POMPE ALTA PRESSIONE PER UNA VASTA GAMMA DI APPLICAZIONI POSSIBILI
HPP è un Brand di PTC specializzata nella progettazione e costruzione di pompe a pistoni per acqua, forte di un know-how tecnologico supportato dalle più moderne tecnologie che le consente di offrire una vasta gamma di prodotti in grado di soddisfare esigenze che vanno da 16 a 410 KW (da 21 a 550 HP) con pressioni fino a 2.800 Bar (40k psi).
Le pompe HPP sono realizzate secondo le più moderne tecnologie sia per i materiali impiegati che per le lavorazioni meccaniche e i trattamenti termici utilizzati.
Comet è in grado inoltre di fornire anche una vasta gamma di accessori, adatti alle specifiche esigenze del singolo utente.
La professionalità e la ricerca ne fanno un’azienda dinamica e moderna proiettata ad affrontare e risolvere le problematiche di un mercato sempre in costante evoluzione.
Dal 2017 la gamma di prodotti Hpp è distribuita da PTC Srl, azienda italiana con sede a Rubiera (RE) specializzata nella tecnologia del water jetting ad alta pressione.
POMPE AD ALTA PRESSIONE HPP – FUNZIONAMENTO E COMPOSIZIONE
Prestazioni
Le pompe a pistoni HPP rientrano nella categoria delle pompe volumetriche alternative a pistoni, cioè dotate di caratteristiche tecniche per cui lo scorrimento del liquido avviene in virtù delle variazioni di una o più capacità che, alternativamente, aspirano e mandano il liquido.
La differenza fra volume massimo e minimo della capacità variabile rappresenta il volume teorico di liquido pompato. Le pompe a pistoni HPP sono di tipo Triplex, cioè sono strutturate su tre elementi pompanti, disposti ad assi paralleli giacenti su uno stesso piano orizzontale. Le pompe sono essenzialmente composte da due elementi costruttivi fondamentali, assemblati in modo fisso tra loro:
– la parte meccanica (Gear-End) che comprende il carter e gli organi interni (in bagno d’olio) che hanno la funzione del movimento della pompa.
– la parte idraulica (Fluid-End) che comprende la Testata e gli elementi a contatto con il liquido da pompare.
Parte meccanica (Gear-End)
La Parte meccanica comprende gli organi che generano il movimento degli elementi pompanti della pompa. Ogni elemento pompante comprende un pistone (composto a sua volta da un“pistone di guida” ed un “pistone pompante”, coassiali e solidali tra loro) a cui viene fornito il movimento alternativo, responsabile delle azioni di aspirazione e di pressione.
Il movimento alternativo del pistone è dato da un sistema biella-manovella, collegato al pistone di guida tramite uno spinotto e mosso da uno dei tre eccentrici (sfasati tra loro di 120°) di un albero. L’albero è supportato da almeno due cuscinetti e ha una estremità che fuoriesce dal carter per prendere il moto dal motore che aziona la pompa, direttamente o tramite un riduttore di giri.
Parte idraulica (Fluid-End)
La Parte idraulica della pompa comprende la testata, i pistoni pompanti, il sistema di tenuta e le valvole di aspirazione e mandata.
Il pistone pompante delle pompe HPP è di tipo “tuffante”, ovvero il sistema di tenuta del liquido pompato è fisso, mentre il pistone scorre al suo interno.
Il pistone pompante può essere realizzato con una bussola, in materiale ceramico, applicata al pistone di guida e trattenuta da una vite, oppure con un pistone integrale in materiale ad elevata durezza applicato direttamente sul pistone di guida. Sul pistone pompante agisce il sistema di tenuta, con la funzione di garantire la tenuta del liquido pompato durante lo scorrimento alternativo del pistone pompante.
Nell’immagine che segue è rappresentata una possibile configurazione della pompa HPP.
