Informazioni utili sulle pompe volumetriche

Cos’è una pompa volumetrica?

Una pompa volumetrica (PD) muove un fluido racchiudendo ripetutamente un volume fisso e spostandolo meccanicamente attraverso il sistema. L’azione di pompaggio è ciclica e può essere azionata da pistoni, viti, ingranaggi, rulli, diaframmi o palette.

Come funziona una pompa volumetrica?

Anche se esiste un’ampia varietà di modelli di pompe, la maggior parte può essere collocata in due categorie: alternata e rotativa.

Pompe volumetriche alternate

Una pompa volumetrica alternata funziona tramite il movimento ripetuto avanti e indietro (corse) di un pistone, di un pistone o di una membrana (Figura 1). Questi cicli sono chiamati reciprocità.

In una pompa a pistone, la prima corsa del pistone crea un vuoto, apre una valvola di ingresso, chiude la valvola di uscita e attira il fluido nella camera del pistone (la fase di aspirazione). Quando il movimento del pistone si inverte, la valvola d’ingresso, ora sotto pressione, viene chiusa e la valvola d’uscita si apre permettendo al fluido contenuto nella camera del pistone di essere scaricato (la fase di compressione). La pompa della bicicletta è un esempio semplice. Le pompe a pistone possono anche essere a doppio effetto con valvole di ingresso e uscita su entrambi i lati del pistone. Mentre il pistone è in aspirazione da un lato, è in compressione dall’altro. Versioni più complesse, radiali, sono spesso usate in applicazioni industriali.

Le pompe a pistone funzionano in modo simile. Il volume di fluido spostato da una pompa a pistone dipende dal volume del cilindro; in una pompa a stantuffo dipende dalla dimensione del pistone. La guarnizione intorno al pistone o al pistone è importante per mantenere l’azione di pompaggio e per evitare perdite. In generale, il sigillo di una pompa a stantuffo è più facile da mantenere poiché è fermo nella parte superiore del cilindro della pompa, mentre il sigillo intorno a un pistone si muove ripetutamente su e giù all’interno della camera della pompa.

Una pompa a diaframma usa una membrana flessibile invece di un pistone o uno stantuffo per spostare il fluido. Espandendo la membrana, il volume della camera di pompaggio aumenta e il fluido viene aspirato nella pompa. Comprimendo la membrana, il volume diminuisce e il fluido viene espulso. Le pompe a diaframma hanno il vantaggio di essere sistemi ermeticamente sigillati che li rendono ideali per il pompaggio di fluidi pericolosi.

L’azione ciclica delle pompe alternative crea impulsi nello scarico con il fluido che accelera durante la fase di compressione e rallenta durante la fase di aspirazione. Questo può causare vibrazioni dannose nell’installazione e spesso viene impiegata una qualche forma di smorzamento o livellamento. La pulsazione può anche essere minimizzata usando due (o più) pistoni, pistoni o diaframmi con uno in fase di compressione mentre l’altro è in aspirazione.

L’azione ripetibile e prevedibile delle pompe alternative le rende ideali per applicazioni dove è richiesto un dosaggio accurato. Modificando la velocità o la lunghezza della corsa è possibile fornire quantità misurate del fluido pompato.

Pompe rotative volumetriche

Le pompe rotative volumetriche utilizzano l’azione di ingranaggi rotanti per trasferire fluidi, piuttosto che il movimento avanti e indietro delle pompe alternative. L’elemento rotante sviluppa una tenuta liquida con il corpo della pompa e crea un’aspirazione all’ingresso della pompa. Il fluido, aspirato nella pompa, è racchiuso tra i denti dei suoi ingranaggi rotanti e trasferito allo scarico. L’esempio più semplice di una pompa rotativa volumetrica è la pompa a ingranaggi. Ci sono due modelli di base di pompa a ingranaggi: esterna e interna (Figura 2).

Una pompa a ingranaggi esterni consiste in due ingranaggi interconnessi sostenuti da alberi separati (uno o entrambi questi alberi possono essere azionati). La rotazione degli ingranaggi intrappola il fluido tra i denti spostandolo dall’ingresso, allo scarico, intorno al corpo. Nessun fluido è trasferito indietro attraverso il centro, tra gli ingranaggi, perché sono interbloccati. Le strette tolleranze tra gli ingranaggi e l’involucro permettono alla pompa di sviluppare l’aspirazione all’ingresso e di impedire la fuoriuscita del fluido dal lato della mandata. La perdita o “slittamento” è più probabile con liquidi a bassa viscosità.

