Paniere macchine e sistemi energetici - risposte aperte

02. Si individuino le tipologie di perdite che si verificano in una pompa ed definiranno i relativi rendimenti

03. Si esprima la potenza assorbita da una pompa

LEZIONE 014

02. Abbiamo due tipi di perdite: perdite fluidodinamiche e perdite nelle trasmissioni.

Per poter determinare la potenza Pr che deve essere fornita alla pompa è necessario introdurre i seguenti rendimenti:

• rendimento idraulico, che tiene conto delle perdite fluidodinamiche

_ηi = ^{g · H}/_l

• rendimento meccanico, che tiene conto degli attriti e delle perdite nelle trasmissioni

_ηm = ^{ρ · Q_r l}/_Pr

03. È possibile scrivere la potenza trasferita dalla pompa al fluido come:

P = ρ · Q · g · H

Per poter determinare la potenza Pr che deve essere fornita alla pompa è necessario introdurre i seguenti rendimenti:

1. rendimento idraulico, che tiene conto delle perdite fluidodinamiche:

_ηi = ^{g · H}/_l

rendimento volumetrico, che tiene conto delle fughe attraverso le tenute e del ricircolo all'interno della girante:

_ηv = ^Q/_Qr

Curva caratteristica reale

Curva caratteristica reale

09. L'equazione qui sotto riportata rappresenta la caratteristica ideale delle pompe centrifughe:

L = u_t2 (u_t2 - w_t2 · cos(β₂)) = u_t2 (u_t2 -  Q  · cot(β₂))

Con riferimento ad essa si può dire che:

• con pale rivolte in avanti la prevalenza aumenta con la portata
• con pale radiali la prevalenza è costante e pari a u_t2²
• con pale rivolte all'indietro la prevalenza diminuisce con la portata

LEZIONE 018

01.

Il punto di funzionamento dell'impianto può variare nel tempo se, all'interno delle tubazioni le perdite aumentano a causa di eventuali incrostazioni. Il punto di funzionamento può poi venire variato in due modi possibili: cambiando il regime di rotazione della pompa (figura 4.18a) o agendo sull'apertura di una valvola di intercettazione posta sulla tubazione (4.18b). In questo secondo caso, la presenza di una valvola nel condotto costituisce una perdita localizzata, perdita che sarà tanto maggiore quanto più la valvola verrà chiusa.

02.

Se il circuito è chiuso la prevalenza serve esclusivamente a vincere le perdite fluidodinamiche. In tal caso la pompa è detta circolatore e l'equazione 18.1 si riduce ulteriormente a:

H = _Ra/_g (18.2)

La curva caratteristica dell'impianto è a questo punto una parabola che interseca l'asse delle ordinate H nell'origine come riportato in figura sotto:

LEZIONE 020

03. Qualora una sola pompa non sia sufficiente a soddisfare le necessità di un impianto in termini di prevalenza e/o portata, si ricorre all’utilizzo di più pompe disposte o in serie o in parallelo. Due o più pompe si dicono in serie quando la mandata della prima pompa è collegata all’aspirazione della seconda, e così via. Nell’installazione di pompe in serie si ha un aumento notevole della pressione di esercizio delle pompe a valle, e pertanto vanno verificate le condizioni operative ammissibili dalle pompe prima della loro installazione in tale configurazione. Con questa configurazione viene elaborata la stessa portata in tutte le pompe e la prevalenza totale è somma della prevalenza di ogni singola pompa. Tuttavia questo non si traduce in un raddoppio della prevalenza effettivamente fornita al fluido, in quanto la caratteristica esterna dell’impianto non è perfettamente verticale. Pertanto, l’aumento della prevalenza sarà definito dall’incrocio tra la nuova caratteristica interna e la curva dell’impianto, ma in generale sarà inferiore al doppio della prevalenza fornita da una singola pompa.

Accoppiamento di pompe in serie

04. Due o più pompe sono collegate in parallelo quando ciascuna pompa fornisce la stessa prevalenza, ma ognuna di esse elabora solo una parte della portata che percorre l’intero impianto idraulico.

Pertanto, nel caso si installino due pompe identiche in parallelo la curva caratteristica equivalente risultante avrà una portata doppia rispetto alla singola pompa.

Tuttavia anche in questo caso non si ha effettivamente un raddoppio della portata elaborata come chiaramente visibile nella figura a pagina successiva. A causa della curva caratteristica esterna, non orizzontale, ed un aumento della portata si ha un conseguente aumento delle perdite di carico, e si riduce pertanto la portata massima effettivamente elaborata.

