Pompe rotative a secco versione SC.60/80/100/140 Rotary oilfree

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Pompe rotative a
secco versione
SC.60/80/100/140
Rotary oilfree Pumps
SC.60/80/100/140
Version
(ovvero il nuovo approccio DVP alla progettazione delle
pompe per vuoto)
(the new DVP approach to vacuum pumps design)
DVP ha sviluppato un nuovo approccio alla progettazione
di pompe per vuoto e compressori al fine di diminuire il
time to market ed ottenere prodotti sempre più affidabili.
Tale approccio prevede una stretta collaborazione con
l’Università' di Bologna, Facoltà' di Ingegneria, e l'impiego
di vari software di studio e simulazione (Computational
Fluid Dynamics ovvero CFD). La simulazione al
calcolatore permette di individuare la giusta strada verso la
soluzione di problemi conclamati o l'individuazione di
miglioramenti tecnici o di performance.
In particolare qui di seguito viene illustrata l’applicazione di
questo nuovo approccio ad un caso concreto.
Al fine di ridurre la rumorosità e limitare il riscaldamento
della pompa SB.140 è stata svolta una complessa indagine
termofluidodinamica con l’aiuto del calcolatore.
Questa indagine ha coinvolto sia il flusso di aria che
lambisce esteriormente il corpo pompa generato dalla
ventola di raffreddamento, sia il flusso di aria in uscita dalle
luci di scarico.
I presupposti a questa indagine sono stati:
1. il modo più semplice per asportare calore dalla
pompa è quello di aumentare la portata d’aria che
la lambisce
2. la portata d’aria effettiva elaborata dalla ventola
era più bassa rispetto ad altri modelli di pompe
presenti sul mercato, quindi esistevano delle
limitazioni all’efficienza della stessa.
3. Sagomando opportunamente i condotti di scarico si
riesce a migliorare la dinamica generale del
fenomeno del riflusso d’aria (inevitabile nel caso
delle pompe da vuoto che lavorano con gradiente
di pressione avverso)
Partendo dagli stessi vincoli geometrici e costruttivi del
carter ventola presente sulla pompa esaminata (SB.140) si è
realizzata una voluta “sdoppiata” intorno alla ventola al fine
di guidare il flusso di aria verso due sole sezioni di scarico,
invece che lasciare alla ventola il compito di smaltire tutta
la portata attraverso i fori ricavati sul carter, si è scelta una
ventola con un’altezza inferiore (da 130mm si è passati a
100mm) e si è aumentata la distanza tra ventola e pompa in
modo da ridurre le perdite all’aspirazione della ventola
stessa incrementandone il rendimento. Tale soluzione ha
permesso alla ventola di spostarsi su punti di funzionamento
DVP has initiated a new approach to the design of vacuum
pumps and compressors to reduce the "time to market” and
obtain more and more reliable products. This is the result of
a close collaboration with the University of Bologna,
Faculty of Engineering, utilising special evaluation and
simulation software (Computational Fluid Dynamics or
CFD). Computer simulation allows us to identify common
problems and arrive at the correct solutions to them, and
also to implement the right technical improvements. Below
is a description of the application of this new approach and
a specific case. In order to reduce the noise level and limit
over-heating of the SB.140 pump, a complex survey has
been conducted on the thermal-fluid-dynamic factors of the
pump, with the aid of a computer. This survey involved
both the cooling air coming into contact with the pump
body on the outside, and generated by the cooling fan, and
the airflow emanating from the exhaust outlets.
The principles of the survey are:
1. Finding the simplest way of extracting heat from
the pump and increasing the supply of cooling air
coming into contact with it.
2. The actual flow rate coming from the fan was
lower than that of other models available on the
market; therefore there were some intrinsic
limitations to the efficiency of the former.
3. By appropriately shaping the exhaust ducts, the
general dynamics of the backpressure phenomenon
(which cannot be avoided in vacuum pumps
operating at lower pressure than atmosphere) were
improved.
By looking at the limits in terms of the shape and
construction of the fan casing of the pump examined
(SB.140), a double spiral has been developed around the
fan. The purpose was to channel the airflow towards two
exhaust sections only, instead of letting the fan exhaust the
entire airflow through the holes drilled on the casing. A fan
with a lower diameter (from 130 mm to 100 mm) has been
chosen and the distance between fan and pump has been
increased, in order to reduce the pressure loss of the fan and
increase efficiency. This solution has resulted in the fan
being able to operate with a greater capacity and head.
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a maggiore portata e prevalenza.
Fig. 1 Precedente configurazione (lato motore) / Old Configuration
(motor side)
Fig. 2 Nuova configurazione SC (lato motore) / New configuration
(motor side)
Fig. 3 Precedente configurazione (lato pompa) / Old Configuration
(pump side)
Fig. 4 Nuova configurazione SC (lato pompa) / New configuration
(pump side)
Allo scopo di validare e valutare i vantaggi introdotti con
queste modifiche sono state effettuate due prove utilizzando
il carter della ventola della prima versione e quello
progettato con le considerazioni appena fatte. Si tenga
presente che oltre a variare la geometria del carter della
ventola (e ridurre l’altezza della stessa) sono state eliminate
le guarnizioni di tenuta allo scarico, questo ha migliorato il
flusso di calore tra corpo pompa (in ghisa) e scarichi (in
alluminio). Le considerazioni effettuate e le prove al
calcolatore svolte hanno trovato ampio riscontro pratico
(riduzione della temperatura della pompa di oltre 40°C).
