L’importanza dell’NPSH per la corretta scelta dei sistemi di pressurizzazione antincendio

Sono trascorsi dieci anni dalla prima stesura di questo articolo. Durante questo periodo ho potuto confrontarmi con molti professionisti del settore e convincermi che, dopotutto, le informazioni contenute nel testo erano state utili. Dalle domande che mi venivano poste, ho anche capito che qualcosa poteva essere meglio illustrato e qualche punto andava senza dubbio ampliato. Ho perciò messo mano, ancora una volta, all’argomento NPSH. Il risultato è l’articolo che troverete di seguito. Lo scopo è sempre quello di rendere più chiaro un concetto fondamentale che ancora fatica ad essere utilizzato correttamente. Come dicevo nel precedente testo : ”Conoscere meglio l’importanza dell’NPSH è fondamentale per ciò che riguarda la corretta scelta dei sistemi di pompaggio. Questo vale per tutti i tipi di applicazione, non solo per quelle antincendio”. Colgo l’occasione per ringraziare l’Ing. Stefania Alessandrini – Capo redattore Ingenio – per l’ospitalità che ha sempre riservato ai miei scritti e per aver posto fine, con la sua richiesta di aggiornamento, alle mie titubanze sull’opportunità o meno di riprendere a parlare di NPSH.

Il concetto di NPSH nella UNI EN 12845

La norma UNI EN 12845 “Installazioni fisse antincendio. Sistemi automatici a sprinkler. Progettazione, installazione e manutenzione”, nel capitolo 10, denominato POMPE, pone particolare enfasi sulle caratteristiche della tubazione di aspirazione delle pompe principali e sulla potenza del motore da collegare alle pompe stesse.

In entrambi i casi viene introdotto il concetto di NPSH. Vediamo perciò, per iniziare, cosa si intende per NPSH, e per quale motivo attraverso l’uso dell’NPSH si possa valutare, per una pompa, il MARGINE tra condizione di funzionamento normale e condizione critica.

Definizione di NPSH e cenni sulla cavitazione

NPSH sta per - Net Positive Suction Head. In italiano è possibile definirlo come “altezza di carico netta assoluta” e rappresenta l’altezza totale di carico all’ingresso della pompa, misurata rispetto al piano di riferimento, aumentata dell’altezza corrispondente alla pressione atmosferica e diminuita dell’altezza corrispondente alla tensione di vapore.

Nel caso di una pompa orizzontale, il piano di riferimento passa per l’asse di rotazione della pompa. Il valore dell’ NPSH si esprime in metri. Quando si parla di NPSH, occorre riferirsi a pressioni assolute e non relative.

Occorre distinguere tra:

• NPSH richiesto che è quello che il costruttore chiede per ottenere un buon funzionamento della pompa
  
• NPSH disponibile che risulta dalle condizioni di installazione e deve essere calcolato dal progettista dell’impianto.

Perché non si manifesti il fenomeno della cavitazione e la pompa lavori secondo le aspettative del progettista dell’impianto occorre che :

NPSHd > NPSHr     (1)
NPSHd = Zo + ((Po + Pb – Pv )/(ρg)) – J1    (2)

Dove :

Per il calcolo di J1 – perdite di carico totali in aspirazione – abbiamo visto che può essere utilizzata la formula di Hazen-Williams :

J1 = L x (10,67 / D ^4,8704 ) x (Qp / C) ^1,852 [m.c.a.]

dove :

Qp = portata di progetto (m³/s)
L = lunghezza della tubazione di aspirazione (m)
D = diametro INTERNO della tubazione di aspirazione (m)
C = costante dipendente dalla natura del tubo che deve essere assunta uguale a:

• 100 per tubi di ghisa,
• 120 per tubi di acciaio,
• 140 per tubi di acciaio inossidabile, in rame e ghisa rivestita,
• 150 per tubi di plastica, fibra di vetro e materiali analoghi.

La lunghezza L comprende sia lo sviluppo geometrico della condotta, che la "lunghezza di tubazione equivalente", attraverso la quale si tiene conto delle perdite di carico localizzate derivanti da :

• raccordi, curve, pezzi a T e raccordi a croce - attraverso i quali la direzione di flusso subisce una variazione di direzione (ricordiamoci sempre che la velocità è un vettore, e che non conta solo la variazione del suo modulo, ma anche quella della sua direzione).
• valvole di intercettazione e di non-ritorno

come specificato nel prospetto C.1 della UNI 10779

Perciò : L = Lgeom + Lequiv

La prima osservazione da fare è che l’NPSH è una funzione della portata Q.

Quello disponibile cala all’aumentare di Q, in quanto aumenta il termine J1 (cioè aumentano le perdite di carico all’aumentare della portata). Quello richiesto aumenta all’aumentare di Q, poiché all’aumentare di Q, aumenta l’energia richiesta dalla pompa per lavorare in assenza di cavitazione. Infatti tra la flangia di aspirazione e l’ingresso della girante (occhio della girante) si genera una perdita di carico. Questa perdita di carico è come sempre la somma del termine distribuito (f(v,D,L,C)) e di quello concentrato (f(v)).

Entrambi questi termini sono guidati dal valore della velocità, che essendo la geometria fissa (Area e quindi D = costante), è funzione solo della portata e aumenta e diminuisce con essa (v = Q/A).

Da qui, per una pompa data, NPSHr f(Q), se l’energia a disposizione nella sezione corrispondente alla flangia di aspirazione è sufficientemente grande da consentire al fluido aspirato di vincere le perdite alle quali è sottoposto per raggiungere l’occhio della girante e per mantenersi al di sopra della propria pressione (tensione) di vapore, allora il fluido aspirato raggiungerà e attraverserà la girante mantenendosi sempre allo stato liquido.

La girante provvederà, come auspicato, a fornire al fluido energia solo sotto forma di aumento di pressione. Viceversa per valori di energia (NPSHd) non sufficienti si avrà l’evaporazione di parte del liquido e l’innescarsi del fenomeno della cavitazione.

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All'interno l'articolo continua con:

• Verifica dell’NPSH imposta dalla UNI EN 12845

• Esempi numerici