Un ariete idraulico tradizionale ha solo due parti mobili, una valvola di “scarico” caricata a molla o a peso, a volte conosciuta come valvola “clack”, e una valvola di ritegno “di mandata”, che lo rende economico da costruire, facile da mantenere e molto affidabile.
L’ariete idraulico di Priestly, descritto in dettaglio nell’Enciclopedia Britannica del 1947, non ha parti mobili. NOTA: Questa pompa sostiene di non avere valvole in movimento e usa aria ad alta pressione, quindi potrebbe essere in realtà una pompa Pulser.
Sequenza di funzionamentoModifica
1. Ingresso – tubo di azionamento
2. Flusso libero alla valvola di scarico
3. Uscita – tubo di mandata
4. Valvola di scarico
5. Valvola di non ritorno
6. Recipiente in pressione
Un ariete idraulico semplificato è mostrato nella figura 2. Inizialmente, la valvola di scarico è aperta (cioè abbassata) a causa del suo stesso peso, e la valvola di mandata è chiusa sotto la pressione causata dalla colonna d’acqua dall’uscita . L’acqua nel tubo d’ingresso inizia a scorrere sotto la forza di gravità e prende velocità ed energia cinetica fino a quando la crescente forza di resistenza solleva il peso della valvola di scarico e la chiude. Lo slancio del flusso d’acqua nel tubo d’ingresso contro la valvola di scarico ora chiusa causa un colpo d’ariete che aumenta la pressione nella pompa oltre la pressione causata dalla colonna d’acqua che preme verso il basso dall’uscita. Questo differenziale di pressione apre ora la valvola di mandata, e costringe un po’ d’acqua a fluire nel tubo di mandata. Poiché quest’acqua viene forzata a salire attraverso il tubo di mandata più di quanto non stia scendendo dalla sorgente, il flusso rallenta; quando il flusso si inverte, la valvola di non ritorno si chiude. Nel frattempo, il colpo d’ariete dovuto alla chiusura della valvola di scarico produce anche un impulso di pressione che si propaga su per il tubo d’ingresso fino alla sorgente, dove si converte in un impulso di aspirazione che si propaga lungo il tubo d’ingresso. Questo impulso di aspirazione, con il peso o la molla sulla valvola, tira la valvola di scarico di nuovo aperta e permette al processo di ricominciare.
Un recipiente a pressione contenente aria ammortizza lo shock di pressione idraulica quando la valvola di scarico si chiude, e migliora anche l’efficienza di pompaggio permettendo un flusso più costante attraverso il tubo di mandata. Anche se la pompa potrebbe in teoria funzionare senza, l’efficienza diminuirebbe drasticamente e la pompa sarebbe soggetta a sollecitazioni straordinarie che potrebbero accorciare notevolmente la sua vita. Un problema è che l’aria pressurizzata si dissolverà gradualmente nell’acqua finché non ne rimarrà più nessuna. Una soluzione a questo problema è di avere l’aria separata dall’acqua da un diaframma elastico (simile a un vaso di espansione); tuttavia, questa soluzione può essere problematica nei paesi in via di sviluppo dove i ricambi sono difficili da procurare. Un’altra soluzione è una valvola snifting installata vicino al lato di azionamento della valvola di erogazione. Questa inala automaticamente una piccola quantità d’aria ogni volta che la valvola di mandata si chiude e si sviluppa il vuoto parziale. Un’altra soluzione è quella di inserire una camera d’aria di un pneumatico d’auto o di bicicletta nel recipiente a pressione con un po’ d’aria dentro e la valvola chiusa. Questa camera d’aria è in effetti la stessa cosa del diaframma, ma è realizzata con materiali più ampiamente disponibili. L’aria nel tubo ammortizza l’urto dell’acqua come fa l’aria in altre configurazioni.
Efficienza
Un’efficienza energetica tipica è del 60%, ma fino all’80% è possibile. Questo non deve essere confuso con l’efficienza volumetrica, che mette in relazione il volume di acqua erogata con il totale dell’acqua prelevata dalla fonte. La porzione d’acqua disponibile al tubo di mandata sarà ridotta dal rapporto tra la prevalenza di mandata e quella di alimentazione. Così, se la sorgente si trova a 2 metri sopra la colonna e l’acqua viene sollevata a 10 metri sopra la colonna, solo il 20% dell’acqua fornita può essere disponibile, mentre l’altro 80% viene versato attraverso la valvola di scarico. Questi rapporti presuppongono un’efficienza energetica del 100%. L’acqua effettiva fornita sarà ulteriormente ridotta dal fattore di efficienza energetica. Nell’esempio precedente, se l’efficienza energetica è del 70%, l’acqua fornita sarà il 70% del 20%, cioè il 14%. Assumendo un rapporto tra prevalenza di fornitura e prevalenza di consegna di 2 a 1 e un’efficienza del 70%, l’acqua consegnata sarà il 70% del 50%, cioè il 35%. Rapporti molto alti tra la prevalenza di mandata e quella di alimentazione di solito comportano una minore efficienza energetica. I fornitori di pistoni spesso forniscono delle tabelle che danno i rapporti di volume attesi basati su test reali.
