Principi d`impiantistica e consigli tecnici per realizzare un impianto

Principi d’impiantistica
e consigli tecnici
per realizzare un impianto
di micro irrigazione
Dott. Davide Canone
Dipartimento di Scienze,Progetto e politiche del territorio
Politecnico e Università di Torino
tel: 011 090 74 27
e-mail: [email protected]
L’IRRIGAZIONE IN FRUTTICOLTURA: risparmio idrico e principi d’impiantistica
7 marzo 2014 – Manta (CN)
Contenuti
• Nozioni di idraulica e definizione dei principali termini
impiegati.
• Descrizione dell’impianto di irrigazione.
• Dimensionamento delle condotte.
• Scelta degli erogatori.
• Dimensionamento delle ali gocciolanti o aspergenti.
• Dimensionamento dell’impianto di sollevamento.
• La filtrazione.
PORTATA E VELOCITÀ MEDIA
Il volume d’acqua che nell’unità di tempo attraversa un data
sezione è definito come la portata attraverso quella sezione. La
portata si esprime in m3/s (l/s, l/min, m3/h, ecc.) e si indica con il
simbolo Q. All’interno di una sezione la velocità è diversa per ogni
punto. Voler considerare queste diverse infinite velocità v , nelle
formule e nei calcoli, porterebbe ad eccessive complicazioni. In
genere si considera una velocità media V, definita come il
rapporto Portata/Sezione, cioè:
Q
V 
A
in cui l’area della sezione A è l’area bagnata.
La velocità media così definita è quella che si introduce nei
calcoli.
PERDITE DI CARICO CONTINUE E LOCALIZZATE
Il moto dei liquidi avviene con perdite d’energia (perdite di
carico) distinte in:
-perdite di carico continue dovute alle resistenze al moto
interne al liquido (attrito interno) e verso le superfici al contorno
(attrito esterno);
-perdite di carico localizzate dovute a fenomeni localizzati
quali un restringimento o un allargamento della condotta, un
cambiamento di direzione, una saracinesca, un contatore, ecc.
MOTO UNIFORME IN LUNGHE CONDOTTE A SEZIONE
CIRCOLARE
Si dicono "lunghe" le condotte aventi lunghezza (L) alcune
migliaia di volte superiore al diametro (D).
Nelle lunghe condotte le perdite di carico continue assumono
valori elevati, motivo per cui sono trascurabili le perdite di carico
localizzate.
Le perdite di carico localizzate sono dovute a bruschi
cambiamenti di sezione, imbocco da serbatoi, sbocco all'aria,
bruschi cambiamenti di direzione, apparecchiature varie, ecc.
PERDITE DI CARICO CONTINUE NELLE CONDOTTE IN
PRESSIONE
PERDITE DI CARICO LOCALIZZATE NELLE CONDOTTE IN
PRESSIONE
Nella pratica idraulica le correnti fluide in pressione si muovono
entro condotte cilindriche.
Fanno eccezione alcune situazioni particolari, riguardanti per lo
più di brevi raccordi fra un tratto di condotta cilindrica e il
successivo.
L'importanza dello studio di queste situazioni sta nel fatto che
esse sono caratterizzate da un’intensa dissipazione di energia e
quindi da un brusco abbassamento della linea dei carichi totali.
La causa di tale dissipazione è il distacco della vena fluida dalla
parete, con formazione di zone dove ha luogo un’intensa
agitazione di masse fluide sottratte al movimento generale di
trasporto.
Esempi tipici sono quelli schematicamente rappresentati nelle
figure seguenti, dove sono state segnate le zone occupate dai
vortici, subito a valle dei punti di distacco della vena.
INFILTRAZIONE
La conducibilità idraulica è una caratteristica dei suoli ed è uno
dei parametri che definisce la velocità con cui l’acqua attraversa il
suolo. La conducibilità idraulica varia da suolo a suolo e di solito è
espressa in mm/h, cm/h o m/d.
L’intensità di precipitazione è l’altezza d’acqua che cade in un
dato tempo, viene impiegata anche per calcolare i volumi
apportati da organi aspergenti e si misura in mm/h.
L'infiltrazione è il processo col quale l'acqua entra nel terreno
attraverso la superficie che lo delimita superiormente, che
s’indicherà come superficie d’infiltrazione.
Il tasso d’infiltrazione è normalmente espresso come velocità,
nella stessa unità di misura della conducibilità idraulica a
saturazione e dell'intensità di precipitazione e prende il nome di
velocità d'infiltrazione.