1. Head
2. Crankcase
3. Shaft
4. Bearings
5. Drive piston
6. Pin
7. Connecting rod
8. Eccentric
9. Pumping piston (Bush)
10. Screw
Il sistema di tenuta sui pistoni pompanti è composto da uno o più elementi che hanno la funzione di tenuta del liquido pompato nel contatto con il pistone. Gli elementi di tenuta possono essere guarnizioni singole, guarnizioni combinate, baderne, ecc a seconda delle prestazioni e del tipo di utilizzo a cui è destinata la pompa. Nel seguito l’elemento di tenuta viene genericamente indicato con il termine guarnizione. Il sistema di tenuta può anche essere costituito da due guarnizioni distanziate tra loro: una guarnizione di alta pressione, con la funzione di garantire la tenuta del liquido pompato, ed una guarnizione di bassa pressione, con la funzione di garantire la tenuta del liquido eventualmente trafilato dalla guarnizione di alta pressione. In questo caso vi è la presenza, tra le due guarnizioni, di una camera anulare che è normalmente in comunicazione con il collettore di aspirazione. Le funzioni di questa configurazione costruttiva sono due:
– creare un serbatoio di recupero dell’eventuale trafilamento di liquido dalla guarnizione di alta pressione, impedendo che esso fuoriesca all’esterno
– garantire la presenza di liquido tra le due elementi di tenuta, anche in assenza di trafilamento dalla guarnizione di alta pressione; ciò per mantenere bagnata la guarnizione di bassa pressione ed impedire pertanto che essa si surriscaldi per assenza di lubrificazione. In certi casi la presenza del liquido nella camera anulare è garantita da un vero e proprio “flussaggio” di parte del liquido che attraversa la pompa.
Fanno generalmente parte del sistema di tenuta anche altri elementi accessori alle guarnizioni, precisamente anelli di pressione, anelli di sostegno delle guarnizioni e anelli antiestrusione. La presenza e la forma costruttiva di questi elementi accessori sono legate a diversi fattori, fra i quali i più importanti sono da considerarsi il tipo di guarnizione adottata e la pressione di lavoro della pompa. Nell’immagine che segue è riportata una possibile configurazione della parte idraulica della pompa (Fluid-End), in cui si individuano la testata, un possibile sistema di tenuta con due guarnizioni separate e le valvole di aspirazione e mandata.
1. Head
2. Pumping piston
3. High-pressure gasket
4. Low-pressure gasket
5. Gasket support rings
6. Intake manifold
7. Annular chamber
8a. Connecting hole to the annular chamber
8b. Pumping chamber
9. Suction valve
10. Delivery valve
11. Delivery manifold
12. Valve cage
13. Valve spring
14. Valve plate
15. Valve seat
Ogni elemento pompante della pompa è corredato di una valvola di aspirazione e di una valvola di mandata, disposte in senso opposto l’una rispetto all’altra. La funzione delle valvole è quella di intercettare il liquido permettendo l’azione pompante nel ciclo di lavoro corrispondente alla rotazione dell’albero.
Il funzionamento delle valvole è di tipo automatico, cioè l’apertura e la chiusura sono determinate dalla differenza di pressione del fluido sul piattello della valvola, tenuto in posizione dalla forza di contrasto di una molla.
Una rotazione completa dell’albero pompa determina una fase di aspirazione (richiamo del pistone fino al punto morto inferiore) ed una fase di mandata (avanzamento del pistone fino al punto morto superiore) per ogni elemento pompante. Nella fase di aspirazione il liquido viene aspirato attraverso la valvola di aspirazione nella camera di pompaggio ricavata nella testata, mentre la valvola di mandata è chiusa. Nella fase di mandata, il liquido viene spinto fuori dalla camera di pompaggio attraverso la valvola di mandata, mentre la valvola di aspirazione è chiusa.
Gli elementi pompanti sono collegati trasversalmente tra loro dai collettori di aspirazione e mandata ricavati sulla testata.
