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Pompe volumetriche

Che cos’è una pompa volumetrica?


Le pompe volumetriche muovono meccanicamente attraverso il sistema i volumi di fluido intrappolati. Sul lato della presa di aspirazione il volume si espande, mentre sul lato di uscita (scarico) il volume si contrae. Pertanto il volume per giro risulta fissato, e in teoria costante, a prescindere dalla pressione di uscita, dalla depressione di entrata o dalle proprietà dei fluidi. Le pompe volumetriche sono inoltre autoadescanti, vale a dire che creano forti depressioni all’entrata. Ciò può semplificare la progettazione globale dell’impianto e consentire una manutenzione senza necessità di riattivazione (repriming) manuale.

Il comportamento delle pompe volumetriche è molto diverso da quello delle pompe centrifughe, le quali si basano sull’impulso del fluido accelerato per fornire portata alla pressione e sono molto sensibili ai cambiamenti di pressione. Il grafico a destra rappresenta un confronto tra una pompa a ingranaggi esterna (pompa volumetrica comune) e una pompa centrifuga usando un motore delle stesse dimensioni. Le pompe centrifughe possono raggiungere portate notevolmente superiori, tuttavia sono estremamente sensibili alla pressione.

Pompa centrifuga vs. pompa a ingranaggi

 

L’indipendenza del flusso dalla pressione è solo teorica. Flessione dei materiali, trafilamento interno (“blow-by”), usura e altre variabili comportano una leggera dipendenza dalla pressione. Il livello di dipendenza dalla pressione è una funzione del tipo di pompa e della precisione dei componenti della pompa. Quando si seleziona un tipo di pompa, occorre fare spesso un compromesso tra precisione, durata di vita e reattività del sistema. Gli aspetti negativi di tale compromesso possono essere ridotti al minimo lavorando a stretto contatto con lo sviluppatore della pompa e utilizzando componenti ad alta precisione di prima qualità.

Le pompe volumetriche possono essere suddivise in due sottocategorie, le quali hanno caratteristiche e applicazioni delle pompe molto diverse tra loro.

  • Alternative
  • Rotative


Pompe volumetriche alternative


Le pompe volumetriche alternative funzionano compiendo un movimento lineare ripetuto di un meccanismo. Il movimento viene spesso definito “corsa”, e le dimensioni della pompa sono di norma specificate come volume per corsa. Il profilo di flusso viene pulsato mediante la scarica singola per giro di una pompa alternativa. Se implementato in modo improprio, il flusso disuniforme può causare vibrazioni eccessive e/o danni al sistema idraulico, il che viene talvolta definito “colpo d’ariete”. Il flusso disuniforme causa anche picchi di flusso superiori alla portata media. È dunque opportuno prestare attenzione alla progettazione del circuito idraulico. Le pompe alternative sono ideali per essere impiegate nella misura e nel dosaggio precisi e ripetibili dei fluidi. I tipi più comuni di pompe alternative sono:

  • Pompa a membrana
  • Pompa a pistone
  • Pompa a stantuffo


Pompa a membrana

Una pompa a membrana fa uso di una membrana flessibile (spesso chiamata “membrana”) che si flette all’interno e all’esterno. Il movimento della membrana modifica il volume interno alla pompa e insieme alle valvole consente al fluido di fluire e defluire nella/dalla pompa. Le pompe a membrana sono ideali per aria compressa e fluidi corrosivi a bassa pressione.

Pompa a pistone

Pompa a pistone

In una pompa a pistone, il pistone scivola all’interno di un cilindro strettamente ermetico. Quando il pistone si ritrae, il volume si espande. Di norma, si apre una valvola all’ingresso della pompa che consente al fluido di entrare nella pompa mentre il volume si espande. Quando il pistone torna indietro, il volume si contrae e una valvola all’uscita si apre, consentendo al fluido di defluire dalla pompa.

Pompa a pistone

Pompa a pistone senza valvole

La versione speciale della pompa a pistone è senza valvole e talvolta viene definita “pompa dosatrice senza valvole”. Le pompe sono caratterizzate da un moto lineare sinusoidale in congiunzione alla rotazione a 360° del pistone. Il pistone è dotato all’estremità di una lastra piatta che apre/chiude le porte di entrata e di uscita in modo sincronizzato al movimento del pistone. Questo tipo di pompa elimina le valvole, che possono bloccarsi e sono soggette a usura, e semplifica così notevolmente la progettazione complessiva della pompa.

Pompa a pistone senza valvole

Pompa a stantuffo

Il funzionamento della pompa a stantuffo è pressoché identico a quello di una pompa a pistone. La differenza è che lo stantuffo si muove attraverso una guarnizione nel volume della pompa. Il volume spostato dello stantuffo modifica il volume del fluido all’interno della pompa azionando il movimento della pompa.