La capacità d’infiltrazione di un suolo è una proprietà dinamica
che varia fortemente in base:
al contenuto idrico del suolo;
alla temperatura (la viscosità dell'acqua si dimezza se la
temperatura passa da 0 a 25 °C);
alla copertura vegetale.
Mantenendo sulla superficie del terreno uno strato d’acqua di
modesto spessore (alcuni mm), si osserva che la velocità
d’infiltrazione diminuisce col tempo e tende a raggiungere entro
alcune ore valori simili a quelli della conducibilità idraulica a
saturazione.
Il valore finale della velocità d’infiltrazione detto velocità
d'infiltrazione a regime, non dipende dal contenuto idrico
iniziale del terreno, mentre da tale parametro dipendono i valori
precedenti che sono tanto più bassi quanto più il terreno è
inizialmente umido.
Tipo di terreno
Sabbioso
vinf a regime
(mm/h)
>40
Franco-sabbioso
20 - 45
Franco
10 - 30
Franco-argilloso
3 - 15
Argilloso
<5
La conoscenza dei valori della velocità d’infiltrazione serve, ad
esempio, per determinare alcuni parametri irrigui al fine di
evitare perdite d’acqua per ruscellamento superficiale.
PROGETTAZIONE DELL’IMPIANTO DI MICROIRRIGAZIONE
Un impianto di microirrigazione, a differenza di altri impianti a
pressione, distribuisce l’acqua in prossimità della pianta.
La progettazione degli impianti di microirrigazione si differenzia
da quella degli impianti di aspersione per gli effetti della
distribuzione localizzata dell’acqua, può essere lineare o
puntiforme.
A differenza di altri metodi irrigui, l’uniformità di distribuzione
dell’acqua non dipende dalle caratteristiche del suo moto sulla
superficie del campo o nell’atmosfera, ma solo dal movimento
dell’acqua nel suolo. Quest’ultimo dipende da alcune
caratteristiche del suolo, quali la conducibilità idraulica, la
tessitura, la struttura.
La progettazione dell’impianto di microirrigazione deve pertanto
partire dalla corretta scelta degli erogatori e della loro
interdistanza sull’ala.
SCELTA DEGLI EROGATORI
La scelta degli erogatori deve avvenire in base alle caratteristiche
climatiche, del suolo e della distribuzione radicale delle piante da
irrigare.
Le caratteristiche climatiche da prendere in considerazione sono
principalmente la temperatura e la velocità del vento, che
evaporazione e deriva dell’acqua e di fatto impediscono l’uso degli
spruzzatori.
La caratteristica del suolo di maggior importanza è la tessitura,
che influenza la ritenzione idrica e la ridistribuzione dell’acqua.
In suoli a tessitura molto grossolana la ritenzione e la
ridistribuzione dell’acqua sono basse e di conseguenza è
sconsigliabile l’uso dei gocciolatori.
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DIMENSIONAMENTO DELLE CONDOTTE E DELLE ALI
EROGATRICI
Due condotte di diametro diverso sottoposte allo stesso carico
faranno defluire portate diverse.
Se nella condotta di diametro minore si volesse far transitare la
stessa portata che si ha in quella di diametro maggiore, sarebbe
necessario che la corrente nella prima condotta avesse una
velocità media maggiore.
Ciò
determinerebbe
perdite di carico più
elevate e quindi la
necessità di un carico
maggiore nella sezione
iniziale.
Il dimensionamento delle ali gocciolanti dipende direttamente dal
volume di adacquamento che s’intende apportare a ogni pianta
durante un intervento irriguo.
Il volume irriguo per pianta e il numero di piante irrigate dall’ala
gocciolante determinano il volume di acqua che deve essere
erogato dall’ala durante l’intervento irriguo e di conseguenza la
portata dell’ala stessa.
Il diametro della condotta che costituisce l’ala gocciolante dovrà
quindi essere scelto in base alla portata, in modo tale che la
velocità della corrente nell’ala sia tanto bassa da determinare
un’adeguata differenza di carico lungo l’ala.
La differenza di carico lungo l’ala non deve essere troppo elevata,
in modo tale da consentire un’erogazione dell’acqua in modo
uniforme.
Una volta dimensionata l’ala erogatrice e di conseguenza stabilita
la sua portata, si potrà determinare il numero massimo di ali
appartenenti a uno stesso settore, che dipenderà dalla portata
dell’impianto di approvvigionamento idrico.
La portata in un dato tratto di condotta è determinata dal numero
di irrigatori che si trova a valle, pertanto la portata cresce man
mano che si prosegue da valle verso monte.
