Le pompe volumetriche alternative vengono utilizzate per fluidi che non manifestano la loro comprimibilità in modo significativo. Il fluido di lavoro viene elaborato dalla macchina in un volume di controllo variabile nel tempo, in modo periodico. Il lavoro viene scambiato staticamente con la macchina, su superfici in movimento.
Le pompe volumetriche possono essere alternative o rotative a seconda del movimento trasmesso dall’organo meccanico.
La quantità di fluido spostato dipende da diversi fattori.
mt : massa teorica di fluido spostato (dipendente dal volume della camera in cui farà ingresso il fluido)
λv : coefficiente di riempimento volumetrico, dato dal rapporto tra massa di fluido aspirata ma e massa teorica mt
λp : coefficiente di perdita, dato dal rapporto tra massa di fluido in mandata mm e massa aspirata ma
Il rendimento finale di massa di fluido in mandata sarà quindi:
ηv efficienza volumetrica, prodotto tra λv * λp.
Le pompe volumetriche alternative sono comunemente pompe a stantuffo e possono essere classificate in: tuffanti o membrana.
Queste possono essere ulteriormente suddivise in:
- Singolo effetto (il ciclo completo comprende una aspirazione e una mandata)
- Doppio effetto (per ogni ciclo avvengono, in modo alternato, due aspirazioni a due mandate)
QUAL’È IL CICLO DI LAVORO?
Si descrive il ciclo di lavoro ideale di una pompa volumetrica alternativa, immaginando di non avere perdite di nessun tipo all’interno della pompa stessa.
Fase 1-2: il fluido viene aspirato all’interno della camera
Fase 2-3: avviene una compressione istantanea
Fase 3-4: il fluido viene spinto attraverso la condotta di mandata
Fase 4-1: espansione istantanea (fase di decompressione)
Nella realtà il ciclo risulta essere di questo tipo:
Da come si può notare dalla figura, il ciclo reale si discosta da quello ideale a causa di alcuni fenomeni che non possono essere trascurati.
In particolare:
- Nelle fasi di aspirazione e mandata il volume risulta essere fluttuante a causa dei possibili trafilamenti tra i vari pezzi meccanici e della non istantanea apertura/chiusura delle valvole.
- Nelle fasi di compressione ed espansione si nota una caduta di pressione in quanto, seppur in maniera poco rilevante, il fluido manifesta la sua comprimibilità. Inoltre in esso possono essere disciolti gas o possono essere presenti bolle di aria che contribuiscono alla comprimibilità del volume.
- Essendo una macchina alternativa la velocità del fluido nelle condotte cambia in modo repentino e questo provoca continui picchi di pressione.
Esistono soluzioni in grado di limitare questi effetti:
- Per ovviare al problema della presenza di bolle di aria è sufficiente degassare il fluido e tenere il più possibile i tubi in aspirazione, pieni di liquido.
- Per limitare le cadute di pressione dovute alla discontinuità della portata di fluido si immettono, prima e dopo la pompa, polmoni di compensazione, che durante la fase di aspirazione/mandata della pompa sopperiscono a tale fluttuazione.
- Si costruiscono macchine con guarnizioni di gomma, che permettono una migliore tenuta e minori trafilamenti.
IL PROBLEMA DEL VOLUME FLOTTANTE
Come già citato precedentemente, uno dei problemi principali delle pompe volumetriche alternative è la portata irregolare. Di fatto, essendo che, sia nelle pompe a pistone sia in quelle a membrana, l’organo meccanico responsabile della spinta risulta avere un moto con velocità variabile nel tempo (Vs(t)), tale sarà anche la portata volumetrica istantanea (Qis) elaborata dalla pompa.
Per semplicità, prendiamo in esame una pompa alternativa a pistone di forma cilindrica, con comando a manovellismo ordinario.
L’andamento della portata volumetrica nel tempo avrà quindi la forma del grafico della figura a). Per regolarizzare il flusso e annullare i tempi in cui la portata scende a zero, una delle soluzioni più semplici è aumentare il numero dei pistoni (grafico b) e c)), oppure in egual modo, aumentando gli effetti del singolo pistone (grafico b), pompa mono cilindro a doppio effetto).
Andamento della portata per mono, bi, tri cilindro
Con l’utilizzo di una pompa a più cilindri o a doppio effetto diminuiscono i problemi derivanti dalle pulsazioni su un sistema di pompaggio.
LE CASSE D’ARIA
Per regolarizzare la portata volumetrica, si ricorre a polmoni di compensazione lungo la linea di aspirazione e di mandata. Questi sono riempiti per metà di fluido di lavoro, mentre nella parte superiore è contenuto del gas (spesso aria).
Facendo riferimento ai grafici relativi all’andamento della portata, si manifestano due fasi durante il ciclo del pistone:
- Quando Qis supera la portata media (segnata come v sul grafico), il serbatoio si riempie
- Quando Qis scende sotto la portata media, il serbatoio restituisce tale fluido accumulato
In questo modo nelle condotte risulta esserci una portata circa costante.
Questo meccanismo viene accelerato grazie al gas contenuto nel polmone, che comprimendosi ed espandendosi, attenua la pulsazione del flusso di liquido.
