Pompe centrifughe: pressione, fluido, temperatura

Dopo aver visto nei due articoli precedenti che cos’è una pompa centrifuga e in quali parti si compone, vediamo in questo terzo post della serie Elementi di base delle pompe centrifughe quali sono i termini comunemente associati al funzionamento delle pompe.

Ci concentreremo soprattutto su pressione, fluido e temperatura.

Pressione

Il primo argomento che affronteremo è quello della pressione, che ha diversi significati a seconda delle persone con cui si parla. Oltre a definire la pressione, definiremo altri termini associati ad essa che è opportuno conoscere prima di affrontare il quarto e penultimo capitolo della serie, ovvero il funzionamento vero e proprio di una pompa centrifuga.

La pressione è definita come una forza che agisce su un’area. La pressione, quando applicata a una superficie come un fluido, agisce in tutte le direzioni allo stesso modo. La pressione si muoverà attraverso il percorso di minor resistenza. La pressione è espressa in bar o psi.

Quali tipologie di pressione possiamo trovare?

• Pressione atmosferica
• Pressione assoluta
• Pressione relativa
• Vuoto
• Pressione di vapore

Vediamo questi termini nel dettaglio.

Pressione atmosferica

La pressione atmosferica è la forza esercitata su un’area dal peso dell’atmosfera. La pressione atmosferica sarà diversa a Denver, in Colorado, rispetto a Miami, in Florida. La ragione di ciò è dovuta all’elevazione rispetto al livello del mare. I punti più vicini al livello del mare avranno più atmosfera che li appesantisce e quindi più pressione. La pressione atmosferica a livello del mare è definita a 1.013 bar o 14,69 psi.

Pressione assoluta

La pressione assoluta è la vera pressione totale. La pressione assoluta è la somma della pressione relativa e della pressione atmosferica. Un altro modo per definire la pressione assoluta è la quantità con cui la pressione misurata supera un vuoto perfetto. La pressione assoluta viene misurata in bar abs o psia.

Pressione relativa

La pressione relativa è la differenza tra una data pressione del fluido e quella dell’atmosfera. La pressione relativa viene misurata da un dispositivo meccanico o elettrico noto come manometro. Un altro modo per definire la pressione relativa è la quantità di pressione misurata maggiore della pressione atmosferica. La pressione relativa viene misurata in barg o psig.

Vuoto

Vuoto è il termine usato per esprimere qualsiasi pressione al di sotto della pressione atmosferica. Il vuoto è in genere espresso in pollici o millimetri di mercurio (Hg). La pressione atmosferica a livello del mare è 29,92 pollici o 760 mm di Hg. Una pressione inferiore a 0 psig oppure 0 barg è considerata vuoto. Quando il numero di pollici o mm di Hg aumenta, la pressione sta effettivamente diminuendo.

La quantità di vuoto che può essere generata dipende dalla pressione atmosferica totale. Ad esempio, il maggior vuoto che si può avere sulla Terra è 29,92 pollici o 760 mm di Hg. La pressione atmosferica su Venere è 1330 psi o 92 bar. Può esserci un enorme vuoto su Venere. Al contrario, la pressione atmosferica su Marte è 0,14 psi o 0,01 bar. Qui invece non si può generare molto vuoto.

Pressione di vapore

La pressione di vapore è la pressione alla quale un liquido si trasformerà in vapore ad una data temperatura. La pressione di vapore viene misurata in unità di pressione assoluta, come psia o bar abs. A 15,5°C l’acqua ha una pressione di vapore di 0,256 psia oppure 0,018 bar assoluti. A 100°C la pressione di vapore dell’acqua aumenta a 14,69 psia oppure 1,013 bar assoluti, quindi bolle sotto pressione atmosferica. Un altro modo per definire la pressione di vapore è la quantità di pressione esercitata su un liquido per mantenerlo liquido.

Fluido

I fluidi hanno determinate proprietà fisiche che li descrivono. Termini come peso, densità e viscosità hanno significati diversi. In questo paragrafo definiremo i principali termini relativi ai fluidi usati nell’industria e chiariremo le differenze tra loro.

Idraulica

L’idraulica è lo studio dei fluidi a riposo o in movimento. I fluidi includono sia liquidi che gas. Quando ci si riferisce all’idraulica della pompa, ci riferiamo solo ai liquidi. Le pompe centrifughe non possono pompare gas o vapori.

Densità

La densità è a volte indicata come peso specifico. Descrive il peso per unità di volume di una sostanza. L’acqua ha una densità di 1 kg per litro a 1,013 bar e 15,5°C.

Peso specifico

Il peso specifico è il rapporto di densità di un liquido rispetto all’acqua ad una data temperatura. L’acqua è usata come standard a 14,69 psia o 1,013 bar abs e a 15,5°C. Il suo peso specifico è 1,0 a questa temperatura e pressione standard. Poiché il peso specifico è un rapporto della stessa proprietà (cioè densità), non ha unità. Se un liquido ha un peso specifico maggiore di 1,0, affonderà in acqua in base allo standard. Se un liquido ha un peso specifico inferiore a 1,0, galleggerà in acqua in base allo standard. Il peso specifico di un liquido influisce sulla pressione relativa all’altezza del liquido. Il fabbisogno di potenza cambia al variare del peso specifico. Il buon senso vi dirà che più è pesante un fluido, più energia sarà richiesta per pomparlo.

Il peso specifico non deve essere confuso con la viscosità. La viscosità è una misura della resistenza del liquido al flusso. Il peso specifico e la viscosità sono entrambe proprietà dei liquidi, ma non esiste alcuna correlazione tra di essi.

