Probabilmente non pensi mai al macchinario che muove il fluido finché qualcosa non si rompe. Poi ti rendi conto che senza pompe la civiltà si ferma. Sono dispositivi semplici nel concetto: spendono energia, muovono liquidi. Ma l’ingegneria necessaria per farlo in modo efficiente? Questa è una storia complessa e cruda di estrazione mineraria, fisica e scienza dei materiali.
Le prime versioni erano basate sulla forza bruta. Pensa alle ruote idrauliche persiane e romane. Oppure la vite di Archimede. Lo giri e l’acqua sale. Semplice. Ma poiché le operazioni minerarie del Medioevo scavavano più in profondità, le semplici ruote non erano sufficienti. Avevano bisogno di pompe di aspirazione.
Georgius Agricola li descrisse nel De re metallica nel 1556. Il principio si basa sulla pressione atmosferica. Alzare un pistone. Creare un vuoto parziale. La pressione dell’aria esterna spinge l’acqua nel cilindro. È un bel trucco. Fino a quando non raggiungi un limite difficile.
La pressione atmosferica può spingere l’acqua solo fino a circa 34 piedi (10 metri). Provare ad aspirare l’acqua da un pozzo minerario più profondo di quello? Non funzionerà. Il vuoto fallisce. Così gli ingegneri hanno inventato la pompa di forza. Ora la corsa verso il basso del pistone forza fisicamente l’acqua fuori attraverso una valvola laterale. L’altezza dipende dalla forza applicata, non solo dalla pressione dell’aria.
Classificazione delle pompe
Come classifichiamo questo caos? Si tratta del trasferimento di energia. Esistono tre modi fondamentali per spostare i fluidi:
- Spostamento volumetrico. Spostamento di una porzione di fluido dal punto A al punto B.
- Energia cinetica. Far girare velocemente il fluido o colpirlo con un impulso.
- Forza elettromagnetica. Utilizzo di campi magnetici per spingere fluidi conduttivi. Questo richiede che il fluido sia un buon conduttore elettrico.
Se stai spostando gas, probabilmente stai parlando di compressori, soffianti o ventilatori. Se stai spostando meccanicamente il fluido, si tratta di una pompa volumetrica. Se stai utilizzando una girante rotante per aumentare la velocità, è una pompa cinetica.
C’è una regola generale qui. Le pompe volumetriche gestiscono bassi volumi ad alta pressione. Le pompe cinetiche gestiscono volumi elevati a bassa pressione. È un compromesso. Non è possibile avere entrambi senza un’ingegneria specializzata.
C’è un problema. È necessaria una certa quantità di pressione in ingresso solo per far fluire il fluido nella pompa. Se la pressione è troppo bassa si ottiene la cavitazione. Questa è la formazione di spazi vuoti dove dovrebbe esserci il liquido. Nella linea di aspirazione si formano bolle di vapore. Viaggiano nella pompa. Colpiscono una regione di pressione più elevata. Crollano.
Il risultato? Rumore eccessivo. Vibrazione. Corrosione. Erosione. La pompa si consuma dall’interno.
L’efficienza della pompa non è statica. Dipende dal fluido. Liquidi mobili come la pompa dell’acqua in modo efficiente. Fluidi viscosi come la melassa? Non così tanto. La viscosità diminuisce all’aumentare della temperatura. Ecco perché gli impianti industriali spesso riscaldano liquidi densi prima di pomparli. È un trucco pratico. Riscaldalo. Scorre meglio.
Pompe volumetriche
Queste pompe sollevano un determinato volume per ogni ciclo. Sono cavalli da lavoro affidabili. Diviso in due classi principali: alternativo e rotativo.
I modelli alternativi comprendono i tipi a pistone, stantuffo e membrana. Il sistema rotativo comprende pompe a ingranaggi, a lobi, a vite, a palette e a camme.
