Pompe centrifugale: diferențele dintre monoetajate, multietajate și verticale

Dacă ai deschis un catalog de pompe centrifugale, ai dat peste aceeași dilemă: monoetajată, multietajată sau verticală, cu puteri asemănătoare și prețuri care nu spun mare lucru. Răspunsul scurt e că tipul nu se alege după kW și nici după aspect. O pompă centrifugală se alege după punctul de lucru al instalației tale, adică după debitul (Q) și înălțimea totală (H) de care ai nevoie, iar tipul rezultă aproape singur din locul în care cade acel punct.

Pagina asta explică principiul comun, cum se citește o curbă, ce spun legile de similitudine și cum decizi între cele trei construcții. Pentru fiecare dintre ele există un articol dedicat, legat la final.

Cum lucrează o pompă centrifugală

Apa intră axial, prin centrul rotorului (în „ochiul” lui). Paletele o antrenează în rotație și o aruncă spre exterior, unde iese cu viteză mare. În jurul rotorului stă carcasa, care are rolul de a transforma această viteză în presiune:

• Carcasa spirală (voluta) are secțiunea crescătoare în jurul rotorului, astfel că apa încetinește treptat și câștigă presiune. E soluția tipică pentru monoetajate.
• Difuzorul este un inel cu canale fixe care îndeplinește același rol și, în plus, conduce apa spre intrarea rotorului următor. De aceea îl găsești în multietajate.
• Arborele și etanșarea mecanică separă partea udă de motor. Etanșarea e piesa cu uzura cea mai rapidă și cea care suferă prima la funcționarea fără apă.

De unde vine înălțimea

Înălțimea generată de un rotor depinde de viteza lui periferică, u = π · D · n / 60. Ca ordin de mărime, înălțimea pe etaj este apropiată de u² / 2g. Un rotor de 130 mm la 2.900 rot/min are o viteză periferică de circa 19,7 m/s, ceea ce corespunde unei înălțimi de aproximativ 20 m. Valoarea exactă depinde de forma paletelor și o găsești doar în fișa tehnică, dar calculul arată de ce diametrul și turația sunt cele două pârghii ale oricărui producător.

O consecință practică: o astfel de pompă nu își face singură vid pe aspirație. Carcasa și conducta de aspirație trebuie umplute cu apă înainte de pornire, altfel rotorul învârte aer. Procedura e descrisă în articolul despre amorsarea pompei centrifugale.

Curba Q–H, curba instalației și punctul de funcționare

Fișa oricărei pompe are o curbă descendentă: la debit zero (vană închisă) pompa dă înălțimea maximă, iar pe măsură ce debitul crește, înălțimea scade. Valoarea „H max” de pe etichetă este tocmai acest capăt, în care pompa nu livrează apă. Nu e înălțimea la care lucrezi.

Instalația are și ea o curbă, crescătoare: H = H geodezic + presiunea cerută la consumator + pierderile, iar pierderile cresc aproximativ cu pătratul debitului. Pompa va funcționa exact în punctul în care cele două curbe se intersectează. Nu îl alegi tu, îl impune instalația.

Pe aceeași fișă mai sunt de obicei trei curbe, care merită citite împreună cu prima:

1. Randamentul (η), cu un maxim numit BEP (best efficiency point). În jurul lui pompa consumă puțin, vibrează puțin și se uzează încet.
2. Puterea absorbită (P1 sau P2), care la multe pompe centrifugale crește spre debitul maxim. O pompă lăsată să curgă liber, fără contrapresiune, poate suprasolicita motorul.
3. NPSH cerut, care crește și el cu debitul și decide cât de adânc poate aspira pompa.

Puterea se verifică simplu: P = ρ · g · Q · H / η. Pentru 3 m³/h la 40 m, puterea hidraulică este de circa 327 W; la un randament de 50% în punctul de lucru, pompa absoarbe aproximativ 650 W la arbore. Dacă o ofertă propune 2,2 kW pentru această sarcină, pompa e aleasă greșit, oricât de „sigură” ar părea.

