In tutti i casi in cui è necessario fornire energia
alla corrente idrica affinchè essa sia in grado di vincere il salto d’energia,
anche detto salto motore, si ricorre alla realizzazione di un impianto di
sollevamento.
L’impianto di sollevamento è costituito da tutta la serie di
opere idrauliche, civili ed elettro-meccaniche che servono a fornire energia
alla corrente e che si trovano tra il serbatoio di aspirazione e quello di
mandata. In particolare la condizione di utilizzo degli impianti di
sollevamento si distingue in due casi: in un primo caso il livello energetico
del serbatoio di monte è inferiore a quello di valle e, quindi, la
realizzazione dell’impianto di sollevamento si rende necessaria altrimenti la
corrente tenderebbe naturalmente a fluire nella direzione opposta a quella
desiderata ovvero da valle verso monte; in un secondo caso, invece, il livello
del serbatoio di monte è sì maggiore di quello del serbatoio di valle ma la
piezometrica tra i due serbatoi corrispondente alla portata di progetto è
associata a perdite di carico maggiori del dislivello geodetico disponibile.
In quest’ultimo caso, allora, si ricorre alla costruzione di un impianto di rilancio. A prescindere se si consideri un impianto di sollevamento o un impianto di rilancio, si suole denominare tratto di aspirazione la parte della condotta a monte della pompa mentre la condotta di mandata o condotta premente è quella condotta che ha inizio appena a valle dell’impianto. L’energia che la pompa è chiamata a fornire alla corrente idraulica è detta prevalenza manometrica ed è pari alla differenza tra la quota piezometrica del punto corrispondente alla flangia superiore della pompa e quella localizzata nel punto associato alla flangia di entrata della stessa.
In linea generica, inoltre, è consuetudine alloggiare appena a valle dell’impianto di sollevamento due dispositivi ovvero il clapet ed una saracinesca. Il clapet è una valvola di non ritorno, vale a dire una valvola unidirezionale che serve ad impedire una possibile inversione del moto dell’acqua con inondamento della pompa stessa qualora, a causa di un eventuale guasto, si arrestasse l’alimentazione di energia elettrica alla pompa. La funzione della saracinesca, invece, sarà chiarita nel seguito. La potenza che la pompa fornisce alla corrente dipende dal fattore di rendimento. Infatti la pompa, come tutte le macchine, trasforma l’energia che alimenta il suo funzionamento in energia tale, in questo caso, da permettere al fluido di vincere il salto motore. Sotto questa ottica, quindi, è chiaro che l’energia che deve essere fornita alla macchina deve essere maggiore di quella che necessariamente la pompa dovrà restituire al fluido in ingresso.
Detto η il fattore di rendimento, Q la portata di calcolo ed Hm la prevalenza manometrica della pompa, la potenza può essere calcolata come
risultando, quindi, espressa in kW.
Per quanto riguarda l’entità della portata da sollevare e della prevalenza manometrica è possibile incorrere in due casi: in un primo caso la portata può risultare rilevante (nell’ordine delle decine di m3/s) mentre la prevalenza è ridotta. In particolare questa casistica è tipicamente riscontrabile nelle reti di drenaggio con impianti di trattamento; in un secondo caso, invece, le portate da sollevare sono di minore entità (ad esempio 0,3-0,4 m3/s) ma, nel contempo, le prevalenze manometriche risultano elevate. E’ questo il caso, ad esempio, delle reti di distribuzione.
In linea generale, comunque, la scelta della pompa da utilizzare dipende da una serie di fattori di natura idraulica, come la portata da sollevare, la prevalenza richiesta, il tipo di liquido da pompare e la linea di aspirazione, ma soprattutto di natura economica. Esistono varie tipologie di pompe; le principali sono:
In quest’ultimo caso, allora, si ricorre alla costruzione di un impianto di rilancio. A prescindere se si consideri un impianto di sollevamento o un impianto di rilancio, si suole denominare tratto di aspirazione la parte della condotta a monte della pompa mentre la condotta di mandata o condotta premente è quella condotta che ha inizio appena a valle dell’impianto. L’energia che la pompa è chiamata a fornire alla corrente idraulica è detta prevalenza manometrica ed è pari alla differenza tra la quota piezometrica del punto corrispondente alla flangia superiore della pompa e quella localizzata nel punto associato alla flangia di entrata della stessa.
