Dimensionamento e accoppiamento di pompe centrifughe in serie

Nell’accoppiamento di pompe centrifughe si affiancano due o più macchine per ottimizzare al meglio il rendimento e l’operatività dell’impianto. E’ possibile infatti che le pompe disponibili non rispondano ai requisiti di prevalenza e portata richieste per l’installazione: in questo caso può essere conveniente accoppiare due o più pompe in serie o in parallelo, per ottenere le prestazioni desiderate. Analizziamo di seguito alcuni esempi concreti per capire più a fondo i diversi casi.

Accoppiamento di pompe centrifughe in serie ed in parallelo

In alcune applicazioni risulta conveniente collegare due pompe in serie: la curva caratteristica finale, date le curve delle singole pompe, si costruisce sommando per ogni valore della portata Q la prevalenza H di ciascuna pompa.

Tale premessa è molto importante perché il collegamento di più macchine insieme andrà a modificare il punto di funzionamento dell’impianto, corrispondente a un certo valore di portata e prevalenza.

A livello operativo le pompe multiple sono adoperate nelle situazioni in cui è necessario conferire alla portata aspirata un’elevata prevalenza totale che non può essere raggiunta (o che non è economicamente conveniente raggiungere) con un unico gruppo.

La figura seguente mostra una macchina montata nella condotta di aspirazione di una pompa di superficie (disposizione adoperata, ad esempio, per il sollevamento della portata da pozzi molto profondi).

 

Nella parte destra dell’immagine si nota la pompa installata sulla derivazione di una condotta elevatrice principale, solleva una certa portata verso un serbatoio intermedio (derivazione con pompaggio).

L’effetto idraulico di più pompe in serie, dunque, si traduce nell’incremento di prevalenza di un’unica portata: sul piano delle curve caratteristiche, ciò implica che per ogni portata si sommano le prevalenze.

Quando due, tre o più pompe sono montate invece in parallelo si parla di pompe a doppia, tripla ed n-upla aspirazione. Tale disposizione è adottata quando è richiesto di sollevare, con un servizio continuo, portate elevate e/o variabili in un campo molto esteso.

I modelli impiegati naturalmente possono essere diversi ed avere differenti curve caratteristiche; inoltre, a seconda delle esigenze del servizio, possono funzionare contemporaneamente o in differenti stadi.

A pari prevalenza totale fornita dalle macchine, l’effetto idraulico di più pompe in parallelo si traduce nell’incremento della portata aspirata. Dal punto di vista delle curve caratteristiche ciò implica che per ogni prevalenza si sommano le portate. La curva caratteristica risultante si ricava sommando, per ciascuna ordinata, le ascisse delle singole curve ottenendo, in generale, una curva abbastanza tesa, quindi adatta a prevalenze geodetiche poco variabili.

Un caso pratico: il dimensionamento di un impianto di pompaggio

Vediamo ora un caso pratico con un po’ di numeri, per fare chiarezza sulle grandezze fisiche coinvolte. A tale scopo analizziamo il caso di un condotto di reflui industriali, lungo complessivamente 25 km, che deve convogliare 180000 kg/h di fluido (avente densità r = 920 kg/m^3).

Lungo l’impianto sono disposte, a intervalli regolari, delle stazioni di pompaggio in cui si vogliono installare in parallelo un certo numero di pompe centrifughe, tutte uguali per semplicità. Si vuole determinare:

• Il numero di pompe per ciascuna stazione di pompaggio;
• La potenza assorbita da ogni pompa collegata;

Come prima cosa osserviamo che, note la portata massica QM = 180000 kg/h e la densità del fluido, si può calcolare la portata volumetrica come segue:

Le stazioni di pompaggio costituiscono una serie di pompe poste in serie, pertanto la portata nella condotta dovrà essere erogata da ognuna delle stazioni di pompaggio. Inoltre in ogni stazione vi sono più pompe montate in parallelo, pertanto ogni pompa della stazione dovrà erogare una portata pari a:

Il numero di pompe per stazione deve essere scelto guardando la caratteristica Hm della pompa (ricordiamo che tutte le pompe sono uguali e quindi hanno la stessa caratteristica), in modo che lavori col massimo rendimento possibile.

Si possono determinare le portate delle pompe collegate in parallelo tramite semplici calcoli; vediamo cosa succede nel caso di un collegamento fra 2 o 3 pompe in parallelo, in cui cioè ogni pompa deve erogare una portata Qi pari a:

Ora per determinare la scelta migliore è però necessario conoscere la curva caratteristica Hm della pompa e la curva del rendimento. Una volta in possesso di questi dati è possibile stabilire a che rendimento lavora ogni singola pompa, e quindi fare delle considerazioni di tipo energetico (vedi grafico sottostante).

Osservando il grafico, si nota che dalla caratteristica Hm (punto M2), ogni pompa lavora con un rendimento di 0,62 , più basso del rendimento massimo di 0,75. Inoltre ogni pompa fornisce una prevalenza Hm2 = 28 m. Nel secondo caso invece, ovvero 3 pompe collegate in parallelo, come si vede dalla caratteristica Hm (punto M3), ogni pompa lavora con un rendimento h = 0,72 , molto vicino al rendimento massimo hmax = 0,75. Inoltre ogni pompa fornisce una prevalenza Hm3 = 40 m (valore che si ottiene incrociando le curve del grafico). Quest’ultima sembra infatti essere la soluzione migliore.

In conclusione dal confronto si evince che è più conveniente, almeno per quanto riguarda il rendimento, utilizzare per ogni stazione di pompaggio tre pompe disposte in parallelo.

Con questa disposizione ogni pompa fornisce una prevalenza di 40 m e tutte le tre pompe forniranno la stessa prevalenza, in quanto sono montate in parallelo. Per concludere l’analisi, è possibile anche calcolare la potenza assorbita da ogni singola pompa (da cui si può anche dedurre la potenza complessiva richiesta dall’impianto):

Da questo esempio emerge che, a seconda del caso specifico, è possibile aumentare l’efficienza di un impianto scegliendo il giusto accoppiamento fra le pompe centrifughe.