Lo studio della geometria delle luci di scarico e quindi del
percorso del flusso di aria in uscita dalla pompa si è rivelato
ancora più complesso del previsto per l'impossibilita' di
riscontrare dal vero i fenomeni in quanto racchiusi in una
zona segregata. Tuttavia ancora una volta lo studio al
calcolatore ha permesso di individuare una forma dei
condotti compatibile con i vincoli costruttivi e di
In order to validate and evaluate the advantages offered by
the modifications, we conducted two tests using the fan
casing of the former version and that designed on the basis
of the above premise. Apart from changing the shape of the
fan casing (and reducing the weight of the fan), the gaskets
on the exhaust ducts were removed to improve the heat
exchange between the pump body made of cast iron and the
outlets made of aluminium. The studies and computer
simulation results have been corroborated by field tests (the
pump's temperature had been reduced by over 40°C).
Studying the shape of the outlets and the area covered by
the flow of air cooling the pump proved to be more
troublesome than expected, owing to the fact that it was
impossible to actually examine the reactions since they take
place in an enclosed area. Once again, computer-aided
simulations have allowed us to design a shape of the ducts,
which is compatible with the construction and operation
funzionamento della pompa stessa. Di seguito sono
riportate due viste del campo di moto dell’aria elaborata
dalla pompa rispettivamente nella versione iniziale (a
sinistra) e in quella modificata (a destra) (sono state omesse
le soluzioni intermedie per motivi di brevità). Si può
agevolmente osservare come il campo di moto all’interno
della pompa nella soluzione finale sia molto più regolare. In
aggiunta si nota una maggiore velocità dell’aria: questo
porta un aumento dei coefficienti di scambio termico e
riduce il fenomeno del “ristagno” d’aria a valle dello
scarico.
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limits of the pump. Here below are two views illustrating
the flow field of air generated by the pump in its initial
version (on the left) and in its modified version (on the
right) (intermediate solutions have been omitted for sake of
brevity). One can easily see that the flow of air inside the
pump in its modified version is much smoother. In addition,
a higher speed of the airflow is noted: this increases the heat
exchange coefficient and reduces the air stagnation
phenomenon downstream to the outlet.
Fig.6; 7 Campo di moto dell’aria all’interno della pompa in prossimità della luce di scarico: elevata turbolenza nella soluzione di partenza (a sinistra) /
Airflow field inside the pump near the exhaust outlets: high turbulence in the initial solution (on the left)
Fig. 8/9 Campo di moto, sezione trasversale: si noti la maggiore velocità dell’aria allo scarico nella soluzione finale (a destra) / Flow field, cross-section:
note the higher speed of the airflow near the exhaust outlets (on the right).
Avendo ottimizzato il contributo della ventola (geometria
della voluta, ingombri, dimensioni) un ulteriore passo
nell’aumentare la potenza termica sottratta alla pompa è
quello di migliorare le modalità di scambio termico, fissata
la portata d’aria elaborata dalla ventola. Come è noto, la
potenza termica scambiata tra due “corpi” (nel nostro caso:
la pompa e l’aria) è funzione delle temperature in gioco, del
moto relativo e del tipo di moto nonché delle superfici di
interfaccia tra i corpi. In particolare, avendo impossibilità di
controllare la temperatura ambiente, avendo massimizzato il
Once the efficiency of the fan was improved (shape of the
spirals and dimensions) and its airflow rate established, to
increase the heat removed from the pump, the next step was
to improve the heat exchange conditions. As is known, the
thermal power exchanged between two bodies (in our case
the pump and air) is a result of the temperatures involved,
the relative flow and the surfaces connecting the two
bodies. In particular, since it is impossible to control
ambient temperature, after increasing the airflow around the
pump by means of the previously described modifications,
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flusso dell’aria attorno alla pompa col precedente studio,
resta solo da aumentare opportunamente le superfici di
scambio: la soluzione migliore la si trova nella nota teoria
delle superfici alettate.
Nasce quindi l’esigenza di valutare se e in che misura la
presenza di un’opportuna alettatura possa portare benefici in
termini di calore asportato tenendo sempre presente i
maggiori costi che occorre sostenere per realizzare tale
soluzione.
Sempre con l’ausilio del calcolatore sono state simulate
diverse prove di scambio termico aria-pompa che
differivano per la presenza di una serie di alette sul corpo
pompa (le soluzioni differivano per forma, posizione e
numero di alette).
Analizzando le varie soluzioni si è scelta quella che
presentava i maggiori vantaggi termodinamici rispetto ai
costi di realizzazione: sei alette sulla parte superiore del
corpo con un abbassamento della temperatura globale della
pompa di circa 20 gradi.
È stato quindi realizzato un prototipo con questa nuova
geometria e dalle prove sperimentali si è riscontrata una
eccezionale corrispondenza con i risultati ottenuti al
calcolatore.
it is sufficient to increase the heat exchange surfaces: the
best and most familiar solutions can be found in fin surfaces
theory.
We now had to assess whether the presence of fins could
offer advantages in terms of heat reduction, bearing in mind
the greater costs implied by this solution. Still using a
computer, we simulated air/pump heat exchanges with and
without the presence of fins on the pump body and with
parameters differing in terms of shape, position and number
of fins. After analysing the various solutions, we chose the
one offering more thermodynamic advantages with respect
to the costs of development: six fins on the top section of
the body resulting in a temperature reduction of
approximately 20 degrees.
We therefore designed a prototype with this new shape and
during the test runs we noticed an exceptional
correspondence with the results obtained during computer
simulation.
Testo preparato dal reparto Ricerca e Sviluppo della DVP Vacuum
Techology sede di Bologna e curato dall’Ing. Andrea Lazari e Marco
Zucchini. Settembre 2005
Report drafted by the R&D Dept of DVP Vacuum Technology based
in Bologna and edited by Andrea Lazari, Engineer, and Marco
Zucchini. September 2005

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