Come costruire una pompa ad ariete idraulico
La pompa ad ariete è in grado di spingere l'acqua a un livello più alto senza l'ausilio di energia elettrica o giranti. Essa sfrutta la forza di caduta dell'acqua da un dislivello per sollevarne una parte ad un'altezza superiore. Durante il processo si perde una parte del fluido ma questo non rappresenta un problema in molti casi.
La pompa ad ariete idraulico sfrutta un fenomeno chiamato appunto colpo d'ariete: esso si verifica quando per esempio lasciamo uscire l'acqua da una tubatura in pressione aprendo al massimo una valvola a sfera e poi la richiudiamo bruscamente. Ia forza inerziale della colonna d'acqua che impatta contro la saracinesca chiusa genera un'onda d'urto che provoca un aumento di pressione nell'impianto quindi si sente un tonfo seguito dalla vibrazione del tubo. E' un fenomeno indesiderabile perché l'aumento di pressione può portare anche alla rottura delle condotte idrauliche. La pompa ad ariete lo sfrutta per generare la pressione necessaria a sollevare il fluido a un livello più alto.
Componenti
- tubo di alimentazione
- bacino di scarico (il peso dell'acqua favorisce l'apertura della valvola di scarico)
- tubo di mandata
- valvola di scarico
- valvola di distribuzione
- vaso di espansione
Valvola di scarico
E' uno dei componenti più importanti della pompa perché causa il colpo d'ariete. Per funzionare ha bisogno di disperdere parte del fluido, per questo viene chiamata valvola di scarico. L'acqua scaricata chiaramente può essere recuperata e utilizzata per altri scopi oppure reinserita nel suo corso naturale a seconda della situazione.
Il ritmo di funzionamento e l'efficienza della pompa dipendono largamente dalla taratura della valvola di scarico quindi dovrebbe essere possibile poter regolare l'ampiezza e i tempi di apertura.
Può essere realizzata modificando una valvola di non ritorno facendola funzionare al contrario ma è preferibile utilizzare una valvola a battente detta anche clapet che assolve perfettamente la funzione senza bisogno di modifiche. Essa contiene uno sportellino all'interno che lascia passare l'acqua soltanto in una direzione. Non si trova facilmente dai rivenditori di materiale idraulico infatti io l'ho dovuta acquistare tramite Amazon.
Tubo di alimentazione
Sfruttando la caduta dell'acqua da un dislivello la fornisce in pressione alla pompa. Per aumentare l'efficienza è essenziale utilizzare tubature in ferro o comunque molto rigide per la condotta di alimentazione perché ogni deformazione o flessione dei tubi provoca una dispersione dell'energia generata dal colpo d'ariete. Inoltre esso non deve presentare curve, che non solo pregiudicano l'efficienza della pompa ma possono causare rotture del tubo dovute alle forze che si sprigionano lateralmente.
Tubo di mandata
Esso trasferisce l'acqua proveniente dalla pompa al sito di destinazione posto a un'altezza superiore a quella dove si rifornisce il tubo di alimentazione. Essendo parte del fluido disperso dalla valvola di scarico la portata sarà sicuramente minore di quella del tubo di alimentazione. A differenza del tubo di alimentazione quello di mandata può anche essere fatto di plastica in quanto non risente degli effetti del colpo d'ariete.
Valvola di distribuzione
Scarica la pressione creata dal colpo d'ariete verso il tubo di mandata e il vaso di espansione. Si tratta di una semplice valvola di ritegno o di non ritorno che permette l'attraversamento del fluido soltanto in un solo verso evitando che l'acqua pompata nel tubo di mandata ritorni indietro verso la pompa.
E' costituita all'interno da un disco spinto da una molla che provoca l'interruzione del flusso; quando viene attraversata nel verso della freccia la pressione dell'acqua vince quella della molla e il disco si allontana favorendo il passaggio del fluido. Nell'altro verso invece il disco viene premuto contro la battuta impossibilitando il passaggio dell'acqua.
Vaso di espansione
E' un componente molto importante nella pompa ad ariete perché non solo ne aumenta l'efficienza ma anche l'affidabilità, dato che ammortizza gli urti provocati dai cambiamenti repentini della pressione dell'acqua, regolarizzando il flusso uscente dal tubo di mandata che risulterebbe altrimenti intermittente. In alcuni casi può essere semplicemente realizzato anche usando una bottiglia di plastica, ma bisogna tenere conto che con il tempo l'aria si mescola con l'acqua.
