La scelta della pompa giusta può essere scoraggiante, soprattutto quando ci si trova di fronte alla scelta tra pompe centrifughe e pompe volumetriche. Questi due tipi di pompe svolgono funzioni diverse e hanno caratteristiche operative uniche. Questo articolo vi guiderà attraverso i fattori essenziali da considerare, tra cui le proprietà del liquido da pompare e i requisiti specifici del vostro sistema. Alla fine, comprenderete le differenze principali e sarete in grado di prendere una decisione consapevole che ottimizzi l'efficienza e l'economicità delle vostre applicazioni industriali.
Le pompe sono la seconda apparecchiatura industriale più utilizzata dopo i motori. Attualmente, milioni di pompe sono in funzione in tutto il mondo e trasportano migliaia di tipi diversi di liquidi.
La scelta della pompa giusta tra la miriade di opzioni disponibili è un compito complesso. In larga misura, la selezione della pompa implica l'adattamento delle capacità di una pompa specifica ai requisiti del sistema e alle caratteristiche del fluido da pompare.
In questo articolo, inizieremo con le proprietà del liquido pompato, dal punto di vista dei requisiti dell'utente, per poi addentrarci nelle specifiche della selezione delle pompe.
In qualsiasi applicazione, il primo passo è capire i requisiti di base che l'utente deve avere per la pompa. Ad esempio, le condizioni di ingresso, la portata richiesta, il differenziale di pressione, la temperatura e le caratteristiche del fluido, quali viscosità, abrasività, sensibilità al taglio e corrosività. Tutte queste condizioni devono essere determinate prima di poter scegliere una pompa.
Per funzionare bene, le pompe devono operare in condizioni di aspirazione corrette. In effetti, il problema principale riscontrato dalle pompe può essere ricondotto a condizioni di aspirazione inadeguate. Poiché la capacità della pompa di spingere il liquido supera di gran lunga quella di aspirarlo, le condizioni di aspirazione devono essere mantenute entro la capacità della pompa.
Anche il differenziale di pressione è un fattore critico, soprattutto se si considera il risparmio energetico e la durata della pompa. L'utilizzo di tubi di diametro inferiore e lunghezza maggiore può ridurre i costi iniziali del sistema, ma può anche comportare un differenziale di pressione più elevato per la pompa.
Questo differenziale di pressione più elevato può tradursi in un consumo energetico e potenzialmente in una riduzione della durata di vita della pompa, con conseguenti costi operativi più elevati e una minore efficienza.
Le caratteristiche del fluido richieste sono solitamente note e la chiave è capire come una determinata pompa influisce su tali caratteristiche. La maggior parte degli utenti preferisce che il liquido scaricato dalla pompa sia nelle stesse condizioni in cui è entrato nella pompa. Per una corretta selezione della pompa, la compatibilità dei materiali, la viscosità, la sensibilità al taglio e la presenza di sostanze o solidi specifici sono di estrema importanza.
Una volta soddisfatti i requisiti di base e conosciute le caratteristiche del liquido, si può iniziare la scelta della pompa. Le pompe si dividono generalmente in due categorie di base: le pompe cinetiche (la maggior parte delle quali sono pompe centrifughe) e le pompe volumetriche (PD).
Secondo i dati del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti, circa 70% di tutte le vendite di pompe sono pompe cinetiche, mentre le restanti 30% sono pompe volumetriche. Il primo passo nella scelta di una pompa è quello di determinare quale pompa centrifuga o volumetrica sia più adatta alle vostre esigenze.
Poiché la maggior parte delle pompe industriali è di tipo centrifugo, molti considerano innanzitutto le pompe centrifughe. Il costo delle pompe centrifughe è solitamente inferiore a quello delle pompe volumetriche e sono anche il tipo di pompa più adatto in molte situazioni.
Ogni tipo di pompa agita il fluido in modo unico e ha caratteristiche e curve di funzionamento proprie. È importante notare che le pompe centrifughe influenzano la portata del liquido, determinando una certa pressione alla bocca di mandata.