In linea generica, inoltre, è consuetudine alloggiare appena a valle dell’impianto di sollevamento due dispositivi ovvero il clapet ed una saracinesca. Il clapet è una valvola di non ritorno, vale a dire una valvola unidirezionale che serve ad impedire una possibile inversione del moto dell’acqua con inondamento della pompa stessa qualora, a causa di un eventuale guasto, si arrestasse l’alimentazione di energia elettrica alla pompa. La funzione della saracinesca, invece, sarà chiarita nel seguito. La potenza che la pompa fornisce alla corrente dipende dal fattore di rendimento. Infatti la pompa, come tutte le macchine, trasforma l’energia che alimenta il suo funzionamento in energia tale, in questo caso, da permettere al fluido di vincere il salto motore. Sotto questa ottica, quindi, è chiaro che l’energia che deve essere fornita alla macchina deve essere maggiore di quella che necessariamente la pompa dovrà restituire al fluido in ingresso.
Detto η il fattore di rendimento, Q la portata di calcolo ed Hm la prevalenza manometrica della pompa, la potenza può essere calcolata come
P = (9,81 * Q * Hm)
/ η
risultando, quindi, espressa in kW.
Per quanto riguarda l’entità della portata da sollevare e della prevalenza manometrica è possibile incorrere in due casi: in un primo caso la portata può risultare rilevante (nell’ordine delle decine di m3/s) mentre la prevalenza è ridotta. In particolare questa casistica è tipicamente riscontrabile nelle reti di drenaggio con impianti di trattamento; in un secondo caso, invece, le portate da sollevare sono di minore entità (ad esempio 0,3-0,4 m3/s) ma, nel contempo, le prevalenze manometriche risultano elevate. E’ questo il caso, ad esempio, delle reti di distribuzione.
In linea generale, comunque, la scelta della pompa da utilizzare dipende da una serie di fattori di natura idraulica, come la portata da sollevare, la prevalenza richiesta, il tipo di liquido da pompare e la linea di aspirazione, ma soprattutto di natura economica. Esistono varie tipologie di pompe; le principali sono:
- Le pompe rotative, nelle quali l’incremento di pressione fornito alla
corrente idrica e’ dato dall’accelerazione conferita al fluido per mezzo del
movimento di una girante. A questa categoria, in particolare, appartengono le
pompe centrifughe al cui interno l’ingresso del fluido avviene solitamente
parallelamente all’asse di rotazione di una girante, la quale presenta una
cavita’ che indirizza poi il fluido stesso verso le cavita’ comprese tra le
pale. Si tenga inoltre presente che le pompe dotate di una sola girante sono
chiamate pompe monostadio mentre quelle caratterizzate dalla presenza di piu’
giranti pompe multistadio, spesso impiegate per l’emungimento da pozzi. Nel
complesso, invece, le pompe centrifughe sono solitamente adatte al sollevamento
delle portate nere, cioe’ portate di scarsa entita’ in presenza pero’ di
elevate prevalenze.
- Le pompe alternative a stantuffo, in cui invece l’incremento di
pressione e’ dato dalla costrizione del fluido mediante l’azione di un pistone.
Il progetto preliminare
di un impianto di sollevamento consiste nella determinazione del diametro delle
condotte di aspirazione e di mandata e della potenza nominale della pompa da
installare. Utilizzando le sole equazioni dell’idraulica il problema di
progetto risulta indeterminato e per questo motivo e’ necessario utilizzare
anche criteri di carattere economico grazie ai quale puo’ essere determinata
quella soluzione al problema che, nel contempo, risulti anche la piu’
vantaggiosa da un punto di vista economico.
In particolare, i costi che vanno portati in conto sono i costi d’impianto, ovvero i costi delle tubazioni e della loro messa in opera, delle macchine idrauliche, delle vasche di carico delle pompe e degli atti di esproprio delle aree su cui deve essere realizzato l’impianto di sollevamento, ed i costi di gestione, vale a dire i costi relativi l’energia elettrica, la sorveglianza e le attivita’ di manutenzione ordinaria programmata.
Queste due diverse tipologie di costo sono diverse e vanno dunque omogeneizzate capitalizzando i costi di gestione, ovvero calcolando la somma di denaro da accantonare in fase iniziale e che nel tempo consentirà di sopportare proprio i costi di gestione durante la vita tecnica dell’opera, oppure rateizzando i costi d’impianto, determinando cioè l’ammontare annuo da pagare per estinguere il debito contratto per affrontare i costi iniziali. Si tenga, comunque, presente che mentre i costi d’impianto sono direttamente proporzionali con il diametro della condotta, i costi d’esercizio invece si riducono all'aumentare dello stesso (basti pensare che il costo dell’energia dipende dalla potenza nominale della pompa che aumenta all'aumentare della prevalenza e, quindi, al ridursi del diametro della condotta).
