Pompe di risalita: calcolo della portata – Return pumps: calculating the flow

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In questo articolo potrete leggere come dimensionare la corretta pompa di risalita, con consigli utili su come scegliere la propria pompa in base al proprio skimmer ed usando un comodo foglio di calcolo che mette in comparazione diretta molte pompe presenti in commercio, ma altamente personalizzabile con le pompe di vostra scelta. Anche questo articolo è stato pubblicato sull’aggiornamento di Acquaportal di questo mese.

Per leggere l’articolo completo in ogni sua forma cliccate sull’immagine seguente:

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La scelta della corretta pompa di risalita non è mai semplice.

Innanzitutto il primo problema è capire quale sia la corretta quantità di acqua da riportare in vasca, e successivamente è riuscire a trovare una pompa che abbia realmente quella portata.

Io propongo la mia idea sulla soluzione del primo problema, a corredo di questo articolo che potrete leggere in calce all’articolo.

Pompa di risalita in azione

Eccoci quindi al secondo problema.

Data la portata stimata di cui abbiamo bisogno, ad esempio 1.000 litri per ora, dobbiamo scegliere la pompa corretta. La prima scelta che sembra logica è quella di acquistare una pompa da 1.000 litri/ora o poco superiore. Questo è sbagliato perché la portata delle pompe è data a prevalenza zero, in pratica quel dato ci indica quanta portata avrebbe la pompa se fosse usata  come pompe di movimento, senza nessun bisogno di portare l’acqua dalla quota della pompa ad una quota superiore. La differenza del dislivello da vincere è appunto chiamata prevalenza. Ogni pompa è corredata di un grafico che ci dice come varia la portata al variare della prevalenza. Semplificando il discorso, e facendo riferimento al grafico allegato, se una pompa è accreditata di una portata da 2.400 litri/ora e prevalenza di 370 cm (dati della Eheim 1260), vorrà dire che usata come pompa di movimento riuscirà a muovere 2.400 litri all’ora, mentre se collegata ad un tubo che deve portare l’acqua ad una quota superiore di 370 cm, non riuscirà a portare nemmeno un litro d’acqua. La portata di una pompa però varia non solo con la prevalenza, ma anche in base ad altri fattori: le curve ad esempio agiscono come se aumentassero la prevalenza, i tubi corrugati, e così via.

Il grafico soprastante riporta i dati relativi alla Eheim 1260. Portata di 2400 litri ora a 0 cm di prevalenza e portata nulla alla prevalenza di 370 cm. La variazione fra le due quote è considerata lineare.

Questi valori sono difficilmente individuabili in quanto si dovrebbe utilizzare una equazione non lineare, con una procedura difficilmente automatizzabile e probabilmente non così importante al fine del risultato finale.

Io agirei in questo modo (considerando anche quanto riportato in calce per il dimensionamento della pompa di risalita):

1. Si prende la massima quantità di acqua che il nostro schiumatoio può trattare;
2. Si aumenta questo numero del 10%;
3. Si misura la differenza di quota fra l’uscita dell’acqua in vasca e la posizione della pompa, la cosidetta prevalenza da vincere;
4. Si aumenta tale prevalenza del 15% per tenere conto di tutte le perdite di carico possibile, l’usura dei tubi, le curve e quant’altro;

Si arriva ad avere una coppia di valori di 1.000+10%=1.100 litri ora e 140cm+15%=161 cm di prevalenza da vincere.

Prevalenza da misurare in vasca

Ora dobbiamo scegliere la nostra pompa nelle offerte presenti sul mercato.

Nel file excel che ho costruito sono riportati i dati tecnici di diverse pompe in commercio per dare una idea delle caratteristiche di ciascuna di esse, il loro costo, e in modo che vi sia un semplice foglio di calcolo che vi possa fornire molte informazioni utili per la vostra scelta.

Devo fare alcuni distinguo sulle semplificazioni usate nel foglio di calcolo.

1) Data la difficoltà di reperire la corretta curva di carico di ogni pompa, ed in ogni caso la difficoltà di rendere matematicamente l’andamento di una curva non lineare, si è assunto come valido il rapporto linerare fra portata e prevalenza, come se la curva fosse in effetti una linea.

