Approfondimento: come funzionano gli eiettori

By | 2019-07-17T17:34:59+00:00 giugno 18th, 2019|Industria Chimica, Senza categoria, Trattamento dell'acqua|

L’eiettore, detto anche eduttore, pompa a diffusione o pompa a getto, è una macchina senza organi di movimento e può essere utilizzato come compressore e come pompa per ottenere un innalzamento della pressione di uno specifico fluido mediante l’alimentazione di un altro fluido (motore), di natura uguale o diversa.

Storia dell’eiettore

Il prototipo dell’eiettore, che ora è utilizzato in più svariati campi industriali, fu inventato nel 1858 da Henry Giffard per trovare una soluzione al problema dell’alimentazione dell’acqua ai serbatoi degli impianti di vapore.

Fino a quel momento, il fabbisogno di energia per la movimentazione dell’acqua alle caldaie era affidato a pompe meccaniche che, oltre a non essere affidabili, erano dotate di motori funzionanti a vapore che non garantivano l’alimentazione a motori fermi perché l’energia motrice veniva a mancare, e ciò impediva un apporto d’acqua costante all’impianto.

Questa problematica venne risolta grazie all’innovativa invenzione di Giffard, che permise la movimentazione di acqua liquida a bassa pressione tramite lo sfruttamento dell’energia del vapore a più alta pressione, consentendo di alimentare il circuito in modo costante anche quando le pompe tradizionali non potevano funzionare.

L’eiettore con ugello convergente – divergente fu introdotto per la prima volta nel 1869 dall’ingegnere tedesco Schau, che anticipò di alcuni anni gli studi effettuati da parte dell’ingegnere svedese Gustaf de Laval, che nel 1890 riuscì a sperimentare e a brevettare l’ugello supersonico di tipo convergente – divergente che viene utilizzato tutt’oggi.

Tale dispositivo sfrutta l’azione di un fluido supersonico e di uno subsonico che hanno un diverso comportamento a seconda della sezione del condotto che attraversano.

Gli eiettori erano utilizzati solamente all’interno di alcuni cicli frigoriferi fino al 1910, quando l’ingegnere delle ferrovie francesi Maurice Leblanc li introdusse nei cicli a vapore come eiettori a getto; l’effetto frigorifero veniva così prodotto impiegando fonti di basso grado energetico. Fu la svolta per i sistemi di refrigerazione a getto di vapore che da quel momento divennero disponibili per il condizionamento d’aria di grandi edifici e dei vagoni dei treni.

Nel 1931 Norman H. Gay brevettò gli eiettori a due fasi al fine di migliorare le performance dei sistemi di refrigerazione riducendo le perdite energetiche dovute all’uso delle valvole di espansione. Tale tecnologia viene tutt’ora utilizzata in sostituzione dei dispositivi di laminazione.

L’effetto Venturi più in dettaglio

Il funzionamento dell’eiettore è basato sull’effetto Venturi (o paradosso idrodinamico), che è il fenomeno fisico, scoperto e studiato dal fisico Giovanni Battista Venturi, per cui la pressione di una corrente fluida aumenta con il diminuire della velocità.

Considerando una generica condotta che presenti una diminuzione della sua sezione (come quella in figura 8.2) e chiamando A1 l’area maggiore e A2 l’area minore, per l’equazione di conservazione applicata alla fluidodinamica è possibile affermare che la portata entrante alla prima sezione è sicuramente uguale a quella passante per la seconda.

 

Poiché la portata può essere indicata come prodotto della velocità del fluido per la sezione da cui passa (v*A), per l’equazione di Bernoulli è possibile affermare che vi è un aumento della velocità nella sezione A2 rispetto a quella in A1, ovvero v1<v2.
Infatti la portata di massa risulta essere:

 

Perciò, se A2 è minore di A1, allora v2 risulta maggiore di v1.
Sulla base di queste considerazioni, supponendo che non esista una differenza di quota fra le sezioni, è possibile utilizzare come sistema di riferimento per le altezze l’asse della condotta, eliminando in tal modo un termine dell’equazione di Bernoulli, la quale si presenta nella forma seguente:

 

Con: ρ = densità [kg/m3]
v = velocità del deflusso [m/s]
p = pressione del fluido [Pascal]
All’aumentare della velocità del fluido, quindi, si crea necessariamente una diminuzione della pressione interna al fluido stesso, perciò p2 risulta essere minore di p1.
Si ottiene, quindi:

Come affermato precedentemente, l’effetto Venturi è anche chiamato paradosso idrodinamico perché è comunemente pensabile che la pressione aumenti in corrispondenza delle strozzature presenti nelle canalizzazioni, ma per la legge della conservazione della massa, la velocità aumenta in corrispondenza delle canalizzazioni con sezione minore, in quanto diminuisce la pressione del fluido.

Il principio base, quindi, su cui si fonda il funzionamento di un eiettore è basato sull’effetto Venturi e sul fatto che quando un fluido dotato di un’elevata quantità di moto ne incontra un altro con una quantità di moto inferiore, porta l’energia di ambedue ad un valore intermedio, che in tal caso corrisponde al valore di pressione intermedio.

Applicazioni degli eiettori

La versatilità degli eiettori ne permette l’utilizzo in un ampio campo di applicazioni e l’impiego in molti settori:

– eiettori usati per la refrigerazione dei cibi accanto all’utilizzo di sistemi frigoriferi tradizionali;
– eiettori per il pompaggio dell’acqua e del vapore sono utilizzati nei sistemi di emergenza delle centrali nucleari per garantire il raffreddamento del nocciolo anche in situazioni di emergenza;
– speciali eiettori sono impiegati anche nell’industria chimica per il pompaggio di sostanze pericolose;
– nel 2005 Bartosiewicz et al. hanno menzionato l’utilizzo degli eiettori nei sistemi di propulsione aeronautica per l’aumento della spinta e la diminuzione della temperatura dei gas di scarico;
– è segnalato l’utilizzo di eiettori multi – stadio per simulare l’altitudine aerospaziale tramite la riduzione della pressione nelle camere in cui si testano gli equipaggiamenti.

Gli eiettori sono generalmente impiegati, come visto, in differenti settori in cui essi ricoprono il ruolo di:
– pompa a vuoto o compressori di gas: il fluido motore in tal caso è solitamente vapore d’acqua, ma nelle piccole installazioni si utilizzano anche aria compressa o acqua;
– pompa per fluidi: solitamente il fluido motore e quello aspirato sono di natura diversa ed il loro utilizzo è finalizzato ad ottenere una miscelazione dei fluidi stessi.

 

Informazioni sull’autore