L’avvento delle pompe di sollevamento ha favorito la prima grande rivoluzione degli acquedotti che prima potevano funzionare solo a gravità sfruttando fonti situate in zone ad alta quota ma altrettanto importante è stato il passo in avanti reso possibile dai moderni motori a passo variabile.
La variazione di velocità dei motori elettrici ha più di un secolo, ma inizialmente essa poteva essere attuata soltanto in corrente continua con i problemi che ciò comportava, sia nella costituzione dei motori data la complessità del loro rotore, sia per le difficoltà insite nella produzione della corrente continua. Per parlare di azionamenti in senso moderno occorre arrivare alla fine degli anni ’50 quando, grazie, alla diffusione dei semiconduttori di potenza al silicio, si sono diffuse le applicazioni di motori in corrente alternata controllati da convertitori statici di frequenza (inverter). Negli anni più recenti la disponibilità di microprocessori con tempi di scansione di pochi millisecondi ha permesso di ottenere da motori asincroni la massima regolarità di funzionamento anche alle basse velocità con assenza di pulsazioni di coppia. L’aggiunta di un elettroventilatore incorporato infine ha risolto il problema del raffreddamento garantendo un adeguato flusso d’aria indipendentemente dalla velocità di funzionamento.
.
Il funzionamento di una pompa centrifuga viene comunemente rappresentato dalla curva portata/prevalenza del liquido sollevato che ogni costruttore fornisce per ciascuna macchina. Un altro elemento caratteristico importante è il rendimento meccanico del gruppo motore-pompa che è molto variabile secondo il punto di funzionamento. Se esaminiamo in particolare la curva A-B-C-D rappresentata con linea tratteggiata grossa nella fig. 1 allegata e relativa ad una comune pompa centrifuga a giri fissi, possiamo notare i seguenti punti di funzionamento:
-Punto A. La pompa ha la bocca di mandata chiusa, la portata è zero e la pressione di pompaggio (adimensionalizzata rispetto al valore di funzionamento ottimale) è pari al 110%.
-Punto B. E’ questa la massima prevalenza cui la pompa può innalzare l’acqua (114%). La portata, in tali condizioni, è modesta cioè solo pari al 40% nel mentre il suo rendimento meccanico è molto basso arrivando a meno del 50% rispetto a quello massimo.
-Punto C. Rappresenta il funzionamento ottimale. La pompa lavora al 100% di portata, 100% di prevalenza e 100% di rendimento (tutte le grandezze sono adimensionalizzate).
-Punto D. La portata massima (del tutto teorica) che la pompa può sollevare è pari a 180% ma la prevalenza è zero.
Nel grafico della figura 2 è rappresentato il funzionamento nel caso di pompaggio in una condotta nella quale siano preminenti le perdite di carico rispetto al dislivello geodetico. Si tratta, ad esempio, di un impianto di sollevamento con una lunghissima condotta di adduzione. Le due curve rispettivamente di pompaggio (curva a) e quella delle perdite di carico del circuito idraulico (curva b) hanno un andamento atto a determinare in maniera univoca il punto di intersezione che, soddisfacendo ambedue le curve di funzionamento, rappresenta portata e prevalenza che l’insieme condotta/pompa è in grado di fornire.
Nel grafico della figura 3 è rappresentato il funzionamento nel caso in cui sia invece preminente la prevalenza geodetica. E’ il caso di sollevamento in un serbatoio sopraelevato posto nelle vicinanze della pompa. La curva rappresentativa del circuito idraulico si avvicina molto ad una retta orizzontale che interseca quella rappresentativa del pompaggio nel punto P caratteristico del funzionamento. Anche questo insieme è stabile.
Vediamo ora che cosa succede variando la velocità di rotazione della pompa. Ad ogni nuova velocità corrisponde una nuova curva congruente con quella precedente e quindi ottenibile per semplice translazione di essa nel mentre collegando tra di loro i punti di pari rendimento meccanico che si registrano nei vari casi si ottengono delle figure elissoidiche come rappresentato nel grafico di fig. 1. In pratica ad ogni variazione della velocità di rotazione della pompa si ottiene una nuova macchina completamente diversa da quella precedente ma con un funzionamento analogo rappresentato in grafico dalla relativa curva caratteristica. La regola, per variazioni di portata direttamente proporzionali al nuovo numero di giri e rendimento costante, indica che la prevalenza varia in proporzione del quadrato del numero di giri e la potenza assorbita, essendo a sua volta proporzionale al prodotto della portata per la prevalenza, varia in funzione del cubo del numero di giri. Indicando con Q la portata, H la prevalenza, W la potenza assorbita e con i pedici 1 e 2 rispettivamente i riferimenti ai numero di giri si ha.
