Trasporto dei liquidi

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE “G. MARCONI”
TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI CLASSE 3ACH
Il trasporto dei
liquidi
(PAG 159 DEL LIBRO DI TESTO)
Prof. Roberto Riguzzi
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INTRODUZIONE
Il trasporto dei liquidi e dei fluidi è una della operazioni più
comuni sia nell’industria, che nelle attività civili (pensiamo
all’acqua corrente, alle fognature, al gas di città).
Le competenze scientifiche richieste per affrontare
l’argomento sono quelle dell’idrostatica e dell’idrodinamica.
Dal punto di vista pratico il trasporto dei fluidi richiede una
macchina operatrice che trasferisca al liquido (o al gas) da
trasportare l’energia necessaria a superare differenze di
quota o di pressione tra la sezione finale e quella iniziale,
oltre ovviamente alle perdite di carico.
Le apparecchiature che trasferiscono energia meccanica ai
fluidi (la cosiddetta PREVALENZA) sono le pompe.
2
PREVALENZA
L’energia meccanica trasferita per unità di peso del liquido si
chiama PREVALENZA e si indica con la lettera H.
Consideriamo di applicare l’equazione di Bernoulli fra due
sezioni di un impianto con una pompa presente fra loro. La
prevalenza è l’energia necessaria trasferire al liquido della
sezione 2 affinchè raggiunga l’energia da esso posseduta nella
seconda sezione.
h1 + P1/ + v12/2g + H = h2 + P2/ + v22/2g + y
Da cui si ricava
H= (h2 - h1) + (P2 - P1)/ + (v22 - v12)/2g + y
(h2 - h1)= prevalenza geometrica
(P2 - P1)/= prevalenza piezometrica
(v22 - v12)/2g= prevalenza cinetica
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POTENZA UTILE
La potenza utile (Nu) è l'energia effettivamente trasferita
al liquido per unità di tempo. È funzione della
prevalenza,alla portata e al peso specifico del liquido
trasportato. Nel S.I. è misurata in watt.
Nu= *Fv*H
Se consideriamo la portata in massa l'equazione diventa:
Nu= g*Fm*H
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RENDIMENTO
La pompa per poter funzionare, azionata da un motore, solitamente elettrico. L'energia
elettrica deve, quindi, prima essere trasformata in lavoro meccanico, che ha sua volta deve
essere trasformata in energia del liquido (la prevalenza). Questi passaggi inevitabilmente
comportano la dissipazione di energia. La potenza effettivamente usata dalla pompa per
movimentare il liquido sarà sempre maggiore della potenza utile. Il rapporto fra potenza
utile e potenza assorbita è il rendimento  della pompa.
= Nu/Nass
Il rendimento sarà sempre minore di 1.
Da questa Nass= Nu/
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ESEMPIO
Determinare la prevalenza e la potenza assorbita di una pompa che deve
trasportare 300l/min di un liquido con g= 8624 N/m3 da un serbatoio ad un altro
posto ad un altezza superiore di 50m e con una pressione di 500kPa maggiore
rispetto al serbatoio iniziale. Le perdite di carico, fra continue e localizzate, sono
complessivamente 1,6m. Il rendimento della pompa è il 93%.
Applichiamo la formula che definisce la prevalenza alle superfici dei due liquidi
nel serbatoio.
H= (h2 - h1) + (P2 - P1)/ + (v22 - v12)/2g + y
La prevalenza cinetica è nulla (le velocità nelle grandi sezione come le superfici dei
serbatoi sono considerate nulle).
La differenza di pressione (P2 - P1) fra le due superfici è pari a 500 kPa.
La prevalenza geometrica è pari a 50m. La prevalenza totale sarà pari a:
H= (h2 - h1) + (P2 - P1)/ + y= 50m + (500000/8624) m + 1,6m = 109,6 m
Nu= *Fv*H = 8624 N/m3 * 0,005m3/s * 109,6m = 4729W
Da questa Nass= Nu/=4729/0,93=5085 W
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CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE
POMPE VOLUMETRICHE: spostano quantità di liquido costanti per ogni ciclo di
funzionamento. La portata erogata non dipende dalla prevalenza, ma dal
numero di cicli per unità di tempo. Possono essere:
– Alternative: il ciclo è rappresentato dalla corsa completa del pistone.