2) Il metodo di calcolo tiene conto della sola prevalenza, aumentata come detto del 15% come suggerito sopra, per calcolare la portata reale, in quanto una precisione maggiore con la complicazione che tenesse conto delle curve, dei materiali impiegati etc non ci avrebbe fornito in ogni caso un dato molto più significativo.

Prendiamo infatti in considerazione il caso reale per vedere quali siano le grandezze in gioco.

Per calcolare la giusta portata dobbiamo calcolare le perdite di carico, e dovremo considerare il moto permamente delle correnti in pressione, la cui equazione è la seguente:

Il moto permamente di un fluido all’interno di condotte cilindriche è almeno mediamente uniforme. La perdita di carico totale per unità di lunghezza della condotta (H1-H2)/L=j è pari alla corrispondente perdita di carico piezometrico (h1-h2)/L=i, detta pendenza motrice. Essa è ovviamente collegata alle grandezze caratteristiche del moto, della condotta e del fluido dall’equazione sopra riportata.

Dove

• U=Q/Omega=velocità media=portata/area della sezione;
• D=diametro del tubo;
• g=accelerazione di gravità=9,81 m/sec^2;
• lambda=coefficiente adimensionale di attrito (o di resistenza) funzione in generale della scabrezza relativa del tubo e del numero di Reynolds che dipende a sua volta dalla densità del liquido, dalla viscosità dinamica e dalla viscosità cinematica.

Il problema poi non finisce qua, in quanto dobbiamo calcolare tutte le perdite di carico (restringimenti di sezione, cambiamenti di condotta, curve, etc) e quindi da tutto questo appare chiaro che la trattazione matematica esatta non è propriamente una cosa semplice ed alla portata di tutti, inoltre l’equazione non ammette soluzione matematica diretta se non considerando diverse tabelle, quindi noi ci accontentiamo di studiare la cosa in maniera molto più semplice.

Per facilitare il compito a tutti, anche a coloro i quali non concordano con la mia logica di avere un ricambio vasca-sump maggiore di quanto tratti il proprio schiumatoio, si può usare il seguente foglio di calcolo.

Come detto all’interno ci sono i dati delle pompe più usate in commercio per questo compito, perlomeno nel mercato italiano, e dove è possibile specificare come dati la propria prevalenza ed eventualmente aggiungere i dati della propria pompa se non è contemplata.

Nella prima riga deve essere riportato l’unico dato fondamentale che è la differenza di quota fra l’uscita in vasca dell’acqua e la nostra pompa, chiamato Altezza da vincere. Eventualmente si può correggere la percentuale di correzione che io ho posto uguale al 15% come specificato nel testo, in questo modo poi il programma calcolerà l’altezza corretta. Inoltre ho anche inserito un dato relativo all’ammortamento per poter così calcolare il costo totale durante il nostro arco di utilizzo, quindi dovete porre l’ammortamento uguale al tempo in anni che pensate di tenere la vostra pompa. Il costo watt è stato fissato a 0,22 euro/kwh eventualmente modificabile.

Di ogni pompa sono riportati i seguenti dati:

Il nome, la portata in litri ora, la prevalenza in cm, il consumo dichiarato in watt ed il costo approssimato che ho trovato con una rapida ricerca senza pretesa di perfezione.

Il programma a questo punto calcolerà la PORTATA EFFETTIVA, nelle more di quanto discusso sopra, di ogni pompa riportata nel foglio di calcolo in condizioni standard. Nel caso in cui si avesse la pompa esterna, oppure nel caso in cui vi sia una alimentazione multipla come quella per un eventuale refrigeratore suggerisco di porre la percentuale di correzione ad almeno il 30%.

Inoltre ci sono altri dati sensibili quali l’efficienza della pompa, e cioè quanti litri vengono movimentati per ogni watt (è superfluo pensare che l’efficienza debba essere massima), allo stesso modo quanti euro della pompa ci vogliano per un litro, una sorta di efficienza economica ma tarata solo sul costo della pompa. Poi il costo di mantenimento annuo, il costo totale durante gli anni definiti nella variabile ammortamento anni e i metri cubi movimentati nello stesso periodo. A questo punto l’indice di efficienza totale, che tiene conto della portata reale, del costo di acquisto e del costo di mantenimento, e ci dice quanti metri cubi riusciamo a movimentare per ogni euro che andremo a spendere.