Al contrario, una pompa volumetrica agita il liquido ottenendo prima una quantità specifica di liquido e inviandola dalla porta di aspirazione alla porta di mandata.
Per le pompe centrifughe, la pressione si forma per prima, seguita dalla generazione del flusso. Per le pompe volumetriche, il flusso si forma per primo, seguito dalla comparsa della pressione.
Per scegliere il tipo più adatto tra le varie pompe, è fondamentale comprendere le differenze nelle caratteristiche di funzionamento di questi due tipi di pompe. Osservando i grafici delle prestazioni (Figura 1a), si può notare quanto siano diversi i loro principi di funzionamento.
Le pompe centrifughe presentano un fenomeno di portata variabile che dipende dalla pressione (o prevalenza), mentre le pompe volumetriche presentano un fenomeno di portata più o meno costante che è indipendente dalla pressione.
La viscosità svolge un ruolo significativo nell'efficienza meccanica di una pompa. Poiché le pompe centrifughe funzionano a velocità motore, la loro efficienza diminuisce con l'aumento della viscosità, a causa delle maggiori perdite per attrito all'interno della pompa. Si noti che il tasso di riduzione dell'efficienza nelle pompe centrifughe è rapido con l'aumento della viscosità (Figura 1b).
Un'altra distinzione importante è l'effetto della viscosità sulla capacità della pompa. Nel grafico della portata (Figura 1c), si nota una diminuzione della portata all'aumentare della viscosità per le pompe centrifughe, mentre le pompe volumetriche registrano un aumento della portata.
Ciò è dovuto al fatto che il liquido a più alta viscosità riempie i vuoti all'interno della pompa volumetrica, determinando una maggiore efficienza volumetrica. La Figura 1c rappresenta solo l'impatto della viscosità sulla portata della pompa.
Si tenga presente che si verificherà anche un aumento delle perdite nelle tubazioni all'interno del sistema. Ciò significa che la portata all'interno della pompa centrifuga diminuirà ulteriormente con l'aumento della pressione differenziale della pompa.
Quando si considera l'effetto della pressione differenziale sull'efficienza meccanica della pompa, le pompe cinetiche e volumetriche presentano caratteristiche diverse. La Figura 1d illustra come l'efficienza della pompa sia influenzata dall'aumento della pressione.
Per le pompe volumetriche, l'efficienza migliora effettivamente con l'aumento della pressione, mentre le pompe centrifughe hanno un punto di massima efficienza (BEP). Su entrambi i lati di questo punto, il efficienza complessiva della pompa si riduce in modo significativo.
Questi due tipi di pompe hanno requisiti molto diversi per quanto riguarda le condizioni di ingresso. Le pompe centrifughe hanno bisogno di una certa quantità di liquido nella pompa per creare un differenziale di pressione. Una pompa a secco senza liquido non può avviarsi da sola.
Una volta avviate, le pompe centrifughe devono soddisfare i requisiti specifici di pressione in ingresso raccomandati dal produttore.
Poiché le pompe volumetriche agitano il liquido espandendo e contraendo il suo volume, all'ingresso si crea una pressione negativa che consente alla pompa di autoadescarsi.
In alcuni casi, questo è l'unico fattore determinante nella scelta tra una pompa volumetrica o centrifuga.
In sintesi, quando la viscosità supera i 150 cP ed è necessario prevedere le portate in un ampio intervallo, o quando si desidera l'autoadescamento, si può prendere in considerazione una pompa volumetrica. Nella scelta tra pompe centrifughe e volumetriche si deve tenere conto anche del consumo energetico, in quanto possono esserci differenze significative tra le due.
Ciò è particolarmente importante per le portate inferiori a 100 galloni al minuto, dove la diminuzione dell'efficienza è più pronunciata per le pompe centrifughe.