– per le portate Q2/Q1=n2/n1
– per le prevalenze: H2/H1=(n2/n1)^2
– per le potenze W2/W1= (n2/n1)^3
Ad esempio se si aumenta sia il numero di giri che la portata del 20%, la prevalenza cresce del 44% (1.2 x 1.2 = 1.44) ( punto F della figura n.1) mentre la potenza assorbita aumenta del 73% (1.2 al cubo è pari a 1.73). Analogamente diminuendo giri e portata del 20% (punto G della figura 1) si ha una prevalenza pari al 64% ed una potenza del 51% rispetto a quella normale.
Nelle pompe a giri variabili devono essere rispettati alcuni principi fondamentali.
Innanzitutto il motore deve, ovviamente, essere dimensionato sulla base del lavoro da svolgere nelle condizioni più gravose e cioè per la massima velocità il che equivale a dire che il regime di normale lavoro della macchina è quello svolto con il motore che funziona con la corrente elettrica di linea utilizzata così come essa viene consegnata dal gestore. Sarà poi l’inverter che, limitando la propria funzione alla sola riduzione del numero di giri per minuto ottenuta modificando la frequenza della corrente, conferisce alla macchina la caratteristica di poter modulare portata e pressione. Non è ovviamente possibile far svolgere al motore un lavoro superiore a quello di dimensionamento della pompa e del motore stesso come si verificherebbe nel caso l’inverter facesse, in modo improprio, crescere la velocità oltre a quella di normale regime. Esiste un limite anche per la velocità minima di rotazione considerato che un gruppo pompa-motore costretto a lavorare a velocità di rotazione molto bassa presenta consumi energetici elevati in relazione con il modesto lavoro che, in tale regime, sarebbe destinato a svolgere. In definitiva una pompa a giri variabili è una macchina che, per quanto riguarda la velocità massima e quindi portata e prevalenza massime non è altro che una pompa a giri fissi con inverter fuori servizio, e che, utilizzando tale dispositivo di variazione della frequenza elettrica di alimentazione, può diminuire la propria velocità di rotazione e quindi diminuire a piacere portata e prevalenza, fino ad un limite minimo variabile da pompa a pompa a seconda delle sue caratteristiche.
L’esame dettagliato del grafico di fig. 1 chiarirà meglio i concetti.
Importante, innanzitutto, la curva E-C-H ottenuta congiungendo tra di loro i punti di massimo rendimento alle varie velocità di rotazione, la quale rappresenta, appunto, l’utilizzazione ottimale della macchina per tutto il campo di variazione che le è proprio. Nella pratica risulta assai difficile che la pompa possa seguire esattamente tale curva pur restando accettabile il suo rendimento. Al posto di una curva lineare sarà quindi opportuno considerare una fascia di lavoro come quella tratteggiata nel grafico che è stata ottenuta, in prima approssimazione, tracciando, per traslazione di quella E – C – H le due curve “s” e “d” , fascia che delimita i punti di buon funzionamento della pompa per tutte la possibile escursione di velocità anche se spinta fino ai valori estremi. Caratteristica essenziale della fascia è di aver un andamento molto simile a quello del circuito idraulico sia quando questo è costituito da una condotta singola come pure da una rete di condotte, in cui immettere l’acqua sollevata. In altri termini la funzione che lega la pressione di testata della rete idrica con la portata dell’acqua che la stessa può addurre è molto vicina a quella che lega la prevalenza manometrica totale con la portata che una pompa a giri variabili è in grado di sollevare. Vedremo nel prosieguo come sfruttare appieno tale favorevole circostanza.
Se esaminiamo ora le curve di isorendimento del grafico constatiamo che, come già detto, esse hanno una forma elissoidica il cui asse maggiore è parallelo alla fascia prima indicata. La pompa presenta, pertanto, ottime caratteristiche di utilizzo per la parte centrale in cui sussiste un certo parallelismo tra tali curve e la fascia di lavoro nel mentre nei tratti finali le curve tagliano la fascia stessa denunciando un decadimento di rendimento che diventa sempre più gravoso man mano che ci si avvicina alle velocità estreme cioè a quella massima e a quella minima di rotazione. E’ quindi necessario ricercare i limiti entro i quali deve essere contenuta la velocità di rotazione della pompa al fine di garantirne una corretta utilizzazione. Al riguardo, nel mentre il punto di massima velocità è, come già detto in precedenza, forzatamente definito dal dimensionamento del motore elettrico e corrisponde quindi alla velocità n=100 del grafico, risulta molto difficile fissare la velocità minima per le molte implicazioni che ne derivano. Utile, allo scopo, il grafico di fig 4 relativo al funzionamento reale di una pompa a giri variabili nel quale non figura, per le motivazioni prima addotte, la parte superiore relativa alle velocità superiori al 100%, e dove sono riportate, oltre alle curve di isorendimento, le curve della potenza assorbita ai vari regimi. Vi è indicata anche la fascia di lavoro ottimale in sostituzione di quella prima definita in modo semplicistico dalle due curve “s” e “d” analoghe a quella di massimo rendimento. Vi si ricava che per velocità variabili dal 100% al 80% il rendimento è ottimo essendo pari al 98 %. Esso diminuisce sensibilmente quando si scende al 50% della velocità e peggiora oltre. Si arriva a concludere che la velocità della pompa non dovrebbe scendere mai al di sotto del 60% circa al fine di contenere la perdita di rendimento entro il 6 % circa. A tutt’altri risultati si perviene se si tiene conto di un altro fattore determinante: la potenza assorbita dal motore per l’azionamento della pompa. Si può notare come, alle velocità basse e bassissime contemporaneamente al citato scadimento nel rendimento meccanico ed elettrico, che arriva al massimo ad alcuni punti percentuali, si verifica però un ben più consistente risparmio energetico dovuto alla minor potenza assorbita. Ad esempio, alla velocità del 60% mentre la perdita di rendimento è stimabile nel 6% si ha un risparmio nella potenza pari a ben l’80%, per cui il risultato finale vede, a tale regime, una minor spesa energetica del 74%. Analogamente per velocità del 50% si hanno una perdita di rendimento del 7% ma un recupero nella potenza del 88% e quindi un ricupero finale di ben il 81%; al 40% di velocità la perdita di rendimento raggiunge il 12% ma il risparmio il 95% e quindi l’economia finale arriva all’83%. Passando a velocità inferiori l’economia diventa ancora più sensibile. I consumi energetici alle varie velocità determinati tenendo conto di ambedue i fattori descritti sono quelli della seguente tabella.