Il file poi presenterà il grafico delle portate per tutte le pompe considerate:

Infine, grazie alla mia esperienza maturata con due UPS per il mantenimento delle pompe di risalita che potete leggere qua: L’uso di un UPS in acquario e qua: Zeus by Ocean Life ho inserito due ulteriori righe di calcolo che ci riportano la durata di ogni pompa come back-up con entrambi gli UPS, e cioè con l’APC UPS da 800VA e con lo Zeus corredato da 2 batterie da 12v e 40AH.

Il calcolo è stato fatto semplicemente parametrando la durata reale delle mie pompe con il consumo dichiarato dalle varie pompe, quindi è sicuramente una considerazione di larga massima, ma che può contribuire a fornire una idea della durata delle varie pompe con 2 UPS presenti in commercio, per ulteriori considerazioni rimando ai due link presentati sopra.

ATTENZIONE: tutti i dati sono stati considerati così come proposti dalle case costruttrici ed estratti dal relativo sito quindi il file deve ritenersi largamente teorico, sarebbe interessante poter disporre di tutte le pompe presentate, ed eventualmente anche altre, per poterne misurare portata e prevalenza, in modo da aggiornare i dati presentati in questo articolo con dati reali e misurati.

Per scaricare il file dovete cliccare sull’immagine sottoriportata:

Consigli di dimensionamento della pompa di risalita:

Il dato che ci serve per il corretto dimensionamento è sostanzialmente uno solo, e cioè la portata massima di acqua trattabile dello schiumatoio, dando per scontato che lo schiumatoio sia ben dimensionato per la nostra vasca. In genere gli schiumatoi possono essere regolati fra un minimo ed un massimo, noi dovremmo più che altro dimensionare il tutto per la massima capacità dello schiumatoio. Inoltre sarebbe buona norma non affidarsi ai soli dati teorici perché la realtà, soprattutto per un oggetto idraulicamente complesso come lo schiumatoio, è in genere ben diverso. Se una data marca dichiara di volere una pompa di alimentazione dello schiumatoio da 1.000 litri/ora dovremmo misurare l’effettiva portata perché all’interno dello skimmer vi saranno delle perdite di carico che abbasseranno la portata nominale della pompa. Individuata la corretta quantità di acqua trattata dobbiamo ora decidere quanto ricambio vasca-sump vogliamo avere.

Ci sono diverse scuole di pensiero su questo tema, chi preferisce meno, chi preferisce più, io mi schiero dalla parte di chi preferisce un ricambio d’acqua maggiore di quanto trattato dallo schiumatoio. Il motivo è abbastanza semplice in verità, dal mio personale punto di vista. Per ottenere una certa regolarità di funzionamento sarebbe meglio che vasca e sump abbiano la stessa concentrazione di inquinanti, ed è indubbio che se tutta l’acqua che cadesse in sump venisse trattata dallo schiumatoio avremmo la coincidenza delle due portate.

Perché trattare di più? Perché se consideriamo le perdite di carico ed il fatto che la mescolanza dell’acqua non ci garantisce che tutta l’acqua che scende venga poi trattata, è meglio abbondare leggermente, diciamo di almeno un 10%.

Perché qualcuno dice di trattare di meno? C’è chi asserisce che sia molto meglio trattare meno, perché in questo modo si tratta più volte l’acqua in sump ottenendo un risultato migliore. Questo, sempre dal mio modesto punto di vista, lo ritengo fisicamente assurdo ed economicamente sbagliato. E’ assurdo perché se la sump viene “trattata” ad una velocità maggiore si avrebbe un impoverimento degli inquinanti in sump, non bilanciati da quanto proviene dalla vasca, e lo schiumatoio lavorerebbe peggio e con più fatica. Infatti fisicamente è molto più difficile estrarre qualcosa da un liquido quando la relativa concentrazione cala. Inoltre con l’andare del tempo si avrebbe una situazione di stallo perché avremmo acqua sempre più pulita in sump (fino ad un certo limite ovviamente) e se anche la poca acqua che scende in sump venisse trattata perfettamente, avremmo un sistema sump assimilabile ad un grosso schiumatoio, limitato dalla portata della pompa di risalita. Il concetto non è dei più semplici, e spero di essere stato sufficientemente chiaro. Semplificando il mio pensiero, se ci troviamo nella situazione di avere uno schiumatoio più potente della nostra pompa di risalita vuol dire che lo stiamo sotto utilizzando, e tanto valeva averne uno inferiore.