Pompa a stantuffo

Pompe volumetriche rotative


Le pompe volumetriche rotative fanno uso di una serie di volumi rotativi per trasferire i fluidi piuttosto che muoversi seguendo un moto lineare tipico delle pompe alternative. Gli elementi rotanti creano una tenuta sull’alloggiamento della pompa o sugli altri elementi rotanti. Di norma ci sono più volumi per giro e ciò garantisce un flusso più agevole rispetto alle pompe alternative. Tuttavia, i volumi non sono così precisi come quelli delle pompe alternative e ciò le rende meno adatte per le applicazioni di dosaggio o distribuzione. I tipi più comuni di pompe volumetriche rotative sono:

  • Pompe a ingranaggi esterne
  • Pompe a ingranaggi interne
  • Pompe a palette
  • Pompe peristaltiche
  • Pompe a lobi


Pompa a ingranaggi esterna

Le pompe a ingranaggi esterne sono il modello più comune tra le pompe a ingranaggi rotative: sono contraddistinte da due ingranaggi situati su due alberi separati, con un albero connesso a un motore. Il disaccoppiamento degli ingranaggi crea una depressione all’ingresso della pompa. Mentre gli ingranaggi ruotano, il fluido si trova intrappolato tra le dentature dell’ingranaggio e la parete a intercapedine dell’alloggiamento. Il fluido viene dunque ruotato verso l’uscita e fatto defluire. Il fluido non può tornare indietro verso l’entrata per via dell’accoppiamento e deve quindi fuoriuscire dall’uscita. Il fluido pompato lubrifica l’accoppiamento e i cuscinetti portanti associati.

Pompa a ingranaggi esterna

Pompa a ingranaggi interna

Le pompe a ingranaggi interne fanno uso di ingranaggi di varie dimensioni con vari numeri di dentature, uno dei quali dotato di dentature interne. Gli ingranaggi sono eccentrici nei confronti dell’alloggiamento della pompa, consentendo un’apertura nell’accoppiamento durante la rotazione. I volumi sono separati da un elemento a forma di mezzaluna che funge da guarnizione. Dopo aver passato la mezzaluna, l’accoppiamento inizia a chiudersi, scaricando il volume verso l’uscita. Requisiti di potenza superiori, la complessità aggiuntiva della mezzaluna e la produzione più difficoltosa degli ingranaggi rendono le pompe a ingranaggi interne un modello più specializzato di pompe.

Pompa a ingranaggi interna

Gerotor

Il Gerotor è un tipo speciale di pompa a ingranaggi interna senza l’elemento a mezzaluna. In questo tipo di meccanismo, il rotore interno è azionato da un motore. L’eliminazione della mezzaluna semplifica la progettazione del modello, ma richiede comunque un elevato livello di precisione e basso gioco. Il profilo liscio e il funzionamento regolare consentono l’utilizzo di materiali speciali che non possono essere impiegati in altre pompe a ingranaggi tradizionali.

Pompa Gerotor

Pompa a palette

Le pompe a palette hanno soltanto un elemento rotante rivolto in direzione eccentrica alla cavità della pompa. L’elemento rotante contiene diverse palette in grado di scivolare o di deformarsi per adattarsi al profilo della parete a intercapedine. Le palette formano una guarnizione scorrevole a tenuta posizionata contro la parete a intercapedine, trattenendo il volume del fluido all’ingresso e facendolo defluire verso l’uscita. Le pompe a palette sono particolarmente insensibili ai cambiamenti di pressione, in quanto le palette sono a contatto con la parete a intercapedine. Tuttavia, il movimento di scivolamento tra le palette e la parete crea potenza, rumori e problemi permanenti.

Pompa a palette

Pompa peristaltica

Talvolta definite anche “pompe a rulli”, le pompe peristaltiche muovono il fluido utilizzando dei rulli, in modo di trattenere il liquido in un tubo flessibile e condurlo dall’ingresso fino all’uscita. In questo modello, il fluido è in contatto solo con la parte interna del tubo. Questa caratteristica, unita alle tubature semplici da sostituire, rende le pompe peristaltiche ideali per applicazioni singole come il contatto di sangue nelle macchine per dialisi. Tuttavia, la compressione frequente della tubazione richiede una sostituzione frequente della stessa, rendendo queste pompe problematiche per numerosi campi di applicazione. Le pompe peristaltiche sono caratterizzate da un flusso disuniforme, un po’ come le pompe alternative.

Pompa peristaltica

Pompa a lobi

La pompa a lobi è simile alla pompa a ingranaggi esterna. La differenza principale è che presenta elementi a forma di lobo al posto degli ingranaggi. Ciascun elemento a forma di lobo è azionato da un motore con ingranaggi a tempo. Ciò elimina il contatto tra i due lobi, riducendo l’usura e riducendo al minimo l’attrito dei fluidi. Le pompe a lobi sono in grado di gestire solidi di dimensioni superiori rispetto alle altre pompe volumetriche per via del numero ridotto di dentature.

Pompa a lobi

Scelta della pompa


Selezionare il tipo corretto di pompa per un determinato sistema idraulico è il primo passo da compiere per creare un dispositivo efficiente e affidabile. Per essere sicuri di scegliere la pompa ottimale in termini di durata di vita utile e di stabilità del sistema, si raccomanda di lavorare in stretta collaborazione con ingegneri responsabili della progettazione di pompe. La scelta della corretta tipologia e qualità di pompa all’inizio del processo di progettazione può semplificare enormemente il sistema nel suo complesso, comportando anche risparmi notevoli in termini di tempo, spazio, denaro e fatica.