Le pompe a velocità variabile
1. PREMESSA
L’impiego delle pompe centrifughe a velocità variabile negli impianti di sollevamento degli acquedotti consente di ottenere notevoli vantaggi sia per quanto riguarda la qualità del servizio offerto all’utenza sia nell’economia di gestione. Accade non di rado che la messa a disposizione di mezzi molto versatili, come sono anche le pompe in argomento, conduca però ad una loro utilizzazione tanto più errata quanto maggiori sono le possibilità che essi offrono. Vengono descritte alcuni di tali errori e le cautele da adottare per evitarli.
2. CARATTERISTICHE GENERALI
2.1. LA VARIAZIONE DELLA VELOCITÀ’ DI ROTAZIONE
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.
2.2. LE CURVE CARATTERISTICHE ED I RENDIMENTI MECCANICI DELLA POMPA A VELOCITA’ VARIABILE
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 quelle 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 traslazione 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% ri0spetto 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 riducendo 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 (vedi fig. 1 ) 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” (vedi fig. 1 ) 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.
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.
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.
2.3. COSTITUZIONE DELL’IMPIANTO DI SOLLEVAMENTO IDEALE
Sulla scorta dei concetti espressi nei capitoli precedenti e tenuta presente la convenienza di adottare nell’esercizio delle reti di distribuzione a sollevamento meccanico, il pompaggio diretto in rete a pressione variabile asservita alle necessità dell’utenza per i molti vantaggi che, come meglio dimostrato nell’articolo “LA RAZIONALIZZAZIONE DELLE RETI DI DISTRIBUZIONE ACQUA POTABILE A SOLLEVAMENTO MECCANICO” pubblicato anche sulla rivista “L’ACQUA” n. 3/1998, esso presenta, si può realisticamente affermare che un impianto di sollevamento ideale è costituito da:
1. Una sola pompa a giri variabili che, immettendo l’acqua direttamente in rete, sia destinata a svolgere il ruolo principale cioè a coprire le fasce di consumo che vanno dalla portata massima prevista per l’ora di punta del giorno di massimo consumo fino alle basse portate per le quali i rendimenti meccanici ed elettrici sono ancora accettabili. La sua grande flessibilità le consentirà, durante l’anno tipo, di fronteggiare agevolmente le punte di consumo elevate ed elevatissime che, statisticamente, sono rare. Essa sarà destinata a funzionare per la maggior parte dell’anno a velocità moderate consentendo così di ottenere rilevanti economie energetiche vista la minor potenza assorbita a tali regimi. La scelta delle caratteristiche costruttive e di regime della pompa dovrà comunque esser particolarmente curata visto e considerato che è da essa che dipende la maggior parte della spesa energetica di sollevamento dell’intero impianto.
2. Una serie di due o tre piccole pompe a giri fissi di adeguata portata e prevalenza, che, funzionando singolarmente, soddisfino, con ottimi rendimenti meccanici, le basse portate. Si tratta di un ruolo molto importante visto che statisticamente avrà, durante l’anno tipo, una durata notevole e che, grazie alle modesta potenza assorbita, consentirà di avere consistenti economie energetiche. Trova piena giustificazione l’adozione di macchine a giri fissi meno costose che quelle variabili ed atte comunque a svolgere correttamente e senza dissipazione energetica il sollevamento della piccole portate richieste dall’utenza nelle condizioni di regime che qui si esaminano. L’unico inconveniente che può aversi è un funzionamento fuori rendimento per la pompa più piccola quando le portate richieste sono molto basse. Il pompaggio risulterà comunque accettabile in quanto gli eccessi di pressione e il dispendio energetico che ne derivano sono comunque minimi.
3. Una serie di casse d’aria atte ad attenuare gli effetti indotti alla rete dal colpo d’ariete conseguente alla immissione diretta dell’acqua nella rete.
