Le pompe volumetriche sono state sviluppate molto prima delle pompe centrifughe. Il liquido viene spostato positivamente da un contenitore a volume fisso. Le pompe volumetriche sono in grado di sviluppare alte pressioni mentre operano a basse pressioni di aspirazione. Sono comunemente indicati come pompe a volume costante. A differenza delle pompe centrifughe, la loro capacità non è influenzata dalla pressione contro cui operano. Il flusso è solitamente regolato variando la velocità della pompa o riciclando. Le pompe volumetriche sono divise in due gruppi: pompe rotative e alternative.

Pompe rotative

Le pompe rotative sono normalmente limitate a servizi in cui la viscosità del fluido è molto elevata o la portata troppo piccola per essere gestita economicamente da altre pompe. Le pompe rotative sono comunemente utilizzate per far circolare gli oli lubrificanti attraverso motori, turbine, riduttori e cuscinetti per macchine di processo. Le pompe rotative spostano una quantità fissa di fluido per ogni giro dell’albero motore. Hanno diversi elementi di pompaggio come palette, lobi, ingranaggi e viti. Fico. 1 illustra tre (ingranaggi interni, ingranaggi esterni e vite) delle pompe rotative più comunemente utilizzate nelle operazioni di produzione.

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  Fig. 1-Pompe rotative comunemente usate.

La maggior parte dei produttori valuta le pompe rotative in base alla capacità (ad esempio, in tutto). La capacità è lo spostamento liquido totale della pompa meno slittamento. Lo slittamento è la quantità di fluido che perde dalla scarica a pressione più alta all’aspirazione a pressione più bassa. Lo slittamento si verifica perché tutte le pompe rotative richiedono spazi tra gli elementi rotanti e l’alloggiamento della pompa. Questi spazi forniscono un percorso di perdita tra i lati di scarico e di aspirazione. Una pompa con ampi spazi, a causa delle tolleranze di lavorazione o dell’usura, presenta uno slittamento proporzionalmente più grande. Le pompe rotative non possono spostare fluidi non lubrificanti come acqua o fluidi contenenti particelle dure o abrasive. Le pompe rotative possono spostare grandi quantità di aria o vapore per brevi periodi di tempo senza perdere prime.

Le pompe rotative sono autoadescanti ma non sono progettate per funzionare a secco per lunghi periodi. Per il miglior funzionamento, ci deve essere abbastanza fluido alla porta di aspirazione per mantenere la camera di pompaggio completamente riempita.

Fig. 2 illustra la relazione tra velocità, efficienza volumetrica e spostamento di una pompa volumetrica rotativa. I principi di funzionamento di alcuni dei tipi più comuni di pompe rotative sono descritti di seguito.

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  Fig. 2-Relazione tra velocità, efficienza volumetrica e spostamento di una pompa volumetrica rotativa.

Paletta scorrevole

Un insieme di palette è montato in un rotore in cui le palette scivolano dentro e fuori dal rotore. Il rotore è montato fuori centro nell’involucro. Mentre le palette ruotano oltre la porta di aspirazione, scivolano fuori dal rotore mantenendo un contatto costante con l’involucro. Molle o anelli sigillante aiutano a tenere le palette contro l’involucro, così le palette fanno una stretta tenuta, o in forma, contro la parete dell’involucro. Il fluido intrappolato viene forzato dalla porta di aspirazione alla porta di scarico.

Il design a palette scorrevole è in grado di fornire capacità e testa medie. Forniscono una portata costante per una velocità del rotore impostata. Funzionano bene con fluidi a bassa viscosità e sono in qualche modo auto-compensanti per l’usura. Non sono adatti per l’uso con fluidi altamente viscosi (fluidi più spessi interferiscono con l’azione di scorrimento delle palette). Una grande area di usura deriva dall’attrito tra le palette e il cilindro.