Come funziona
Il funzionamento della pompa ad ariete si riassume in 3 fasi:
1) la valvola di scarico viene tenuta aperta dalla forza di gravità (oppure da una leggera molla) e l'acqua la attraversa disperdendosi fuori dalla pompa.
2) Aumentando il flusso dell'acqua la valvola si inizia a chiudere, seguendo un incremento della pressione e la brusca chiusura totale. La colonna d'acqua a monte della pompa con tutta la sua energia inerziale va a impattare contro il battente chiuso della valvola generando il colpo d'ariete.
L'onda d'urto si propaga dalla valvola di scarico aumentando la pressione nella pompa e provocando quindi l'apertura della valvola di distribuzione. Essa viene attraversata dall'acqua che si dirige verso il tubo di mandata e contemporaneamente comprime l'aria presente nel vaso di espansione.
3) L'acqua, uscendo dalla pompa, provoca una diminuzione di pressione all'interno che fa richiudere la valvola di distribuzione mentre l'aria compressa nel vaso di espansione continua a spingere l'acqua attraverso il tubo di mandata. La pressione all'interno della pompa non è più sufficiente a tenere chiusa la valvola di scarico che si apre per gravità e il ciclo ricomincia.
Uno dei vantaggi di questo tipo di pompa è che le parti in movimento sono pochissime (soltanto le due valvole ) assicurando una grande affidabilità, manutenzione minima e tempi di operazione lunghi. Inoltre non avendo bisogno di energia elettrica è perfetta per l'uso in zone remote con grande disponibilità idrica.
Progettazione
Per progettare una pompa ad ariete idraulico prima di tutto bisogna avere i seguenti dati a disposizione:
- caduta verticale o dislivello: differenza di altezza tra la sorgente dell'acqua e la pompa
- altezza di sollevamento: differenza di altezza fra la pompa e la destinazione
- quantità di acqua disponibile all'origine
- quantità di acqua desiderata a destinazione
- lunghezza tubo di alimentazione
- lunghezza tubo di mandata
Esiste una formula per capire se una pompa ad ariete può essere adatta allo scopo:
D=(S x F x E)/L
- D = litri di acqua pompati a destinazione in 24 h
- S = portata della sorgente in litri al minuto
- F = caduta verticale dalla sorgente, in metri
- L = altezza di sollevamento, in metri
- E = efficienza della pompa (solitamente 0.66 per modelli commerciali, 0.33 per autocostruiti).
Maggiore è la caduta verticale maggiore sarà la prevalenza della pompa. Solitamente le pompe ad ariete commerciali sono capaci di sollevare fino a un'altezza che misura 10 volte la caduta dalla sorgente. Chiaramente con l'aumentare dell'altezza di pompaggio la portata diminuisce.
Efficienza
In alcuni casi, per esempio quando la disponibilità idrica è appena sufficiente o quando il dislivello è minimo oppure quando si desidera una prevalenza elevata, si ricerca la massima efficienza rispettando alcune "regole":
- l'acqua, dal tubo di alimentazione alla valvola di scarico, deve acquistare la massima velocità possibile quindi evitare curve, restringimenti, attriti, ecc.
- la valvola di scarico si deve chiudere esattamente quando l'acqua ha raggiunto la massima velocità: se chiude troppo presto ci sarà uno spreco di energia, se chiude troppo tardi uno spreco di acqua.
- usare materiali indeformabili e abbastanza spessi per il tubo di alimentazione e l'intera pompa in modo da non dissipare energia.
- il tubo di alimentazione deve contenere la giusta quantità di acqua perciò deve essere dimensionato correttamente tramite due formule:
minima lunghezza tubo = diametro tubo x 150
massima lunghezza tubo = diametro tubo x 1000
- il volume del vaso di espansione dovrebbe essere 50 volte di quello dell'acqua pompata in un solo ciclo.
