PROGETTAZIONE AIRLIFT

Le pompe ad aria, meglio conosciute con il termine Airlift sono dispositivi di sollevamento idrico costituiti da un tronco di tubo rettilineo, aperto alle estremità, parzialmente immerso, verticalmente, nel liquido da pompare; all’estremità inferiore del tubo è installato un diffusore poroso per mezzo del quale viene insufflata aria sotto forma di bolle di piccolo diametro.

 

La risalita di bolle d’aria all’interno del tubo provoca il sollevamento del liquido e la sua fuoriuscita dalla estremità superiore,sopraelevata rispetto alla superficie libera.

Il rendimento complessivo di una pompa ad aria è influenzato, oltre che dal rendimento idraulico (dipendente da diversi fattori tra cui, principalmente, la portata, il diametro del tubo, il rapporto aria/acqua e il rapporto d’immersione), dai rendimenti del compressore e del sistema di distribuzione dell’aria. 

Calcoli per Airlift

In base ai principi di idrostatica tale funzionamento può essere espresso attraverso la seguente equazione:

h_m  x  g_m =  h_s  x  g₁

h_m = altezza della miscela aria-acqua o dislivello tra diffusore e baricentro della sezione di carico;

g_m= peso di volume della miscela aria-acqua;

h_s = profondità d’immersione del diffusore o dislivello tra diffusore e superficie libera;

g₁ = peso di volume dell’acqua esternamente alla condotta.

Essendo g₁ maggiore di g_m, anche h_m deve necessariamente essere maggiore di h_s affinché l’equazione sia soddisfatta. Lo scarico avviene fintanto che il flusso di aria immessa determina una differenza tra g₁ e g_m tale che h_m – h_s ecceda h_t (h_t = altezza di sollevamento o dislivello tra superficie libera e baricentro della sezione di scarico).

In condizioni di scarico h_s × g₁ presenta valori superiori a h_m × g_m; quindi, l’acqua esterna alla condotta, essendo più pesante della miscela aria-acqua, è indotta a entrare nella condotta e ad alimentare la pompa.

Il flusso di aria sufficiente a fare assumere a h_m × g_m un valore uguale a h_s × g₁ è considerato il flusso minimo necessario al funzionamento della pompa.

La seguente formula fornisce valori attendibili per diametri della condotta compresi tra 25 e 100 mm, per lunghezze da 4 a 42 m e per rapporti di immersione h_s/h_m da 0,4 a 0,8 (Todoroki et al., 1973).

_Qam = flusso minimo di aria (cm³/s);

_Ms = rapporto d’immersione h_s – h_m ;

A  = area della sezione della condotta (cm²);

g  = accelerazione di gravità (cm/s²);

d  = diametro della condotta (cm).

 

Di norma raddoppiando il diametro della condotta è possibile aumentare la portata di 5,6 volte.

Il diametro delle bolle influisce sul funzionamento della pompa; più le bolle sono fini e minore è l’effetto di rapido slittamento delle stesse verso l’alto. Poiché questo effetto di slittamento costituisce la maggior perdita di energia, i migliori rendimenti delle pompe ad aria sono ottenuti riducendo al minimo il diametro delle bolle che però, in pratica, non può essere ridotto oltre certi limiti (es. fino a 3-4 mm).

Inoltre, per ottenere un flusso continuo di bolle, l’aria non dovrebbe eccedere il 10% del volume interno alla condotta poiché, per percentuali superiori, le bolle, risalendo, tendono a riunirsi tra di loro comportando una riduzione del rendimento della pompa.

D’altra parte il rapporto volumetrico aria/acqua del 10% produce una prevalenza massima, ovvero un’altezza di sollevamento, pari a circa 0,1 h_s che dal punto di vista pratico rappresenta un grosso limite per le pompe ad aria.

Quindi, per ridurre il rapporto d’immersione delle pompe ad aria, il rapporto aria/acqua viene mantenuto, generalmente, su valori superiori al 10%, ammettendo un peggioramento del rendimento rispetto a quello massimo ottenibile.