Una pompa a ingranaggi interni funziona sullo stesso principio, ma i due ingranaggi interbloccati sono di dimensioni diverse e uno ruota dentro l’altro. Le cavità tra i due ingranaggi sono riempite di fluido all’ingresso e trasportate intorno alla porta di scarico, dove viene espulso dall’azione dell’ingranaggio più piccolo.

Le pompe a ingranaggi devono essere lubrificate dal fluido pompato e sono ideali per pompare oli e altri liquidi ad alta viscosità. Per questo motivo, una pompa a ingranaggi non dovrebbe funzionare a secco. Le strette tolleranze tra gli ingranaggi e l’involucro significano che questi tipi di pompa sono suscettibili di usura quando vengono utilizzati con fluidi abrasivi o con alimenti contenenti solidi trascinati.

Altri due design simili alla pompa a ingranaggi sono la pompa a lobi e la pompa a palette.

Nel caso della pompa a lobi, gli elementi rotanti sono lobi invece di ingranaggi. Il grande vantaggio di questo design è che i lobi non entrano in contatto tra loro durante l’azione di pompaggio, riducendo l’usura, la contaminazione e il taglio del fluido. Le pompe a palette usano una serie di palette mobili (caricate a molla, sotto pressione idraulica, o flessibili) montate in un rotore decentrato. Le palette mantengono una stretta tenuta contro la parete del corpo e il fluido intrappolato viene trasportato alla porta di scarico.

Un’altra classe di pompe rotative utilizza una o più viti a maglia per trasferire il fluido lungo l’asse della vite. Il principio di base di queste pompe è quello della vite di Archimede, un design utilizzato per l’irrigazione per migliaia di anni.

Quali sono le principali caratteristiche e i vantaggi di una pompa volumetrica?

Ci sono due principali famiglie di pompe: volumetriche e centrifughe. Le pompe centrifughe sono capaci di flussi più elevati e possono lavorare con liquidi a bassa viscosità. In alcuni impianti chimici, il 90% delle pompe in uso saranno pompe centrifughe. Tuttavia, ci sono una serie di applicazioni per le quali le pompe volumetriche sono preferite. Per esempio, possono gestire fluidi a viscosità più elevata e possono funzionare a pressioni elevate e flussi relativamente bassi in modo più efficiente. Sono anche più accurate quando il dosaggio è una considerazione importante.

Quali sono i limiti di una pompa volumetrica?

In generale, le pompe volumetriche sono più complesse e difficili da mantenere delle pompe centrifughe. Inoltre non sono in grado di generare le alte portate caratteristiche delle pompe centrifughe.

Le pompe volumetriche sono meno capaci di gestire fluidi a bassa viscosità rispetto alle pompe centrifughe. Per generare l’aspirazione e ridurre lo slittamento e le perdite, una pompa rotativa si basa sulla tenuta tra i suoi elementi rotanti e il corpo della pompa. Questo si riduce notevolmente con i fluidi a bassa viscosità. Allo stesso modo, è più difficile prevenire lo slittamento delle valvole in una pompa alternata con un’alimentazione a bassa viscosità a causa delle alte pressioni generate durante l’azione di pompaggio.

Una scarica pulsante è anche una caratteristica dei design delle pompe volumetriche, e specialmente di quelle alternate. Le pulsazioni possono causare rumore e vibrazioni nei sistemi di tubazioni e problemi di cavitazione che possono portare a danni o guasti. Le pulsazioni possono essere ridotte con l’uso di cilindri multipli della pompa e smorzatori di pulsazioni, ma questo richiede un’attenta progettazione del sistema. Le pompe centrifughe, d’altra parte, producono un flusso regolare e costante.

Il movimento avanti e indietro di una pompa alternata può anche essere una fonte di vibrazioni e rumore. È quindi importante costruire fondazioni molto forti per questo tipo di pompa. Come conseguenza delle alte pressioni generate durante il ciclo di pompaggio, è anche vitale che la pompa o la linea di scarico abbia qualche forma di scarico della pressione in caso di blocco. Le pompe centrifughe non hanno bisogno di una protezione contro la sovrapressione: il fluido viene semplicemente rimesso in circolo in questa eventualità.