Paletta flessibile. La pala flessibile è simile alla pala scorrevole tranne che le palette sono generalmente un materiale morbido e flessibile e sono integrali con il rotore. Mentre il rotore gira, le palette si piegano e si conformano alla forma eccentrica del cilindro. Sono semplici, economici e sono in grado di sviluppare un vuoto. Non dovrebbero essere lasciati asciugare e dovrebbero essere usati solo con fluidi a bassa temperatura e in applicazioni a bassa prevalenza.

Ingranaggio esterno

L’ingranaggio esterno è costituito da due ingranaggi di dimensioni uguali, uno un driver e l’altro un folle, che ruotano all’interno di un alloggiamento. Come gli ingranaggi unmesh sul lato di aspirazione della pompa, si forma un vuoto. La pressione costringe il fluido nella pompa dove il fluido viene trasportato tra i denti dell’ingranaggio e il caso alla porta di scarico. Allo scarico, la maglia dei denti dell’ingranaggio crea un confine che impedisce al fluido di tornare all’aspirazione. Le pompe ad ingranaggi funzionano ugualmente bene quando guidate in entrambe le direzioni. Devono essere prese precauzioni per garantire che la rotazione dell’albero sia corretta quando vengono utilizzati dispositivi speciali, come valvole di sicurezza incorporate o una parte posteriore di sfiato della tenuta dell’albero.

Ci sono anche modelli che utilizzano più set di ingranaggi su un albero per produrre più capacità. Le pompe ad ingranaggi esterni sono di dimensioni compatte e possono produrre alte pressioni. Sono adatti per fluidi altamente viscosi. Sono facilmente fabbricati in una vasta gamma di materiali per garantire la compatibilità con i fluidi pompati. A causa delle loro tolleranze strette, sono limitate alle applicazioni del pulito-liquido.

Ingranaggio interno

La pompa ad ingranaggi interni è simile in linea di principio all’ingranaggio esterno tranne che l’albero motore gira un ingranaggio ad anello con denti interni. Il dente dell’ingranaggio esterno (ozioso) ruota su un centro di offset e maglie con l’ingranaggio di azionamento attraverso solo un arco segmentale di rotazione. Un filtro fisso a forma di mezzaluna occupa lo spazio tra le punte dei denti interni ed esterni di fronte al punto della maglia. Quando i denti degli ingranaggi si disinnestano alla porta di ingresso, il fluido entra e viene intrappolato nello spazio dei denti di ciascun ingranaggio e viene trasportato alla porta di scarico. L’ingranamento dei due ingranaggi e l’eliminazione dello spazio del dente costringe il fluido dalla pompa.

Le pompe ad ingranaggi laterali sono utilizzate in applicazioni a testa bassa. Sono limitati ad una contropressione massima di 100 psi e richiedono una valvola limitatrice di pressione sul lato di scarico. Poiché esistono piccole distanze, non possono gestire liquidi che contengono solidi. Il produttore deve sempre essere consultato prima di utilizzare qualsiasi pompa ad ingranaggi con solidi per la movimentazione dei fluidi.

Lobo

Le pompe a lobi funzionano allo stesso modo delle pompe ad ingranaggi, tranne che gli elementi rotanti hanno due, tre o quattro lobi invece dei denti degli ingranaggi. I lobi non possono guidarsi a vicenda, quindi vengono utilizzati gli ingranaggi di temporizzazione. I lobi non entrano mai in contatto tra loro in modo che la pompa possa essere lasciata asciugare. I lobi sono utilizzati dove l’integrità del prodotto deve essere mantenuta e nelle applicazioni in cui i liquidi sono sensibili al taglio. Il grande volume creato tra l’involucro e i lobi consente di pompare molti prodotti senza danneggiare il prodotto stesso. Un grande vantaggio è che non vi è alcun contatto metallo-metallo tra i lobi, quindi la possibilità che tracce di ferro, acciaio o altri materiali da costruzione della pompa finiscano nel prodotto a causa dell’usura è notevolmente ridotta. D’altra parte, sono più costosi di ingranaggi o pompe a palette e sono difficili da riparare e mantenere.