Quindi, nel pianto cartesiano costo-diametro, la soluzione piu’ conveniente da un punto di vista economico e’ individuata dal punto di minimo della funzione somma dei costi d’impianto e costi d’esercizio ed a cui e’ quindi associato il diametro ottimale da assegnare alla condotta di mandata e di aspirazione. A questo punto, l’attenzione si sposta sulla scelta della pompa da utilizzare. Infatti, nota la portata Q da sollevare e la prevalenza manometrica Hm, si conosce la potenza che la pompa deve sviluppare ed e’ quindi necessario scegliere una pompa che, per le sue caratteristiche, sia in grado di soddisfare i requisiti prestazionali richiesti. In questa fase si utilizzano la curva caratteristica della pompa e la curva caratteristica dell’impianto. La prima è la rappresentazione grafica della relazione portata-prevalenza che caratterizza la particolare pompa considerata.
Poichè, a parità di potenza sviluppata, all'aumentare di Q la prevalenza Hm deve diminuire, tale curva assume un andamento decrescente nel piano (Q;Hm) con concavità rivolta verso il basso. La curva dell’impianto, invece, esprime graficamente la relazione tra la portata defluente e le perdite di carico Δh lungo la condotta su cui è installato l’impianto di sollevamento.
Risulta
intendendo con hg il dislivello geodetico.
Dunque, all'aumentare della portata, la prevalenza aumenta con legge esponenziale per cui la curva dell’impianto e’ crescente con la concavità rivolta verso l’alto. L’intersezione tra le due curve fornisce il punto di funzionamento dell’impianto di sollevamento ed all'atto pratico e’ necessario controllare la prevalenza manometrica di funzionamento non sia inferiore a quella richiesta ed analogamente che la corrispondente portata sia almeno pari a quella da sollevare.
Poiché è molto raro che il punto di funzionamento corrisponda esattamente alla portata di progetto, la pompa utilizzata nell'impianto in progetto solleverà verosimilmente una portata leggermente superiore a quella richiesta. Inoltre all'inaugurazione del manufatto vale la condizioni di tubi nuove, per cui la curva dell’impianto tende ad abbassarsi richiedendo, a parità di portata una prevalenza manometrica inferiore a quella sviluppata dalla pompa. Per questo motivo e’ necessario dissipare il surplus di energia mediante la saracinesca precedentemente richiamata. Spesso, per realizzare condizioni di funzionamento prossime a quelle relative alla portata di progetto, bisogna ricorrere all'installazione di pompe in serie o in parallelo.
Nel primo caso, la curva caratteristica della macchina idraulica è data dalla somma delle prevalenze delle singole pompe a parità di portata da sollevata (nel piano cartesiano si sommano le ordinate ascissa per ascissa): nel secondo caso invece la curva caratteristica consiste nella curva somma delle portate sollevate da ciascuna pompa parità di prevalenza manometrica (si sommano le ascisse ordinata per ordinata). Il progetto completo di un impianto di sollevamento comprende, poi, anche la definizione di geometria e volume della vasca di carico.
Per quanto riguarda la determinazione della geometria della vasca bisogna fare attenzione a che non si formino zone “morte”cioè zone non interessate dall'azione di richiamo delle pompe con conseguente sedimentazione. Il volume utile minimo della vasca deve essere quello necessario ad assicurare un numero di avviamenti orari tale da non provocare il surriscaldamento del motore e ridurre al minimo il tempo di stazionamento del liquame nella vasca. In fase di progettazione bisogna inoltre considerare anche una serie di eventuali problematiche, tra cui la cavitazione ed il colpo d’ariete. La cavitazione è quel fenomeno in cui la corrente, a causa della ridotta pressione, libera bolle di vapore e di aria inizialmente disciolta nell'acqua.
Queste ultime, trascinate dalla corrente stessa, pervengono in zone dove la pressione torna ad aumentare ed implodono rumorosamente. Inoltre, quando la pompa va in cavitazione, il suo rendimento meccanico si riduce drasticamente. Per questo motivo, insieme a curva caratteristica, la ditta fornisce anche la curva dello NPSH (net positive suction head) richiesto, ovvero il luogo dei minimi valori di altezza piezometrica assoluta che, alle varie portate, possono gravare sulla pompa senza che quest’ultima vada in cavitazione. Quindi bisogna verificare che l’altezza piezometrica assoluta gravante sulla presa della pompa (NPSH disponibile) sia maggiore del valore assunto dallo NPSH richiesto per le condizioni di funzionamento previste.