La pompa a stantuffo è il tipo comune più antico. È costituito da un cilindro. Un pistone o uno stantuffo si muove avanti e indietro. In una pompa a stantuffo la tenuta è fissa. Lo stantuffo spinge nel fluido. In una pompa a pistone, la guarnizione si muove insieme al pistone.
Man mano che il pistone si sposta verso l’esterno, il volume nel cilindro aumenta. Il fluido entra attraverso una valvola di ingresso unidirezionale. Man mano che si sposta verso l’interno, il volume diminuisce. Picchi di pressione. Il fluido viene espulso dalla valvola di uscita.
La velocità di pompaggio non è costante. Tocca lo zero quando il pistone cambia direzione. Il picco è a metà della corsa. Per appianare questo problema, è possibile utilizzare entrambi i lati del pistone. Pompe a doppio effetto. Oppure puoi aggiungere più cilindri.
È possibile variare la velocità modificando la velocità alternativa dello stelo. Oppure modificando la lunghezza della corsa. Il pistone può essere azionato direttamente da vapore, aria compressa o olio idraulico. Oppure attraverso un collegamento meccanico che trasforma il moto rotatorio in moto alternativo.
Queste pompe sono costose. Ma sono durevoli. Le pompe a pistoni funzionano da oltre 100 anni senza riparazioni o sostituzioni. Non è un errore di battitura. Un secolo di servizio.
Le pompe a membrana funzionano in modo simile ma sostituiscono il pistone con un diaframma flessibile pulsante. Nessuna guarnizione a contatto con il fluido. Questo risolve un problema specifico. Perdite. Se stai pompando sostanze chimiche tossiche, corrosive o costose, non puoi permetterti una perdita attraverso l’imballaggio. Il diaframma mantiene tutto sigillato all’interno.
Il fluido entra ed esce attraverso le valvole di ritegno. Il diaframma può essere azionato meccanicamente o da un fluido come aria compressa o olio.
Forniscono un’uscita pulsante. Liquidi. Gas. Miscele. Sono utili per liquidi contenenti particelle solide. E possono rimanere a secco per lunghi periodi. È inoltre possibile modificare la velocità di pompaggio mentre la macchina è in funzione.
Come le pompe a ingranaggi esterni muovono effettivamente il fluido
La maggior parte delle persone ritiene che le pompe siano scatole magiche che aspirano le cose e le sputano fuori. Non lo sono. Sono solo trappole meccaniche. La pompa a ingranaggi esterni, il cavallo di battaglia della movimentazione dei fluidi industriali, si basa su un trucco sorprendentemente semplice.
Una marcia gira. È azionato da un motore o da un motore. L’altro ingranaggio resta lì e si lascia spingere. Funziona gratuitamente.
È qui che la fisica diventa interessante. Quando questi denti ruotano allontanandosi l’uno dall’altro, creano un vuoto. Un vuoto parziale. La natura odia il vuoto, quindi si precipita a colmare il vuoto. Il fluido viene risucchiato nello spazio tra i denti e l’involucro.
Ma la trappola non resta aperta per sempre.
Gli ingranaggi si ingranano di nuovo insieme. I denti si bloccano. Il fluido non può andare da nessuna parte se non fuori. La pressione aumenta. Forza il liquido nella linea di scarico.
Pensa alla direzionalità. Puoi invertire la rotazione. Se giri gli ingranaggi nella direzione opposta, l’aspirazione e l’uscita si scambiano di posto. La pompa scarica in entrambe le direzioni, a seconda della direzione in cui gira il motore.
È efficiente. È robusto. Ma è anche basilare.
Un vuoto parziale, creato dal disaccoppiamento degli ingranaggi rotanti, aspira il fluido nella pompa.
Questo meccanismo è il motivo per cui le pompe a ingranaggi sono ovunque. Muovono oli densi. Muovono combustibili. Spostano sostanze chimiche che distruggerebbero una girante più delicata.
L’involucro è fisso. Non si muove. I denti si muovono al suo interno. Il fluido viaggia da un lato all’altro, intrappolato nelle tasche tra i denti e la parete. È un ciclo continuo.