Al fine di mantenere costante la velocità nella condotta, il
diametro dovrebbe crescere ogniqualvolta si aggiunga un
irrigatore ottenendo la condotta schematizzata in figura.
Nella pratica ciò non avviene perché ci si troverebbe a dover
installare molti tratti brevi di condotte di diametro diverso e ciò
comporterebbe costi di installazione molto alti.
Di conseguenza si tende ad uniformare la condotta per l’intera
lunghezza dell’ala, ponendo attenzione a dimensionare la
condotta in funzione della portata maggiore che deve transitarvi,
che corrisponde alla portata dell’intera ala.
Una volta dimensionata l’ala erogatrice e di conseguenza stabilita
la sua portata, si potrà determinare il numero massimo di ali
appartenenti a uno stesso settore, che dipenderà dalla portata
dell’impianto di approvvigionamento idrico.
Le condotte di grado superiore saranno dimensionate seguendo i
medesimi criteri esposti per le ali gocciolanti, ma le portate degli
erogatori saranno sostituite da quelle delle ali o dei settori.
In figura è riportato un esempio di un dimensionamento reale
delle condotte. Si può notare che la condotta mantiene lo stesso
diametro per tutta la lunghezza di una data ala. La figura mostra
anche l’impiego di condotte di diametro crescente con il numero
di ali collegate a valle.
Al fine di un corretto dimensionamento delle condotte non è
sufficiente la valutazione delle portate, è necessario valutare
correttamente anche la pressione.
La prima valutazione della pressione prevede la determinazione
della pressione idrostatica a livello della valvola generale
dell’impianto.
Il valore della pressione idrostatica a cui l’acqua viene fornita è
spesso fornito dalla società che gestisce la rete di distribuzione
dell’acqua.
Al fine di ottenere la pressione idrostatica in corrispondenza della
valvola generale dell’impianto e necessario sottrarre o sommare
la pressione persa o guadagnata a seguito di eventuali dislivelli
tra la condotta dell’acquedotto e la valvola.
Nel caso in cui tale informazione non sia reperibile oppure non ci
si rifornisca tramite una rete di distribuzione in pressione, il
valore della pressione idrostatica può essere misurato tramite un
manometro.
La pressione idrostatica serve come dato iniziale per il calcolo
della pressione dinamica che è la reale pressione di cui si dispone
nell’impianto durante l’esercizio, cioè quando l’acqua è in
movimento.
Quando l’acqua inizia a muoversi si generano perdite di carico
nella condotta di servizio che collega la rete di distribuzione al
contatore, si hanno perdite di carico nel contatore stesso e nel
tratto di condotta che collega il contatore alla valvola generale
dell’impianto.
Le perdite di carico devono essere valutate e sottratte alla
pressione idrostatica al fine di ottenere la pressione dinamica in
corrispondenza della valvola generale dell’impianto.
In seguito si devono valutare le perdite di carico distribuite, lungo
la condotta, e localizzate, dovute alle valvole alle curve e a
qualsiasi altro dispositivo presente nell’impianto.
In tal modo sarà possibile valutare la pressione dinamica in
corrispondenza del primo e dell’ultimo irrigatore di ogni settore e
di conseguenza stabilire se la pressione in corrispondenza
dell’ultimo irrigatore è sufficiente e se il divario di pressione tra il
primo e ultimo irrigatore non è tale da pregiudicare l’uniformità di
distribuzione a livello di settore.
Nel caso in cui le pressioni dinamiche così determinate non siano
idonee al funzionamento dell’impianto, si possono aumentare i
diametri delle condotte al fine di ridurre la velocità e di
conseguenza le perdite di carico e far aumentare la pressione agli
estremi dell’impianto o vice versa si possono ridurre i diametri
delle condotte per ridurre la pressione.
Nel caso, poco comune, in cui la pressione in corrispondenza della
valvola generale dell’impianto sia troppo elevata, si può ricorrere
ad un riduttore di pressione.
Nel caso in cui la pressione dinamica non fosse sufficiente si può
suddividere l’impianto in un maggior numero di settori di
dimensioni più piccole.
Nel caso in cui non fosse possibile adeguare la dimensione dei
settori alla pressione dinamica, si può ricorrere ad una pompa di
rilancio per elevare la pressione nell’impianto.
IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO
Lo schema più semplice di un
impianto
di
sollevamento
è
rappresentato
dal
caso
di
innalzamento dell’acqua da un
recipiente a pelo libero di tipo
qualunque (lago, corso d’acqua,
canale, cisterna, pozzo freatico,
ecc.) per alimentare un altro
recipiente a pelo libero, posto a
quota maggiore.
