Confronto di pompe a pistoni e di ingranaggi per il trasferimento di fluidi industriali

Nelle applicazioni industriali, il trasferimento di fluidi è un processo critico che comprende diverse operazioni, dalla semplice circolazione dell'acqua a complesse reazioni chimiche. La selezione delle pompe per il trasferimento di fluidi, in quanto apparecchiature fondamentali, influisce direttamente sull'efficienza della produzione, sui costi operativi e sulla stabilità del sistema. Di fronte a una miriade di opzioni di pompe, gli ingegneri si trovano spesso di fronte a una decisione fondamentale: dovrebbero optare per la pompa a pistoni ad alta potenza o per la pompa a ingranaggi compatta? Una scelta sbagliata può portare a inefficienze, all'aumento dei costi di manutenzione o persino a interruzioni di intere linee di produzione. Pertanto, una conoscenza approfondita delle caratteristiche, dei vantaggi, degli svantaggi e delle applicazioni adatte delle pompe a pistoni e a ingranaggi è essenziale per prendere decisioni informate.

Una pompa per il trasferimento di fluidi è un dispositivo meccanico progettato per spostare liquidi. Trasmettendo energia al fluido, supera la resistenza, consentendo al liquido di fluire da quote basse ad alte quote o da zone a bassa pressione ad alta pressione.

In base ai loro principi di funzionamento, le pompe per il trasferimento di fluidi possono essere classificate in diversi tipi, tra cui:

• Pompe volumetriche: Utilizzano le variazioni del volume della camera per trasferire i fluidi, come le pompe a pistoni, le pompe a ingranaggi, le pompe a vite e le pompe a membrana.
• Pompe dinamiche: Impiegano giranti rotanti per applicare la forza centrifuga ai fluidi, tra cui pompe centrifughe, pompe a flusso assiale e pompe a flusso misto.
• Altri tipi: Come le pompe a getto e le pompe elettromagnetiche.

Quando si seleziona una pompa per il trasferimento di fluidi, è necessario considerare i seguenti parametri:

• Portata (Q): Il volume di fluido trasferito per unità di tempo, misurato in genere in metri cubi all'ora (m³/h) o litri al minuto (L/min).
• Prevalenza (H): La capacità della pompa di superare la resistenza del fluido, solitamente espressa in metri (m) o pascal (Pa).
• Potenza (P): La potenza in ingresso richiesta dalla pompa, misurata in kilowatt (kW).
• Efficienza (η): Il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso, che riflette l'utilizzo dell'energia da parte della pompa.
• Pressione di esercizio (p): La pressione che la pompa sopporta durante il funzionamento, in genere in megapascal (MPa).
• Caratteristiche del mezzo: Viscosità, densità, temperatura, corrosività e abrasività del fluido.

Le pompe a pistoni, note anche come pompe a stantuffo o alternative, sono pompe volumetriche che utilizzano il movimento alternativo dei pistoni all'interno dei cilindri per trasferire i fluidi. Rinomate per le loro eccezionali prestazioni ad alta pressione, dominano applicazioni come la pulizia ad alta pressione, l'iniezione chimica e l'estrazione di petrolio e gas.

Il meccanismo principale di una pompa a pistoni risiede nel movimento alternativo del pistone. Quando il pistone si muove in avanti, si forma un vuoto nel cilindro, che aspira il fluido attraverso la valvola di ingresso. Quando il pistone si ritrae, la valvola di ingresso si chiude, la valvola di uscita si apre e il fluido viene scaricato con la forza. Questo movimento alternativo garantisce un trasferimento continuo del fluido.

Il processo può essere suddiviso in quattro fasi:

• Corsa di aspirazione: Il pistone si muove all'indietro, aumentando il volume del cilindro e riducendo la pressione, consentendo al fluido di entrare attraverso la valvola di ingresso.
• Corsa di compressione: Il pistone si muove in avanti, diminuendo il volume del cilindro e aumentando la pressione, chiudendo entrambe le valvole.
• Corsa di scarico: Il pistone continua ad avanzare, aumentando ulteriormente la pressione fino a superare la pressione di uscita, aprendo la valvola di uscita per espellere il fluido.
• Corsa di ripristino: Il pistone si muove all'indietro, riducendo la pressione e chiudendo la valvola di uscita, preparandosi per la successiva corsa di aspirazione.

