Alla ricerca della pompa senza perdite
La necessità di una pompa senza perdite è diventata urgente nell'era moderna quando le pompe industriali hanno iniziato a gestire liquidi pericolosi. Nel caso di un liquido tossico o infiammabile, è fondamentale proteggere sia le persone che l'ambiente da eventuali perdite. Inoltre, ogni perdita significa prodotto sprecato, che diventa significativo quando si pompano fluidi costosi, come i materiali farmaceutici.
Immagine 1. Pompa con premistoppa (Immagini per gentile concessione di ITT Goulds Pumps)
Perché le pompe perdono?
Considera perché è così difficile prevenire perdite dalle pompe. Prendiamo come esempio la comune pompa centrifuga. In questa pompa, un albero e una girante sono fatti ruotare da un motore, ma il motore si trova all'esterno della pompa. È dove l'albero esce dalla pompa, in particolare nei punti di contatto tra le parti rotanti e fisse, che possono verificarsi perdite.
Il premistoppa
In alcune pompe, per risolvere il problema delle perdite viene utilizzato un dispositivo chiamato premistoppa.
Il premistoppa è una camera situata all'esterno della cassa della pompa dove esce l'albero. Al suo interno,
il materiale di tenuta, una sostanza di imballaggio morbida, è posto attorno all'albero.
Mediante un apposito dispositivo (un dado nel caso più semplice), la baderna viene quindi compressa, facendola premere contro le pareti della camera e dell'albero, impedendo così la fuoriuscita del liquido dalla pompa.
Tuttavia, l'albero deve essere a stretto contatto con il materiale di imballaggio affinché la tenuta sia ermetica. Questo può creare attrito e portare a una vita utile ridotta.
Immagine 2. Tenuta meccanica
Tenute meccaniche
Gli elementi principali delle tenute meccaniche sono due anelli: uno mobile, che ruota con l'albero, e uno fisso, che è fissato al corpo della pompa con un perno.
La tenuta contro le perdite è creata dal contatto tra le superfici dell'anello, che forma una cosiddetta coppia di attrito. Per fornire il contatto, l'anello mobile viene premuto contro l'anello fisso da una molla, un'unità elastica o un soffietto, che è una guaina ondulata elastica monostrato o multistrato in materiali metallici, non metallici e compositi. Per una tenuta aggiuntiva, vengono utilizzate guarnizioni secondarie, che sono O-ring in elastomero.
Quando funziona correttamente, una sottile pellicola di liquido è presente tra le superfici di attrito per garantire la lubrificazione e la dissipazione del calore. Il gioco tra le loro superfici è uguale alla loro altezza di rugosità e, di regola, non supera il milionesimo di metro. È importante sottolineare che l'anello fisso non tocca mai l'albero, riducendo così l'usura.
La scelta dei giusti materiali dell'anello di tenuta non è un compito banale. Gli anelli devono avere una forza e una resistenza all'usura sufficienti per resistere agli effetti del funzionamento della pompa ed essere chimicamente resistenti al mezzo pompato. Inoltre, devono essere in grado di resistere alle alte temperature dovute all'attrito. Per questi motivi, le coppie di attrito sono tecnologie sorprendentemente sofisticate, che richiedono le discipline teoriche e di calcolo della meccanica, della termodinamica, dell'idraulica e della tribologia. A causa del piccolo gioco tra gli anelli, la produzione di moderne tenute meccaniche rientra effettivamente nella categoria delle nanotecnologie.
Doppia tenuta meccanica
Le tenute meccaniche a coppia singola di attrito possono solo ridurre al minimo le perdite, non eliminarle. Per tentare ulteriormente di eliminare le perdite, sono state create doppie guarnizioni di testa meccaniche. Il sistema ausiliario, chiamato piano di flussaggio o piano di tubazioni, alimenta un fluido speciale, chiamato barriera, nell'area della tenuta tra i due anelli della coppia di attrito. La sua pressione viene mantenuta leggermente superiore a quella del fluido pompato nella zona di tenuta e, in questo modo, si ottiene la tenuta. Il fluido barriera svolge anche i compiti necessari di rimozione del calore e lubrificazione nel caso in cui il fluido pompato non abbia le proprietà per farlo. L'acqua, ad esempio, perde le sue proprietà lubrificanti a circa 176 F (80 C).
Le tenute meccaniche a doppia testa possono eliminare le perdite del fluido pompato nell'atmosfera. Tuttavia, possono essere relativamente costosi e difficili da mantenere. Inoltre, anche la coppia di attrito costruita con la massima cura si guasta nel tempo a causa dell'usura, quindi richiedono un monitoraggio e una sostituzione continui.
Accoppiamenti magnetici
Immagine 3. Disegno in sezione di una pompa a trascinamento magnetico. L'albero con i magneti di azionamento fa ruotare la cartuccia, che include i magneti azionati.
Grazie a questa trasmissione a distanza di potenza, l'albero non ha bisogno di passare attraverso l'involucro, quindi non ci sono fori e non possono esserci perdite. Tuttavia, queste pompe tendono ad essere più costose, a causa del costo dei magneti all'avanguardia di cui hanno bisogno. Di solito, questi sono fatti di leghe esotiche di neodimio, cobalto e samario, ma la lega di neodimio ferro boro (NdFeB) è ora considerata più efficace. La vita utile di questi magneti può essere di decine o addirittura centinaia di anni, spesso più lunga della vita utile della pompa stessa.
Motopompe in scatola
L'altro progresso che è derivato dallo sviluppo dell'elettromeccanica e della teoria elettromagnetica è stata la pompa a motore in scatola. Questo dispositivo unisce la funzione del motore elettrico a quella della classica pompa centrifuga. È simile a una pompa con un magnete accoppiamento, ma il ruolo dei magneti è svolto dagli avvolgimenti dello statore (parte fissa del motore elettrico) e dal rotore. Si chiama “canned” perché il motore è protetto dai cortocircuiti da un apposito cilindro (guscio) e posizionato all'interno del corpo pompa nel liquido pompato, che contemporaneamente lubrifica e raffredda i cuscinetti.
Immagine 4. Motopompa in scatola
La coppia dagli avvolgimenti "a secco" dello statore viene trasmessa attraverso un involucro ermetico, quindi non c'è possibilità di perdite.
Poiché le pompe a motore in scatola utilizzano meno parti, sono compatte. Tuttavia, poiché le bobine dello statore e del rotore sono separate da più partizioni, la loro efficienza può essere relativamente bassa. Pertanto, questi dispositivi sono estremamente utili ma consumano più energia.
Lo sforzo costante nel corso di molti anni ha ora prodotto una varietà di opzioni per ottenere una pompa senza perdite. Ognuno ha il suo mix di vantaggi e svantaggi. Per determinare quale sia la soluzione migliore per la vostra operazione, gli specialisti selezioneranno un progetto in base alle proprietà dei liquidi pompati, alle condizioni operative e ai vincoli economici.