L’alimentazione contenente un alto livello di solidi abrasivi può causare un’usura eccessiva dei componenti di tutti i tipi di pompe e soprattutto delle valvole e delle guarnizioni. Anche se i componenti delle pompe volumetriche funzionano a velocità notevolmente inferiori rispetto a quelli delle pompe centrifughe, rimangono soggetti a questi problemi. Questo è particolarmente il caso delle pompe alternative a pistone e a stantuffo e delle pompe rotative a ingranaggi. Con questo tipo di alimentazione, una pompa a lobi, a vite o a diaframma può essere adatta per applicazioni più esigenti.

La seguente tabella riassume le capacità delle pompe centrifughe e a spostamento positivo.

Confronto tra pompe: Centrifuga vs Spostamento Positivo

Proprietà	Centrifuga	Spostamento Positivo
Gamma di viscosità effettiva	L’efficienza diminuisce all’aumentare della viscosità (max. 200 Cp)	L’efficienza aumenta con l’aumentare della viscosità
Tolleranza alla pressione	Il flusso varia al variare della pressione	Flusso insensibile al variare della pressione
	L’efficienza diminuisce sia a pressioni maggiori che minori	L’efficienza aumenta con l’aumentare della pressione
Priming	Richiesta	Non richiesta
Flusso (a pressione costante)	Costante	Pulsing
Shearing (separazione di emulsioni, fanghi, fluidi biologici, alimenti)	Il motore ad alta velocità danneggia i mezzi sensibili al taglio	Bassa velocità interna. Ideale per il pompaggio di fluidi sensibili al taglio

Quali sono le principali applicazioni delle pompe volumetriche?

Le pompe volumetriche sono comunemente usate per il pompaggio di fluidi ad alta viscosità come olio, vernici, resine o prodotti alimentari. Sono preferite in qualsiasi applicazione in cui è richiesto un dosaggio accurato o un’uscita ad alta pressione. A differenza delle pompe centrifughe, l’uscita di una pompa volumetrica non è influenzata dalla pressione, quindi tendono anche ad essere preferite in qualsiasi situazione in cui l’alimentazione è irregolare. La maggior parte è autoadescante.

Tipo di pompa PD	Applicazione	Caratteristiche
Pompa a pistone	Acqua – lavaggio ad alta pressione; altri liquidi a bassa viscosità; produzione di olio; spruzzatura di vernice	Azione reciclante con pistone/i sigillato/i con o-ring
Pompa a pistone		Azione reciclante con pistone/i sigillato/i con guarnizione
Pompa a diaframma	Utilizzata per il dosaggio o la distribuzione; spruzzatura/pulizia, trattamento dell’acqua; vernici, oli; liquidi corrosivi	Senza guarnizioni, autoadescante, basse portate e capace di alte pressioni
Pompa a ingranaggi	Pompaggio di fluidi ad alta viscosità nelle industrie petrolchimiche, chimiche e alimentari: olio, vernici, prodotti alimentari	Gli ingranaggi dentati forniscono un’azione di pompaggio rotativa
Pompa a lobi	Industria chimica e alimentare; applicazioni sanitarie, farmaceutiche e biotecnologiche	Basso taglio e usura. Facile da pulire o sterilizzare
Pompa a vite	Produzione di olio, trasferimento e iniezione di carburante; irrigazione	Il fluido si muove assialmente riducendo la turbolenza; capace di alte portate
Pompa a palette	Fluidi a bassa viscosità; sistemi di trasmissione automobilistica; caricamento e trasmissione di carburante; distributori di bevande	Resistente ai solidi trascinati e resistente all’usura delle palette. Il design permette un’uscita variabile

Sommario

Una pompa volumetrica muove un fluido racchiudendo ripetutamente un volume fisso, con l’aiuto di guarnizioni o valvole, e spostandolo meccanicamente attraverso il sistema. L’azione di pompaggio è ciclica e può essere azionata da pistoni, viti, ingranaggi, lobi, diaframmi o palette. Ci sono due tipi principali: alternativi e rotativi.

Le pompe volumetriche sono preferite per applicazioni che coinvolgono fluidi altamente viscosi come oli densi e fanghi, specialmente ad alte pressioni, per alimentazioni complesse come emulsioni, alimenti o fluidi biologici, e anche quando è richiesto un dosaggio preciso.

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