– Rotative: il ciclo è rappresentato da un giro completo dell'elemento
propulsore.
POMPE CINETICHE: l'applicazione di forza centrifughe sul liquido incrementano
dapprima la sua energia cinetica, che è trasformata in energia di pressione
attraverso la riduzione della velocità del liquido. Appartengono a questa
categorie le pompe di maggior impiego negli impianti industriali, le cosiddette
pompe centrifughe. Nelle pompe cinetiche la portata erogata dipende dalla
prevalenza.
POMPE SPECIALI: tutte quelle pompe che non rientrano direttamente nelle
categorie precedenti, o per requisiti specifici o principi di funzionamento
particolari.
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SCELTA DELLA POMPA
La scelta della pompa da installare dipenderà da:
1) la prevalenza da fornire in funzione della portata di
liquido da spostare. Da questo dipendono, oltre che il tipo
di pompa, anche le sue dimensioni e la potenza assorbita.
2) il tipo di liquido da pompare (se è corrosivo, presenta
solidi sospesi, requisiti igienico sanitari, viscosità, ecc).
3) tipologia dell'organo motore (elettrico, turbina a
vapore o gas).
4) tenuta idraulica, nel caso la fuoriuscita di liquido fosse
pericolosa per l'ambiente o la salute.
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SCELTA DELLA POMPA
Le pompe centrifughe sono adatte per portate elevate per
ampi
campi
di
prevalenza
(diagramma
portata/prevalenza).
Le pompe volumetriche sono adatte per liquidi viscosi
oppure è necessario raggiungere pressioni elevate
(diagramma portata/pressione).
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POMPE CENTRIFUGHE
VANTAGGI:
Sono di semplice costruzione e impiegati vari materiali.
Erogano una portata costante.
Possono lavorare ad alte velocità di rotazione (minori dimensioni a
parità di portata).
Possono trasportare liquidi contenenti solidi sospesi.
Per prevalenze elevate servono pompe multigiranti.
Presentano la massima efficienza in un campo limitato della curva
caratteristica.
Possono lavorare con la valvola di mandata chiusa.
Non sono adatte a trasportare liquidi molto viscosi.
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POMPE CENTRIFUGHE
ASPETTI COSTRUTTIVI:
Sistema motore: produce il lavoro meccanico trasformando l'energia primaria.
Organi di collegamento: trasferisce il lavoro meccanico del motore alla parte
idraulica attraverso l'albero motore.
La supportazione può essere su piedini o a sedia, la prima più semplice, la
seconda più robusta. In ogni caso, la quasi totalità delle pompe centrifughe è
progettata per non dover disconnettere la pompa dalle tubazioni durante gli
interventi di manutenzione.
Parte idraulica: la girante è contenuta nella voluta. La rotazione della girante
impartisce la forza centrifuga al liquido che l'acquisisce come energia cinetica.
Dalla girante il liquido passa alla voluta e alla mandata, dove l'allargamento della
sezione determina la trasformazione dell'energia cinetica in energia di pressione.
Gli organi di tenuta impediscono il trasferimento di liquido dalla parte idraulica al
motore attraverso l'albero motore. Il più impiegato è la cosiddetta tenuta
meccanica in cui un disco statico e un disco solidale con l'albero sono spinti a
contatto fra loro separati da olio lubrificante. Il tutto è completato da anelli di
tenuta.
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8
Sezione di
centrifuga
7
1
Pompa centrifuga
8
7
Pompa centrifuga multigirante
una
pompa
(con supportazione su piedini):
1 - corpo
1a - bocchello di aspirazione
1b - diffusore
2 - girante
3 - scudo di chiusura della parte
idraulica
4 - cassa stoppa (contiene il sistema
di isolamento della parte idraulica
dall'esterno)
5 - supporto dell'albero (contenente
i cuscinetti ed il lubrificante)
6 - albero (collegato ad un motore,
generalmente elettrico) trasmette il
moto dal motore alla girante.