Inoltre una pompa di risalita di maggior portata è utile come contributo al movimento, specialmente in caso di coralli lps o molli, e garantisce un minor effetto volano della sump nei confronti della vasca in tutte quelle situazioni che si possano manifestare, come ad esempio nel caso di uso di un refrigeratore.

L’articolo è stato pubblicato sul magazine Acquaportal e potete leggerlo anche a questo indirizzo:

Choosing the right return pump it’s never an easy task.

The first problem is to understand the correct amount of water to be carried back in tank, and then finding a pump that could really brought that.

I propose my idea on solving the first problem, and you can read at the bottom of this article.

Return Pump in action

Here we are then to the second problem.

Given the water amount we need, for example, 1,000 liters per hour, we must choose the correct pump. The first choice that seems logical is to buy a pump of 1,000 liters per hour or little higher. This is wrong because this number is considerated at zero head, in practice that shows us how much the pump would carry if it were used as movement pump, with no need of increasing water level from the  level of pump to an higher quote. The difference of quote is just call static head. Each pump is accompanied by a chart that tells us how the output changes with head. Simplifying the speech, and referring to the chart attached, if a pump is credited to a range from 2400 liters per hour and static head of 370 cm (data Eheim 1260), will mean that pump used for movement will move 2400 liters, and when connected to a pipe that will bring water to more than 370 cm, will fail to bring even one liter of water. The output of pump, however, varies not only with head, but also by other factors: for example curves acts as if they increases the head, corrugated pipes, and so forth.

The chart above shows the figure for the Eheim 1260. Flow of 2400 liters hour at 0 head, no flow at 370 cm. The variation between the two units is considered linear.

These values are difficult to calculate as you should use a non-linear equation, and probably not so important to final result.

I will act in this way (including what I wrote below for choosing the right return pump):

1. I consider the maximum amount of water that our skimmer can drive;
2. I increase this number by 10%;
3. I measure the difference between the level of output in water tank and the level of the water in sump, the static head;
4. I increase the head of 15% to take into account all possible pressure drop, the wear of the tubes, curves and anything else;

You get to have a pair of values of 1,000 +10% = 1.100 liters hour and 140cm + 15% = 161 cm head to win.

static head to measure in tank

Now we have to choose our pump, looking what market offers.

In the excel file that I built are given the technical data of various pumps on the market to give an idea of the characteristics of each, their cost, and so that there is a simple spreadsheet that can provide useful informations for your choice.

I have to make some distinctions on simplifications used in the spreadsheet.

1) Given the difficulty of finding the proper load curve of each pump, and in any case the difficulties of making mathematically the trend of a nonlinear curve, it was assumed valid the linear relationship between output and head, as if the curve was actually a line.

2) The calculation takes into account the head alone, increased by 15% as suggested above, to calculate the actual, as a greater accuracy with the complication that take account of the curves, used materials etc there would have provided in any case a much more significant.

Now for speaking purpouse we take into consideration the real case to see what happens really.

To find the right output we calculate the pressure drop, and we will consider the permanent motion under pressure, the equation is as follows:

Permament motion of a fluid inside cylindrical pipeline is at least mildly uniform. The loss of total load per unit length of the pipe (H1-H2) / L = j is equal to the corresponding piezometrical drop (h2-h1) / L = i. It is obviously linked to the size characteristics of motion, and the conduct of fluid above the equator.

Where

* U = Q / Omega = average speed = flow / area of the section;
* D = diameter of the pipe;
* G = gravity acceleration = 9.81 m / sec ^ 2;
* Lambda = dimensionless coefficient of friction (or resistance) function in general on the roughness of the pipe and the Reynolds number, which in turn depends on the density of the liquid, the dynamic viscosity and kinematic viscosity.

The problem then does not end here, because we have to calculate all the pressure drops (periodic section, change of conduct, curves, etc) and then from all this seems clear that the exact mathematical treatment is not a simple matter, the equation also does not allow direct mathematical solution if not considering different tables, then we will study it in more easier way.

