1 Le pompe

Un tipo particolare di pompe alternative a motore lineare è rappresentato dalle pompe a diaframma, in cui l’elemento alternativo è costituito da un’asta che porta alle estremità due dischi: sulle superfici interne dei due dischi può agire il fluido motore, mentre quelle esterne sono affacciate sul fluido di processo − in pratica si tratta di un pistone a doppio effetto su cui lavora sia il fluido motore che quello di processo. Il nome deriva dal fatto che le tenute laterali sono realizzate con diaframmi elastici. La pompa si presta all’elaborazione di fluidi viscosi a basse portate e pressioni.

     A.Riempiendo la camera di destra con aria, la membrana di destra è spinta verso l'esterno. questo spinge il pistone sulla posizione iniziale del diaframma di sinistra. La sfera (1) esce dalla sua sede, il fluido affluisce nella camera di sinistra. Allo stesso tempo la sfera (2) è tenuta in posizione di chiusura dal vuoto. La camera di sinistra si riempie di fluido.

     B.La valvola di controllo invia l'aria nella camera di sinistra , mentre la camera di destra si svuota. Il processo di sezione (vedi A) ora avviene sul lato destro della camera. il fluido  è aspirato dentro. Il fluido  è spinto fuori dalla camera di sinistra. La sfera (1) è spinta in basso e chiude, mentre la sfera (2) si apre, permettendo al fluido di uscire.

     C.Il processo di sezione (A), è ripetuto con la differenza che la camera di pompaggio a destra è già riempita di fluido . Quando la valvola di controllo riempie di aria la camera di destra, il fluido è aspirato nella camera di sinistra e spinto fuori dalla camera di destra.

     D.Questa sequenza è ripetuta in senso inverso rispetto alla fase (C). La camera di sinistra è riempita di aria, il fluido è fatto affluire entro la parte destra della pompa dal vuoto, allo stesso tempo il fluido è trasferito dalla camera di sinistra nel tubo di mandata.

In generale si ottiene un moto periodico con portate discontinue, che si possono regolarizzare solo utilizzando più pistoni con moto sfasato e stantuffi a doppio effetto. Per rendere sempre più omogenea la portata è usuale aumentare gli stantuffi: si va da 2 a 3, 4, 5, 6, 7 o 9 stantuffi. A causa della complessità costruttiva e delle pulsazioni nel flusso, le pompe vengono dotate, sulla mandata, di accumulatori pneumatici, ove tale soluzione non è fattibile si usano pompe con un numero elevato (e dispari) di pistoni − in genere 9 o 11.

In alcune configurazioni gli stantuffi possono essere in linea e collegati ad un albero a gomiti, in altre a stella. Esistono anche configurazioni con stantuffi disposti parallelamente all’albero motore, in questi casi i pistoni sono collegati ad un piatto inclinato rispetto alla cassa.

Un particolare tipo di pompe alternative è quello in cui gli stantuffi, disposti radialmente rispetto all’albero motore, vengono comandati a variare la corsa in modo da ottenere una regolazione continua della portata. Tali pompe, costruttivamente molto complesse, a bordo sono utilizzate esclusivamente nei circuiti oleodinamici di potenza (per esempio nelle timonerie).

Le curve caratteristiche delle pompe alternative mettono in luce la peculiarità di poter mandare, a velocità costante, la stessa portata per qualsiasi pressione entro la disponibilità di potenza del motore primo e la possibilità di resistenza meccanica della pompa: la prevalenza è infatti indipendente dalla portata ed è imposta esclusivamente dalle condizioni di funzionamento del sistema (perciò sulla mandata è obbligatoria una valvola di sicurezza). Tale caratteristica può costituire un vantaggio quando la pompa è utilizzata come dosatore oppure, per esempio, quando si vuole un movimento controllato − ossia a velocità costante − dell’utilizzatore (è il caso di sistemi oleodinamici di controllo e di potenza), ma può costituire un problema se si desidera un impianto che si auto–regola, infatti per aumenti eccessivi della pressione alla mandata si può avere il collasso del sistema. La portata volumetrica media è proporzionale all’alesaggio, alla corsa, al numero degli stantuffi ed al numero di cicli al secondo di aspirazione e mandata. Detto V [m3] il volume della camera cilindrica fra il punto morto inferiore e quello superiore ed f [1/s] il numero di cicli utili al secondo, vale: Q = ηV f V     [W]

dove ηV è il coefficiente di riempimento, perciò, poiché ηV non varia apprezzabilmente con la pressione di scarico, si realizza in pratica la costanza della portata al variare del carico. 