4. L’ installazione delle casse d’aria di cui al punto 3 potrà anche essere evitata con accurate scelte progettuali dell’impianto e particolarmente con:
– avvio di tutte le pompe a bocca chiusa con successiva apertura graduale;
– posa in opera di valvole di ritegno contrappesate o di tipo a membrana nelle quali la chiusura avvenga senza inversione del flusso d’acqua;
– costituzione di una condotta di grande diametro munita di valvola di ritegno contrappesata e che, bypassando le pompe, realizzi un collegamento diretto tra fonti e rete atto ad impedire l’arresto rapido della colonna d’acqua al momento della messa fuori servizio rapida della pompa per motivi imprevedibili come ad esempio per mancanza di corrente.
3. LE APPLICAZIONI
3.1. POMPAGGIO CON PREVALENZA FISSA E PORTATA VARIABILE
Esaminiamo un circuito idraulico composto da due serbatoi posti a quote altimetriche notevolmente differenti e tra di loro collegati da condotta di adduzione munita di pompa che deve sollevare dall’una all’altra vasca una portata variabile nel tempo (fig. 5). La curva caratteristica portata/prevalenza del circuito idraulico, considerando trascurabili le perdite di carico della condotta e le escursioni di livello dell’acqua nei due serbatoio in quanto valori relativamente modesti nei confronti del dislivello geodetico da vincere con il pompaggio, è rappresentata nel grafico di fig.5 con una retta sub-orizzontale che interseca, come rappresentato con linea grossa, la fascia di lavoro della pompa a giri variabili. Se ne arguisce che le modalità di regola zione della velocità sono molto ridotte e che, pertanto, la caratteristica precipua della pompa a giri variabili cioè la sua grande versatilità è praticamente nulla. Molto meglio, in un’applicazione come quella in oggetto, scegliere una pompa a giri fissi di portata pari a quella di massima richiesta che, con semplice funzionamento pulsante regolato da un galleggiante posto nel serbatoio superiore, è in grado di immettervi i volumi d’acqua richiesti e per qualsivoglia portata. Sarà il serbatoio superiore, opportunamente dimensionato, a compensare gli scostamenti tra portata pulsante ma di valore costante che vi arriva e quella continuamente variabile in uscita dallo stesso.
Una possibile variante nel pompaggio a prevalenza fissa e portata variabile di cui si discute, è quella relativa al sollevamento da serbatoio a rete di distribuzione. Anche in questo caso, pur mancando il serbatoio di arrivo che rende possibile un funzionamento pulsante della pompa, è da escludersi l’impiego di pompe a giri variabili per gli stessi motivi prima addotti. Sarà invece opportuna l’installazione di più pompe a giri fissi aventi tutte la medesima prevalenza ma portate differenziate in modo da coprire con funzionamento singolo pompa per pompa o mediante loro accoppiamento in parallelo, tutte le richieste escursioni di portata
Si constata come non sia raro, in applicazioni reali simili a quelle delle applicazioni descritte, assistere all’uso di pompe a velocità variabile con la motivazione che esse possono modulare senza soluzione di continuità la portata sollevata così come richiesto dal servizio. Si tratta evidentemente di un uso improprio della pompa a giri variabili che la costringe a lavorare quasi sempre fuori rendimento. I risultati sono evidenti: impianto inutilmente complesso con costi elevati sia nella installazione che nell’esercizio.
3.2. POMPAGGIO CON PORTATA E PREVALENZA VARIABILI E ARRIVO IN SERBATOIO
E’ questo il caso di un circuito idraulico di alimentazione di un serbatoio posto in alto e a notevole distanza dalla produzione dell’acqua. La condotta di collegamento accusa perdite di carico che variano notevolmente con il variare della portata addotta. Considerato che esiste il serbatoio di arrivo, il pompaggio potrebbe avvenire tramite pompa a giri fissi con funzionamento intermittente ed avente una prevalenza manometrica totale determinata in funzione della portata massima. Si tratta comunque di uno dei casi di impiego ottimale della pompa a giri variabili in quanto atta a sollevare con continuità la sola portata richiesta e quindi con una minor spesa energetica rispetto a quella che si dovrebbe sostenere con la pompa a giri fissi costretta invece a lavorare sempre con la portata massima. Come risulta dal grafico della fig. 6 la curva caratteristica del circuito idraulico attraversa la fascia di lavoro della pompa a giri variabili per una zona molto estesa il che consente un’ampia regolazione della portata sollevata.
