Perchè una pompa centrifuga riesce a sollevare l'acqua?

Si tratta di un'operazione che crediamo naturale e che diamo spesso per scontata, eppure esistono delle leggi fisiche specifiche e dei calcoli precisi che possiamo utilizzare per misurare la operatività di un impianto idrico.
La pompa centrifuga è la tipologia di pompa più comune nel Mondo e trova largo impiego sia a livello aziendale che per uso domestico.

Si chiamano in questo modo perchè utilizzano l'effetto centrifugo prodotto dalla girante di cui si compongono. E' grazie al movimento rotativo della girante che avviene la trasformazione dell'energia meccanica proveniente dal motore, in un primo momento in energia cinetica e dopo in energia di pressione, che facilità così il sollevamento del liquido.

Il ruolo fondamentale delle pompe a centrifuga è quello di trasferire volumi di un fluido, posizionato in una zona di bassa pressione ad un'altra zona di alta pressione.

Nella parte inferiore della figura vi è un serbatoio che contiene acqua o comunque un altro liquido. Questo serbatoio può essere definito un serbatoio di bassa pressione, mentre il serbatoio di su può essere etichettato come quello di "alta pressione". Si sottolinea come parte della pompa sia già a contatto con il liquido da pompare e quando le lame della girante si attivano, l'acqua viene tagliata, creando una regione di pressione più bassa. In questo caso, la pressione contenuta all'interno dell'elettropompa è decisamente inferiore a quella del serbatoio più basso. Di conseguenza, risulta una notevole differenza di pressione tra il punto più basso e quello più alto. Viene a crearsi così quella differenza di pressione, in grado di far risucchiare l'acqua nel tubo e tirarla su verso la pompa più in alto.

Sarà il movimento della rotatorio della pompa a spingere successivamente l'acqua verso il serbatoio superiore. Questo processo fisico avrà luogo grazie al principio scoperto da Bernoulli.

In cosa consiste la famosa equazione di Bernoulli?

Quando l'acqua viene aspirata dalla pompa, a causa della differenza di pressione generata dalla stessa elettropompa, si verifica una cosiddetta perdita di carico. Questa non è altro che una riduzione della pressione dell'acqua, che avviene durante l'ingresso nel tubo e di una ulteriore riduzione della pressione idrica, a seguito del passaggio all'interno della tubazione. Questo fenomeno di perdita di carico è dovuto all'attrito generato dalle molecole d'acqua con la superficie interna alla tubatura.

Un evento simile accade nella fase seguente, ovvero quanto l'acqua risalirà nel serbatoio superiore, a seguito di una perdita di pressione idrica, in fase di entrata e una perdita di pressione che avverrà dentro al tubo di scarico, come conseguenza dell'attrito dell'acqua sulla superficie interna alla tubatura.

Attraverso l'equazione di Bernoulli è possibile descrivere le varie fasi del movimento dell'acqua.

Applichiamo ad esempio l'equazione al punto D

La pressione (pd) diviso fg sommato alla velocità (vd) elevato al quadrato, diviso 2g , sommato l'altezza che separa il piano più basso di aspirazione sino all'altezza della pompa (z2)

Questo calcolo permetterà di ottenere il carico idraulico totale, ovvero la pressione dell'acqua al punto D, ovvero quando esce dalla pompa centrifuga.

Per calcolare l'effettivo carico idraulico generato della pompa andrà sottratto il carico idraulico del punto D, in uscita, da quello C, ovvero di entrata dell'acqua nella pompa.

H= Hd - Hc

Il risultato del valore H equivale al carico idraulico dell'acqua nel punto A.

Nel punto A vi è pressione 0, perchè l'acqua si trova in contatto con l'atmosfera. Anche la velocità dell'acqua è nulla, perchè nel punto A risulta ferma.

La distanza tra il punto A inferiore è quello F in alto è HS, che viene definito convenzionalmente come "carico statico". Anche nel punto più in alto, indicato con la lettera F l'acqua sarà a contatto con l'atmosfera e sarà per questo caratterizzata da una velocità 0. Di conseguenza l'altezza totale H si avrà sommanto HA + HS.

Si potrà trovare una corrispondenza tra i valori di HA e HS usando, anche in questo caso, l'equazione di Bernoulli, applicata ai punti A e C.

Pressione dell'acqua nel punto A = 0 + Velocità = 0 + HA = valore di HA

La risultante di questa summa, permette di ottenere il valore C

In termini matematici la formula corretta sarebbe questa:

a cui dovremo aggiungere però la perdita di pressione dell'acqua che avviene tra il punto A e in punto C, a causa dell'attrito dell'acqua nel tubo di aspirazione e dell'attrito delle molecole dell'acqua con la superficie interna del tubo di aspirazione, nel punto C, a cui abbiamo già accennato precedentemente.

Calcolo del carico totale della pompa centrifuga

E' il momento di impiegare l'equazione di Bernoulli al punto D ed F.

Anche in questo caso andrà tenuto conto delle perdite di carico tra il punto E e F.

Sostituiamo il valore H, dell'equazione di Bernoulli applicata ai punti A e C, con quello del HF2 dell'equazione usata per i punti E ed F.

Si otterrà, di conseguenza un calcolo di questo tipo:

La differenza tra HA e HS è uguale ad H, ovvero il carico totale della pompa centrifuga. In conclusione possiamo definire il valore H come la somma tra HS e SIGMA, ovvero la sommatoria di tutte le perdite di carico registrate lungo il percorso.

Il movimento dell'acqua che parte dalla pompa e arriva al serbatoio superiore avviene perchè l'involucro delle pompe centrifughe è a forma di voluta ed evidenzia un diametro minore rispetto quello dell'uscita dell'acqua dalla girante e possiede un diametro maggiore all'entrata nel tubo di scarico superiore. Questa caratteristica essenziale permette di far scorrere più acqua aumentandone la massa della stessa. In fin dei conti sono le pale della girante, che ruotano e permettono all'acqua o al fluido in questione di far passare l'acqua all'esterno dalla pompa sino ad arrivare al serbatoio superiore.