LEZIONE 022

03. La prevalenza fornita dalla pompa è indipendente dal liquido processato mentre la differenza di pressione fra la mandata e l'aspirazione dipende dalla densità del fluido. All'avviamento della pompa è possibile però che nei condotti si presente aria. A causa della notevole differenza di densità rispetto al liquido (circa 1000 volte) la pompa potrebbe non essere in grado di richiamare acqua dal bacino di aspirazione, a differenza di quanto avviene per le pompe alternative. Le pompe devono quindi essere adescate, ovvero riempite di liquido prima dell'avvio. Questa operazione può essere fatta: installando una valvola di non ritorno a monte per impedire lo svuotamento all'arresto della pompa; installando la pompa sotto battente, semplice, ma non sempre può essere realizzata; inserendo un serbatoio di innesco, utilizzato per piccole pompe; utilizzando una pompa da vuoto per richiamare l'acqua nella pompa prima dell'avviamento. All'avviamento, il motore che trascina la pompa dovrà essere in grado di fornire la potenza richiesta in condizioni di regime stazionario più quella necessaria a vincere le varie inerzie, detta potenza di spunto, che può essere anche 1÷1.5 volte la potenza richiesta a regime. La procedura d'avviamento di una pompa si differenzia a seconda dell'andamento della potenza richiesta dalle stesse in funzione della portata erogata. Se la potenza richiesta all'avviamento a portata erogata nulla è minore della potenza richiesta a regime, per non sovraccaricare eccessivamente il motore è opportuno avviare la pompa chiudendo la mandata. Se la potenza richiesta dalla pompa è sempre decrescente con la portata, la situazione è opposta a quella precedente e, quindi, si deve procedere all'avviamento con la mandata aperta. Per ridurre la potenza di spunto è opportuno avviare la pompa alla minima velocità possibile ed aumentare poi gradualmente il numero di giri fino al raggiungimento delle condizioni di regime. Nel caso in cui la pompa sia trascinata da un motore a numero di giri fisso, l'impianto deve essere dotato di un circuito di by-pass. L'avviamento viene effettuato chiudendo la mandata dell'impianto ed aprendo il by-pass. Arrivata la pompa alla velocità di rotazione di regime, si chiude gradatamente la valvola sulla derivazione aprendo contemporaneamente l'altra.

04. Il funzionamento instabile non dipende dalla sola pompa ma piuttosto dal particolare accoppiamento pompa-impianto e, per un dato accoppiamento, dalle particolari condizioni operative

LEZIONE 025

07. La pala di una turbina Pelton ha una tipica forma detta a doppio cucchiaio. Nella mezzeria è presente un sottile spigolo, detto tagliente o coltello, che ha la funzione di ripartire il getto incidente tra i due cucchiai. Ciascuno dei due flussi in cui il getto è ripartito, guidato dalla pala, subisce una deviazione di 180-β₂ , dove l’angolo β₂ è in genere pari a 12°-15°. E’ necessario, infatti, che l’acqua si allontani dalla pala con una velocità avente una componente diretta secondo l’asse della girante così da non interferire con il dorso della pala che intercetta il getto successivamente. Inoltre, ripartendo il getto in due parti uguali, si bilancia la variazione della quantità di moto nella direzione assiale e quindi la spinta assiale sulla girante risulta nulla. Il tagliente è inclinato di circa 10°-15° rispetto al bordo della pala per ottimizzare l’azione del getto, che viene così a trovarsi perpendicolare al tagliente stesso circa a metà della traiettoria relativa. All’estremità della pala è presente un intaglio, che ha due funzioni: 1. evitare che all’ingresso nel getto il dorso della pala “schiaffeggi” la superficie della porzione di getto destinato alla pala già attiva (fenomeno detto tallonamento); 2. far incidere il tagliente sul getto più ortogonalmente.

08. La turbina Pelton è una macchina motrice idraulica ad azione. La condotta forzata trasporta l’acqua dal bacino di monte fino alla flangia di ingresso della turbina, dove un distributore a chiocciola alimenta uno o più ugelli. Il distributore ha il compito di trasformare l’energia potenziale in energia cinetica, velocizzando il flusso in ingresso alla girante. Per tale motivo, la parte finale dell’ugello è fortemente convergente. L’asse dell’ugello è posto in direzione tangenziale al diametro della girante ed il flusso in uscita dall’ugello colpisce la pala nella mezzeria.

Schema di una turbina Pelton ad asse orizzontale, singolo getto

Come mostrato in figura, l’ugello è, inoltre, dotato di una spina di regolazione del flusso, detta spina Doble la cui geometria è ottimizzata per ridurre le perdite fluidodinamiche ed ottenere un flusso ben direzionato e con velocità uniforme. La spina può essere movimentata assialmente grazie ad un servomeccanismo, che consente l’apertura e la chiusura dell’ugello e la regolazione della macchina. All’uscita dell’ugello è poi presente un tegolo deviatore, meccanismo che viene utilizzato per deviare dalle pale il getto in caso di improvviso arresto della turbina. Infatti, una chiusura veloce della spina Doble, oltre ad essere di difficile realizzazione viste le pressioni in gioco, provocherebbe anche un forte colpo d’ariete sulle tubazioni che collegano la turbina con il bacino di monte.