| VELOCITA’ DI ROTAZIONE | RENDIMENTO MECCANICO ED ELETTRICO | PERDITA DI RENDIMENTO | POTENZA
TEORICA ASSORBITA |
POTENZA
REALE ASSORBITA |
| 100% | 98% | 2% | 98% | 100% |
| 90% | 98% | 2% | 70% | 72 |
| 80% | 98% | 2% | 50% | 52% |
| 70% | 95% | 5% | 32% | 37% |
| 60% | 94% | 6% | 20% | 26% |
| 50% | 93% | 7% | 12% | 19% |
| 40% | 88% | 12% | 5% | 17% |
Dai dati elencati si arriva a concludere che il rallentamento della velocità di rotazione della pompa, anche se spinto fino a valori estremi, è comunque atto a produrre una notevole economia energetica il che dà una chiara idea di quali siano i vantaggi che si possano ottenere dalla riduzione della pressione di pompaggio e, in definitiva, quanto sia importante la scelta della pressione variabile nell’alimentazione degli acquedotti in sostituzione di quella a pressione di partenza fissa che la maggior parte degli acquedotti attua normalmente. In altre parole tutte le volte che l’utenza non lo richiede, è inutile sollevare l’acqua alle normali elevate prevalenze: molto meglio, in tali casi, ridurre la prevalenza manometrica delle pompe per ottenerne un notevole risparmio energetico cui deve aggiungersi, fattore importantissimo per il servizio idrico, la sensibile riduzione delle perdite occulte d’acqua dalle condotte della rete che si realizza in tal modo.
L’economia ottenibile risulta ancora più evidente qualora si analizzino i dati statistici di consumo degli acquedotti dai quali risulta che i consumi orari elevati, durante un’intera annata, sono in numero veramente esiguo nel mentre per la stragrande maggioranza di tempo si verificano consumi medi o medio-bassi. Ne discende che l’impiego delle pompe a velocità variabile e la minor prevalenza di pompaggio che esse permettono di mantenere per lunghi periodi sono determinanti-
E’ evidente che ulteriori marcate economie energetiche potrebbero aversi qualora si riuscisse a contenere i rendimenti meccanici della pompa costantemente entro valori ottimali. Ciò può aver luogo soltanto tramite installazione di più pompe a giri variabili ognuna delle quali funziona da sola quando le caratteristiche di portata e prevalenza richiesta dal circuito idraulico rientrano entro i suoi limiti di corretto funzionamento. Appena tale circostanza non è più verificata deve essere l’automatismo di regolazione che provvede al suo arresto previa messa in moto di un’altra pompa di adeguate capacità.
.
Dalle considerazioni esposte risulta chiaramente che la scelta dell’assetto definitivo di ogni impianto di sollevamento deve derivare dal raffronto tecnico/economico tra costi di installazione e di esercizio di
.
più gruppi pompa aventi diversificate caratteristiche. Ad esempio in una rete caratterizzata da basse e bassissime richieste dell’utenza molto rare potrà essere conveniente prevedere un’unica pompa a velocità variabile anche se eccezionalmente impiegata fuori rendimento. Nel caso di un’utenza i cui bassi consumi si verificano con una maggiore frequenza, trova invece piena giustificazione l’altra soluzione che prevede più pompe tutte a giri variabili oppure, ed è questa una circostanza che si verifica molto spesso, anche una serie di pompe a giri fissi da affiancare alla pompa principale a velocità variabile.
Per maggiori dettagli cliccare qui. V si trova il seguito dell’articolo con esempi.
Acquedotti - Realtà e Futuro 