7 - aspirazione
8 - mandata
GIRANTE: è l'elemento principale della pompa. La tipologia dipende anche
dalla tipologia/ aggressività del liquido. La curvature delle palette nelle
giranti moderne è quasi sempre rivolto nella direzione opposta del flusso.
Questo consente pressioni maggiori e perdite di carico minori.
Quando il liquido abbandona la girante ed entra nella voluta a sezione di
passaggio crescente. Questo determina il rallentamento del liquido, che per
l'equazione di Bernoulli determina la trasformazione dell'energia cinetica in
energia di pressione. Per avere prevalenze più alte si può inserire tra la
girante e la voluta un diffusore, palette statiche che consentono un miglior
recupero dell'energia di pressione.
Mentre l'ingresso del liquido avviene sempre in direzione assiale, l'uscita
può
essere
in
direzione
radiale
o
assiale.
La maggior parte delle le pompe centrifughe hanno aspirazione assiale e
mandata radiale o tangenziale verso l'alto, ovvero in una direzione radiale
(ortogonale)
rispetto
alla
direzione
di
aspirazione.
Nella pompa a flusso assiale il movimento del fluido è assicurato da un'elica
intubata, che spinge il fluido stesso come un'elica marina nella stessa
direzione dell'ingresso. Di concezione piuttosto recente, sono state
utilizzate originariamente nei grandi lavori di bonifica, come idrovore, e in
seguito hanno avuto impiego industriale in tutti quei casi in cui veniva
richiesta una grande portata (normalmente superiore a 1000 m³/h) a bassa
prevalenza
(normalmente
inferiore
a
4
metri).
Pompe sommerse: il motore è posto all'interno di un contenitore ermetico
per poter installare la pompa sotto il livello del liquido.
CAVITAZIONE E NPSH
La cavitazione consiste nella formazione di vapore all'interno della
pompa. Può portare a gravi danneggiamenti delle apparecchiature
meccaniche. È uno degli aspetti più importanti da considerare in
una pompa.
In una pompa centrifuga, nell'occhio della girante (la sezione di
ingresso del liquido) a causa della elevata velocità del liquido c'è un
repentino abbassamento della pressione per l'equazione di
Bernoulli. Se la pressione scende al di sotto della tensione di vapore
del liquido, questo vaporizza.
In presenza di vapore la pressione e la portata diventano instabili.
Se la pompa è installata in battente negativo (sopra il livello del
liquido) non riesce più ad autoadescarsi.
Il progettista deve garantire una pressione di alimentazione
sufficientemente elevata da garantire che non scenda sotto la
tensione di vapore alla temperatura di esercizio, durante il
passaggio nella pompa.
CAVITAZIONE
CAVITAZIONE: DANNEGGIAMENTI
Danneggiamento di
una girante a causa
della cavitazione. La
continua formazione
e rottura delle bolle
di
vapore
causa
erosione della girante
e potenziali danni del
motore
elettrico.
Nelle
figure
sottostanti: vortici di
ricircolazione.
PRESSIONE DI ASPIRAZIONE
La pompa opera in battente negativo. Nel tratto di aspirazione la
pressione diminuisca. Calcoliamola con l'equazione di Bernoulli
Da cui si ricava
ed infine
NPSH
L'altezza di aspirazione netta positiva disponibile (NPSHd) è la
differenza tra la pressione di un punto generico dell'impianto e la
tensione di vapore alla temperatura di esercizio, diviso il peso specifico.
Se il punto è l'aspirazione della pompa diventa
NPSHd= (Pasp -Pv)/per il corretto funzionamento NPSHd >
0
L'altezza di aspirazione netta positiva richiesta (NPSHr) la caduta di
pressione all'interno della pompa, espressa in metri di colonna di
liquido. È fornito dai costruttori calcolato con prove sperimentali.
NPSHd > NPSHr
da cui
(Pasp/ - NPSHd > Pv/
Esempio 6.2 PAG 172
(Pasp -Pv)/NPSHr da cui
La pompa centrifuga della figura aspira 0,002mc/sec di acqua alla profondità di 4
m. La tubazione del diametro di 4 cm termina sotto al livello del pozzo con una
valvola di ritegno. La somma delle perdite di carico (localizzate e continue) è pari a
0,86 m. Alla temperatura di esercizio la tensione di vapore dell'acqua è 2340 Pa.
Determinare la pressione di aspirazione e se la pompa possa funzionare,
nell'ipotesi che l'NPSHr sia di 3m,
h1 + P1/ + v12/2g = hasp + Pasp / + vasp2 /2g + y
Pasp / =h1 - hasp + P1/vasp2 /2g + y = -4 m + 10,33m -0,13m – 0,86m = 5,34 m
NPSHd = (Pasp – Pv)/ = 5,34 - (2240 /9800)= 5,10 m> di 3m per cui è dimostrato NPSHd>NPSHr
CURVE
CARATTERISTICHE
DELLA
POMPA
Sono utilizzate per prevedere il
comportamento di una pompa ai
diversi regimi. In ascissa si riporta
la portata volumetrica. In
ordinate le diverse variabili
dipendenti
dalla
portata:
prevalenza, rendimento, potenza
assorbita e NPSHr. Per ogni
portata, queste altre variabili
assumeranno valori vincolanti
che sono determinati dal grafico.
CURVE CARATTERISTICHE
DELL'IMPIANTO
Il punto di funzionamento ottimale della pompa, ovvero la coppia
prevalenza portata possibile, possiamo individuarlo nel punto di
intersezione della curva della pompa con la curva caratteristica
dell'impianto. Calcoliamola:
Definiamo la Prevalenza statica Hs = (h2-h1)+(P2-P1)/è una quota
fissa dipendente esclusivamente dalle caratteristiche dell'impianto;
invece la Prevalenza dinamica Hd = (v22-v12)2g + y è una funzione
variabile dipendente dalla portata.
PUNTO DI FUNZIONAMENTO
DELLA POMPA
Se poniamo sullo stesso grafico la curva caratteristica della pompa della
prevalenza con la funzione che descrive la prevalenza statica dell'impianto, il
punto di incontro ci fornisce il Punto di funzionamento della pompa, la coppia
di valori prevalenza portata che consente di svolgere i lavoro richiesto
dall'impianto. ESEMPIO 6.3. PAG 175
CURVE ISORENDIMENTO
Per garantire risparmio energetico e ridurre i rischi di ricircolazione e cavitazione, è
importante far lavorare le pompe nelle condizioni di maggior rendimento. Le curve
caratteristiche delle pompe sono calcolate su numeri di giri differenti o su diametri differenti.
Le diverse curve sono riportate nello stesso grafico.
INSTALLAZIONE DELLA POMPA CENTRIFUGA
1) Fissare al suolo la pompa con una piattaforma piana e ancoraggi
adeguati alle sollecitazioni meccaniche.
2) Allineamento pompa e motore, periodicamente controllata per evitare
distorsioni determinate dall'uso della pompa.
3) “Adescare la pompa”, ovvero riempirla di liquido e liberata dell'aria.
4) Ridurre al minimo le perdite di carico nella tubazione di aspirazione
(diametri troppo piccoli, curve, valvole, apparecchiature di misure,
ecc). Questo per avere un NPSHd sufficientemente alto all'aspirazione.
5) Per evitare lo svuotamento, introdurre le valvole di ritegno nelle
pompe a battente negativo (sopra il livello del liquido da
movimentare) che chiuda la tubazione della aspirazione.
6) Valvole di intercettazione prima e dopo la pompa per sezionare
l'impianto in caso di sostituzione della pompa.
REGOLAZIONE POMPA CENTRIFUGA
1) La regolazione della portata di una pompa centrifuga si effettua
introducendo una valvola di regolazione nella tubazione di mandata.
2) Il regime del motore della pompa è mantenuto costante.
3) L'apertura o la chiusura della pompa cambia la Leq/d della valvola e
conseguentemente la curva caratteristica dell'impianto.
4) La regolazione può essere fatta variando il regime del motore elettrico,
anche se è una tecnica poco utilizzata (fig. b).
