L’efficienza idraulica di una pompa è un parametro fondamentale nella scelta di una pompa.

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

  • Campo d’impiego della pompa in funzione delle caratteristiche costruttive,
  • Portata di liquido da movimentare o sollevare,
  • Prevalenza richiesta,
  • Natura e caratteristiche del liquido da pompare,
  • Fattori economici, con specifico riferimento al minimo costo delle condutture per minimizzare i costi d’esercizio

Come calcolare l’efficienza idraulica di una pompa

Prendendo come riferimento un generico impianto idraulico, nel quale è inserita una generica pompa centrifuga con determinate caratteristiche costruttive, funzionali e prestazionali atta a soddisfare le specifiche di progetto per le condizioni operative di riferimento.

La progettazione idraulica costituisce un elemento di primaria importanza alla quale i progettisti devono prestare la massima attenzione con l’obiettivo di limitare le perdite di carico all’interno della pompa per fornire la portata di progetto per la prevalenza richiesta con elevati livelli di rendimento.

Tecnicamente, occorre considerare le perdite interne che riducono la potenza utile della pompa, cioè la potenza effettivamente trasferita al fluido considerando che:

ɳp = Pu /Pa

Dove:
ɳp = Rendimento globale della pompa
Pu = Potenza utile
Pa = Potenza assorbita dalla pompa

È noto che il rendimento globale viene calcolato come il prodotto dei singoli rendimenti parziali della macchina; come mostrato sotto:

ɳp =ɳi·ɳv·ɳm

Dove:
ɳi = Rendimento idraulico
ɳv = Rendimento volumetrico
ɳm = Rendimento meccanico

Perdite idrauliche all’interno della pompa

Le perdite idrauliche sono determinate da fenomeni di dissipazione di energia conseguente a urti, deviazioni e attriti del liquido in movimento nell’interno della macchina.

Invece le perdite per urto sono legate allo scostamento dei triangoli di velocità reali da quelli di progetto (teorici), che provoca l’urto della corrente fluida sulla palettatura. Occorre osservare che questo fenomeno si attenua in corrispondenza della portata nominale e aumenta per le condizioni di off-Design.

Le perdite per urto si verificano all’ingresso della girante quando la velocità relativa del fluido presenta un angolo diverso da quello costruttivo; come evidenziato precedentemente, questo fenomeno ha luogo al discostarsi dalle condizioni operative nominali.

È sperimentalmente dimostrato che per le pompe di largo impiego, ovvero quelle con le pale rivolte all’indietro, un aumento considerevole della portata erogata rispetto a quella nominale determina una modifica dei triangoli di velocità rispetto alle condizioni di progetto con conseguente impatto sulle prestazioni della macchina.

Infine possiamo dire che, l’entità delle perdite per urto risulta proporzionale al quadrato della relativa in ingresso, e al quadrato della differenza tra l’angolo reale e l’angolo costruttivo.

Per limitare le perdite idrauliche all’interno della macchina, in fase di progettazione occorre focalizzarsi su due temi fondamentali:

  • Ingresso del liquido senza urti
  • Uscita del liquidi con la minima velocità (bassa energia cinetica in uscita)

Il rendimento idraulico ɳi può essere definito come il rapporto tra la prevalenza e l’energia specifica necessaria da trasferire al fluido di lavoro:

ɳi = H/L

Per calcolare il rendimento idraulico possiamo ricorrere alle seguenti espressioni:

ɳi = H/Hteo
Dove:
Hm = Prevalenza manometrica effettiva
Hteo = Prevalenza teorica

Oppure:

ɳi = Hm/Hm + ∑y pompa

È noto che il rendimento idraulico dipende fortemente dall’architettura della macchina identificata con l’indice caratteristico k, nonché dal grado di finitura delle superfici bagnate e dal numero di Reynolds.

In funzione del coefficiente k è possibile identificare dei campi di applicazione all’interno di un range minimo e massimo come si può vedere nel grafico riportato in figura 4.

 

 

 

Da questa curva di rendimento idraulico si può vedere che, per k<1,5 corrispondenti alle macchine radiali (pompe centrifughe), queste garantiscono livelli di elevata efficienza con una vasta applicazione del settore impiantistico.

 

 

Analiticamente, il coefficiente caratteristico k dipende dal coefficienti di portata ɸ e di prevalenza ѱ; sostanzialmente, dunque, questo indice mette in relazione i tre principali parametri operativi della macchina (velocità di rotazione, portata e prevalenza), e non è altro che un indice di velocità specifica che viene calcolato secondo la seguente espressione:

Focalizzando l’attenzione sul tema delle perdite interne alla pompa durante la fase di progettazione ingegneristica, occorre tenerne conto del modello di riferimento per studiare il comportamento fluidodinamico della pompa e definire l’efficienza della girante. Da sottolineare che, per soddisfare l’obiettivo finale, oltre che a gli aspetti funzionali e prestazionali, dobbiamo considerare anche i vincoli relativi alla fabbricazione, ovvero i vincoli tecnologici.

Come evidenziato precedentemente, la maggior parte delle macchine idrauliche operatrici presentano la pale rivolte all’indietro; perché questa configurazione costruttiva consente di ottenere basse velocità in uscita dalla girante (secondo aforismo idraulico) il che determina una minore perdita nei condotti diffusori, inoltre con questa configurazione si ottengono i condotti della girante maggiormente divergente, il che significa avere perdite idrauliche più contenute dovute a vortici o distacchi di vena fluida.

Nella figura 6 sotto riportata vi presentiamo l’andamento caratteristico delle perdite all’interno della pompa. Dal bilancio energetico tra le sezioni d’ingresso e uscita possiamo concludere che la prevalenza corrisponde al lavoro trasferito al fluido meno le perdite totali.