Viscosità

La viscosità è la misura della resistenza di un fluido al flusso sotto una forza applicata ad una data temperatura. La viscosità può essere pensata come lo “spessore” di un fluido mentre si muove a causa di questa forza. La maggior parte dei liquidi utilizzati nell’industria sono considerati fluidi veri o newtoniani. Questo perché la loro viscosità rimane costante ad una data temperatura e pressione. Esempi di fluidi newtoniani sono acqua e olio minerale. Altri liquidi, come melassa, grasso, amido e vernice agiscono in modo diverso dai liquidi newtoniani. La viscosità di questi liquidi non rimane costante a una data temperatura e pressione. Questi liquidi mostrano viscosità inferiore poiché sono agitati a temperatura costante e sono chiamati fluidi tixotropici.

Ancora altri liquidi, come fanghi di argilla, miscele di caramelle e sabbie mobili mostrano un aumento della viscosità poiché sono agitati e sono chiamati fluidi dilatanti. Esistono due parametri di viscosità di base, viscosità dinamica (assoluta) e viscosità cinematica. La viscosità dinamica viene solitamente misurata in termini di centipoise (cP) sia in sistemi inglesi che in sistemi metrici. La viscosità cinematica è uguale alla viscosità dinamica divisa per il peso specifico del fluido. Questo è vero solo quando la viscosità cinematica è misurata in centistokes (cSt) e la viscosità dinamica è misurata in cP. Di nuovo, il cSt è usato sia in sistemi inglesi che in sistemi metrici.

L’acqua a una temperatura di 20°C ha una viscosità cinematica di 1 cSt. La viscosità non è correlata al peso, alla densità o alla gravità specifica del fluido. Le prestazioni della pompa centrifuga sono fortemente influenzate dalla viscosità. Quando la viscosità di un fluido è maggiore dell’acqua, le prestazioni della pompa cambieranno. Il buon senso vi dirà che più è “spesso” il fluido, più energia è richiesta per pomparlo.

Portata

La portata è definita come il volume di liquido per unità di tempo erogato dalla pompa. Può anche essere descritto come la portata volumetrica del fluido che viene trasferito. Le unità più comuni per la portata sono in genere galloni al minuto (GPM) o metri cubi all’ora. Le pompe centrifughe non offrono una grande flessibilità nelle variazioni di portata senza influire sull’efficienza della pompa. La portata è spesso indicata dalla lettera Q nella nomenclatura corrente. Quando si specificano i requisiti di portata per una pompa centrifuga, è necessario indicare una gamma di portata. I limiti di portata minima e massima sono molto importanti. Questi limiti garantiscono il corretto funzionamento della pompa, sia meccanicamente che idraulicamente.

Prevalenza

La prevalenza è un termine spesso usato per descrivere l’energia meccanica aggiunta al fluido mediante la forza centrifuga. È la quantità utilizzata per esprimere il contenuto energetico del liquido per unità di peso del liquido. La prevalenza è un termine corretto da usare con le pompe centrifughe perché sono dispositivi energetici costanti. Ciò significa che per una determinata pompa che funziona ad una certa velocità e gestendo un determinato volume di fluido, l’energia trasferita a questo fluido è la stessa per qualsiasi fluido indipendentemente dalla densità.

La prevalenza generata da una data pompa ad una certa velocità e capacità rimarrà costante per tutti i fluidi, salvo eventuali effetti di viscosità. Pertanto, la prevalenza applicata alle pompe centrifughe è comunemente espressa in metri di liquido. La prevalenza può anche essere utilizzata per rappresentare l’altezza verticale in metri (H) di una colonna statica di liquido.

Conversioni pressione - prevalenza

Pressione e prevalenza sono due termini che sono correlati da una costante. In questa sezione identificheremo le equazioni necessarie per convertire prevalenza e pressione.

Per spiegare la relazione pressione vs prevalenza useremo un liquido molto conosciuto: l’acqua.

1 metro cubo di acqua pesa 1000 kg 1 metro cubo di acqua sposta 10.000 cm² 1.000/10.000 = 0,1 Quindi 1 m di acqua crea 0,1 kg/cm² di pressione o 10 m di acqua creano 1 kg/cm² di pressione

La pressione può essere convertita in prevalenza attraverso l’equazione: Prevalenza (m) = Pressione (bar) x 10,2 / Peso specifico

La prevalenza può essere convertita in pressione attraverso l’equazione: Pressione (bar) = Prevalenza (m) x Peso specifico / 10.2

Temperatura

La temperatura è molto importante quando si analizzano i termini discussi nei paragrafi precedenti. Può influire notevolmente su tutte o parte delle proprietà fisiche di un fluido. Questa sezione descriverà l’effetto che la temperatura ha sul funzionamento della pompa.

In che modo la temperatura influisce sul peso specifico?

Il peso specifico di un fluido varierà in maniera inversa alla temperatura. Tipicamente, il peso specifico di un fluido diminuisce all’aumentare delle temperature e viceversa.

In che modo la temperatura influisce sulla viscosità?

La viscosità di un fluido varierà in maniera inversa rispetto alla temperatura. Tendenzialmente, la viscosità di un fluido diminuisce all’aumentare delle temperature e viceversa. Questo spiega perché la maggior parte dei fluidi scorre più velocemente e più facilmente quando vengono riscaldati.

In che modo la temperatura influisce sulla pressione di vapore?

Ogni fluido ha una propria curva di pressione di vapore unica in cui la pressione di vapore viene tracciata in relazione alla temperatura. Man mano che le temperature aumentano, aumenta anche la pressione di vapore del fluido. Ciò significa che all’aumentare della temperatura del fluido, quest’ultimo richiede più pressione per impedirne l’ebollizione e rimanere liquido.

Leggi l’articolo successivo della serie Elementi di base delle pompe centrifughe riguardante il funzionamento di una pompa.