UNIVERSITA’ DI CAMERINO CORSO P. A. S. C320 DIDATTICA DEL LABORATORIO DI MECCANICA E APPLICAZIONI “Le Pompe: Dalla meccanica alla medicina, cenni sul Cuore Artificiale” Presentazione di: Giampaolo Milei Relatore Prof. Nazareno Agostini Anno Accademico 2013-2014 Recanati

Caratteristiche del flusso Macchine Idrauliche operatrici Fluidodinamica Parte della meccanica che studia il comportamento dei liquidi e dei gas, in movimento. Caratteristiche del flusso ● incomprimibile ● viscoso ● stazionario ● turbolento ● Laminare quando le variazioni di densità del fluido non hanno effetti apprezzabili resistenza dei fluidi allo scorrimento, quindi la coesione interna del fluido la velocità del fluido varia da punto a punto ma rimane costante nel tempo in ciascun punto Il moto delle particelle del fluido avviene in maniera disordinata Segue traiettorie lineari, il moto avviene con scorrimento di strati gli uni sugli altri senza alcun tipo di rimescolamento Macchine Idrauliche operatrici Utilizzano energia derivata da una energia primaria (es. elettrica) per compiere un lavoro Componenti fondamentali: camera di aspirazione; camera di mandata; giunto di accoppiamento

Caratteristiche delle Pompe Le pompe sono caratterizzate da: Portata ovvero la quantità di fluido spostata nell'unità di tempo Prevalenza ovvero il dislivello massimo di sollevamento. Se la pompa deve aspirare da un pelo libero più basso della pompa stessa, dovrà creare una depressione. Poiché, in condizioni normali, la pressione atmosferica è pari a 10,332 mca, questa è la profondità massima di aspirazione.

Pompe Fluidodinamiche Le pompe sono impiegate per sollevare quantitativi di fluido da un livello inferiore ad uno superiore, facendogli vincere un certo dislivello conferendogli una spinta. Le condizioni operative in cui possono essere utilizzate le pompe sono le più svariate, in relazione al tipo di fluido, alle pressioni e temperature di esercizio, alle caratteristiche idrauliche dell'impianto. Di conseguenza, diversi sono i tipi di pompe che vengono costruiti. In base al principio di funzionamento possiamo suddividerle Volumetriche Cinetiche Nelle pompe cinetiche, grazie all'azione di forze centrifughe, il liquido incrementa dapprima la sua energia cinetica che viene immediatamente trasformata in energia di pressione, da un opportuno sistema di riduzione della velocità. Assorbono fluido, lo comprimono e poi lo espellono. Il volume di portata è indipendente dalla differenza di pressione, sfruttano quindi la variazione di volume per provocare un’aspirazione o una spinta sul fluido. In relazione al moto: Alternative Rotanti A capsulismi

Pompe Fluidodinamiche Magnetofluidodinamiche Alcune pompe hanno la necessità dell'adescamento, ovvero di essere inizialmente riempite di liquido per poter funzionare. Cuore Artificiale effetto della forza centrifuga sul fluido Centrifughe https://www.youtube.com/watch?v=HT9ObHBvyYc Lineari come gli eiettori Magnetofluidodinamiche basate sulla forza di Lorentz Ad Ariete idraulico in grado di sfruttare il colpo d’ariete

Pompa Centrifuga https://www.youtube.com/watch?v=BaEHVpKc-1Q trasferiscono energia meccanica al liquido a mezzo di una girante fornita di opportune pale; il liquido aumenta la sua energia parzialmente grazie alla forza centrifuga e parzialmente grazie all’aumento di energia cinetica che comunque deve essere trasformata in energia di pressione successivamente. Il ruolo di una pompa è infatti il conferimento di energia al liquido pompato (energia trasformata poi in portata e prevalenza). Il sistema centrifugo presenta innumerevoli vantaggi rispetto alle altre tipologie di pompaggio: assicura volumi di ingombro ridotti, un servizio relativamente silenzioso ed un facile azionamento con tutte le tipologie di motori elettrici disponibili sul mercato. scarico corpo a spirale palette Occhio di aspirazione girante

Pompa Multistadio Servono per ottenere, a parità di portata, una alta prevalenza, fino a diverse centinaia di metri, contro gli 80-100 m. massimi di una pompa monostadio. Nei pozzi profondi, il tubo di mandata è anche il supporto della pompa.