Legile de similitudine, pe scurt

Aceeași pompă, rotită la altă turație, se comportă previzibil. Pentru o variație de turație, la randament aproximativ constant:

• debitul variază proporțional cu turația (Q ~ n);
• înălțimea variază cu pătratul turației (H ~ n²);
• puterea variază cu cubul turației (P ~ n³).

Coborând de la 2.900 la 2.400 rot/min (raport 0,83), pompa dă 83% din debit, 68% din înălțime și absoarbe 57% din putere. Aceleași relații se aplică, aproximativ, la strunjirea rotorului pe un diametru mai mic, cu condiția ca reducerea să fie mică.

Aici apare o capcană. Legile mută punctul de lucru pe o parabolă care trece prin origine. Instalațiile reale au însă o componentă fixă: diferența de nivel și presiunea cerută la robinet. Când această componentă e mare, o reducere modestă de turație scade debitul mult mai mult decât ar sugera proporția de mai sus, iar la un moment dat pompa nu mai învinge înălțimea statică și debitul cade la zero. Cum se folosește corect un variator de frecvență, cu tabelul consumurilor, e detaliat la pompa multietajată.

Trei construcții pentru trei zone ale diagramei

Toate cele trei tipuri folosesc același principiu. Diferă felul în care își împart sarcina.

Monoetajata are un singur rotor într-o carcasă spirală. E simplă, are puține piese și lucrează bine acolo unde debitul e mare și înălțimea modestă. Ca să urce mult, ar avea nevoie de un rotor mare și îngust, iar la debit mic un asemenea rotor pierde mult prin frecare și scăpări. Detaliile, inclusiv un calcul de cavitație, sunt în articolul despre pompa monoetajată.

Multietajata pune mai multe rotoare mici în serie. Fiecare adaugă câțiva metri sau zeci de metri, iar debitul rămâne cel al unui singur rotor. Rezultatul e o pompă care dă presiune mare la debite casnice sau de clădire, în zona ei de randament. Varianta orizontală are corpul culcat și e ușor de montat pe un postament.

Pompa verticală de suprafață este, în cele mai multe cazuri, tot o multietajată, cu etajele suprapuse pe un ax vertical și cu motorul deasupra. Aspirația și refularea sunt pe aceeași linie, la bază, deci pompa se montează direct pe traseul conductei. Hidraulic nu câștigă nimic față de orizontală; câștigul e de spațiu, de montaj și, la multe modele, de acces la etanșare. Articolul despre pompa verticală intră în fundație, conducte și punere în funcțiune.

Un indicator care separă zonele este turația specifică, n_q = n · √Q / H^0,75, cu Q în m³/s și H în metri pe etaj. La 2.900 rot/min, o sarcină de 20 m³/h la 20 m dă n_q ≈ 23, teren confortabil pentru o monoetajată. O sarcină de 3 m³/h la 45 m dă n_q ≈ 5, adică un rotor foarte îngust și un randament slab dacă insiști pe un singur etaj. Împărțind cei 45 m pe cinci etaje de câte 9 m, n_q pe etaj urcă la circa 16, iar pompa lucrează din nou rezonabil.

Tabelul de decizie după debit și înălțime

Intervalele din tabel sunt orientative, pentru instalații de casă, grădină și clădiri mici. Ele îți spun de unde să începi căutarea, nu înlocuiesc verificarea pe curba modelului concret.

Pentru ultimul rând, comparația completă e în articolul pompă de suprafață sau submersibilă.

Un exemplu, de la instalație la tip de pompă

Pompa nu se alege după puterea motorului. Se alege după locul în care curba ei taie curba instalației, iar acel loc trebuie să cadă aproape de randamentul maxim.

O casă cu rezervor îngropat, din care apa trebuie urcată la ultimul nivel. Datele: nivelul minim al apei este cu 3 m sub pompă, cel mai înalt robinet e cu 6 m deasupra ei, vrei 2,5 bar la acel robinet, debitul simultan estimat e de 3 m³/h, iar traseul are 40 m de țeavă PE 32 (diametru interior 26,2 mm).