To facilitate the task to all you can use the following spreadsheet, even to those who disagree with my logic of having a tank to sump flow bigger than flow of his skimmer.

As we have said into the spreadsheet you can find the pumps data more used commercially for this task, at least in the Italian market, and where you can specify data if your pump is not covered.

In the first line you have to report the only foundamental number, the head. Possibly you can correct the percentage of correction that I place equal to 15% as specified in the text, in this way then the program will calculate the correct height. Moreover, I also included a figure for depreciation so in order to calculate the total cost during the period of use, then you have to ask depreciation equal time in years that you hold your pump. The cost watts was set at 0.22 euro / kwh possibly changed.

Each pump shows the following:

The name, the flow in liters, the static head in cm, consumption stated in watts and the approximate cost that I found with a quick search without pretense of perfection.

The program now calculate the actual flow as discussed above for each pump reported in the spreadsheet under standard conditions. If you had the external pump, or where there is a multiple power such as that for any chiller I suggest putting the percentage of correction to at least 30%.

There are also other sensitive data such as the efficiency of the pump, and that is how many liters are handled per watt (it is unnecessary to think that efficiency should be maximum), the same as those of the euro we want to pump a liter, a sort economic efficiency but weighed only on the cost of the pump. Then the cost of annual maintenance, the total cost during the years under variable defined on depreciation years and cubic meters handled in the same period. Now the total efficiency index, which takes into account the actual flow, cost of purchase and maintenance cost, and tells us how many cubic meters we can handle every euro we are going to spend.

The file then will present the flow chart for all the pumps considered:

The calculation was done simply scaling the real lasting of my system during such simulated events with consumption declared by the various pumps, so it’s certainly a consideration of what can be happen, but that may help provide an idea of the duration of the various pumps with 2 UPS into market, for further consideration referring to the two presented link.

ATTENTION: All the data were considered as proposed by the manufacturers and extracts from the site and the file must be considered largely theoretical, it would be interesting to have all the pumps, and possibly others, in order to measure the flow and static head, so I can update the data presented in this article with real data and measured.

To download the file you have to click on below (english version of the file):

Recommendations size of the return pump:

The data that we need for proper sizing is essentially only one, namely the maximum of treatable water skimmer, the assumption is that the skimmer is enough for our tank. In general, skimmers can be adjusted between a minimum and a maximum flow, we should rather size everything for maximum capacity of the skimmer. Similarly, it would be wise not to rely only to technical data because the reality, especially for a subject as complex hydraulically skimmer, is usually quite different. If a particular brand claims to want a feed pump skimmer of 1,000 liters per hour should measure the actual flow within the skimmer because there’s a pressure drop that would lower the nominal data. We must now decide how much flow tank-sump we want.

There are different schools of thought on this issue, those who prefer less, those who prefer more, I’m on the side of those who prefer a more water than skimmer handle. The reason is quite simple, from my personal point of view. To obtain a regular operation would be better that sump and tank have the same concentration of pollutants, and there is no doubt that if all the water that fell in sump were treated by the skimmer we have the  coincidence of the two flow.

Why deal more? Because if we consider the pressure drop and the fact that the mixture of water don’t ensures that all the water that falls is then treated, is slightly better abound, say at least 10%.

Why someone says to treat less? Some claims that it is much better deal less, because in this way the water in sump will be skimmered more time obtaining a better result. This, again from my humble point of view, I think it is physically and economically absurd. It’s absurd because if the sump is “working” at a greater speed we would be an impoverishment of the pollutants in sump, not balanced by water comes from the tank, and the skimmer would work worse and with more effort. Indeed it is physically much more difficult to extract something from a liquid when its concentration decrease. Also over the course of time there would be a stalemate because we always cleaner water in sump (up to a certain limit of course) and even the little water that falls into sump were treated well, we would have a system sump similar to a large skimmer, limited from the flow of the return pump. The concept is not the most simple, and I hope to have been sufficiently clear. Simplifying my thought, if we are in position to have a skimmer more powerful than our return pump mean that we could use a lesser powerful skimmer.

Moreover, a bigger flow is useful as a contribution to the movement, especially in the case of LPS or soft corals, and provides a minor effect of the sump towards the tank in all those situations that you can have, like using a chiller.

This article is been published on italian monthly magazine Acquaportal and you can read there by clicking on the following image: