Studio del processo di produzione di neve artificiale: Parte I

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA
“La Sapienza”
XXX°
° CONVEGNO DI
IDRAULICA
E COSTRUZIONI IDRAULICHE
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA
“Roma Tre”
Roma, 10-15 Settembre2006
Studio del processo di produzione di neve artificiale:
Parte I – Inquadramento fenomenologico
I. Soraperra, M. de Franceschi, D. Zardi, P. Baggio
Dip. Ingegneria Civile e Ambientale – Università degli Studi di Trento, [email protected]
Motivazioni
L’esempio di un comprensorio sciistico
Negli ultimi decenni hanno trovato largo impiego in vari comprensori sciistici diversi dispositivi per la
produzione di neve artificiale o “programmata”. Alla irregolarità delle precipitazioni nevose, infatti, si
contrappone la necessità di disporre di una quantità di neve adeguata, sia per soddisfare una clientela
sempre più esigente e numerosa, sia per sopperire la richiesta di impianti adeguati alla pratica di nuove
discipline (come ad esempio il boarder cross). In questo contesto lo sviluppo dell’innevamento
programmato mira a produrre neve con caratteristiche il più possibile vicine a quelle della neve
naturale, ricorrendo però ad un utilizzo sempre più consistente di risorse idriche.
BELVEDERE
Consumi di acqua in Alto Adige
2500
5000000
Vol di acqua
4500000
Linee Alta Pressione
Superficie innevata
2000
4000000
Volume di acqua [m^3]
2500
2000
1500
1000
500
3500000
1500
3000000
2500000
1000
2000000
1500000
Superficie innevata [ha]
3000
500000
2004-2005
2004-2005
2003-2004
2002-2003
2001-2002
2000-2001
1999-2000
1998-1999
0
1997-1998
0
1996-1997
2003-2004
2002-2003
2001-2002
2000-2001
1999-2000
1998-1999
1997-1998
0
Schema di un impianto di innevamento
Compressori
Linea Bassa Pressione
+
Adduzione Sala Macchine
COL RODELLA
P
2000/’01
2001/’02
2002/’03
2003/’04
2004/’05
Bassa Pressione [m3]
245423.5
185702.6
259919.1
19548.7
145627.8
170322.2
M
Sala macchine
Alta Pressione [m3]
292840.9
110416.5
335420.0
242083.0
170050.0
337710.0
P
Sala pompe
Totale [m3]
538264.3
296119.1
595339.1
437570.0
315677.8
508032.2
P
Linea Bassa Pressione
M
Linee Alta Pressione
1999/’00
P
Linee adduzione
Linee innevamento
Volumi di acqua utilizzati nelle varie stagioni [m3] nel comprensorio sciistico Belvedere Col Rodella,
divisi per alta e bassa pressione. La superficie totale innevata è di circa 97 ettari.
Stazione di pompaggio
M
Un esempio rappresentativo per comprendere la complessità del sistema e
i consumi di risorsa idrica in gioco, è fornito dall’impianto di innevamento
del comprensorio Belvedere-Col Rodella presso Canazei in Val di Fassa
(Trento), gestito dalla SITC (Società Incremento Turistico Canazei), che
dispone di 110 ha di piste di cui 97 serviti da innevamento. La produzione
di neve è garantita da 312 cannoni ad alta pressione e 39 a bassa
pressione. L’apporto di acqua ed aria per il loro funzionamento è affidato a
varie sale pompe e sale macchine, che ospitano i vari componenti.
500
1000000
1996-1997
Consumi di acqua per ettaro [mc/ha]
Consumi di acqua per ettaro
Condotte aria
Torri di raffreddamento
e sala macchine
Lance
Bacino di raccolta acqua
Cavi elettrici
Tubature acqua
Tra i fattori importanti per la
produzione di neve artificiale vi è la
temperatura dell’acqua in ingresso
agli innevatori, temperatura che nella
prativa è compresa nel range 2-4
°C.