Anche dopo aver deciso di utilizzare una pompa volumetrica, ci sono ancora molte opzioni da considerare. Prima di descrivere nel dettaglio le caratteristiche di ciascuna operazione di pompaggio, esaminiamo alcune caratteristiche operative comuni delle pompe volumetriche.
Come già detto, una pompa volumetrica rotativa scarica lo stesso volume di fluido a ogni rotazione dell'albero. Ciò significa che la portata del fluido scaricato è proporzionale alla velocità di rotazione.
In altre parole, la portata può essere controllata semplicemente modificando la velocità della pompa. Per i fluidi più viscosi, la pompa può essere dosata semplicemente misurando il numero di rotazioni dell'albero.
La struttura di una pompa volumetrica richiede componenti interni ben fissati e un certo gioco di funzionamento. A causa di questo gioco, una parte del fluido torna indietro dall'estremità di mandata a quella di aspirazione.
Questo fenomeno è noto come "slittamento". La quantità di fluido che scivola dipende dalla viscosità del fluido, dalla differenza di pressione e dal gioco interno della pompa. Una viscosità più bassa comporta di solito un maggiore slittamento, mentre i fluidi più densi slittano meno.
Poiché una pompa volumetrica cerca di scaricare sempre la stessa quantità di fluido, è importante che nel sistema siano presenti i necessari dispositivi di protezione dalla sovrapressione. Quando si verifica un'ostruzione nella mandata della pompa, di solito si verifica un aumento della pressione, che si arresta solo quando: il carico supera il limite del motore; alcuni componenti del sistema si rompono e rilasciano la pressione; oppure la pompa si guasta. Tutte queste situazioni non sono sicure. Una pompa volumetrica ha bisogno di un modo per scaricare la pressione.
Per ottenere lo scarico della pressione, è possibile scegliere tra diversi metodi. Il metodo più comune è l'utilizzo di una valvola di sicurezza, ma è possibile utilizzare anche un disco di rottura nella linea di scarico.
Poiché la coppia di azionamento è direttamente correlata alla pressione differenziale all'interno della pompa volumetrica, è possibile utilizzare anche un giunto a coppia limitata. L'importante è ricordare che all'interno della pompa volumetrica si possono accumulare pressioni molto elevate, che devono essere limitate in caso di blocco della mandata o di blocco parziale.
Le pompe volumetriche possono essere suddivise in molti tipi. L'American Hydraulics Institute, un'organizzazione formata da produttori di pompe, ha pubblicato diverse pubblicazioni sui tipi di pompe e sugli standard. Le pompe volumetriche rotative sono classificate come: a girante, a pistone, a camme, a ingranaggi, a pistone anulare e a vite.
Inoltre, esistono sottocategorie per ogni tipo di pompa, il che significa che esistono molti tipi di pompe volumetriche. Tutte queste pompe hanno la stessa funzione di trasporto del fluido, quindi come scegliere quella giusta?
Sebbene la maggior parte delle pompe volumetriche possa essere modificata per adattarsi a un'ampia gamma di applicazioni, alcuni tipi sono migliori di altri per un determinato ambiente. Fortunatamente, per il trasporto di base dei fluidi, alcune pompe si sono dimostrate superiori. Nelle sezioni che seguono, discuteremo le caratteristiche prestazionali delle pompe a ingranaggi interni, delle pompe a ingranaggi esterni e delle pompe a girante.
La pompa a ingranaggi interni comprende un ingranaggio esterno, noto come rotore, che ha il compito di azionare l'ingranaggio interno, noto anche come folle (Figura 2). L'ingranaggio folle è leggermente più piccolo del rotore e ruota attorno a un perno fisso mentre opera all'interno del rotore.
Quando questi componenti si disinnestano, si forma un certo spazio vuoto che consente al liquido di fluire nella pompa. Quando questi componenti si innestano, il volume dello spazio diminuisce gradualmente, costringendo il liquido a uscire dalla porta di scarico.