Vite

Le pompe a vite possono essere a rotore singolo (cavità progressiva) o a rotore multiplo (intermeshing). Le pompe a vite sono pompe relativamente ad alta velocità ma, a causa dell’inversione del flusso necessaria per entrare nel passaggio di aspirazione, NPSH può spesso essere un problema. Le pompe a vite sono utilizzate per applicazioni ad alta testa; sono il tipo di pompa rotativa più comune in uso nelle operazioni di produzione.

Vite singola

Nel design a vite singola, il fluido è intrappolato tra i gradini di una vite rotante e i gradini dell’elemento stazionario interno. Queste pompe sono utilizzate per liquidi viscosi e liquidi ad alto contenuto di solidi. Possono produrre un sollevamento di aspirazione significativo e pressioni relativamente elevate. Possono gestire fluidi che vanno dall’acqua pulita ai fanghi senza modificare distanze o componenti. D’altra parte, sono costosi, ingombranti e difficili da mantenere e le parti di ricambio sono costose.

Vite multipla

Nel design a vite multipla, il fluido scorre tra una vite di azionamento centrale e una o più viti folli in un alloggiamento aderente. Nelle pompe a due viti, entrambi gli alberi sono azionati con ingranaggi di temporizzazione. Nelle pompe a tre viti, i gradini delle viti vengono tagliati in modo che una vite possa guidare gli altri due. La rotazione delle viti produce un vuoto all’ingresso, muove il fluido attraverso la pompa e consegna il fluido allo scarico. In piccole dimensioni, vengono utilizzati per fornire olio lubrificante a motori e macchinari industriali. Nelle dimensioni intermedie, sono utilizzati negli edifici per uffici come fonte di energia idraulica per azionare gli ascensori. In grandi dimensioni, vengono utilizzati per caricare e scaricare chiatte e petroliere.

Pompe alternative

Le pompe alternative muovono il liquido per mezzo di un movimento costante avanti e indietro di un pistone, di uno stantuffo o di un diaframma all’interno di un volume fisso o di un cilindro. Le pompe alternative sono in grado di gestire fluidi viscosi e abrasivi. Sono macchine a bassa velocità rispetto alle pompe centrifughe e rotative. Offrono maggiori efficienze, generalmente dall ‘ 85 al 94%, quindi richiedono meno potenza. Le pompe alternative sono più adatte per applicazioni ad alta pressione e a basso volume. Spesso richiedono smorzatori di pulsazione a causa della natura pulsante del flusso. Hanno costi di installazione più elevati (solitamente compensati da maggiori efficienze) e costi di manutenzione più elevati rispetto alle pompe centrifughe o rotative.

Pompe a pistone e a stantuffo

Nelle pompe a stantuffo, uno stantuffo si muove attraverso una guarnizione imballata stazionaria e viene spinto e prelevato da una cavità liquida. Nelle pompe a pistone, un pistone che si muove avanti e indietro all’interno di una cavità liquida spinge il fluido dal cilindro. Il movimento dello stantuffo o del pistone crea un aumento e una diminuzione alternati di flusso. Quando lo stantuffo o il pistone si spostano all’indietro, il volume disponibile nel cilindro aumenta e una valvola di aspirazione si apre per consentire al liquido di entrare nel cilindro attraverso una valvola di aspirazione unidirezionale. Quando lo stantuffo o il pistone si muovono in avanti, il volume disponibile nel cilindro diminuisce, la pressione del liquido aumenta e il liquido viene espulso attraverso una valvola di scarico unidirezionale.

Le efficienze rimangono elevate indipendentemente dalla testa o dalla velocità (tendono a diminuire leggermente con l’aumentare della velocità). Poiché le pompe alternative funzionano a velocità inferiori rispetto alle pompe centrifughe o rotative, sono più adatte per la movimentazione di liquidi viscosi. Sono in grado di produrre alte pressioni e grandi capacità e sono autoadescanti. D’altra parte, richiedono più manutenzione a causa del gran numero di parti mobili. Sono più pesanti e richiedono più spazio rispetto alle pompe centrifughe o rotative. Inoltre, sono poveri nel gestire liquidi contenenti solidi che tendono a erodere valvole e sedi. Le pompe a pistone e pistone richiedono NPSH più grandi a causa del flusso pulsante e della caduta di pressione attraverso le valvole. Come risultato del flusso pulsante, richiedono una particolare attenzione alla progettazione delle tubazioni di aspirazione e scarico per evitare vibrazioni sia acustiche che meccaniche.