PRESTAZIONI
Le prestazioni delle Pompe a Pistoni sono individuate dalle seguenti grandezze fisiche:
– Portata
– Pressione
– Potenza
TLa portata è il volume pompato nell’unità di tempo e si può distinguere una Portata teorica Qt (portata teoricamente fornibile dalla pompa) e una portata effettiva Qe (portata effettivamente fornita dalla pompa). La Portata si esprime normalmente con le unità di misura l/min (sistema metrico) o gpm (sistema anglosassone). La Portata Qt si calcola con la seguente formula (valida per le unità metriche):
In cui:
D [mm] = diametro pistone
e [mm] = eccentricità albero pompa
n [giri/min] = velocità di rotazione
Dai suddetti valori in unità metriche, si ricava la portata in unità anglosassoni con la formula:
Il rapporto tra le due portate, teorica ed effettiva, definisce il rendimento volumetrico ηv della pompa:
TI valori di portata che compaiono nelle prestazioni a catalogo sono quelli della portata teorica Qt, cioè con rendimento volumetrico ηv = 1
La portata delle pompe volumetriche a pistoni è proporzionale alla velocità di rotazione ed è tendenzialmente indipendente dalla pressione di mandata, tendendo però a diminuire all’aumentare di quest’ultima.
La pressione è il valore massimo che si può avere nella testata della pompa in condizioni di lavoro. Qui occorre precisare che le pompe volumetriche a pistoni non sviluppano intrinsecamente pressione nel loro movimento, ma spostano liquido in virtù delle loro caratteristiche costruttive come descritto nel capitolo precedente. Se però a valle della pompa, nel circuito di mandata, è presente un’ostruzione (ad esempio un ugello), si genera nella testata della pompa la pressione che è necessaria affinchè la portata della pompa possa attraversare l’ostruzione incontrata.
E’ pertanto necessario che nel circuito di mandata sia presente una valvola di massima pressione che non permetta l’instaurarsi di una pressione superiore a quella massima, stabilita in base alle caratteristiche di resistenza della pompa. Infatti se l’ostruzione di cui sopra dovesse essere completa (ad esempio la chiusura totale del circuito di mandata), la pressione tenderebbe ad un valore infinitamente grande con la conseguente rottura della testata. L’inserimento di una valvola di by-pass regolabile permette inoltre di stabilire un determinato valore di pressione in base alle esigenze di utilizzo.
La Pressione si esprime, in unità metriche, in bar, in MPa, e in unità anglosassoni in PSI. Le relazioni tra le suddette unità di misura sono le seguenti:
La potenza utile Nu di una pompa è l’energia fornita al liquido pompato nell’unità di tempo, mentre la potenza assorbita Na è l’energia nell’unità di tempo che la pompa richiede alla sua fonte di energia (motore elettrico, termico, oleodinamico, etc.) per effettuare il lavoro di pompaggio richiesto. Le unità di misura utilizzate per esprimere la Potenza sono kW, CV e HP.
La potenza utile Nu si calcole con la formula:
Le relazioni tra le altre unità di misura della potenza sono le seguenti:
La potenza assorbita è legata alla potenza utile con la relazione:
in cui ηt è il rendimento totale della pompa prodotto dei tre rendimenti ηv (volumetrico), ηm
(meccanico) e ηi (idraulico).
Il rendimento volumetrico ηv assume normalmente valori da 0,85 a 0,95. I valori inferiori si hanno per le pompe a più alte pressioni e a più alte velocità di rotazione, mentre i valori più alti si hanno nelle pompe a pressioni più basse e a più basse velocità di rotazione.
Il rendimento idraulico ηi esprime le perdite per le resistenze opposte al flusso attraverso la testata e per le pressioni elevate, tipiche delle pompe a pistoni, ha valori prossimi all’unità.
Il rendimento meccanico ηm esprime le perdite di potenza nella parte meccanica-cinematica: ha valori normalmente intorno a 0,94÷0,96.
In base a quanto sopra, il rendimento totale ηt assume quindi i valori più bassi (0,78÷0,80) nelle pompe a pistoni a più alte pressioni e a più alte velocità di rotazione e i valori più alti (0,90÷0,92) nelle pompe a pistoni a pressioni più basse e a più basse velocità di rotazione.
I valori di potenza che compaiono nelle prestazioni a catalogo sono quelli della potenza assorbita Na. La potenza assorbita nelle pompe volumetriche a pistoni, con velocità di rotazione costante (e quindi a portata costante) è proporzionale alla pressione.
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