Il liquido può fluire nella cavità in espansione attraverso gli ingranaggi del rotore e l'incavo sotto la testa della pompa. L'ultimo elemento chiave di questo tipo di pompa è la barriera a forma di mezzaluna, integrata nella testa della pompa.
La barriera a forma di mezzaluna sigilla il volume di liquido tra il tendicinghia e l'ingranaggio, fungendo da guarnizione tra le porte di aspirazione e di scarico.
L'ingranaggio del rotore è fissato su un albero e supportato da un collare o da un cuscinetto antifrizione (Figura 3). Il gruppo ingranaggi folli comprende anche un cuscinetto a collare che si trova all'interno del liquido pompato e ruota attorno a un perno fisso.
A seconda della disposizione della tenuta dell'albero, il cuscinetto di supporto dell'albero del rotore può funzionare all'interno del liquido pompato. Questo aspetto deve essere sottolineato quando si trasportano liquidi corrosivi, che possono corrodere il cuscinetto di supporto.
Il limite di pressione effettivo di queste pompe dipende dal funzionamento del cuscinetto di supporto dell'albero del rotore. La pressione differenziale nominale della maggior parte delle pompe a ingranaggi interni è di 200 psi, anche se possono essere utilizzate per pressioni superiori nelle condizioni di applicazione corrette.
La velocità delle pompe a ingranaggi interni è relativamente più bassa rispetto alle pompe centrifughe. In genere, la velocità massima è di 1150 giri/min, ma alcuni piccoli progetti possono raggiungere i 3450 giri/min. Poiché le pompe a ingranaggi interni possono funzionare a basse velocità, sono adatte per il trasporto di fluidi ad alta viscosità, anche se possono essere applicate con successo a liquidi sottili. Le pompe a ingranaggi interni hanno pompato con successo liquidi con viscosità superiore a 1.000.000 cSt e liquidi a bassissima viscosità, come il propano liquido e l'ammoniaca.
La portata di questo tipo di pompa varia da 0,5 galloni/minuto a 1500 galloni/minuto. I materiali comprendono la ghisa e diverse leghe resistenti alla corrosione, tra cui l'Hastelloy.
Le pompe a ingranaggi interni adottano un design con tolleranze strette durante la produzione, che può essere danneggiato quando si pompano solidi più grandi. Questo tipo di pompa può trasportare piccole particelle in sospensione in applicazioni corrosive, ma si usura e le sue prestazioni si riducono gradualmente.
Nelle applicazioni corrosive, la scelta di materiali resistenti alla corrosione consente di prolungare notevolmente la durata della pompa. In questo caso, il carburo di tungsteno, l'acciaio temprato o vari rivestimenti possono fornire risultati eccellenti.
Le pompe a ingranaggi interni hanno una gamma molto ampia di applicazioni e possono essere utilizzate efficacemente anche per liquidi sensibili al taglio. Le aree di applicazione comprendono acque reflue, polimeri, vernici sensibili al taglio, emulsioni di asfalto e alcuni alimenti, come la maionese.
Utilizzando questo tipo di pompa, solo una quantità molto ridotta di liquido è soggetta a forze di taglio in qualsiasi momento. Inoltre, se necessario, è possibile regolare il gioco e la velocità per ridurre al minimo l'impatto delle forze di taglio.
Le pompe a ingranaggi esterni funzionano in modo analogo alle pompe a ingranaggi interni per quanto riguarda l'azione di pompaggio, ovvero innestando e disinnestando due ingranaggi per azionare il flusso del fluido (Figura 4).
Tuttavia, le pompe a ingranaggi esterni utilizzano due ingranaggi completamente identici che si ingranano e ruotano l'uno con l'altro. Ogni ingranaggio è supportato da un albero e su entrambi i lati di ogni ingranaggio è presente un cuscinetto. In genere, tutti e quattro i cuscinetti operano all'interno del liquido pompato.
Poiché l'ingranaggio è supportato su entrambi i lati, la pompa a ingranaggi esterni può essere utilizzata in applicazioni ad alta pressione, ad esempio all'interno di dispositivi idraulici.