Pompe a membrana

Fig. 3 mostra una tipica pompa a membrana a fluido (gas, aria o liquido). Il suo principio di funzionamento è simile alle pompe a pistone e pistone tranne che, invece di uno stantuffo o pistone, c’è un diaframma pulsante flessibile che sposta il liquido. La variazione della pressione del fluido di alimentazione su un lato del diaframma fa sì che il diaframma si devii alternativamente aspirando il liquido nella camera lato pompa o scaricando il liquido dalla camera lato pompa. Le pompe a membrana sono in grado di pompare liquidi viscosi, erosivi, corrosivi o che contengono grandi quantità di solidi. Inoltre, le pompe a membrana sono autoadescanti, possono funzionare periodicamente senza liquidi e sono poco costose da riparare perché non hanno premistoppa e hanno poche parti mobili.

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  Fig. 3-Pompa a membrana.

Le pompe a membrana sono limitate a portate ridotte (90 gal / min), pressioni di scarico moderate e temperature moderate. Richiedono una manutenzione frequente e presentano un guasto alla fatica nel tempo. Le perdite possono causare un pericolo miscelando il fluido di alimentazione con il fluido di processo. Le pompe a membrana a gas/aria sono comunemente utilizzate come pompe di pozzetto.

È possibile utilizzare un diaframma per alimentare uno stantuffo o una pompa a pistone. Questo tipo di pompa viene spesso utilizzato per l’iniezione chimica perché è adatto per applicazioni a basso volume e di grandi dimensioni e la velocità può essere controllata da una valvola di limitazione sul fluido di alimentazione.

Considerazioni sulle prestazioni della pompa alternativa

Le pompe alternative sono pompe a volume costante. Le variazioni delle pressioni di scarico non influiscono sulla portata. Poiché queste pompe continuano a fornire la stessa capacità, qualsiasi tentativo di strozzare il flusso di scarico potrebbe sovrappressione del corpo pompa e/o della tubazione di scarico. Pertanto, nessuna pompa alternativa deve mai essere avviata o azionata con la valvola di blocco di scarico chiusa. Il flusso è regolato dalla velocità.

Capacità

La capacità di una pompa alternativa è la cilindrata del cilindro meno slittamento. Per un cilindro a semplice effetto, la cilindrata del cilindro può essere determinata da

(Eq. 1)

Per cilindri a doppio effetto, la cilindrata può essere determinata da

(Eq. 2)

dove

s = cilindrata

A = area del pistone o del pistone

a = area della sezione trasversale dello stelo

LS = lunghezza corsa

N = velocità

m = numero di pistoni o pistoni.

Lo slittamento è la perdita di capacità in percentuale della cilindrata del cilindro a causa dell’efficienza volumetrica, delle perdite della scatola di riempimento e delle perdite della valvola. L’efficienza volumetrica (da non confondere con l’efficienza meccanica) è normalmente del 95-97%. L’efficienza è anche ridotta quando si pompa un idrocarburo leggero che ha un certo grado di comprimibilità.

La capacità della pompa può essere determinata da

(Eq. 3)

dove

q = capacità della pompa.