Una particolare cura dovrà essere posta nella regolazione automatica del numero di giri che il motore deve via via assumere. Si deve, infatti, notare come la citata similitudine tra curva portata/prevalenza del circuito idraulico e la fascia di lavoro ottimale della pompa a giri variabili se da un lato assicura il soddisfacimento con buoni rendimenti della richiesta idrica per tutte le portate d’acqua in gioco, dall’altro, appunto perché privo di una soluzione univoca, conferisce al sistema una totale instabilità cui deve essere posto rimedio dall’impianto di regolazione automatica. Un esempio chiarirà meglio il concetto. Immaginiamo che la velocità della pompa sia asservita alla portata in uscita allo scopo di poter automaticamente seguire la richiesta. L’automatismo dovrebbe cioè aumentare o diminuire la velocità di rotazione, e quindi la portata e la pressione di sollevamento, in funzione della tendenza alle variazioni in più o in meno della portata in uscita rilevate da apposito misuratore. Il sistema, nel mentre funziona benissimo per le pompe a giri fissi in quanto la loro curva caratteristica, essendo sempre secante, con angolo vicino a quello retto, rispetto a quella del circuito idraulico conferisce, come già detto, stabilità al sistema, nel caso della pompa a giri variabili potrebbero produrre risultati imprevedibili. In pratica al verificarsi del primo aumento di portata, la velocità della pompa inizierebbe a crescere provocando un nuovo aumento di portata e pressione che a sua volta darebbe origine ad un nuovo aumento di giri. Il ciclo potrebbe ripetersi con risultati disastrosi.
Per risolvere razionalmente il problema sarà necessario asservire la velocità della pompa ad elementi del tutto estranei al sistema pompa/condotta. Si potrà, ad esempio, asservirla ai livelli che si desidera avere nel serbatoio di arrivo. L’esempio classico è quello di un serbatoio di arrivo che si vuole mantenere costantemente al suo massimo livello di invaso. In tal caso l’automatismo farà aumentare la velocità di rotazione della pompa di mandata ogni qual volta il livello scende per diminuirlo in caso contrario. La pompa sarà fermata qualora il livello tenda a superare quello di massimo invaso. Sarà anche possibile, in maniera analoga, assegnare al serbatoio superiore livelli variabili nel tempo sulla base di un prefissato diagramma giornaliero o settimanale di riempimento/svuotamento. Con le citate modalità di regolazione la pompa, una volta assunta una determinata velocità, si comporta esattamente come una pompa a giri fissi avente una sua curva caratteristica che interseca in modo ottimale la curva del circuito idraulico in quanto le due tangenti passanti per il punto di loro intersezione hanno direzioni tra di loro pressocchè perpendicolari. Per tutto il periodo in cui la velocità si mantiene costante siamo quindi in presenza di un sistema stabile con portata e pressione di pompaggio date dal citato punto di intersezione tra curva caratteristica della pompa e quella del circuito idraulico in maniera del tutto analoga a quanto indicato prima per le pompe a giri fissi. Al variare della velocità di rotazione sarà la nuova curva caratteristica a fissare nuove ed altrettanto valide modalità di funzionamento. Una buona regola, normalmente adottata nella costruzione degli impianti di regolazione automatica come quelli in oggetto, è quella di imporre manovre graduali che danno al sistema tempi ragionevolmente lunghi e quindi atti a consentirgli di mettersi a regime ad ogni variazione di giri della pompa.
