalenza fissa e portata variabile di cui si discute, è quella relativa al sollevamento da serbatoio a rete di distribuzione. Anche in questo caso, pur mancando il serbatoio di arrivo che rende possibile un funzionamento pulsante della pompa, è da escludersi l’impiego di pompe a giri variabili per gli stessi motivi prima addotti.
Si constata come non sia raro, in applicazioni reali simili a quelle delle applicazioni descritte, assistere all’uso di pompe a velocità variabile con la motivazione che esse possono modulare senza soluzione di continuità la portata sollevata così come richiesto dal servizio. Si tratta evidentemente di un uso improprio della pompa a giri variabili che la costringe a lavorare quasi sempre fuori rendimento.
Circuito di Alimentazione di un Serbatoio Distante
E’ questo il caso di un circuito idraulico di alimentazione di un serbatoio posto in alto e a notevole distanza dalla produzione dell’acqua. La condotta di collegamento accusa perdite di carico che variano notevolmente con il variare della portata addotta. Considerato che esiste il serbatoio di arrivo, il pompaggio potrebbe avvenire tramite pompa a giri fissi con funzionamento intermittente ed avente una prevalenza manometrica totale determinata in funzione della portata massima.
Si tratta comunque di uno dei casi di impiego ottimale della pompa a giri variabili in quanto atta a sollevare con continuità la...
Pompe Volumetriche
È opportuno precisare subito che una pompa volumetrica, di qualunque tipo essa sia, eroga semplicemente 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.
Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche.
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. 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.
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.
Pompe ad 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 ad Ingranaggi Interni
La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità. Mettendo in rotazione il rotore dentato accoppiato al motore di azionamento il volume fra i fianchi dei denti aumenta e la pompa aspira. L'aumento di volume interessa un angolo di rotazione di circa 120°, per cui il vano si riempie in un tempo relativamente lungo.
Nella zona delimitata dall'elemento di riempimento a forma di falce il fluido viene trasportato senza variazione di volume.
Pompe a Viti
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.
Pompe a Pistoni Radiali
Nelle pompe a pistoni radiali con albero eccentrico, l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso. Le pompe a pistoni radiali vengono generalmente progettate con un numero di pompanti dispari, poiché un numero di pompanti pari - anche se maggiore - presenta una pulsazione di portata superiore.
Pompe a Pistoni Assiali
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. Mettendo in rotazione l’albero il blocco cilindri viene trascinato dall’accoppiamento scanalato.
Unità a Pistoni Assiali a Blocco Cilindri Inclinato
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.
Motori Idraulici
I motori idraulici svolgono la funzione inversa delle pompe, cioè convertono l’energia idraulica in energia meccanica di tipo rotatorio. Come per le pompe, anche per i motori esiste una ampia gamma di forme e principi costruttivi.
Gran parte delle considerazioni costruttive fatte per le pompe volumetriche possono essere riferite anche ai motori volumetrici corrispondenti. Pochi tipi di motori sono utilizzabili sia a velocità di rotazione molto basse che a quelle superiori a 1000 RPM.
Motori Lenti (LSHT)
I motori lenti detti anche motori LSHT (Low Speed High Torque) oltre a presentare basse velocità di rotazione presentano coppie elevate e sono ideali per tutte quelle applicazioni nelle quali l’utilizzatore richiede un carico notevole e basse velocità; infatti in questi casi un motore veloce, oltre a lavorare male, richiede ingombri e, quindi, costi molto più elevati.
Nell’esempio in esame, ciò è realizzato tramite un anello fisso che presenta una serie di condottini disposti in direzione assiale, di questi una metà (pari al numero delle camme) è posta in comunicazione con condotto toroidale in comunicazione con l’ammissione e l’altra metà con un condotto toroidale collegato allo scarico.
Il rotore, all’interno del quale sono realizzati i cilindri in cui alloggiano i corrispondenti pistoni, presenta, per ciascun cilindro, un condottino disposto anch’esso in direzione assiale e collegato al cilindro stesso. Questo condotto, a causa della rotazione del rotore, viene in contatto, alternativamente, con i condotti fissi di alta e bassa pressione.
Motori Multicorsa
La versione multicorsa di questi motori presenta, al posto del piatto inclinato, un disco che è disposto perpendicolarmente all’asse di rotazione.
Solo i motori a palette fanno eccezione in quanto all’avviamento, per l'iniziale assenza delle forze centrifughe, le palette non riescono ad aderire sufficientemente ai fianchi dello statore per fare una adeguata tenuta, conseguentemente la coppia di avviamento si riduce notevolmente.
Tabella: Variazione di Velocità e Risparmio Energetico
| Velocità (%) | Perdita di Rendimento (%) | Risparmio di Potenza (%) | Risparmio Energetico Finale (%) |
|---|---|---|---|
| 60 | 6 | 80 | 74 |
| 50 | 7 | 88 | 81 |
| 40 | 12 | 95 | 83 |