Pompa Lineare

Pompa Magnetofluidodinamica La potenza del motore viene trasmessa alla girante della pompa senza contatto, mediante un giunto magnetico. è un dispositivo in grado di sfruttare la forza di Lorentz. La forza di Lorentz è una forza che agisce su una particella in transito attraverso un campo magnetico ortogonale al senso del moto. La direzione della forza è perpendicolare sia alla velocità che alle linee del campo magnetico. In una pompa di questo tipo, un liquido elettricamente conduttore è libero di scorrere in un tubo immerso in un campo magnetico ortogonale all'asse della conduttura. Per mezzo di due elettrodi viene fatta scorrere una corrente elettrica attraverso il liquido, ortogonalmente sia all'asse del moto che al campo magnetico in modo da massimizzare la forza di Lorentz in direzione parallela all'asse del tubo http://www.debem.it/dm-pompe-magnetiche.htm

Pompa Magnetofluidodinamica Trasferimento dalla cima di vagoni ferroviari o autocisterne a serbatoi di stoccaggio. Pompaggio da pozzi o fosse di drenaggio a serbatoi di trattamento

Pompa ad Ariete Questa pompa sfrutta il fenomeno, solitamente temuto, del colpo d'ariete. Se per qualche motivo un flusso incomprimibile viene arrestato, l'energia meccanica viene convertita in un'onda di pressione che si dissipa progressivamente alle pareti delle condotte in calore. Quando inizialmente viene fatto scorrere il liquido alla pompa, la valvola principale è aperta ed il liquido incrementa la sua velocità, finché giunta ad un limite critico, la valvola interviene chiudendo il flusso. Inizialmente il serbatoio pneumatico è vuoto, per cui inizia a riempirsi senza difficoltà attraverso la valvola di non ritorno. Quando la pressione del serbatoio eguaglia la pressione del tubo la valvola di non ritorno si chiude e tale pressione rimane accumulata. Nel frattempo, essendosi annullata la velocità del fluido nel tubo, la valvola principale si riapre ed il ciclo ricomincia. 1 - tubo di alimentazione 2 - scarico 3 - uscita in pressione 4 - paratia mobile 5 - valvola di non-ritorno 6 - serbatoio pneumatico https://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8

Colpo d’ariete Fenomeno idraulico che si presenta in una condotta quando un liquido in movimento al suo interno viene bruscamente fermato dalla repentina chiusura o apertura di una valvola. Le oscillazioni di pressione subiscono un graduale smorzamento dovuto alle perdite di energia provocate dalla continua trasformazione dell'energia cinetica in energia elastica e viceversa. Dopo un certo periodo di tempo, il ciclo si arresta e viene raggiunto l'equilibrio.

Pompe Volumetriche Pompe Volumetriche Le pompe centrifughe e le assiali producono un flusso continuo , perché il rotore deve avere velocità costante, mentre quelle a spostamento variando la velocità del rotore possono ottenere flusso pulsante .Il flusso fisiologico è pulsatile quindi le protesi artificiali dovrebbero riprodurre questo flusso altrimenti si possono riscontrare numerosi problemi. Gli effetti del flusso non pulsante si ripercuotono in svariate parti dell’organismo. Sfruttano la variazione di volume per provocare un'aspirazione o una spinta sul fluido. Pompe Volumetriche la variazione di volume è ottenuta con lo scorrimento di un pistone su un cilindro Stantuffo A Diaframma o membrana https://www.youtube.com/watch?v=S_Y1M5o4xxc la variazione di volume è causata dall'ingranamento dei denti di due ingranaggi A Ingranaggi A camera variabile A lobi o palette basate sullo scorrimento di una strozzatura su un tubo Peristaltiche

Pompe a Stantuffo La variazione di volume è ottenuta con lo scorrimento alternato di un pistone in un cilindro con il meccanismo di biella-manovella, e opportune valvole forzano il fluido a scorrere in una sola direzione e ne impediscono il reflusso durante la corsa di ritorno del pistone. Le pompe a stantuffo sono utilizzate per portate piccole e medie e per alte e altissime prevalenze. Il prodotto della corsa per l’area del cilindro è la cilindrata V della pompa.

Pompe a Diaframma Una variazione sullo stesso principio della pompa a stantuffo è la pompa a diaframma, in cui la variazione di volume è data dall'oscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera. Il vantaggio di questa soluzione è l'assoluta impermeabilità ottenuta con l'eliminazione dello scorrimento tra parti. Il movimento può essere impresso alla membrana per via meccanica, per esempio attraverso un sistema a leva e manovella, oppure pneumaticamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio. Alternativamente, il movimento può essere impresso alla membrana utilizzando dell'olio idraulico. Sono utilizzate per portate piccole e medie, e prevalenze medie e alte. https://www.youtube.com/watch?v=osz5sRua3gI

Pompe a Ingranaggi https://www.youtube.com/watch?v=rPcsSWqhecI In queste pompe si sfrutta la variazione di volume causata dall'ingranamento dei denti di due ruote dentate. Sono ampiamente usate per pompare l'olio lubrificante nei motori degli autoveicoli.