Non ci sono pulsazioni. Nessuna vibrazione. Solo una pressione costante e ritmica.
Perché è importante? Perché quando devi spostare qualcosa che non vuole muoversi – una melma pesante, un grasso viscoso, un polimero spesso – hai bisogno di uno spostamento positivo. Devi spingere fisicamente la molecola in avanti.
Le pompe a ingranaggi fanno esattamente questo. Catturano il fluido. Lo tengono. Lo buttano dall’altra parte.
Semplice. Brutale. Efficace.
Il design è praticamente cambiato in un secolo. Questo non è un segno di stagnazione. È un segno di perfezione.
O abbastanza vicino.
Una volta che il fluido lascia il punto di maglia, è sotto pressione. Alta pressione. Abbastanza per passare attraverso tubi stretti. Abbastanza per superare la resistenza.
Puoi invertire il flusso. È possibile modificare la direzione dello scarico. Basta invertire la rotazione.
Questa è la sua bellezza. Un motore. Due marce. Un circuito chiuso.
Funziona finché non funziona più. L’usura eventualmente allenta le tolleranze. Lo spazio tra i denti e l’involucro aumenta. L’efficienza diminuisce. La pompa muove ancora il fluido, ma in quantità minore.
Ma questo è un problema per domani.
Per ora, gli ingranaggi girano. Si forma il vuoto. Il fluido si muove.
E non dobbiamo nemmeno pensarci.
Meccanica e limitazioni degli ingranaggi interni
Osserva la pompa a ingranaggi interni nella Figura 2. È un macchinario intelligente. L’ingranaggio condotto è un rotore con denti tagliati nella circonferenza interna. Questi denti si ingranano con un ingranaggio folle dotato di denti esterni. Il tenditore è posizionato fuori centro. Questo offset crea l’azione di pompaggio. Una parte fissa dell’involucro chiamata mezzaluna divide il flusso. Separa l’ingranaggio folle dal rotore.
Questo design gestisce bene i liquidi con vapori o gas intrappolati. Ma c’è un problema. La pompa fa affidamento sul liquido stesso per lubrificare le parti mobili all’interno. Pompare gas puro? Gli ingranaggi sfregano l’uno contro l’altro senza quella pellicola protettiva. Si consumano velocemente. Quindi i gas sono fuori uso.
Per i liquidi l’uscita è costante. Pulsazioni trascurabili. Se mantieni costante la velocità del rotore, otterrai un flusso costante. Ma l’usura cambia le regole del gioco. L’erosione e la corrosione allargano gli spazi tra gli ingranaggi. Il liquido scivola indietro attraverso questi spazi invece di andare avanti. L’efficienza diminuisce.
Le pompe a ingranaggi interni richiedono il fluido per fornire lubrificazione, rendendole inadatte al pompaggio di gas.
L’intasamento è l’altro nemico. Le particelle solide intasano gli spazi stretti. Non è possibile far funzionare queste pompe con fanghi o fluidi ricchi di detriti. Tuttavia, non necessitano di valvole di ritegno. Questa semplicità consente loro di gestire liquidi molto viscosi. Oli densi? Nessun problema.
Pompe e compressori a lobi
Le pompe a lobi sembrano cugine delle pompe a ingranaggi esterni. Condividono la stessa forma di base. Ma i rotori sono diversi. Invece di ingranaggi, hanno lobi. Due, tre o quattro lobi. La differenza fondamentale è il modo in cui si muovono. Entrambi i rotori sono azionati. Non sono ingranati insieme come gli ingranaggi.
Questo design significa più pulsazioni in uscita. Le pompe a ingranaggi esterni sono più fluide. Le pompe a lobi hanno un flusso più irregolare. Ma si usurano meno. I rotori non si toccano. Non c’è contatto metallo-metallo. Ciò li rende durevoli per i materiali abrasivi, sebbene meno efficienti in termini di stabilità del flusso.