Quando, nonostante la cura posta nella progettazione della rete di condotte, si è in presenza di una rete di condotte la cui curva caratteristica fuoriesce per una porzione determinante dalla fascia di lavoro della pompa, sarà necessario prevedere l’installazione di più pompe a velocità variabile in modo da poter soddisfare l’intera gamma di portate da sollevare, come figura nel grafico di fig. 7 nella quale la maggior parte del lavoro è svolto dalla pompa più grande alla quale ne è stata affiancata una più piccola atta a coprire le basse portate. Una buona regola è di curare la progettazione dell’impianto in modo da avere una sola pompa a giri variabili che sia in grado di coprire una gamma di portate il più ampia possibile e di affiancare ad essa, per le minori, delle pompe a giri fissi che, con un funzionamento più semplice possano far fronte alle piccole portate sia pur non rispettando in pieno la prevalenza richiesta. Trattandosi di basse portate i risultati saranno ottimi anche se la pressione effettiva alle piccole portate è leggermente diversa da quella teorica ( fig.8)
Particolari sulla regolazione del serbatoio di arrivo, sempre congruenti con le citate regole di buon funzionamento della pompa a giri variabili, possono essere letti nell’articolo ” La regolazione dei serbatoi di compenso” visibile in questo stesso sito
3.3. POMPAGGIO CON PORTATA E PREVALENZA VARIABILI MA CON ARRIVO IN UNA RETE DI CONDOTTE
E’ questo un caso del tutto analogo a quello esaminato nel capitolo precedente ma con la variante che la pressione finale di arrivo non è fissa ma dipende da numerosi fattori tra i quali la velocità della pompa (e quindi portata e pressione di partenza) e la tipologia del prelievo. Anche in questo caso la pompa a giri variabili è atta a soddisfare in toto la richiesta, qualsiasi siano le portate che l’utenza richiede nel mentre assume rilievo particolare la regolazione della velocità. Una delle modalità che possono dare buoni risultati consiste nell’asservire il numero di giri della pompa alla pressione ai nodi finali della rete rilevati in tempo reale nei punti caratteristici della stessa e trasmessi all’impianto di telecomando se è richiesta una pressione finale assolutamente costante nel tempo, come pure quando la stessa deve cambiare di ora in ora sulla base di un prefissato digramma.
Da rilevare come la caratteristica peculiare del sistema descritto che consente di variare pressione e portata di esercizio della rete alimentata sia atto a far seguire le richieste dell’utenza anche in presenza di sostanziali modifiche come sono quelle relative ad un importante incremento delle aree abitate.
3.4. L’ACCOPPIAMENTO IN PARALLELO DI PIU’ POMPE
La caratteristica principale della pompa a velocità variabile è, come ripetutamente spiegato, quella di consentire un sollevamento differenziato dell’acqua essendo portate e pressioni variabili l’una assieme all’altra e con continuità al fine di soddisfare le diverse esigenze del circuito idrico.
Si è già fatto rilevare come l’escursione massima di ciascuna macchina è condizionata da numerosi fattori costruttivi e di rendimento per cui deve essere contenuta entro limiti che variano di volta in volta. Non è raro il caso in cui non sia possibile reperire in commercio pompe atte a coprire tutta la gamma di portate e pressioni che sono richieste. Non resta allora che ricorrere alla installazione di più pompe di potenza via via crescente e che entrino alternativamente in funzione per coprire le gamme di competenza di ciascuna di esse. Ne deriva un impianto di sollevamento la cui fascia generale di lavoro data dalla sovrapposizione degli elementi singoli può contenere agevolmente la curva caratteristica del circuito idraulico e quindi garantire il funzionamento ottimale dell’insieme. E’ questo pertanto il tipo di installazione che deve essere adottato.