Velocità

La velocità è il fattore primario che determina sia la capacità di una pompa alternativa che i suoi costi di manutenzione. Il funzionamento a velocità elevate riduce la durata dell’imballaggio e aumenta le forze di accelerazione e decelerazione su tutti i componenti in movimento. Operare al di sotto della velocità massima” nominale ” può essere vantaggioso quando la pompa viene azionata incustodita, quando non ci sono pezzi di ricambio e nessuno standby, quando c’è una penalità elevata per i tempi di fermo, quando la manutenzione dell’unità è scarsa, quando si desidera una lunga durata e quando il margine NPSH è basso. Il funzionamento alle velocità nominali massime richiede:

• Pulito, fresco fluidi
• Ottima sistemazione delle tubazioni con rigidamente tubazioni fisse
• Buona NPSH margine
• Solida base
• Ben progettato di aspirazione e di scarico pulsazioni
• Buona manutenzione

ogni Qualvolta si rende necessario per funzionare al di sopra del massimo nominale di velocità particolare attenzione dovrebbe essere data a tutti la progettazione, il funzionamento e la manutenzione dettagli.

Linee guida per l’installazione

Se le pompe volumetriche sono correttamente installate e gestite, è possibile ottenere prestazioni soddisfacenti per lungo tempo. Queste pompe sono prodotte in una varietà di disegni per molti servizi diversi. Le istruzioni di ciascun produttore devono essere seguite attentamente per macchine o apparecchiature di applicazione specifiche. La discussione che segue riguarda le linee guida generali di installazione per le pompe alternative a cilindrata positiva.

Fondazioni e allineamento

La maggior parte delle fondazioni delle pompe sono costruite in cemento armato. La pompa e il driver sono avvitati a una piastra di base in ghisa o acciaio, che è fissata alla fondazione in calcestruzzo con bulloni di ancoraggio. Piccole pompe hanno bisogno di una fondazione abbastanza grande per ospitare il gruppo piastra di base. Le pompe di grandi dimensioni richiedono una fondazione da tre a quattro volte il peso della pompa e del driver.

Installazione della manica del bullone di ancoraggio

Ogni bullone di ancoraggio misura con una rondella ed è passato attraverso una manica del tubo che ha un diametro tre-quattro volte più grande del bullone. L’unità del bullone-manicotto è messa nel calcestruzzo alle posizioni predeterminate del foro della base-piastra. La flessibilità nell’unità della rondella della manica permette che le regolazioni minori siano fatte nella posizione del bullone prima del serraggio finale anche dopo che la fondazione concreta ha messo.

Regolazioni dello spessore del metallo

Gli spessori metallici vengono utilizzati per posizionare la pompa sulla fondazione. Le regolazioni vengono effettuate fino a quando l’albero della pompa e le flange sono completamente livellate. L’allineamento tra la pompa e il driver viene quindi regolato prima di collegare la pompa alle linee di aspirazione e scarico. Quest’ultimo avrebbe dovuto essere allineato durante il posizionamento iniziale della piastra di base.

Stuccatura

A causa della deformazione del tubo, l’intero gruppo pompa deve essere ricontrollato per l’allineamento una volta che la tubazione è stata saldamente imbullonata. Se l’allineamento dell’azionamento non è stato modificato avvitando le tubazioni, lo spazio tra la piastra di base e le fondazioni in calcestruzzo viene riempito con stuccatura. La stuccatura deve essere sufficientemente fluida da riempire tutto lo spazio disponibile sotto la piastra di base.

Considerazioni sulla temperatura di esercizio

È essenziale che l’allineamento tra la tubazione, la pompa e il driver non cambi. Idealmente, gli allineamenti dovrebbero essere fatti alla temperatura di esercizio dopo l’allineamento a freddo iniziale del sistema di pompaggio, eliminando così eventuali cambiamenti di allineamento a causa dell’espansione termica.

Tubazioni

Accanto alla selezione delle velocità operative, la corretta progettazione delle tubazioni è la considerazione più importante nella progettazione dell’installazione della pompa. Tubazioni scadenti sono spesso il risultato di disattenzione ai dettagli, che può portare a tempi di inattività superiori alla media, costi di manutenzione più elevati e perdita di fiducia del personale operativo.