I compressori a lobi utilizzano lo stesso principio. Pompano benzina. Ogni rotore ha due lobi. Spostano aria o gas laddove le pompe a ingranaggi fallirebbero a causa della mancanza di lubrificazione.
Il principio della pompa a vite
Le pompe a vite funzionano diversamente. Un rotore a vite elicoidale gira all’interno di un involucro fisso. L’involucro è sagomato in modo da formare delle cavità. Man mano che la vite gira, queste cavità si spostano dall’aspirazione allo scarico.
Quando si forma una cavità in aspirazione, si crea un vuoto parziale. Questo vuoto aspira il fluido nella pompa. Il fluido viaggia all’interno di quella cavità progressiva. Non schizza. Si muove in linea retta.
All’estremità di scarico l’involucro si restringe. La cavità si chiude. Questa chiusura aumenta la pressione. La pressione spinge il fluido nella linea di uscita. È un metodo di spostamento positivo.
Le pompe a vite creano un flusso costante intrappolando il fluido in cavità progressive che si muovono assialmente attraverso la pompa.
Queste pompe sono versatili. Gestiscono liquidi con vapori. Gestiscono anche le particelle solide. Il design elicoidale consente ai detriti di passare senza incepparsi. L’output è costante. Pulsazioni trascurabili per una data velocità del rotore.
Non necessitano di valvole di ritegno in ingresso o in uscita. Ciò li rende ideali per liquidi viscosi. Le sostanze spesse scivolano facilmente. Nessuna valvola aggiuntiva da intasare.
Compromessi tra costi e longevità
Le pompe a vite non sono economiche. Lo sono
La pompa a palette scorrevoli, come mostrato nella Figura 3, si basa su una disposizione meccanica semplice ma intelligente. Il rotore si trova decentrato all’interno dell’involucro. Le palette rettangolari sono inserite nelle fessure lungo il bordo del rotore. Quando il motore fa girare il rotore, la forza centrifuga spinge le pale verso l’esterno. Premono con forza contro la parete interna curva dell’involucro fisso. Questo crea una tenuta ermetica.
Quando il rotore gira, crea un vuoto parziale sul lato di aspirazione. Il fluido si precipita a riempire quel vuoto. Le palette rotanti intrappolano sacche di liquido tra il rotore e l’involucro. Trasportano questo fluido verso il lato di scarico. Lì lo spazio si restringe. La pressione aumenta. Il fluido viene espulso nella linea di uscita.
Come regolare la portata
È possibile controllare la velocità di pompaggio regolando l’eccentricità. Ciò significa cambiare la distanza dal centro in cui si trova il rotore. Muovilo e cambierai il volume spazzato dalle alette. Il design è autocompensante per l’usura. Le alette scivolano dentro e fuori man mano che si consumano. Rimangono in contatto con l’involucro. La capacità di pompaggio non diminuisce finché le palette non sono gravemente usurate.
Queste pompe sono robuste. Forniscono un output costante con pulsazioni trascurabili a qualsiasi velocità. Non sono necessarie valvole di ritegno in ingresso o in uscita. Ciò semplifica il sistema. Gestiscono bene liquidi miscelati con vapori o gas. Ma falliscono con i solidi. Se il fluido contiene particelle, non utilizzare una pompa a palette. Le palette si incepperanno o si consumeranno all’istante.
Esistono anche compressori a palette, ma pompano gas, non liquidi.
Il passaggio alle pompe cinetiche
Le pompe cinetiche funzionano secondo un principio diverso. Impartiscono prima la velocità al fluido. Quindi, convertono l’energia cinetica in pressione. La maggior parte della velocità diventa pressione statica. Questa classe comprende le pompe centrifughe e rigenerative.
Le pompe centrifughe esistono dal 1680 circa. Per secoli sono state poco utilizzate. Perché? La tecnologia non era ancora lì. Ci è voluto fino al 20° secolo perché le pompe cinetiche diventassero comuni. Finalmente sono arrivati i materiali e la precisione produttiva necessari per gestire in modo efficiente le alte velocità. Oggi dominano il movimento fluido su larga scala.