Le pompe progettate per l'alimentazione idraulica possono sopportare pressioni di migliaia di libbre per pollice quadrato. Le pompe industriali per convogliatori possono sopportare pressioni ancora più elevate, ma le caratteristiche del liquido possono limitare il campo di pressione.
I liquidi più sottili possono raggiungere centinaia di psi, mentre quelli più viscosi possono avvicinarsi alla pressione delle pompe idrauliche. In genere, le pompe a ingranaggi esterni più piccole dovrebbero funzionare in un intervallo compreso tra 1750 e 3450 giri/min, mentre le pompe a ingranaggi esterni più grandi operano a una velocità massima di 640 giri/min.
La portata della pompa a ingranaggi esterni va da un livello molto basso (poche gocce al minuto) a un livello piuttosto alto, pari a 1500 galloni al minuto. Le pompe a ingranaggi esterni possono essere prodotte con diverse materie prime, tra cui leghe di alta qualità.
I progetti di pompe a ingranaggi esterni possono utilizzare tolleranze più strette rispetto alle pompe a ingranaggi interni. Tuttavia, le pompe a ingranaggi esterni non tollerano la presenza di particolato nel liquido pompato. Poiché l'ingranaggio presenta uno spazio su entrambe le estremità, non è possibile regolare lo spazio tra le estremità in base all'usura. Una volta usurata, la pompa a ingranaggi esterni deve essere riassemblata o sostituita.
Se la velocità è impostata correttamente, soprattutto per i liquidi con viscosità più elevata, la pompa a ingranaggi esterni può gestire sia liquidi viscosi che acquosi. Poiché i liquidi viscosi necessitano di un certo tempo per riempire gli spazi tra i denti degli ingranaggi, la velocità della pompa deve essere notevolmente ridotta quando si pompano liquidi viscosi. Il limite di viscosità è in realtà lo stesso di una pompa a ingranaggi interni, entrambi a 1.000.000 cSt.
Le prestazioni della pompa a ingranaggi esterni in condizioni di aspirazione critiche non sono ideali, soprattutto per i liquidi volatili. I liquidi volatili spesso subiscono un'evaporazione parziale quando lo spazio tra i denti si espande rapidamente.
Il principio di funzionamento della pompa a palette è teoricamente simile a quello di altre pompe volumetriche con volumi in espansione e in contrazione, ma impiega un meccanismo diverso per realizzare questa teoria (Figura 6). È interessante notare che la pompa a girante è essenzialmente due pompe in una.
La prima azione di pompaggio è generata dall'espansione del volume tra la girante, il rotore e l'involucro della pompa, mentre un'azione di pompaggio meno evidente si verifica nell'area sottostante la girante.
In quest'area, sia che la girante entri o esca dalla fessura del rotore, si forma un'azione di pompaggio che rappresenta circa 15% della cilindrata totale della pompa.
In genere, quest'area è ventilata attraverso le fessure all'interno della girante o del rotore. È fondamentale comprendere questo aspetto, soprattutto quando si ha a che fare con liquidi più viscosi, in quanto il flusso del liquido viscoso all'interno e all'esterno dell'area tra le giranti può essere più impegnativo.
Pertanto, la viscosità media massima consigliata per questo tipo di pompa è di circa 25.000 cSt.
La girante, che è il principale componente di tenuta tra le bocche di aspirazione e di mandata, è solitamente realizzata in materiali compositi non metallici. Poiché non c'è contatto metallo-metallo, le pompe a girante sono spesso utilizzate per liquidi a bassa viscosità senza effetti lubrificanti, come il propano e l'ammoniaca. Poiché la girante è direttamente a contatto con l'involucro della pompa e il gioco interno è ridotto al minimo, è possibile ottimizzare le caratteristiche di scorrimento dei liquidi sottili.