Cannone a bassa pressione
La produzione di neve è essenzialmente adduzione di acqua e aria compressa, ma avviene attraverso
processi che richiedono particolare attenzione:
• adduzione: il corpo idrico da cui si preleva deve garantire non solo requisiti quantitativi di acqua, ma
anche qualitativi, ossia un buon livello di purezza. Per una gestione ottimale converrebbe accumulare
acqua in bacini artificiali o serbatoi in modo da poter disporre di una riserva per il periodo di massima
produzione, evitando di prelevare eccessive quantità di acqua da falde o ruscelli;
• raffreddamento dell’acqua: all’interno della sala pompe l’acqua passa attraverso le torri di
raffreddamento che la portano ad una temperatura di circa 2 °C;
• pompaggio dell’acqua in linea: l’acqua raffreddata viene pompata lungo la linea di innevamento ad
alta e bassa pressione;
• compressione dell’aria: l’aria viene prelevata dall’esterno e compressa tramite grossi compressori
collocati in una sala macchine, generalmente attigua alla sala pompe, oppure mediante compressori
collocati sugli innevatori stessi;
• raffreddamento dell’aria: l’aria compressa si surriscalda e dev’essere raffreddata grazie ad uno
scambiatore di calore. La condensa che inevitabilmente si forma viene raccolta in un separatore;
• immissione in linea: l’aria viene erogata con apposite tubazioni ai pozzetti che ospitano gli innevatori.
All’interno delle sale macchine si trovano
complessivamente cinque compressori con
potenze variabili tra i 200 e 450 kW, che
garantiscono una portata d’aria minima di 2000
Nm3 h-1. Le pompe principali utilizzate in questo
comprensorio sono in tutto tredici, con potenze
comprese tra i 110 e 250 kW e portate che
vanno da un minimo di 25 l s-1 ad un massimo
di 40 l s-1. Accanto a queste bisogna
aggiungere altre sei piccole pompe (5.9-21 kW)
che permettono di pompare acqua alle tredici
torri di raffreddamento che gestiscono ciascuna
54 m3 h-1 di acqua. Naturalmente per far
funzionare l’impianto è necessario portare
l’acqua dai punti di presa (pozzi e vasche di
raccolta) alla sala pompe, quindi, oltre a quelle
già menzionate ci sono altre cinque pompe
(11.8-25 kW) che permettono di riempire le
vasche di rilancio per l’immissione in linea
dell’acqua.
Questi valori vengono ottenuti
mediante l’impiego di imponenti torri
di raffreddamento che realizzano
l’obiettivo desiderato nello stesso
modo con cui si raffredda l’acqua
dei circuiti di raffreddamento di un
generico impianto industriale.
L’acqua, spruzzata verso il basso,
incontra una corrente di aria
ascensionale, prodotta da apposite
ventole, favorendo in questo modo il
raffreddamento per scambio termico.
Bassa Pressione
Alta Pressione
Gli innevatori
Sono costituiti da un’asta di lunghezza variabile (tipicamente tra 3 e 10 m), sulla quale viene posta una testa
cilindrica in cui si miscelano aria ed acqua. Le pressioni che si realizzano nella camera di miscelazione sono
relativamente elevate e la miscela aria acqua, che viene espulsa da un ugello miscelatore, può raggiungere
traiettorie di volo che variano dai 10 ai 40 m, in relazione alla lunghezza dell’asta. I vantaggi di questo tipo di
innevatori sono la facilità d’uso e l’affidabilità, grazie soprattutto alla mancanza di componenti esterni all’asta
(quali compressori, ventole, ecc.), che invece si trovano sui cannoni a bassa pressione. Per le caratteristiche
di robustezza sono molto indicati per zone ventose e aree di scomodo accesso durante le ore notturne. Il
principale svantaggio è legato soprattutto al consumo di energia elettrica per la produzione di aria
compressa: infatti questi innevatori non sono dotati di compressore autonomo e necessitano di grossi
compressori (di potenze dell’ordine di 200-400 kW) che forniscano aria ai vari pozzetti su cui sono collocati,
tramite opportune tubazioni, poste parallelamente a quelle dell’acqua.