Pompe a Lobi, Palette e vite Le pompe a lobi sono costituite da una camera sagomata, al cui interno ruotano su assi paralleli ed in modo sincrono due rotori a lobi. Nella rotazione i lobi muovono il fluido dalla bocca di aspirazione a quella di mandata, creando così un flusso continuo. https://www.youtube.com/watch?v=BnvzPoNSXCg&list=PL74CEB87AE394403B https://www.youtube.com/watch?v=eDTske_nSeI

Pompe Peristaltiche La pompa è costituita da un rotore a cui sono applicati 2 o più rulli che, ruotando, "strozzano" il tubo e provocano l'avanzamento del fluido. Componente fondamentale della pompa è il tubo che deve resistere allo schiacciamento il più a lungo possibile, deformandosi, cioè in maniera elastica e non plastica. La pompa peristaltica è per sua natura una pompa "pulsante", in quanto la portata non è costante sul singolo giro. Per ridurre il fenomeno della pulsazione si adotta, solitamente, un numero maggiore di rulli, con conseguente riduzione della portata. https://www.youtube.com/watch?v=c6sLONMbfUQ

Parametro Specifico delle pompe NPSH Un parametro specifico è l‘ NPSH cioè la differenza tra la pressione in un punto generico del circuito idraulico e la tensione di vapore del liquido nello stesso punto. dipende dalle modalità di installazione della pompa, è un parametro importante nel dimensionamento dei circuiti idraulici: se la pressione del liquido in un dato punto scende al di sotto della tensione di vapore, si avrà ebollizione del liquido, con conseguenti perturbazioni nel circuito.

Per evitare la cavitazione nelle pompe occorre controllare l’N.P.S.H. Tensione di vapore La tensione di vapore di un liquido è la pressione parziale del suo vapore quando si raggiunge l‘equilibrio fra la fase liquida e quella aeriforme (Pascal). In parole povere è la pressione alla quale, ad una data temperatura, un liquido inizia a bollire. Quando il volume sovrastante il liquido è saturo, esso non può più contenere altre molecole in fase aeriforme, sicché per quella particolare temperatura la pressione presenta il suo valore massimo. Cavitazione Dove si hanno basse pressioni, inferiori alla pressione atmosferica, specie se le temperature del fluido sono alte, avviene la formazione di bolle di vapore che vengono trascinate a valle ed entrando nelle zone a pressione più alta, esplodono. Il fluido va a riempire gli spazi lasciati liberi dalle bolle, provocando anche perforazioni, violenti urti con brusche variazioni di pressione dell'ordine delle migliaia di N/mmq e danneggiando le superfici solide. Per evitare la cavitazione nelle pompe occorre controllare l’N.P.S.H.

Curve caratteristiche Le prestazioni di una pompa dipendono da molti fattori Curve caratteristiche Sono diagrammi che riportano la prevalenza il rendimento la potenza assorbita in funzione della portata volumetrica, ad una determinata velocità di rotazione. I valori di miglior funzionamento si ottengono in corrispondenza del massimo rendimento per i quali è stata progettata la macchina.

Curve caratteristiche

Curve caratteristiche

Curve caratteristiche Diagramma a mosaico Gamma di pompe

Curve caratteristiche Diagramma collinare Curve di ugual rendimento

Cuore Artificiale = una pompa fornire la portata ematica opportuna, adattandola inoltre alle esigenze fisiologiche dell’organismo in ogni momento non dovrebbe causare complicanze nell’individuo che lo ospita, né avere controindicazioni: emolisi e trombogenicità Cuore Artificiale facile da impiantare, dovrebbe possedere una elevata resistenza a fatica, dovrebbe essere portatile, e non dovrebbe essere costoso.

Cuore Artificiale = una pompa non esiste un sistema ideale potenzialmente valido per tutti i possibili tipi di pazienti, perché ogni situazione avrebbe in teoria bisogno di una soluzione ad essa calibrata. Cuore Artificiale allo stato attuale dell’ ”arte” i maggiori ostacoli sono rappresentati dalla bassa durata delle batterie [difficilmente superiore a due anni], e dalla scarsa affidabilità tecnica [rottura dei componenti meccanici].

Grazie per l’attenzione