La differenza è fondamentale. Le pompe a palette intrappolano volumi discreti di fluido. Le pompe cinetiche accelerano un flusso continuo. Uno è lo spostamento positivo. L’altro è dinamico. Entrambi hanno il loro posto. Ma se stai spostando l’acqua in una città, probabilmente stai utilizzando una pompa cinetica. Se stai misurando l’olio in una piccola macchina, potresti utilizzare una pompa a palette.
La storia delle pompe è una storia di efficienza. Siamo passati dall’intrappolare il fluido al lanciarlo. Dalle tenute meccaniche alle pale aerodinamiche. La pompa a palette scorrevoli rimane utile. La sua semplicità è la sua forza. Ma la scalabilità della pompa cinetica ha cambiato il settore. Abbiamo smesso di costruire strutture più piccole e più forti. Abbiamo iniziato a costruire più velocemente e più in grande.
C’è un motivo per cui utilizziamo ancora le palette in alcune applicazioni. L’affidabilità conta. Ma il futuro appartiene a coloro che possono muoversi in modo più fluido con meno energia. La pompa cinetica lo fa. Non è solo una questione di pressione. È una questione di slancio. E lo slancio è difficile da battere quando si spostano milioni di galloni.
La pompa centrifuga standard
Probabilmente non li noterai, ma le pompe a flusso radiale svolgono il lavoro pesante in ogni settore, dalla fornitura di acqua domestica ai sistemi di raffreddamento industriali. Nello specifico, la pompa a voluta domina questa categoria. È il cavallo di battaglia di cui vuoi sapere.
Il fluido entra nella girante vicino al suo centro. La girante gira ad alta velocità. Ciò lancia il fluido verso l’esterno contro il corpo della pompa. Il risultato è un vuoto parziale. Quel vuoto attira più fluido. Il ciclo continua.
Perché le pompe a voluta vincono
Queste unità sono robuste. Sono anche relativamente economici da produrre. Se hai bisogno di funzionamento silenzioso e affidabilità, questa è una scelta solida. Le prestazioni rimangono costanti anche quando la corrosione e l’erosione provano a farsi sentire.
La costruzione è semplice. La compattezza è importante negli spazi ristretti. Non sono necessarie valvole di ritegno in ingresso o in uscita. Ciò semplifica le tubazioni. Riduce i potenziali punti di guasto.
Le pompe centrifughe a voluta sono robuste, silenziose e affidabili, con prestazioni ampiamente non influenzate dalla corrosione e dall’erosione.
Quando lottano
Non sono perfetti. Possono gestire liquidi con particelle solide. Ma introduci troppo vapore nella miscela. L’aspirazione si rompe. Segue la cavitazione. Questo è un male per la longevità.
La viscosità è un altro nemico. Queste pompe funzionano meglio con liquidi non viscosi. Pompa qualcosa di denso. Vedrai che la capacità diminuirà in modo significativo.
L’alternativa al diffusore
Non tutte le pompe a flusso radiale utilizzano un corpo a spirale. C’è la pompa del diffusore. Ci vuole un approccio diverso dopo che il fluido ha lasciato la girante.
Il fluido passa attraverso un anello di alette fisse. Queste pale diffondono il liquido. Forniscono un flusso controllato. Ancora più importante, convertono il carico di velocità in carico di pressione in modo più efficiente.
È una questione di efficienza. La voluta è semplice. Il diffusore è ottimizzato. Scegli in base a ciò che richiede il tuo processo.
Meccanica dei flussi assiali e misti
Il rotore di una pompa centrifuga a flusso assiale è essenzialmente un’elica. Il fluido si muove parallelamente all’asse, come mostrato nella Figura 5. Le alette di diffusione si trovano nella porta di scarico. Uccidono la velocità di rotazione che l’elica ha dato al fluido. Anche i compressori a flusso assiale muovono i gas utilizzando lo stesso principio.