Le tubazioni di aspirazione devono essere dirette, prive di curve, il più corte possibile e di almeno una dimensione nominale del tubo più grande del collegamento pompa-aspirazione. Le modifiche delle tubazioni direzionali devono essere effettuate con gomiti a raggio lungo. Una valvola di blocco di apertura completa deve essere installata nella tubazione di aspirazione. Il recipiente di aspirazione dovrebbe avere un tempo di ritenzione sufficiente per l’evoluzione del gas libero e dovrebbe essere dotato di un interruttore a vortice sull’ugello di scarico. Le linee di aspirazione e bypass dovrebbero entrare nel recipiente al di sotto del livello minimo del liquido.

Le tubazioni di aspirazione devono essere sufficientemente grandi da non superare i limiti di velocità. I riduttori eccentrici con il lato piatto verso l’alto dovrebbero essere usati al posto dei riduttori concentrici. Le tubazioni di aspirazione devono includere un filtro di aspirazione e uno smorzatore di pulsazioni. I filtri di aspirazione non devono essere installati a meno che non sia assicurata una manutenzione regolare. Una condizione di fame di fluido derivante da un filtro tappato può causare più danni alla pompa rispetto all’ingestione di solidi.

La tubazione di scarico deve essere diretta, priva di curve eccessive e di almeno una dimensione nominale del tubo più grande del collegamento pompa-scarico. Le modifiche delle tubazioni direzionali devono essere effettuate con gomiti a raggio lungo. Possono essere utilizzati riduttori concentrici, ma dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile alla pompa. Per facilitare l’innesco e l’avviamento, è necessario installare una linea di bypass (riciclo) con valvola di ritegno e valvola di blocco sulla sorgente di aspirazione. Se nell’installazione iniziale non è incluso uno smorzatore di pulsazioni, è necessario fornire un collegamento flangiato se può essere necessaria un’attenuazione della pulsazione. Una valvola di sicurezza deve essere installata a monte della valvola di blocco di scarico, in caso di sovrapressurizzazione nella tubazione di scarico.

Considerazioni sulla pulsazione

Il flusso di una pompa alternativa non è uniforme. Il movimento oscillante degli stantuffi crea disturbi (pulsazioni) che viaggiano alla velocità del suono dal cilindro della pompa al sistema di tubazioni. Le pulsazioni sono una funzione della velocità del pistone/stantuffo della pompa, delle valvole interne e della velocità di funzionamento. Le pulsazioni fanno fluttuare il livello di pressione del sistema rispetto al tempo.

Pulsazioni di aspirazione possono causare il livello di pressione a cadere istantaneamente al di sotto della pressione di vapore del fluido, che si traduce in cavitazione. La caviazione può causare il guasto delle parti della pompa come:

• Valvole
• Traverse
• Aste
• ecc.

La caviazione può anche causare elevate vibrazioni delle tubazioni che provocano il guasto di:

• Prese d’aria
• Scarichi
• Linee di gauge

Le normali pinze e supporti per tubi potrebbero non essere efficaci nel controllo di queste vibrazioni.

Le pulsazioni possono essere amplificate dalle risonanze acustiche del sistema di tubazioni, che si traduce in guasti del fluido della pompa e guasti delle tubazioni a causa dello scuotimento causato dalla pulsazione della pressione. Per layout di tubazioni semplici e velocità della pompa da basse a moderate, vengono utilizzati smorzatori di pulsazione per attenuare gli effetti dei flussi pulsanti. Gli smorzatori di pulsazione sono normalmente installati sia sull’aspirazione che sullo scarico. Gli smorzatori possono essere riempiti di liquido; filtri acustici ammortizzati a gas o sintonizzati. Per tubazioni complesse e multiple e alte velocità della pompa, vengono utilizzati filtri acustici.

La progettazione di un sistema di smorzamento delle pulsazioni va oltre lo scopo di questo capitolo. Per l’analisi e il controllo delle pulsazioni in impianti multipompa è necessaria una competenza speciale.

Nomenclature

s	=	cylinder displacement
A	=	plunger or piston area
a	=	piston-rod cross-sectional area
LS	=	stroke length
N	=	speed
m	=	number of pistons or plungers
q	=	pump capacity

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Vedi anche

PEH:Pompe

Pompe

pompe Centrifughe

Pompa driver