Non è raro invece constatare come il problema citato venga risolto, pensando di economizzare nei costi, tramite installazione di due o più pompe uguali e regolate da un unico inverter. Il funzionamento di un impianto di questo tipo, che è assolutamente da evitare, ha luogo con le seguenti modalità. All’inizio entra in funzione la pompa n. 1 che fornisce le basse portate regolate a mezzo dell’inverter con progressivo aumento della velocità di rotazione fino a raggiungere, a pieno regime, la massima potenzialità della pompa. Se la portata richiesta aumenta ancora la pompa citata viene sostituita dalla pompa n. 2 identica alla n. 1 ma a giri fissi mentre quella variabile viene azzerata. Quest’ultima è allora in grado di soddisfare ulteriori aumenti di portata dando luogo ad un nuovo ciclo uguale al precedente al termine del quale, se necessario, entrerà in funzione la pompa n. 3 a velocità costante. Il ciclo può ripetersi fino ad avviare tutte le pompe che compongono l’impianto, salvo provvedere a diminuire le velocità e quindi ad arrestare via via le pompe quando la richiesta di portata diminuisce.
Pur essendo quello descritto un impianto atto a coprire tutta la possibile gamma di portata che il circuito può richiedere, si tratta di una modalità assolutamente da evitare per i pessimi rendimenti meccanici delle pompe costrette a lavorare quasi sempre fuori rendimento come succede quando ha luogo l’accoppiamento in parallelo di una pompa a pieni giri con un’altra che gira a bassa velocità. Se si redige il grafico portata/prevalenza delle pompe delle relative fasce di corretto funzionamento, si constata come la curva del circuito idraulico ne fuoriesca per la quasi totalità dei possibili regimi, denunciando un funzionamento assolutamente scorretto. Balzerà anche agli occhi come le pompe n. 2 e seguenti sono costrette, per gran parte dei regimi di bassa velocità, addirittura a girare a vuoto cioè senza sollevare la benché minima portata d’acqua ma dissipando in calore tutta l’energia assorbita. Si tratta pertanto di un tipo di installazione spesso usato ma totalmente errato.
3.5 ESEMPIO DI SOLLEVAMENTO A PRESSIONE VARIABILE
Si vuole raffrontare il funzionamento delle pompe tradizionali a giri fissi con quello delle pompe a velocità variabile in un circuito idrico del tipo indicato al cap. 3.3 e che, essendo caratterizzato da una grande escursione nella pressione di esercizio, si presta ottimamente all’ impiego di queste ultime.
Il circuito è composto da un’adduttrice che alimenta in diretta una rete di distribuzione posta a notevole distanza e che, nella soluzione a giri variabili, si intende far funzionare a pressione regolata di ora in ora al fine di evitare inutili carichi residui sopratutto notturni.
Esaminiamo quale sarebbe il funzionamento se fossero installate pompe tradizionali a giri fissi.
Il dimensionamento viene fatto considerando il consumo di punta convenzionalmente fissato nel 100% ed una pressione manometrica totale di pompaggio pari 70 m che diventa di 35 m a fine adduzione e cioè in corrispondenza della utenza essendo pari a 35 m la perdita di carico supposta nell’adduttrice stessa. Per la portata minima, corrispondente al 30%, ferma restando la pressione di pompaggio a 70m e supponendo la relativa perdita di carico ridotta a soli 8 m, si ottiene una pressione in testa alla rete di 62 m. Si tratta di un carico idraulico eccessivo e quindi fonte di una spesa energetica inutilmente elevata e per giunta di un considerevole aumento delle perdite occulte.
