Controllo della portata, due metodi a confronto

Dopo aver parlato in maniera più generale dell’efficienza energetica, ora esaminiamo comparativamente i due sistemi di controllo della portata erogata dalla pompa individuati.

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Pompaggio efficiente a velocità variabile

Dagli ultimi dati disponibili, nel settore industriale il consumo di energia elettrica è attribuibile per il 74% al funzionamento dei motori elettrici per l’azionamento delle pompe; nel loro ciclo di vita il costo dell’energia utilizzata per il funzionamento ha un impatto rilevante sui consumi energetici nell’industria: è infatti mediamente pari al 98,4% del costo complessivo.

Affronteremo ora la tematica relativa all’efficienza energetica nei gruppi moto-pompe con particolare attenzione ai sistemi disponibili per il controllo e la regolazione della portata che deve erogare la pompa, strettamente correlata ai consumi energetici.

Efficienza energetica e scelta della pompa

L’efficienza energetica oggi costituisce un aspetto molto importante che interessa prodotti, processi e sistemi industriali moderni.

Con le previsioni di crescita costante della domanda mondiale di energia, la riduzione dei consumi e l’uso razionale delle risorse energetiche e naturali rappresentano degli obiettivi chiave da raggiungere per qualsiasi sistema industriale.

Ne consegue che la scelta dei sistemi di pompaggio deve essere condotta con grande attenzione.
Nei sistemi di pompaggio, per la movimentazione del fluido all’interno delle tubazioni vengono normalmente impiegati i gruppi moto-pompa, scelti dal progettista in sede di progetto dell’impianto in base ai vari criteri di scelta, come la natura del fluido da movimentare, la portata da erogare, la prevalenza richiesta, l’economicità in funzione del diametro ottimale calcolato della tubazione di mandata, l’applicazione a studio, il sistema di controllo adatto, nonché il livello di efficienza delle macchine accoppiate.

Considerando i vari fattori sopracitati, possiamo dire che un aspetto fondamentale riguarda il controllo della portata erogata dalla macchina operatrice azionata dal motore elettrico. Questo controllo può avvenire con l’impiego di tecnologie dissipative come le valvole, oppure con l’impiego di tecnologie efficienti che permettono la regolazione ed il controllo ottimale nel tempo in funzione della domanda del sistema; in questo caso stiamo parlando dei sistemi elettronici di regolazione di frequenza (Inverter).

Metodi per la regolazione della portata

Ci sono diversi metodi per la regolazione della portata:

  1. Strozzamento della valvola di regolazione situata a valle della pompa
  2. Sistemi con serbatoio di accumulo
  3. Azionamento variabile della pompa tramite l’alimentazione del motore elettrico ad alta efficienza con inverter (convertitore di frequenza)

Il primo metodo è essenziale, e costituisce un metodo meccanico tradizionale con bassa efficienza, è semplice ma introduce nel sistema fenomeni dissipativi inevitabili per effetto della strozzatura della vena fluida attraverso la valvola di regolazione (VR), inoltre con questo metodo il punto di funzionamento della pompa si posiziona distante dalla zona ottimale, ovvero lontano dal punto di massima efficienza.

Il secondo metodo consiste nell’interposizione di un serbatoio di accumulo (S) aperto o chiuso, tra la pompa ed il sistema di tubazione, questo serbatoio deve essere dimensionato opportunamente e deve essere in grado di soddisfare la variazione di domanda di carico nel tempo. Questo metodo di regolazione è più efficiente del primo, ma l’efficienza rimane sempre a livelli bassi.

 

Il terzo metodo, è basato sull’azionamento variabile della pompa che viene effettuato attraverso l’impiego di un motore elettrico ad alta efficienza alimentato da inverter (AV). Questo sistema permette alla pompa di lavorare nelle condizioni di carico ottimali raggiungendo elevati livelli di efficienza e controllo del gruppo moto-pompa con il conseguente risparmio di energia fino al 70%. È un sistema di controllo della portata con molteplici vantaggi sia dal punto di vista operativo che economico.


Risulta rilevante l’impiego di motori elettrici ad alta efficienza considerando la loro diffusione all’interno dei processi produttivi.

Sotto vi mostriamo un grafico che evidenzia in percentuali le varie componenti relative ai costi d’acquisto e di esercizio di un generico motore elettrico.

 

Dal grafico in figura 4 si può notare che l’incidenza maggiore sul costo corrisponde al consumo di energia elettrica (98,4%), pertanto questa voce costituisce il punto chiave sul quale agire per aumentare l’efficienza. Una misura molto efficace è l’impiego di motori elettrici con classe di efficienza elevata, ormai molto diffusi nell’industria.
Possiamo anche affermare che grazie alle nuove normative, sempre più rigorose, in materia di efficienza energetica in ambito comunitario, l’uso di motori elettici ad alta e altissima efficienza sono una realtà accolta positivamente dai costruttori, considerando che soltanto il settore industriale impiega circa il 50% dell’energia elettrica totale prodotta, con i motori con una quota variabile stimata tra 60-80%.

Nel nostro prossimo articolo analizzeremo comparativamente ad alto livello il gruppo moto-pompa evidenziando le principali caratteristiche per le due modalità di controllo della portata erogata.

 

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Pompaggio di liquidi contenenti sostanze abrasive

liquidi abrasivi

Il pompaggio di liquidi contenenti sostanze abrasive riguarda vari settori industriali: impianti per il trattamento delle acque reflue, impianti tecnologici per il trattamento galvanico delle superfici, impianti metallurgici, industria chimica e alimentare.

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Analisi fluidodinamica della girante di una pompa

Durante l’elaborazione del fluido all’interno della pompa, come ipotesi fluidodinamica si assumono le condizioni di flusso stazionario o a regime, e flusso monodimensionale. Queste sono due ipotesi semplici assunte per agevolare lo studio del flusso e le relazioni tra il fluido, la palettatura e le prestazioni per determinate condizioni operative prefissate.

Progettazione di una pompa

Il processo di progettazione ingegneristica di una pompa centrifuga è molto complesso; occorre in primo luogo fissare i vincoli progettuali per il raggiungimento del target prefissato rispettando tempi e costi calcolati per la conclusione del progetto con la qualità richiesta.
In fase di progettazione uno degli elementi chiave nella configurazione costruttiva è rappresentato dalla girante; la analizzeremo sotto il profilo delle perdite che in essa hanno luogo.
Di seguito in figura sono riportati i tipi di perdite che si verificano in una girante; esamineremo quindi le perdite per carico palare, che possono avere un elevato impatto.

 

Le perdite per carico palare (blade loading) sono legate alla differenza di pressione esistente tra le due facce palari, intradosso e estradosso; dove una risulta sottoposta a pressione (driving side) ed un’altra sottoposta a depressione (trailing side).
Normalmente si verifica che la pressione nella sezione di imbocco della pompa risulti inferiore a quella ambiente a causa dei seguenti fattori:

• Aumento della energia cinetica,
• Le perdite nelle condotta di aspirazione,
• Lavoro in quota

Inoltre occorre considerare che nel canale interpalare il fluido subisce una considerevole accelerazione con una conseguente ulteriore caduta di pressione, quindi come risultato finale si verifica una distribuzione non uniforme delle pressioni lungo la linea meridiana del profilo palare. La pratica sperimentale dimostra che elevati valori di blade-loading all’uscita possono generare fluttuazione di pressione e rumorosità.

Consideriamo un modello di perdite fluidodinamiche per una generica pompa centrifuga, modello nel quale viene considerata l’incidenza di tutte le perdite sopra elencate; a queste perdite si aggiungono le perdite all’ingresso (suction intake) che dipendono dal sistema di ingresso, determinato a sua volta da esigenze impiantistiche.

È possibile calcolare una efficienza della girante per erogare la prevalenza effettiva, ovvero la massima energia specifica che la girante è in grado di elaborare.
Essa viene calcolata con la seguente espressione:

Dove:

L = Lavoro di Eulero

Δp fluido = Caduta di pressione interna della girante (perdita energetica)

Come evitare il rischio di cavitazione

Risulta di vitale importanza, durante la fase progettuale, la verifica per la riduzione del rischio di cavitazione. È necessario in primo luogo capire quali sono le condizioni che causano l’instaurarsi del fenomeno della cavitazione.

Come è noto, affinché non vi sia cavitazione deve essere soddisfatta la seguente disuguaglianza:

P min > P vapore del fluido

Verificando la condizione necessaria, quale:

NPSH disponibile > NPSH min

Dove NPSH min dipende solo dalla geometria e dalle prestazioni della pompa, in caso di scelta di una pompa, esso è fornito dal costruttore.

Attualmente per lo studio e la progettazione di una macchina idraulica vengono impiegati dei software CFD i quali permettono l’utilizzo di codici di calcolo evoluti per l’impostazione di un modello fluidodinamico valido per le analisi e la progettazione idraulica ottimizzata fino alla validazione tecnica della macchina.

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L’efficienza idraulica di una pompa

Al momento di scegliere una pompa da inserire in un circuito idraulico, è necessario valutare diversi fattori:

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La progettazione di una pompa centrifuga

Per comprendere come si svolge la progettazione di una pompa centrifuga è necessario innanzitutto comprenderne il funzionamento.

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La corrosione negli impianti industriali

pompa per lavori gravosi x-class

La corrosione è un fenomeno spontaneo, e definisce l’interazione chimica o elettrochimica tra un materiale e l’ambiente circostante. Il fenomeno aggredisce in maniera significativa i metalli provocando in essi un decadimento delle caratteristiche meccaniche nominali che compromettono la funzionalità. Per questa ragione, in fase progettuale occorre prestare attenzione alla compatibilità dei materiali scelti rispetto alle caratteristiche del fluido da pompare; verificando il campo d’impiego dei materiali in funzione del pH del fluido nonché gli altri fattori che influenzano il fenomeno corrosivo.