Per fare ciò, occorre portare in conto tutte le perdite di carico, continue e localizzate, a cui è soggetta la corrente tra la vasca di carico e la presa e, se tale verifica non risulta soddisfatta, bisogna cambiare la posizione della pompa aumentando il carico gravante su di essa. Il colpo d’ariete e’ invece un rapido transitorio elastico che può comportare l’insorgere nella condotta di depressioni e sovrappressioni così intense da danneggiare irreparabilmente la tubazione e la pompa. In fase di arresto, e’ necessario che la pompa non cessi di funzionare tanto bruscamente da dare inizio ad un intenso fenomeno di colpo d’ariete all'interno della condotta di mandata. Allora, per impedire che le intense variazioni di pressione danneggino l’impianto, si possono installare vari tipi di organi tra cui la cassa d’aria, la quale ha la funzione di impedire che il transitorio elastico abbia luogo nella condotta di mandata, chiamando in gioco la comprimibilità dell’aria in pressione contenuta al suo interno in luogo di quella dell’acqua.
La cassa d’aria deve contenere acqua sufficiente ad evitare che l’aria finisca nella condotta. Il volume di aria deve essere inoltre sufficientemente grande da impedire che, durante la fase di compressione, la pressione cresca eccessivamente. A queste due esigenze, pero’, si contrappone quella di contenere l’ingombro della cassa d’aria all’interno della camera di manovra.
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In particolare, i costi che vanno portati in conto sono i costi d’impianto, ovvero i costi delle tubazioni e della loro messa in opera, delle macchine idrauliche, delle vasche di carico delle pompe e degli atti di esproprio delle aree su cui deve essere realizzato l’impianto di sollevamento, ed i costi di gestione, vale a dire i costi relativi l’energia elettrica, la sorveglianza e le attivita’ di manutenzione ordinaria programmata.
Queste due diverse tipologie di costo sono diverse e vanno dunque omogeneizzate capitalizzando i costi di gestione, ovvero calcolando la somma di denaro da accantonare in fase iniziale e che nel tempo consentirà di sopportare proprio i costi di gestione durante la vita tecnica dell’opera, oppure rateizzando i costi d’impianto, determinando cioè l’ammontare annuo da pagare per estinguere il debito contratto per affrontare i costi iniziali. Si tenga, comunque, presente che mentre i costi d’impianto sono direttamente proporzionali con il diametro della condotta, i costi d’esercizio invece si riducono all'aumentare dello stesso (basti pensare che il costo dell’energia dipende dalla potenza nominale della pompa che aumenta all'aumentare della prevalenza e, quindi, al ridursi del diametro della condotta).
Quindi, nel pianto cartesiano costo-diametro, la soluzione piu’ conveniente da un punto di vista economico e’ individuata dal punto di minimo della funzione somma dei costi d’impianto e costi d’esercizio ed a cui e’ quindi associato il diametro ottimale da assegnare alla condotta di mandata e di aspirazione. A questo punto, l’attenzione si sposta sulla scelta della pompa da utilizzare. Infatti, nota la portata Q da sollevare e la prevalenza manometrica Hm, si conosce la potenza che la pompa deve sviluppare ed e’ quindi necessario scegliere una pompa che, per le sue caratteristiche, sia in grado di soddisfare i requisiti prestazionali richiesti. In questa fase si utilizzano la curva caratteristica della pompa e la curva caratteristica dell’impianto. La prima è la rappresentazione grafica della relazione portata-prevalenza che caratterizza la particolare pompa considerata.
Poichè, a parità di potenza sviluppata, all'aumentare di Q la prevalenza Hm deve diminuire, tale curva assume un andamento decrescente nel piano (Q;Hm) con concavità rivolta verso il basso. La curva dell’impianto, invece, esprime graficamente la relazione tra la portata defluente e le perdite di carico Δh lungo la condotta su cui è installato l’impianto di sollevamento.
Risulta
Δh =
hg + Σ(J*L) = hg + r*Qα*L,
intendendo con hg il dislivello geodetico.