Esaminiamo ora la soluzione con pompa a velocità variabile che permette di eliminare l’inconveniente regolando la pressione di partenza in funzione di quella di arrivo in rete. Resta confermato un sollevamento a 70 m di colonna d’acqua solo per i periodi di consumo massimo mentre, per quelli di consumo medio e basso, che statisticamente sono di gran lunga i più frequenti, la pressione di pompaggio si riduce notevolmente. Ad esempio per la portata minima notturna, come detto definita nel 30% di quella massima, la pressione di pompaggio è pari a soli 23 m che, a seguito della perdita di carico di 8 m dell’adduttrice, comportano una pressione di soli 15 m in testa alla rete ma sufficienti per distribuire la ridotta portata. Da notare come la portata minima notturna, ad esempio quella relativa al periodo dalle ore 1 alle ore 4 del mattino si riferisce quasi esclusivamente alle perdite occulte.
Nella seguente tabella sono messi a confronto i dati di funzionamento nelle due soluzioni al variare della portata. Per ottenere un raffronto significativo si è tenuto conto delle durate statistiche medie, in acquedotti di piccole e medie dimensioni, della portata oraria durante un’intera annata ed indicate nella colonna 3 della tabella.
Nel diagra
Nel diagramma di fig. 9 contenente tutti gli elementi rappresentativi del funzionamento della pompa, si è sovrapposta la curva 1-2-3-4-5 relativa al comportamento idraulico della condotta adduttrice in esame, il tutto con valori adimensionali.
Si sono quindi potuti leggere i valori di pressione di pompaggio, potenza impegnata ed energia consumata al variare della portata indicati in grafico con altrettanti punti e riportati nelle colonne da 1 a 5 della tabella. Nella colonna N. 6 sono invece elencati i consumi della pompa a giri fissi che si suppone abbia da sollevare le stesse portate di quella variabile e per le stesse durate, ma con prevalenza fissa di 70 m. Il risultato saliente è dato dalla notevole differenza nell’energia totale impiegata nell’uno e nell’altro caso. Il risparmio, pur non essendo la pompa variabile utilizzata con i rendimenti meccanici migliori, è pari a circa il 60%, e, assieme alla notevole diminuzione delle perdite occulte assicurata dalla minor pressione notturna, fornisce una prova tangibile della validità dell’impiego della pompa a giri variabili in un circuito del tipo quì preso come esempio.
4. CONCLUSIONI
Dopo una sommaria descrizione delle moderne apparecchiature di variazione della velocità di rotazione dei motori elettrici, si sono spiegati quali importanti vantaggi si possono ritrarre dal loro impiego nell’azionamento delle pompe di sollevamento degli acquedotti ed in particolare nel funzionamento a pressione variabile delle reti di distribuzione. Si sono indicate, mediante grafici di funzionamento, quali sono le caratteristiche principali e le diverse possibilità di impiego mettendo in guardia sui pericoli di un impiego errato.
Si è infine determinato, tramite elaborazione di un esempio teorico, il risparmio energetico che si può conseguire sostituendo le pompe tradizionali con quelle a giri variabili. Si è fatto rilevare un altro importante beneficio: la notevole riduzione delle perdite occulte dovuta alla diminuzione nella pressione di esercizio in tutti i periodi di basso consumo che tale apparecchiatura consente.
tCopertina della Rivista”L’ACQUA” N. 6/2004 con articolo di Marcello Meneghin “L’UTILIZZAZIONE DELLE ELETTROPOMPE A VELOCITÀ’ VARIABILE NEGLI ACQUEDOTTI”Questo articolo è stato pubblicato sul n. 6/2004 de “L’Acqua” organo ufficiale dell’Associazione
Idrotecnica italiana
BIBLIOGRAFIA
C. A. Cavalli – Macchine idrauliche. Principi teorici – Pompe motrici e trasmissioni idrauliche. Ed. Hoepli
A. Lancastre – Manuel d’hydraulique gènèrale. Eyrolle Editeur – Paris
A. Bianchi, U.Sanfilippo – Pompe e impianti di sollevamento – Hoepli – Milano
G.Crivchenko – Hydraulic Machines: turbines and pumps – Lewis Publishers
Gordon L. Culp, Robert B. Williams – Handbook of public water systems – Van Nostrad Reinhold Company – New York