In seguito vi presentiamo i diversi fattori che influenzano la corrosione di un metallo.

fattori influnzanti fenomeno corrosivo metalli

Fig. 1: I principali fattori influenzanti del fenomeno corrosivo nei metalli

Possiamo affermare che la condizione operativa più gravosa è quella nella quale si presentano contemporaneamente più fattori, il che determinerebbe una accelerazione del fenomeno corrosivo; e quindi una contrazione della vita utile stimata della componentistica d’impianto, con un conseguente impatto sui costi di manutenzione per il mantenimento dell’impianto in esercizio.

Esaminando nel dettaglio i principali fattori influenzanti abbiamo:

  1. pH
    Di norma l’attacco corrosivo risulta più gravoso in un ambiente acido con il valore di pH posizionato nel intervallo (0 < pH < 6); dove nell’intervallo (0 < pH < 4) la corrosione acida accelera in maniera esponenziale. Come è noto, il pH rappresenta il fattore che più fortemente influenza la velocità di corrosione (Vcorr).
    Da sottolineare che per ambienti a pH alcalini la velocità di corrosione (Vcorr) viene fortemente rallentata per la formazione di un film protettivo di ossido, meno severo risulta in un ambiente basico corrispondente all’intervallo (8 < pH < 14).
    Da quanto espresso precedentemente si evince che per valori di pH diversi da 7 si verifica un attacco corrosivo più o meno grave.
    Di seguito vi presentiamo degli intervalli pratici relativi ai campi d’impiego di alcuni materiali in funzione del pH del fluido:

    Materiale pH del fluido
    Acciaio inossidabile 0 < pH < 14
    Bronzo – Alluminio 3 < pH < 10
    Ghisa bianca HC 6 < pH < 13
    Rivestimento epossidico con anodi di zinco 4 < pH < 13
    Ghisa e acciaio 6 < pH < 14
    Leghe in alluminio 4 < pH < 8

     

  2. Contenuto di Sali
    L’attacco corrosivo viene accelerato in proporzione al contenuto di sali disciolti, la capacità di penetrazione dello ione cloruro attraverso lo strato superficiale di ossido determina l’intensità dell’azione corrosiva sul metallo.

  3. Concentrazione di ossigeno disciolto
    L’ossigeno è un reagente catodico; la sua solubilità dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di sali.

  4. Temperatura
    L’intensità dell’attacco corrosivo aumenta con la temperatura, cosi come il suo livello diffusivo.
    La corrosione si può presente o manifestare sotto diverse forme, fondamentalmente vengono individuate due forme principale, la corrosione generalizzata e la corrosione locale, a seconda se il fenomeno si presenta in maniera diffusa su tutte le superfici o meno.

 

La corrosione nei materiali plastici

Finora abbiamo esaminato i materiali metallici, ma anche i polimeri e i materiali plastici sono soggetti all’attacco dei fluidi corrosivi. Le modalità di questi attacchi sono riportati in figura 2

La corrosione nei materiali plastici

Fig. 2: modalità di attacco corrosivo sui materiali plastici

L’attacco fisico è caratterizzato dal rigonfiamento locale del materiale plastico o del polimero, mentre l’attacco termico produce la decomposizione della struttura molecolare del polimero, e infine l’attacco chimico provoca l’idrolisi e la decomposizione della struttura molecolare.

Come si può facilmente intuire, questi attacchi provocano un deterioramento sostanziale delle caratteristiche meccaniche del materiale plastico, e quindi un decadimento delle caratteristiche richieste per una determinata applicazione industriale.

Focalizzandoci sulla macchina operatrice, ovvero la pompa, i suoi diversi elementi costruttivi devono poter contrastare in maniera efficace il fenomeno corrosivo per assicurare la massima disponibilità e affidabilità del sistema.

Questo presuppone che in sede progettuale la scelta tecnica sia orientata alla ricerca di soluzioni ingegneristiche specifiche come l’impiego di materiali altamente resistenti alla corrosione, nonché predisponendo eventualmente un sistema di monitoraggio tramite dei sensori, utili per stabilire gli interventi di manutenzione su condizione.

Inoltre è possibile prevedere gli effetti della corrosione realizzando dei test normalizzati.Esistono alcuni specifici settori industriali nei quali il pompaggio di fluidi corrosivi o particolarmente aggressivi ha una particolare rilevanza, quindi i componenti d’impianto a contatto con il fluido devono essere opportunamente protetti contro la corrosione. Questi settori sono:

•  Trattamento delle acque reflue,
•  Industria chimica per la produzione di solfuri, nonché altre sostanze
aggressive come l’acido cloridrico,
• Impianti per il trattamento delle acque residuali industriali,
• Impianti di pompaggio idrico,
• Impianti per il pompaggio dell’acqua marina o acque salmastre in generale
• Industria metallurgica e galvanica

Modalità di prevenzione e protezione dalla corrosione

In generale possiamo affermare che contro la corrosione si identificano fondamentalmente tre modalità di protezione o di prevenzione, che devono essere scelte e applicate considerando i vari fattori tecnico – economici:

corrosione: metodi di salvaguardia

Fig:3 Modalità di prevenzione e protezione dalla corrosione

 

Le pompe in plastica X–Class di Stubbe sono particolarmente adatte per la movimentazione di liquidi molto aggressivi, tossici e con un elevato contenuto di solidi.

 

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