Airlift: ingegnoso sistema di pompa ad aria

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.

In acquacoltura le pompe ad aria sono largamente utilizzate al duplice scopo di pompare acqua e di aerarla al tempo stesso. Il funzionamento di questo tipo di pompa è dovuto alla differenza tra il peso di volume del liquido all’esterno della condotta e il peso di volume della miscela di aria e liquido all’interno della condotta.

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.

Chiari sintomi di scarso rendimento di una pompa ad aria sono rappresentati dalla presenza di turbolenze e di gorgoglio sonoro allo scarico che evidenziano la fuoriuscita di bolle di grosso diametro; in tal caso è possibile migliorare il rendimento riducendo il flusso d’aria fino a quando il flusso non risulti omogeneo.

Comunque anche se nella pratica il rendimento della pompe ad aria eccede raramente il 60%, in molti casi le pompe ad aria sono preferibili alle pompe meccaniche, rispetto alle quali, offrono i seguenti vantaggi:

• minor costo d’impianto iniziale e di funzionamento;
• minori esigenze di manutenzione (le pompe non dispongono di organi in movimento);
• facile installazione;
• facile trasferibilità;
• non sono soggette a intasamento;
• occupano poco spazio;
• sono di semplice progettazione e realizzazione;
• presentano elevata efficienza per basse prevalenze ed elevati rapporti d’immersione;
• facile regolazione della portata;
• versatilità elevata di applicazione.

Ecco l’applicazione pratica nel Koi Pond sviluppata negli anni degli amici belgi del KOIVRIENDEN Club che con un consumo di energia di appena 11watt movimentano un un flusso di 12m³/h.

Con sistemi come questo si può davvero ridurre la bolletta elettrica!

PROGETTAZIONE 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).

_Qm = 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.

REALIZZAZIONE

Di cosa hai bisogno per costruire un sistema airlift ?  La cosa più importante che ti serve è lo spazio per installare un tubo con una camera di pressione sul fondo.

Anche se teoricamente si possono creare pompe ad aria di dimensioni inferiori, la lunghezza del tubo è essenziale per ottenere un sistema airlift efficace. I test hanno determinato una distanza minima di 1,65 metri dalla camera di pressione alla parte superiore del tubo; con questa lunghezza le bolle hanno abbastanza tempo e spazio per crescere e creare un buon flusso.

Per il resto basta guardare questi video.

Fonti bibliografiche: Recirculating Aquaculture – M.B. Timmons, J.M. Ebeling – USDA 2012  ;  Tecnologie e strutture per impianti di acquacoltura – Paolo Ferrari, Alessandra Roncarati, Andrea Dees  – 2003