LE POMPE VOLUMETRICHE ROTATIVE

Caratteristica comune a tutti i tipi di pompe rotative è la semplicità costruttiva accompagnata da un basso costo; fra i diversi tipi si menzionano:

• le pompe ad ingranaggi

• le pompe a lobi

• le pompe a vite

• le pompe a palette.

La portata fornita da queste pompe può arrivare a qualche migliaio di metri cubi all’ora (ma non costituisce il punto forte di questa tipologia di pompe), con una velocità di rotazione sufficientemente elevata da permettere sempre l’accoppiamento diretto con il motore elettrico che le aziona. La pressione può essere molto elevata e raggiungere qualche migliaio di bar.

Il rendimento totale delle pompe rotative è compreso fra 0,70 e 0,90 a causa di valori modesti del rendimento volumetrico: le fughe sono tanto maggiori quanto maggiore è la prevalenza, quanto minore è la velocità di rotazione e quanto minore è la viscosità del fluido trattato. Le curve caratteristiche mostrano infatti un crescente decremento della portata all’aumentare della pressione allo scarico, decremento che diventa meno accentuato quando vengono elaborati liquidi ad alta viscosità − per i quali la portata diventa pressoché costante.

Le pompe ad ingranaggi sono pompe formate da una cassa entro la quale una coppia di ruote dentate (un pignone ed una ruota trascinata) ingrana trasportando fluido nel meato fra i denti ed il corpo (pompa ad ingranaggi esterni). La pompa ad ingranaggi esterni viene utilizzata per generare pressioni molto alte (fino a 400 bar) e trova impiego soprattutto nelle trasmissioni idrauliche (circuiti oleodinamici), potendo lavorare anche come motore, e grazie alla sua compattezza, al suo basso costo ed alle alte pressioni che può generare è la più usata fra quelle volumetriche rotative. 

Un’alternativa è rappresentata da due ruote concentriche ma non coassiali, una con ingranaggio esterno ed una, a maggior numero di denti, con ingranaggio interno (pompa ad ingranaggi interni): in questo caso il fluido rimane imprigionato fra i denti delle ruote. Queste pompe sono utilizzabili solamente con fluidi lubrificanti a causa degli elevati attriti che si generano fra gli organi in movimento. La tenuta è garantita dalla viscosità del fluido e dalla velocità di rotazione, mentre l’adescamento è automatico fino a dislivelli di 4÷8 m in colonna d’olio. Quella con ingranaggi interni fornisce pressioni molto basse (1.5 MPa) e portate minori rispetto alla prima, ma è più indicata per pompare fluidi viscosi e fluidi con sospensioni abrasive. Le portate arrivano fino a 3000 m3/h.

Le pompe a lobi non sono altro che particolari pompe ad ingranaggi interni in cui le ruote hanno solo due o tre denti. Sono adatte ad elaborare fluidi viscosi ma soprattutto fluidi con solidi in sospensione anche di grandi dimensioni, quindi non necessariamente lubrificanti; esse sono però inclini ad indurre fluttuazioni nel flusso e vibrazioni. Elaborano pressioni limitate a 30 bar e le portate arrivano fino a 300 m3/h.

Le pompe a vite sono costituite da una cassa entro la quale ruotano uno o più alberi con filettatura a vite (in realtà le pompe sono ad una, a 2 oppure a 3 viti). 

Nella pompa a singola vite l’albero provoca un movimento orbitale del rotore a vite (collegato all’albero del motore con un albero cardanico), movimento obbligato dalla forma della cassa sulla quale è ricavata la filettatura a doppio principio. La pompa ad una sola vite si usa preferibilmente per liquidi con particelle in sospensione, portate e pressioni non sono elevate.

Quando le viti sono due il moto è sincronizzato da un accoppiamento meccanico fra gli assi oppure è trascinato dal fluido.

Nelle pompe a palette (vane pumps) il volume di trasporto è generato da palette alloggiate radialmente nel corpo di un rotore eccentrico rispetto alla cassa: esse possono scorrere radialmente seguendo con l’estremità il profilo della cassa, alla quale sono tenute premute da molle.

L’immissione circonferenziale del flusso può essere fatta su uno o più tratti della circonferenza del rotore.

In genere queste pompe sono a semplice o doppia mandata, ed in quest’ultimo caso generano una portata più uniforme, con riduzione del carico radiale sui cuscinetti causato dal fatto che le palette lavorano solo su parte della circonferenza; inoltre presentano la possibilità di parzializzare la portata (regolazione discreta della portata).

Tali pompe possono trattare fluidi a bassa viscosità, e possono fornire alte pressioni (fino a circa 250 bar) e portate elevate (fino a qualche centinaio di m3/h), prestandosi all’utilizzo in circuiti oleodinamici anche come motori.