Il volume spostato a ogni corsa del pistone
Una pompa a pistone è una macchina volumetrica alternativa: un pistone scorre di moto rettilineo alternato dentro un cilindro e a ogni corsa sposta un volume fissato dalla geometria, l’area della sezione moltiplicata per la corsa. La portata è quel volume moltiplicato per il numero di cicli nell’unità di tempo, e non dipende in modo diretto dalla pressione a cui il fluido viene mandato.
Da qui discende la proprietà che separa le volumetriche dalle centrifughe. Se la contropressione sale, una pompa centrifuga manda meno fluido e a un certo punto smette; una volumetrica continua a spingere quasi lo stesso volume e fa salire la pressione finché qualcosa cede. Per questo una pompa a pistone non si fa mai lavorare contro una mandata chiusa e vuole a valle una valvola di sicurezza. È il primo dato pratico da conoscere, prima di qualsiasi altro.
Il ciclo: aspirazione, mandata, due valvole
Il cilindro ha due valvole di non ritorno, una in aspirazione e una in mandata, e nessuna delle due è comandata: si aprono e si chiudono per differenza di pressione. Nella corsa di aspirazione il pistone arretra, il volume nel cilindro cresce, la pressione scende sotto quella di monte: la valvola di aspirazione si apre, quella di mandata resta chiusa dalla pressione di valle, e il fluido entra. Nella corsa di mandata il pistone avanza, la pressione nel cilindro sale, l’aspirazione si richiude e la mandata si apre.
Due dettagli decidono il rendimento. Il primo è lo spazio morto, cioè il volume che resta nel cilindro a fine corsa: se contiene gas, quel gas viene compresso e riespanso a ogni giro e ruba corsa utile. Il secondo è la tenuta: le perdite fra pistone e canna e i ritardi di chiusura delle valvole fanno sì che il volume realmente spostato sia sempre un po’ minore di quello geometrico. Poiché la macchina muove anche aria, una pompa a pistone in buono stato aspira a secco e si adesca da sola, ed è la stessa ragione per cui la stessa architettura si usa nelle pompe da vuoto.
Portata pulsante e come si smorza
La portata di una pompa a semplice effetto non è costante: c’è mandata solo durante metà del ciclo, quindi il flusso in uscita è un’onda e non una linea. Su una tubazione questo produce vibrazioni, rumore e sollecitazioni a fatica; dove serve un flusso regolare produce anche un errore di dosaggio.
I rimedi sono tre e si combinano. Il doppio effetto fa lavorare entrambe le facce del pistone, con due aspirazioni e due mandate, e riempie una parte del vuoto. I pistoni multipli sfasati fra loro sovrappongono le mandate, e più sono meno l’onda si vede. Lo smorzatore di pulsazioni, che è in sostanza un cuscino di gas separato dal fluido, assorbe i picchi e li restituisce. Sul lato aspirazione la pulsazione pesa ancora di più che in mandata: una depressione istantanea troppo profonda fa evaporare il liquido e innesca la cavitazione, che erode le superfici.
Pistone tuffante e pistone strisciante
Sotto lo stesso nome stanno due architetture diverse. Nel pistone tuffante l’elemento cilindrico entra e esce dalla camera e le tenute stanno ferme sulla parte fissa: si possono serrare, ispezionare e sostituire senza smontare l’organo mobile, ed è la configurazione delle alte pressioni e dei dosaggi precisi. Nel pistone strisciante la guarnizione è montata sul pistone e si muove con lui, strisciando contro la parete del cilindro: costruzione più semplice ed economica, pressioni più basse e usura concentrata su un componente che sta dentro la macchina.
La scelta fra le due non è una preferenza di scuola: cambia dove si consuma il pezzo e quanto lavoro serve per rimetterlo a posto.
Dove lavora una pompa a pistone in ambito sanitario
La stessa macchina applicata all’aria diventa un compressore. Negli apparecchi per aerosolterapia il compressore a pistone comprime aria e la manda all’ampolla, dove un ugello e l’effetto di depressione che ne consegue frantumano il liquido in goccioline; requisiti e metodi di prova dei sistemi di nebulizzazione stanno nella norma EN 13544-1:2007+A1:2009. Gli aspiratori chirurgici usano lo stesso principio in depressione, per creare e mantenere il vuoto nel vaso di raccolta.
Ci sono poi gli impieghi manuali e oleodinamici. Le pompe a mano o a pedale dei materassi e delle steccobende a depressione sono pompe a pistone in tutto e per tutto, con le due valvole e la corsa alternata. I tavoli e i carrelli a sollevamento idraulico lavorano con un pistone che spinge olio in un cilindro, e la posizione si mantiene perché il fluido è praticamente incomprimibile. Le pompe a siringa infusionali, infine, sono pistoni volumetrici usati per il dosaggio: una vite avanza a velocità imposta e spinge lo stantuffo, e la portata si legge dalla geometria della siringa e dalla velocità della vite.
Quando al posto del pistone si mette una membrana
Tutte e tre sono volumetriche, e si distinguono per quanto il fluido tocca la macchina. Nella pompa a membrana il pistone non incontra mai il liquido pompato: spinge un olio o dell’aria contro una membrana flessibile che fa da parete mobile della camera. Il meccanismo resta separato dal fluido, il che la rende adatta a liquidi aggressivi e agli impieghi in cui la contaminazione non è ammessa; in cambio la corsa utile è minore e la membrana è un pezzo d’usura con vita propria.
Nella pompa peristaltica nessun organo della macchina tocca il fluido. Rulli o pattini schiacciano un tubo elastico contro una pista curva e trascinano in avanti il volume racchiuso fra due schiacciamenti: il liquido incontra solo il tubo, che si sostituisce, ed è la ragione per cui questa architettura domina le pompe di infusione volumetriche e le linee sterili. La portata dipende dal calibro del tubo e cala mentre il tubo si affatica, che è il suo limite noto. Le pompe centrifughe, infine, stanno fuori da questa famiglia: accelerano il fluido con una girante e ne convertono la velocità in pressione, e la loro portata cambia con la pressione lungo una curva.