REGOLAZIONE POMPE CENTRIFUGHE
Linea
trasmissione
segnale
(pneumatico)
di
del
Attuatore pneumatico
Misuratore di portata
BYPASS di sicurezza
POMPE VOLUMETRICHE
La portata erogata è teoricamente indipendente dalla prevalenza.
In realtà l'aumento di pressione man mano che aumentano i
regimi determina modifiche alla portata trasportata.
Le pompe volumetriche sono adatte a trasportare liquidi viscosi.
Nelle pompe centrifughe, l'aumento di viscosità porta ad un
incremento delle perdite di carico e un abbassamento
dell'NPSHd. Al contrario nelle pompe volumetriche consente un
completo riempimento della pompa e migliora l'efficienza.
Sono ideali per il dosaggio dei reagenti (pompe dosatrici), per
maggior accuratezza nella portata.
Sono ideali anche in condizioni di regime variabile (viscosità,
temperatura, pressione, composizione, ecc). La pompa
centrifuga ha una zona di efficienza ottimale ristretta.
POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE
(O A STANTUFFO)
La parte meccanica è un pistone collegato ad un
sistema biella manovella, che trasforma il moto
rotatorio del motore in alternativo. Il movimento
del pistone avviene all'interno di un pistone.
Il limite di funzionamento è dato dalla resistenza alla
pressione e di tenuta delle parti meccaniche della
pompa. Per questo è necessario una valvola di
sicurezza sulla mandata.
Nel ciclo di funzionamento della pompa possiamo
individuare una fase di aspirazione (riempimento
della camera) e una di scarico o mandata
(svuotamento).
POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE
Pompa simplex a singolo effetto
Le tubazioni di mandata e
aspirazione sono collegate
al
pistone
attraverso
valvole di ritegno. Il grafico
mostra la portata erogata
di una pompa simplex a
semplice effetto.
POMPE VOLUMETRICHE ALTERNATIVE
Pompa simplex a duplice effetto
La camera è divisa in due dal pistone in modo che per ogni movimento alternativo avvenga sia
una fase di aspirazione che di mandata. Per avere una portata più costante, è necessario
mettere un polmone sulla mandata.
La velocità del pistone non deve essere tale da determinare il distacco del liquido dal pistone.
Per questo le portate erogate non possono essere elevate. Infatti, non potendo agire sulla
velocità del pistone, per elevate portate servono apparecchiature di dimensioni rilevanti,
difficilmente gestibili.
REGOLAZIONE POMPE ALTERNATIVE
In tutte le pompe volumetriche la portata non può essere regolata con valvole sulla
mandata, perchè determinerebbero sovrappressioni pericolose per le apparecchiature.
La portata erogata dipende solo dal numero di cicli dello stantuffo.
La regolazione agendo sulla velocità del pistone è però poco precisa, lenta e complessa.
Inoltre non avendo un regime costante, l'efficienza della pompa diminuisce.
Si preferisce perciò fare un bypass con valvola di regolazione. La portata in mandata è
regolata deviando parte del flusso nel riciclo aprendo la valvola di regolazione. L'eccesso
di liquido in mandata torna nella linea di aspirazione.
FC: controllo di portata.
POMPE ALTERNATIVE
A STANTUFFO TUFFANTE
POMPE ALTERNATIVE
A DIAFRAMMA (MEMBRANA)
POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE
POMPA AD INGRANAGGI
POMPA A LOBI
Adatta per liquidi molto viscosi, inadatte per sospensioni abrasive. Fondamentale la
precisione della meccanica per evitare il ritorno di liquido dalla parte centrale.
POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE
La pompa peristaltica trova largo impiego in biotecnologie e
come pompa dosatrice.
POMPE PER APPLICAZIONI SPECIALI
AIR LIFT: il gorgogliamento dell'aria in Ht
fa diminuire la densità del liquido al suo
interno che è spinto verso l'alto dalla
pressione idrostatica (Legge di Stevin) del
liquido esterno.
Oltre a questa possiamo citare anche la
vite di Archimede.