Dunque, all'aumentare della portata, la prevalenza aumenta con legge esponenziale per cui la curva dell’impianto e’ crescente con la concavità rivolta verso l’alto. L’intersezione tra le due curve fornisce il punto di funzionamento dell’impianto di sollevamento ed all'atto pratico e’ necessario controllare la prevalenza manometrica di funzionamento non sia inferiore a quella richiesta ed analogamente che la corrispondente portata sia almeno pari a quella da sollevare.
Poiché è molto raro che il punto di funzionamento corrisponda esattamente alla portata di progetto, la pompa utilizzata nell'impianto in progetto solleverà verosimilmente una portata leggermente superiore a quella richiesta. Inoltre all'inaugurazione del manufatto vale la condizioni di tubi nuove, per cui la curva dell’impianto tende ad abbassarsi richiedendo, a parità di portata una prevalenza manometrica inferiore a quella sviluppata dalla pompa. Per questo motivo e’ necessario dissipare il surplus di energia mediante la saracinesca precedentemente richiamata. Spesso, per realizzare condizioni di funzionamento prossime a quelle relative alla portata di progetto, bisogna ricorrere all'installazione di pompe in serie o in parallelo.
Nel primo caso, la curva caratteristica della macchina idraulica è data dalla somma delle prevalenze delle singole pompe a parità di portata da sollevata (nel piano cartesiano si sommano le ordinate ascissa per ascissa): nel secondo caso invece la curva caratteristica consiste nella curva somma delle portate sollevate da ciascuna pompa parità di prevalenza manometrica (si sommano le ascisse ordinata per ordinata). Il progetto completo di un impianto di sollevamento comprende, poi, anche la definizione di geometria e volume della vasca di carico.
Per quanto riguarda la determinazione della geometria della vasca bisogna fare attenzione a che non si formino zone “morte”cioè zone non interessate dall'azione di richiamo delle pompe con conseguente sedimentazione. Il volume utile minimo della vasca deve essere quello necessario ad assicurare un numero di avviamenti orari tale da non provocare il surriscaldamento del motore e ridurre al minimo il tempo di stazionamento del liquame nella vasca. In fase di progettazione bisogna inoltre considerare anche una serie di eventuali problematiche, tra cui la cavitazione ed il colpo d’ariete. La cavitazione è quel fenomeno in cui la corrente, a causa della ridotta pressione, libera bolle di vapore e di aria inizialmente disciolta nell'acqua.
Queste ultime, trascinate dalla corrente stessa, pervengono in zone dove la pressione torna ad aumentare ed implodono rumorosamente. Inoltre, quando la pompa va in cavitazione, il suo rendimento meccanico si riduce drasticamente. Per questo motivo, insieme a curva caratteristica, la ditta fornisce anche la curva dello NPSH (net positive suction head) richiesto, ovvero il luogo dei minimi valori di altezza piezometrica assoluta che, alle varie portate, possono gravare sulla pompa senza che quest’ultima vada in cavitazione. Quindi bisogna verificare che l’altezza piezometrica assoluta gravante sulla presa della pompa (NPSH disponibile) sia maggiore del valore assunto dallo NPSH richiesto per le condizioni di funzionamento previste.
Per fare ciò, occorre portare in conto tutte le perdite di carico, continue e localizzate, a cui è soggetta la corrente tra la vasca di carico e la presa e, se tale verifica non risulta soddisfatta, bisogna cambiare la posizione della pompa aumentando il carico gravante su di essa. Il colpo d’ariete e’ invece un rapido transitorio elastico che può comportare l’insorgere nella condotta di depressioni e sovrappressioni così intense da danneggiare irreparabilmente la tubazione e la pompa. In fase di arresto, e’ necessario che la pompa non cessi di funzionare tanto bruscamente da dare inizio ad un intenso fenomeno di colpo d’ariete all'interno della condotta di mandata. Allora, per impedire che le intense variazioni di pressione danneggino l’impianto, si possono installare vari tipi di organi tra cui la cassa d’aria, la quale ha la funzione di impedire che il transitorio elastico abbia luogo nella condotta di mandata, chiamando in gioco la comprimibilità dell’aria in pressione contenuta al suo interno in luogo di quella dell’acqua.
La cassa d’aria deve contenere acqua sufficiente ad evitare che l’aria finisca nella condotta. Il volume di aria deve essere inoltre sufficientemente grande da impedire che, durante la fase di compressione, la pressione cresca eccessivamente. A queste due esigenze, pero’, si contrappone quella di contenere l’ingombro della cassa d’aria all’interno della camera di manovra.
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