La maggior parte delle pompe a girante per nastri trasportatori limita la pressione a 125 psi, anche se alcune sono classificate per 200 psi. Il limite di pressione della pompa a girante dipende in larga misura dalla resistenza della girante.
Grazie alla girante non metallica e alle distanze di funzionamento molto ridotte, le pompe a girante possono avviare le operazioni di adescamento in modo ottimale. Quando la pompa inizia l'operazione di adescamento, deve scaricare l'aria e ciò che viene scaricato è un fluido molto sottile. Poiché le pompe a girante sono in grado di svolgere bene questa funzione, vengono talvolta utilizzate come pompe per vuoto.
Le pompe a girante sono in genere supportate su entrambi i lati del rotore da manicotti per alberi o da cuscinetti a rotolamento. Se si utilizzano cuscinetti a manicotto, questi funzionano nel liquido. Se si utilizzano cuscinetti a rotolamento, è necessario utilizzare le tenute interne della pompa per consentire il funzionamento dei cuscinetti in olio o grasso lubrificante. Questo progetto richiede due tenute meccaniche, una su ciascun lato del rotore.
Le pompe a girante funzionano solitamente in un intervallo di velocità compreso tra 1000 e 1750 giri/minuto e la portata può raggiungere i 2000 galloni/minuto. Tuttavia, quando si tratta di liquidi ad alta viscosità, la velocità richiesta sarà notevolmente ridotta per consentire al liquido di entrare sotto la girante.
Nelle applicazioni con liquidi ad alta viscosità, sono necessarie giranti in materiali più resistenti per evitare rotture. I materiali più comuni per la costruzione delle pompe a girante sono la ghisa o la ghisa duttile. Alcuni produttori utilizzano materiali in acciaio inox nelle pompe che devono trattare liquidi sottili e corrosivi.
Le pompe a girante possono gestire alcune sostanze corrosive, ma non i solidi. Per le applicazioni di pompaggio di sostanze corrosive, occorre prestare attenzione alla scelta corretta dei materiali della girante e della tenuta. Come le pompe a ingranaggi esterni, le pompe a girante hanno distanze fisse alle estremità del rotore e della girante.
Quando si verifica l'usura, questi giochi non possono essere regolati; tuttavia, alcuni produttori offrono oggi coperchi di estremità sostituibili o reversibili. Anche l'uso di un rivestimento del corpo pompa è un modo per ripristinare le prestazioni della pompa in caso di usura.
La comprensione dei principi di funzionamento delle varie pompe è un buon inizio per selezionare correttamente un modello per un determinato ambiente applicativo. Anche se le distinzioni tra le varie opzioni possono non essere molto chiare, le differenze di base nel funzionamento e nella capacità possono essere utilizzate per guidare la scelta.
Pompe ad ingranaggi interni possono essere utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni, ma di solito funzionano più lentamente di altre pompe. Inizialmente, la scelta di una pompa a ingranaggi interni può comportare costi leggermente superiori, ma rispetto alle pompe a funzionamento lento, la sua durata tende ad essere maggiore.
Pompe ad ingranaggi esterni hanno eccellenti capacità di gestione della pressione e precise caratteristiche di controllo della portata, ma non possono essere utilizzate per gestire fluidi solidi o corrosivi. Il costo di produzione delle pompe a ingranaggi esterni è inferiore, quindi rappresentano una scelta economica e ragionevole nei campi di applicazione a bassa domanda.
Pompe a girante Le pompe a girante si comportano bene quando trasportano liquidi sottili, ma devono operare a velocità ridotte quando trattano liquidi viscosi. Le pompe a girante, inoltre, non possono movimentare materiali solidi.
Una scelta errata della pompa spesso comporta un aumento dei costi. In particolare, può avere un impatto negativo sui tempi di fermo, sulla perdita di produzione, sui costi di manutenzione e sul consumo energetico. Dedicando più tempo alla scelta della pompa giusta per il sistema giusto, si possono ridurre al minimo le spese inutili e ottenere maggiori benefici a lungo termine.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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