Materiale necessario
Ho elencato gli elementi più importanti, il resto dipende molto da quali tubi vuoi usare oppure dal materiale che già possiedi e comunque si tratta di semplici curve, nipples o raccordi. Nella mia realizzazione ho adottato una sezione da 1/2 pollice.
La pompa ad ariete può essere costruita in vari modi che dipendono dalle esigenze, dalla situazione e dalla disponibilità economica; ho costruito la mia pompa usando principalmente materiali di cui già disponevo, al solo scopo di studiarne il funzionamento senza nessuna applicazione pratica. In caso contrario sarebbero necessari ulteriori studi sopratutto per valutarne l'efficienza.
- 1 valvola clapet
- 1 valvola di ritegno
- manometro per visualizzare la pressione
- 3 raccordi a T
- 2 valvole a sfera, una per il tubo di alimentazione e l'altra per la mandata
- 1 vaso di espansione
- raccordi e nipples vari
- 1 tubo di alimentazione
- 1 tubo di mandata
- 1 tubo di ferro
Nel mio caso ho utilizzato tubi di plastica perché si trattava soltanto di un test senza applicazione pratica ma ti ricordo che è molto importante utilizzare una linea rigida e diritta come condotta di alimentazione.
Montaggio
Il montaggio è molto semplice: all'inizio è bene avvitare tutti i componenti e verificare che siano compatibili, poi smontarli e avvolgere del teflon oppure la canapa sui filetti per evitare perdite di pressione.
Assemblare i componenti come mostrato nella foto: la valvola di ritegno va montata con la freccia rivolta verso il vaso di espansione perché deve impedire il passaggio dell'acqua nel senso opposto. E' importante che la valvola di scarico sia montata con l'apertura verso l'alto per permettere allo sportellino presente all'interno di aprirsi grazie al suo stesso peso altrimenti andrebbe aggiunta una molla.
Sarebbe interessante inserire un altro manometro fra la valvola di alimentazione e il raccordo a T per misurare la pressione dell'acqua proveniente dalla sorgente.
Installazione
Per ottenere il dislivello necessario al funzionamento della pompa ho sistemato un bidone pieno d'acqua in cima a una torretta e l'ho collegato con la pompa attraverso un tubo di polietilene da 16mm. Sulla torre ho sistemato un lungo palo dove ho fissato il tubo di mandata per portarlo a un'altezza maggiore.
Alla fine il dislivello fra il bidone e la pompa misurava 4 m, mentre fra l'uscita del tubo di mandata e la base del bidone 4,5 m.
E' molto importante che tutto il corpo della pompa sia saldamente fissato a una base con per ridurre le dispersioni di energia.
Avviamento
- Chiudere entrambi i rubinetti di mandata e alimentazione.
- Aprire il rubinetto di alimentazione: l'acqua uscirà dalla valvola di scarico e provocherà la chiusura della stessa.
- A questo punto bisogna aprire manualmente la valvola di scarico premendo lo sportellino con un cacciavite o altro.
- La valvola di scarico si chiude ancora grazie alla pressione dell'acqua. Ripetere il punto 3 fino a quando la pompa non si avvia e la valvola di scarico si apre e si chiude automaticamente.
- Aprire gradualmente il rubinetto di mandata fino a che non esce acqua dal tubo. Se viene aperto troppo la pompa si ferma e bisogna ricominciare dal punto 1.
Durante il funzionamento il manometro segnava una pressione di 1,5 bar.
Risorse
Qualche PDF e link utile sull'argomento:
Hydraulic Ram Pumps (PDF, Inglese) by The Schumacher Centre for Technology and Development: teoria del funzionamento delle pompe ad ariete.
Ram Pumps (link, Inglese) dall'istituto di ricerca di permacultura: fantastico articolo che racconta un'esperienza di costruzione della pompa ad ariete idraulico.
Home built hydraulic ram pumps (PDF, Inglese) dalla teoria alla pratica, installazione, dimensionamento, grafici con i parametri, manutenzione, possibili problemi. Molto molto dettagliato.
Hydraulic ram pump systems (PDF, Inglese) teoria ed esempi di applicazioni in paesi rurali con impianti molto seri, ci sono anche dei progetti alla fine.
Hydraulic ram pumps (link, Inglese) teoria delle pompe ad ariete
Ultima modifica 17/08/23
Scritto da Davide Buldrini
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