Regolazione pompe centrifughe: metodi e curve Q/H

regolazione pompe centrifughe vuol dire modificare il punto reale di lavoro di un impianto, intervenendo sulla curva della pompa o sulla curva dell’impianto. L’obiettivo pratico è adattare portata (Q) e prevalenza (H) a ciò che la rete richiede, evitando sprechi quando possibile.

Curva Q/H e punto di funzionamento: la base

Le prestazioni idrauliche di una pompa centrifuga si rappresentano con una curva Q/H (portata/prevalenza): a velocità di rotazione fissa, ad ogni portata Q corrisponde una prevalenza H. Tutti i punti della curva sono, in teoria, punti di possibile funzionamento della macchina.

Il punto reale di funzionamento non si sceglie “a tavolino” solo guardando la pompa: è dato dall’intersezione tra la curva caratteristica della pompa e quella dell’impianto.

Curva caratteristica dell’impianto: cosa descrive davvero

La caratteristica dell’impianto descrive come la prevalenza richiesta H dipende dalla portata Q.

Per una tubazione non ramificata, la prevalenza necessaria si ricava applicando l’equazione di Bernoulli tra due sezioni (1 e 2), considerando termini come:

• pressioni nei serbatoi di monte e valle ($p_1$, $p_2$)
• densità del liquido ($\rho$)
• accelerazione di gravità ($g=\mathrm{9,81}m/s^2$)
• dislivello statico ($H_{geo}$)
• perdite totali per attrito ($\mathrm{\Delta }{H}_{tot}$)

Quando le superfici dei serbatoi sono grandi rispetto alle tubazioni, le velocità medie nei serbatoi sono spesso trascurabili: questo porta a una forma semplificata della relazione.

Parte statica e parte dinamica: $H_s$ e $H_d$

La curva dell’impianto può essere vista come somma di:

• una parte statica $H_s$, che non dipende dalla portata
• una parte dinamica $H_d$, legata alle perdite di carico che crescono con la portata

Nei sistemi chiusi, il valore statico è zero.

Le perdite di carico totali $\mathrm{\Delta }{H}_{tot}$ includono aspirazione e mandata. Per numeri di Reynolds sufficientemente elevati, sono proporzionali al quadrato della portata. In forma compatta, questo si traduce in una parabola della caratteristica del sistema, spesso espressa come:$$H_{imp}=H_s+H_d\text{con}{H}_d\propto Q^2$$

Quindi, aumentando Q, la prevalenza richiesta dall’impianto cresce con andamento quadratico.

Il principio chiave: per cambiare il punto di lavoro devi cambiare una curva

Il punto di intersezione tra curva della pompa e curva della tubazione (curva dell’impianto) è il punto caratteristico di funzionamento.

Per variarlo “davvero”, non basta desiderare una portata diversa: bisogna modificare una delle due curve:

• la curva dell’impianto (agendo su $H_s$, su $H_d$, o su entrambe)
• la curva della pompa (agendo su velocità, configurazione, girante)

Nel seguito trovi i metodi citati e come si collegano a questo principio.

Regolazione in mandata con valvola: modificare $H_d$ “strozzando”

È il criterio più semplice ed economico: si agisce sul grado di apertura di una valvola di regolazione installata immediatamente a valle della flangia di mandata della pompa.

Così facendo si introduce una perdita di carico localizzata variabile, che aumenta la pendenza della curva caratteristica dell’impianto e sposta l’intersezione con la curva della pompa: a velocità costante si può ridurre la portata erogata.

Attenzione all’effetto energetico: la pompa può generare una prevalenza superiore a quella necessaria all’impianto, e l’eccedenza viene “consumata” nella valvola. Questa energia viene dissipata sotto forma di calore ed è persa. La perdita è accettabile se il campo di regolazione è piccolo o la regolazione è sporadica.

Regolazione con bypass: modificare $H_d$ ricircolando la portata in eccesso

In questo schema, a valle della pompa si inserisce una valvola che scarica la portata in eccesso nel serbatoio di aspirazione.

Anche questo metodo è dissipativo: la pompa veicola una portata maggiore di quella richiesta dall’impianto. Nel testo è esplicitato che le perdite con bypass risultano maggiori rispetto alla regolazione con valvola in mandata.

Quando si usa il bypass, per individuare i punti di funzionamento si passa dal concetto di:

• circuito equivalente (parallelo di impianto e bypass)
• pompa equivalente, ottenuta con costruzioni grafiche per punti delle curve caratteristiche
  fino alla determinazione grafica dei punti di funzionamento di pompa e impianto.

Variare la velocità di rotazione: spostare la curva della pompa (leggi di similitudine)

Un altro modo è modificare il punto di funzionamento variando la velocità di rotazione della macchina. Prima si introducono le leggi di similitudine, basate sull’idea che macchine geometricamente e cinematicamente simili avranno lo stesso rendimento idraulico, e permettono relazioni tra prevalenza H, portata Q e numero di giri n.

Operativamente, cambiando la velocità si ottiene, per ogni velocità, una diversa curva caratteristica della pompa. La curva dell’impianto incrocerà ciascuna curva della pompa in un punto diverso: così la macchina può adattare le prestazioni all’andamento della richiesta.

Nel testo viene citato il caso classico della pressurizzazione di un condotto di distribuzione di acqua potabile, dove la variazione oraria della richiesta è seguita grazie a sistemi di controllo elettronici (sensori e inverter), con grande risparmio di energia perché si evitano dissipazioni.

Variare il diametro della girante: curva diversa, ma intervento più rigido

A velocità fissa, si può modificare la curva caratteristica intervenendo sul diametro della girante (nelle pompe con giranti radiali).

Rispetto alla variazione di velocità, questo intervento è descritto come molto più rigido, perché richiede un’azione meccanica: diminuire il diametro o sostituire la girante originale con una di diametro maggiore o minore.

Anche qui l’idea rimane la stessa: cambiando la curva della pompa, cambia l’intersezione con la curva dell’impianto e quindi il punto di funzionamento.

Pompe in parallelo o in serie: modificare la curva “di sistema pompa”

Il punto di funzionamento può essere variato anche collegando pompe:

• in parallelo: più pompe aspirano ciascuna in modo indipendente e spingono nello stesso collettore di mandata; a ogni prevalenza, la portata risultante è la somma delle portate delle singole pompe
• in serie: in tutte le pompe scorre la stessa portata, mentre la prevalenza del sistema è la somma delle prevalenze delle singole pompe (a pari Q)

Sono due configurazioni diverse, ma entrambe agiscono sulla “curva risultante” vista dall’impianto.

Conclusione

La regolazione non è un’operazione “astratta”: significa scegliere come spostare l’intersezione tra curva della pompa e curva dell’impianto. Puoi farlo intervenendo su perdite e resistenze (valvola o bypass) oppure sulla pompa (velocità, girante, serie/parallelo), tenendo presente che alcuni metodi sono dissipativi e altri seguono meglio la richiesta.