In base al numero e alla disposizione dei pistoni, le pompe a pistoni possono essere classificate in:

• Pompe a pistoni a cilindro singolo: Design semplice ma con una significativa pulsazione del flusso.
• Pompe a pistoni a doppio cilindro: Pulsazione del flusso ridotta, ampiamente utilizzata.
• Pompe a pistoni triplex: Pulsazione del flusso minima, ideale per applicazioni che richiedono un flusso stabile.
• Pompe a pistoni a cilindri multipli: Utilizzate in applicazioni industriali su larga scala.
• Pompe a pistoni radiali: Design compatto per scenari ad alta pressione.
• Pompe a pistoni assiali: Struttura semplice per applicazioni a media e alta pressione.

• Capacità ad alta pressione: Eccellono in ambienti ad alta pressione.
• Controllo preciso del flusso: Offrono portate stabili e accurate.
• Ampia applicabilità: Gestiscono fluidi di viscosità, abrasività e corrosività variabili.
• Forte autoadescamento: Alcuni modelli possono aspirare fluidi da posizioni basse.

• Elevata manutenzione: La struttura complessa richiede una manutenzione regolare.
• Rumore: Possono essere rumorose, soprattutto ad alta pressione.
• Costo: Costi di produzione più elevati, in particolare per i modelli ad alta pressione e ad alto flusso.
• Limitazioni del flusso: Generalmente portate inferiori rispetto alle pompe a ingranaggi.
• Pulsazione: Il flusso in uscita presenta pulsazioni, che richiedono misure di mitigazione.

Le pompe a pistoni sono ampiamente utilizzate in:

• Pulizia ad alta pressione: Pulizia di veicoli, edifici e attrezzature.
• Iniezione chimica: Trattamento delle acque, produzione chimica.
• Estrazione di petrolio e gas: Operazioni di recupero migliorato.
• Sistemi idraulici: Alimentazione di macchinari idraulici.
• Trasformazione alimentare: Trasferimento di fanghi alimentari, succhi.
• Prodotti farmaceutici: Manipolazione di liquidi medicinali.

Le pompe a ingranaggi, che utilizzano ingranaggi ad incastro per trasferire i fluidi, sono apprezzate per la loro semplicità, le elevate portate e la bassa manutenzione. Sono comunemente impiegate nel trasferimento di carburante, nei sistemi di lubrificazione e nelle applicazioni idrauliche.

Il funzionamento si basa su due ingranaggi ad incastro. Mentre ruotano, lo spazio tra i denti degli ingranaggi si espande e si contrae, aspirando ed espellendo il fluido. Il fluido viene trasportato dalla camera di ingresso a quella di uscita.

• Pompe a ingranaggi esterni: Gli ingranaggi si ingranano esternamente; semplici e ampiamente utilizzate.
• Pompe a ingranaggi interni: Un ingranaggio si ingrana all'interno di un altro; più silenziose con un migliore autoadescamento.
• Pompe a ingranaggi diritti: Denti diritti; semplici ma rumorose.
• Pompe a ingranaggi elicoidali: Denti angolati; funzionamento più fluido.
• Pompe a ingranaggi a spina di pesce: Gestiscono efficacemente i carichi assiali.

• Elevate portate: Adatte per trasferimenti di grandi volumi.
• Compatte e leggere: Design salvaspazio.
• Autoadescamento: Possono aspirare fluidi da livelli bassi.
• Affidabilità: La costruzione semplice garantisce la durata.
• Bassa manutenzione: Requisiti di manutenzione minimi.

• Pressione limitata: Inadatte per lavori ad alta pressione.
• Sensibilità alla viscosità: Le prestazioni variano con lo spessore del fluido.
• Abrasione e corrosione: Vulnerabili ai fluidi abrasivi o corrosivi.
• Rumore: Alcuni modelli funzionano rumorosamente.

Le pompe a ingranaggi sono diffuse in:

• Trasferimento di carburante: Stazioni di servizio, autobotti.
• Sistemi di lubrificazione: Motori, trasmissioni.
• Idraulica: Sistemi di alimentazione di macchinari.
• Produzione chimica: Spostamento di materie prime.
• Trasformazione alimentare: Manipolazione di oli, sciroppi.
• Plastica: Trasferimento di polimeri fusi.

Le pompe a pistoni (ad esempio, modelli triplex) generano 10–20 MPa per un efficace lavaggio dei veicoli.

Le pompe a ingranaggi esterne garantiscono un flusso costante di carburante nelle stazioni di servizio.