Design del tubo di azionamento e di mandataModifica
Siccome sia l’efficienza che il ciclo affidabile dipendono dagli effetti del colpo d’ariete, il design del tubo di azionamento è importante. Dovrebbe essere da 3 a 7 volte più lungo della distanza verticale tra la sorgente e il pistone. Gli arieti commerciali possono avere un raccordo d’ingresso progettato per adattarsi a questa pendenza ottimale. Il diametro del tubo di alimentazione dovrebbe normalmente corrispondere al diametro del raccordo di ingresso dell’ariete, che a sua volta è basato sulla sua capacità di pompaggio. Il tubo di azionamento dovrebbe essere di diametro e materiale costante, e dovrebbe essere il più diritto possibile. Dove le curve sono necessarie, dovrebbero essere curve lisce e di grande diametro. Anche una grande spirale è permessa, ma i gomiti sono da evitare. Il PVC funzionerà in alcune installazioni, ma il tubo d’acciaio è preferito, anche se molto più costoso. Se si usano delle valvole, dovrebbero essere del tipo a flusso libero, come una valvola a sfera o una valvola a saracinesca.
Il tubo di mandata è molto meno critico poiché il contenitore a pressione impedisce che gli effetti del colpo d’ariete risalgano. Il suo design complessivo dovrebbe essere determinato dalla caduta di pressione consentita in base al flusso previsto. In genere la dimensione del tubo sarà circa la metà di quella del tubo di alimentazione, ma per corse molto lunghe può essere indicata una dimensione maggiore. Il tubo in PVC e tutte le valvole necessarie non sono un problema.
Avviare il funzionamentoModifica
Un pistone appena messo in funzione o che ha smesso di pedalare dovrebbe avviarsi automaticamente se il peso della valvola di scarico o la pressione della molla sono regolati correttamente, ma può essere riavviato come segue: Se la valvola di scarico è in posizione sollevata (chiusa), deve essere spinta manualmente in posizione aperta e rilasciata. Se il flusso è sufficiente, il ciclo si avvia almeno una volta. Se non continua a ciclare, deve essere spinta ripetutamente verso il basso fino a che non cicli continuamente da sola, di solito dopo tre o quattro cicli manuali. Se il pistone si ferma con la valvola di scarico in posizione abbassata (aperta), deve essere sollevato manualmente e tenuto su per il tempo necessario affinché il tubo di alimentazione si riempia d’acqua e le bolle d’aria risalgano il tubo fino alla sorgente. Questo può richiedere del tempo, a seconda della lunghezza e del diametro del tubo di alimentazione. Poi può essere avviato manualmente spingendolo verso il basso alcune volte come descritto sopra. Avere una valvola sul tubo di mandata all’ariete rende più facile l’avvio. Chiudere la valvola fino a quando il pistone inizia a pedalare, poi aprirla gradualmente per riempire il tubo di mandata. Se aperta troppo in fretta fermerà il ciclo. Una volta che il tubo di mandata è pieno, la valvola può essere lasciata aperta.
Problemi operativi comuniModifica
Il fallimento nell’erogazione di acqua sufficiente può essere dovuto a una regolazione impropria della valvola di scarico, avendo troppo poca aria nel contenitore a pressione, o semplicemente tentando di sollevare l’acqua più in alto del livello di cui lo slittone è capace.
Lo slittone può essere danneggiato dal congelamento in inverno, o dalla perdita di aria nel contenitore a pressione che porta a uno stress eccessivo sulle parti dello slittone. Questi guasti richiederanno la saldatura o altri metodi di riparazione e forse la sostituzione delle parti.
Non è raro che un pistone in funzione richieda dei riavvii occasionali. Il ciclo può fermarsi a causa di una cattiva regolazione della valvola di scarico, o di un flusso d’acqua insufficiente alla fonte. L’aria può entrare se il livello dell’acqua di alimentazione non è almeno qualche centimetro sopra l’estremità di ingresso del tubo di alimentazione. Altri problemi sono il blocco delle valvole con detriti, o l’installazione impropria, come l’uso di un tubo di alimentazione di diametro o materiale non uniforme, con curve strette o un interno ruvido, o uno troppo lungo o corto per la caduta, o fatto di un materiale non sufficientemente rigido. Un tubo di alimentazione in PVC funzionerà in alcune installazioni, ma non è ottimale come l’acciaio.