Le pompe a flusso misto prendono una strada diversa. Il fluido esce sia radialmente che assialmente. Entra in un involucro a voluta. La geometria cambia simultaneamente la direzione e la pressione.
Dinamica della pompa rigenerativa
Una pompa rigenerativa è anche nota come pompa a turbina o pompa periferica. La girante è dotata di palette su entrambi i lati del bordo. Ruota all’interno di un canale ad anello all’interno dell’involucro.
Il fluido non fuoriesce liberamente dalla punta della girante. Invece, ricircola in un punto più basso sul diametro della girante. Questo processo è chiamato rigenerazione. Aumenta la prevalenza sviluppata dalla pompa.
Gli spazi liberi in queste pompe sono stretti. Non è possibile utilizzarli per liquidi con particelle solide. I solidi bloccherebbero il meccanismo. Gestiscono liquidi con vapori e gas. Possono anche pompare gas se c’è abbastanza liquido per sigillare gli spazi ravvicinati. Sono strettamente per liquidi mobili.
Principi della pompa elettromagnetica
Le pompe elettromagnetiche hanno una limitazione importante. Funzionano solo con fluidi che conducono bene l’elettricità. Il tubo che trasporta il fluido si trova in un campo magnetico. Una corrente attraversa trasversalmente il fluido. Questo crea una forza elettromagnetica. La forza spinge il fluido nella direzione del flusso.
La corrente e il campo possono essere generati in vari modi. Il principio corrisponde a quello di un motore elettrico. Queste pompe sono fondamentali per il raffreddamento dei reattori nucleari. Movimentano i metalli liquidi in modo efficiente senza spostare le parti meccaniche nel flusso del fluido.
Gli ascensori a gas funzionano senza una sola parte mobile. Il gas compresso colpisce il liquido sul fondo del pozzo. Il composto diventa più leggero. La galleggiabilità prende il sopravvento. Si alza e si scarica. Questo design gestisce facilmente i solidi. Un tempo comuni per l’acqua e il petrolio, i trasporti aerei sono ora rari.
Il principio dell’eiettore a getto
Il fluido si muove attraverso un ugello Venturi. Picchi di velocità. Cadute di pressione. Questo crea aspirazione. Viene trascinato un secondo flusso di fluido.
Gli aspiratori utilizzano l’acqua per questo. Gli eiettori di vapore spingono i vapori. Gestiscono grandi volumi a basse pressioni. Il vapore ad alta velocità entra nella pompa. Trasferisce la quantità di moto al gas. La miscela colpisce il diffusore. L’energia cinetica si trasforma in pressione. Il gas si sposta dalla bassa all’alta pressione. Queste pompe risalgono al 1850.
Arieti idraulici e martelli d’ariete
Un flusso d’acqua verso il basso ne solleva una parte più in alto. Il tubo di ingresso vede chiudere una valvola di ritegno. L’energia cinetica si ferma improvvisamente. Come un colpo d’ariete. Picchi di pressione. Si apre una seconda valvola. L’acqua entra nella camera d’aria. Spinge verso l’alto il tubo di scarico.
La pressione all’ingresso diminuisce. La prima valvola si riapre. L’aria compressa sigilla la camera. Il ciclo si ripete. Circa il 15% dell’acqua in ingresso raggiunge cinque volte l’altezza di caduta. Sviluppati alla fine del XVIII secolo, alimentano ancora alcuni sistemi domestici.
Creare un vuoto
Le pompe per vuoto sono compressori. Aspirano gas al di sotto della pressione atmosferica. Lo comprimono. Scaricano a pressione atmosferica. Il gas a bassa pressione ha un grande volume. Queste pompe sono ingombranti.
Gli eiettori a getto di vapore dominano l’industria. Anche i pistoni alternativi funzionano. Le pompe rotative a palette sono comuni. Tutti servono per far uscire l’aria.