Sono formati da un corpo cilindrico di grandezza variabile (tipicamente di lunghezza 1 - 1.5 m)
dotato di una ventola ad un’estremità e di organi di deflusso (ugelli e nucleatori) all’estremità
opposta, disposti internamente al cilindro o su corone esterne coassiali con il cilindro. Questo
corpo serve principalmente come propulsore delle particelle di neve: è in grado di garantire, con
traiettorie di circa 50 m, il tempo di volo necessario al completo congelamento e nel contempo
contribuisce anche alla frammentazione ed espansione del getto. La lunghezza dell’asse della
turbina deve essere tale da evitare un ritorno di gocce di acqua o particelle di ghiaccio nel corpo,
ma deve anche avere, per ovvi problemi logistici, dimensioni contenute. Il motore della turbina
determina un notevole consumo di potenza e molta attenzione va posta al calore prodotto: il
riscaldamento dell’aria circostante potrebbe influire negativamente sulla qualità della neve.
Schema concettuale di funzionamento
Seconda fase: ventilazione
NUCLEATORE
d
UA
Q
C
A
A
ARI
Aria
1
2
3
ρ a1 , Ta1 , pa1 , mɺ a , xa1
UA
Q
C
A
UGELLO
T = 0 °C
Acqua
ρl1 , Tl1 , pl1 , mɺ l1
Miscelazione
Espansione
Bibliografia
Prima fase: impatto
La goccia in uscita dall’ugello subisce, nel tragitto compreso tra il foro di uscita e il punto di impatto con la
particella di ghiaccio proveniente dal nucleatore, un primo raffreddamento finalizzato a portarla in uno stato
sottoraffreddato, condizione necessaria affinché al momento della collisione col nucleo solido si formi ghiaccio.
Avvenuto l’impatto ha inizio la prima fase del congelamento della goccia proveniente dall’ugello. In questo step
la massa di ghiaccio che si forma è tale per cui la temperatura della goccia si riporta pressoché istantaneamente
ad una temperatura di 0 °C, annullando così il sottoraffreddamento raggiunto durante il tempo di volo
antecedente la collisione.
Nella seconda fase la massa di ghiaccio aumenta formando una crosta sulla superficie della goccia, che si
ispessisce verso l’interno. Durante il cambiamento di fase la temperatura della goccia, in fase semi-liquida, si
mantiene costantemente a 0 °C, quindi calore latente di fusione rilasciato si disperde nell’ambiente per
convezione e sublimazione.
•
A. H. Lefebvre, “Atomization and Sprays”, Hemisphere, New York, (1989).
•
H. R. Pruppacher, J. D. Klett, “Microphysics of clouds and precipitation”, Dordrecht,
Kluwer Academic, (1997).
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M. Borsatto, 2001, “Analisi delle caratteristiche di funzionamento di dispositivi per la
produzione di neve artificiale”, Tesi di laurea, Facoltà di Ingegneria, Università degli studi
di Trento.
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P. Baggio, M. Borsatto, M. de Franceschi, and D. Zardi: 2002, “Indagine teorica e
sperimentale sul funzionamento di dispositivi per la produzione di neve artificiale”, Atti del
XXVIII Congresso Nazionale di Idraulica e Csotruzioni Idrauliche, Potenza, Vol. III., pp.
435-442.
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P. V. Hobbs, “Ice Physics”, Clarendon, Oxford, (1974).
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A. Pasetto, S. Serafin, D. Zardi, “Un contributo alla gestione sostenibile delle risorse
idriche dalla climatologia e dalla meteorologia: il progetto Intererg “FORALPS””, Atti del
XXX° Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Roma 10-15 Settembre 2006.
•
I. Soraperra, M. de Franceschi, D. Zardi, P. Baggio, “Studio del processo di produzione di
neve artifciale: Parte II – Analisi teorica e sviluppo di un modello”, Atti del XXX°
Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Roma 10-15 Settembre 2006.