1. Înălțimea geodezică: 3 + 6 = 9 m.
2. Presiunea la consumator: 2,5 bar corespund unei coloane de circa 25,5 m.
3. Viteza în conductă: 3 m³/h prin 26,2 mm înseamnă aproximativ 1,55 m/s, o valoare acceptabilă.
4. Pierderile liniare: cu un coeficient de frecare de circa 0,022 pentru țeavă netedă la acest număr Reynolds, cei 40 m pierd în jur de 4,1 m.
5. Pierderile locale: patru coturi cu rază lungă, o clapetă cu arc, două vane sferice și un teu pe derivație însumează un coeficient K de circa 6,8, adică încă 0,8 m la această viteză. Valorile se iau din tabelul de pierderi pe fitinguri.
6. Înălțimea totală: 9 + 25,5 + 4,1 + 0,8 ≈ 39,5 m, rotunjit la 40 m.

Punctul cerut este deci 3 m³/h la 40 m, cu n_q ≈ 5 pe un singur etaj. Tabelul trimite spre o multietajată, iar calculul de putere de mai sus arată că un motor sub 1 kW acoperă sarcina dacă pompa lucrează în zona ei de randament. Același calcul, cu altă geometrie, îl poți face în calculatorul de dimensionare Q–H.

Observă ce nu a intrat în decizie: puterea motorului, numărul de etaje ale casei luat izolat și înălțimea maximă de pe etichetă. Toate trei sunt argumente frecvente în magazin și niciunul nu descrie instalația.

NPSH: condiția comună tuturor celor trei

Oricare dintre tipuri cavitează dacă presiunea la intrarea în rotor coboară până la presiunea de vaporizare a apei. Se formează bule care implodează pe palete, cu zgomot de pietriș și eroziune în timp.

Verificarea este o comparație: NPSH disponibil (ce îi oferă instalația) trebuie să fie mai mare decât NPSH cerut (din fișa pompei, la debitul real), cu o marjă. NPSH disponibil pornește de la presiunea atmosferică, circa 10,3 m coloană de apă la nivelul mării, din care scazi presiunea de vaporizare (0,24 m la 20 °C, dar peste 2 m la 60 °C), înălțimea de aspirație și pierderile pe aspirație. De aici vine limita practică de 7–8 m pentru pompele de suprafață.

La multietajate contează doar primul etaj, pentru că restul primesc apă deja presurizată. Un calcul complet, cu variante pentru apă caldă și aspirație adâncă, este în articolul despre pompa monoetajată, unde cavitația apare cel mai des.

Greșeli frecvente la alegerea tipului

• Compararea după kW. Două pompe cu aceeași putere pot avea puncte de lucru complet diferite; puterea e o consecință a sarcinii și a randamentului.
• Citirea „H max” ca înălțime de lucru. Acolo debitul este zero.
• Monoetajată forțată la înălțime mare și debit mic. Merge, dar la capătul curbei, cu randament slab și încălzire.
• Multietajată pusă să mute volume mari la înălțime mică. Lucrează în dreapta curbei, cu NPSH cerut mare și risc de suprasarcină pe motor.
• Verticală aleasă pentru că „e mai puternică”. Nu e; e o multietajată așezată altfel, iar câștigul ei e de spațiu și montaj.
• Supradimensionarea „cu rezervă”. O pompă prea mare lucrează în stânga curbei, pornește des și se uzează mai repede decât una potrivită.
• Pompă de suprafață pentru apă aflată la 9–10 m. Nicio construcție centrifugală de suprafață nu trece peste limita atmosferică.

Unde continui, după ce știi zona

Fiecare articol din grup răspunde la altă întrebare, deci alege-l pe cel care corespunde situației tale:

• Pompa monoetajată: de ce e eficientă la debit mare, unde se oprește și cum calculezi NPSH-ul pas cu pas.
• Pompa multietajată: de unde vine presiunea pe etaje, consumul real, turația variabilă și legarea în paralel.
• Pompa verticală: amprenta, montajul pe conductă, etanșarea mecanică și punerea în funcțiune.
• Presiune scăzută a apei: dacă problema ta e deja o instalație care nu dă presiune.