Le pompe idrauliche sono dispositivi fondamentali nei sistemi idraulici, utilizzate per convertire l’energia meccanica in energia idraulica, permettendo il movimento dei fluidi all’interno di un circuito. Il loro funzionamento è cruciale per garantire l’efficienza e l’affidabilità dei sistemi idraulici in una vasta gamma di applicazioni, dall’industria pesante ai macchinari agricoli.
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. 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.
Pompe Volumetriche
Le pompe volumetriche sono caratterizzate da un moto alternativo degli organi mobili. Tutte le pompe che qui di seguito verranno presentate, hanno una caratteristica in comune, ossia sono tutte pompe volumetriche. 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. Questo esercita una pressione sul fluido trasferendovi energia.
Tra le pompe volumetriche troviamo:
- Pompe ad ingranaggi
- Pompe a pistoni
- Pompe a palette
Pompe ad Ingarnaggi
Le pompe ad ingranaggi sono tra le più semplici e affidabili pompe idrauliche, spesso utilizzate in applicazioni che richiedono un flusso continuo e costante. Le pompe ad ingranaggi esterni sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento. Rotazione degli ingranaggi: Due ingranaggi, montati in una camera, ruotano in direzioni opposte.
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. 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 Pistoni
Le pompe a pistoni sono tra le più comuni e versatili, utilizzate in molte applicazioni industriali. Questo ciclo continuo di aspirazione e compressione permette alla pompa di mantenere un flusso costante di fluido, ideale per applicazioni ad alta pressione.
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. 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. 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.
Pompe a Palette
Le pompe a palette sono utilizzate in applicazioni che richiedono un funzionamento silenzioso e una capacità di gestire fluidi a bassa viscosità. Queste pompe funzionano mediante un rotore eccentrico con palette scorrevoli che creano camere a volume variabile.
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.
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. 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.
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.
Motopompe Idrauliche
Le motopompe idrauliche rappresentano una delle soluzioni più versatili ed efficienti per il trasferimento di fluidi in ambito industriale, agricolo e civile. Una motopompa idraulica è un sistema integrato che combina un motore (elettrico o a combustione interna) con una pompa, creando un gruppo motopompa idraulico autonomo e completo. I componenti di una motopompa idraulica sono progettati per lavorare in sinergia e garantire prestazioni ottimali in tutte le condizioni operative. Il motore rappresenta il cuore energetico della motopompa idraulica. Il motore, che può essere elettrico o a combustione interna, fornisce la potenza necessaria per azionare la pompa. I giunti di accoppiamento sono utilizzati quali elementi di collegamento tra motore elettrico a flangia unificata e pompa oleodinamica per la trasmissione del moto. Corpo pompa, la voluta che incanala il flusso prima in aspirazione e poi in mandata costituisce l’elemento strutturale principale che contiene tutti i componenti idraulici. Il sistema di tenuta a doppia guarnizione e i cuscinetti a rulli conici ad alta resistenza, completano un prodotto di indiscutibile qualità, studiato per resistere nel tempo.
Il principio di funzionamento di una pompa idraulica si basa su un concetto semplice: aspirazione e compressione. Il movimento della girante determina una depressione nel tubo di aspirazione e il fluido, spinto dalla pressione atmosferica, percorre il tubo ed entra nella pompa. L’accensione di un motore elettrico fa muovere alcune pale, dette giranti, che spingono i liquidi pompati dal centro della pompa verso l’esterno. La potenza degli impulsori delle pompe determina la distinzione tra pompe monofase e trifase. Nelle elettropompe monofase, il motore è provvisto di un condensatore di avviamento, neutro e terra. La differenza principale del il sistema di funzionamento trifase è che in questo caso non si necessita ne del condensatore, ne tanto meno del collegamento con il neutro.
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.
Applicazioni Industriali e Domestiche
Nel settore industriale, le pompe idrauliche sono utilizzate in impianti di produzione, presse, macchine utensili e sollevatori. Le applicazioni includono il trattamento delle acque (pulite e reflue) e la circolazione di fluidi nei vari processi produttivi. In caso di alluvione o allagamenti, si utilizzano pompe e motopompe per acque cariche, in particolare per vigili del fuoco e protezione civile. Possono operare a diverse pressioni e portate, adattandosi a molteplici applicazioni. Lo sviluppo di motori IE3 e IE4 riduce l’impatto ambientale e migliora le prestazioni complessive.
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. 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. 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.
Segue una tabella riassuntiva dei diversi tipi di pompe trattati:
| Tipo di Pompa | Caratteristiche | Applicazioni |
|---|---|---|
| Volumetriche | Moto alternativo degli organi mobili, portata costante. | Sistemi che richiedono un flusso preciso e costante. |
| Centrifughe | Utilizzano una girante per aumentare la velocità del fluido. | Pompaggio di acqua, sostanze chimiche, agricoltura. |
| Rotative | Moto rotatorio lento di organi mobili, autoadescanti. | Applicazioni che richiedono una portata quasi costante. |
| Motopompe | Combinano motore e pompa per il trasferimento di fluidi. | Industria, agricoltura, civile. |
Installazione e Manutenzione
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.
Ogni pompa che andrà installata dovrà essere completamente piena di acqua e non contenere alcun minima particella d'aria, affinchè la possa trasferire energia all'acqua. La spurgo dell’aria avviene di solito al primo avviamento e la pompa deve essere in marcia.
In questo caso il livello dell'acqua nel serbatoio si trova ad un'altezza superiore rispetto alla pompa. L'acqua riempie la pompa cadendo dall'alto, spinta dal suo stesso peso dal serbatoio di raccolta. Il funzionamento dello spurgo è più complicato quando la pompa dovrà compiere un'aspirazione da un pozzo, cisterna o serbatoio che e’ posto al di sotto della pompa stessa. In questo caso la tubazione necessaria per l'aspirazione dovrà disporre di una valvola di non ritorno immersa nel serbatoio. In concreto, le valvole di non risalita, saranno montate all'estremità del tubo di aspirazione e in corrispondenza di un filtro, costituito da una rete metallica, che blocchi l'aspirazione dello sporco, rimasto sul fondo del deposito dell'acqua. La massima altezza affinchè una pompa possa lavorare correttamente, detta anche capacità di autodescamento, è di circa 8-9 metri.
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.
Guasti e Risoluzione dei Problemi
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.
Comprendere la classificazione delle pompe permette di scegliere il tipo di pompa più adatto per ogni esigenza. Che si tratti di una pompa centrifuga, a ingranaggi, a pistone o a membrana, la conoscenza delle tipologie di pompe aiuta a progettare impianti idraulici efficaci e durevoli. Una scelta corretta consente di sfruttare al meglio ogni componente, riducendo sprechi e massimizzando le prestazioni.