Osservando, nel verso del moto idrico, l’impianto schematizzato
in figura, esso risulta costituito da:
− una succhieruola con funzione di filtro;
− una valvola di fondo (valvola di ritegno) per impedire lo
svuotamento della condotta di aspirazione e della camera della
girante (la pompa centrifuga non è auto-adescante);
− una tubazione aspirante;
− un gruppo motore-pompa (una pompa comandata dal relativo
motore);
− una tubazione di mandata;
−
pezzi
speciali
idraulici
(curve,
d’intercettazione e di ritegno, ecc.).
manometri,
valvole
Per trasferire l’acqua dal recipiente inferiore a quello superiore
occorre fornire energia al liquido, mediante l’impiego di pompe
idrauliche. La quantità di energia da fornire dipende dalla portata
del flusso idrico (Q) e dalla prevalenza totale dell’impianto (Ht).
Prevalenza totale dell’impianto
La prevalenza totale dell’impianto di sollevamento (Ht) si esprime
normalmente in metri di colonna d’acqua, così come il carico
idraulico, e la sua espressione generale è data da:
H t  H 2  H1   P.C.
dove:
H1 (m) = carico idraulico totale del liquido in una posizione scelta
opportunamente a monte (dal punto di vista idraulico) della
pompa.
H2 (m) = carico idraulico totale del liquido in una posizione scelta
opportunamente a valle (dal punto di vista idraulico) della
pompa.
Σ P.C. = somma delle perdite di carico idraulico (continue e
localizzate) tra le due posizioni individuate per la determinazione
di H1 ed H2, escluse le perdite di carico interne alla pompa, che
sono contabilizzate nell’efficienza della pompa medesima.
Curva caratteristica prevalenza-portata
Per una data portata (Q) dell’impianto
prossima a zero, le perdite di carico
continue e localizzate sono anch’esse
prossime a zero e quindi il valore di Ht
è un minimo.
Aumentando Q aumentano, più che
linearmente, le perdite di carico e
quindi
con
analogo
andamento
aumenta il valore di Ht.
A parità di portata, e di altre caratteristiche dell’impianto, le
perdite di carico continue e localizzate sono direttamente
proporzionali alla velocità del liquido.
Ne deriva l’importanza di un corretto dimensionamento delle
condotte e delle altre parti componenti l’impianto, con un
ragionamento di tipo tecnico-economico in quanto a maggiori
costi di investimento (costruzione dell’impianto) corrispondono
minori costi di esercizio (energia per il funzionamento
dell’impianto).
Pompe centrifughe
Le pompe sono macchine idrauliche operatrici che, ricevendo
energia meccanica da un qualsiasi motore, la trasmettono al
liquido che le attraversa.
Le pompe si possono suddividere in due grandi categorie:
− a moto rotatorio;
− a moto alternativo.
Queste ultime, che si riducono sostanzialmente al tipo a
stantuffo, sono destinate a pochi impieghi specifici.
Fra le pompe rotative figurano
ingranaggi, ecc. Le più diffuse
praticamente le uniche impiegate
pressione dell’acqua negli impianti
quelle centrifughe, quelle ad
sono le pompe centrifughe,
per aumentare la quota e/o la
d’irrigazione.
La pompa centrifuga è composta essenzialmente da una parte
rotante munita di alette, detta girante, e da una parte fissa, detta
cassa o corpo della pompa. L'acqua entra nel corpo della pompa
attraverso il tubo di aspirazione e quindi viene inviata nel tubo di
mandata, per effetto della forza centrifuga impressale dalla
girante.
In altre parole, imprimendo alla girante, per mezzo di un motore,
un rapido movimento rotatorio, l’energia meccanica fornita
all’asse del rotore della pompa centrifuga si trasferisce nel liquido
contenuto nella pompa sotto forma di energia cinetica e di
pressione.
L’acqua viene così spinta verso la
tubazione di mandata e nel
contempo altra acqua viene
richiamata nel condotto di
aspirazione ottenendo un flusso
continuo.
Pompa
centrifuga
di
superficie,
monocellulare, ad asse orizzontale: (1)
Tubo di aspirazione; (2) Tubo di
mandata; (3) Girante.
Le pompe centrifughe, in funzione della disposizione dell'albero
che muove la girante, si distinguono
in:
− pompe orizzontali;
− pompe verticali.
Con riferimento alla posizione del corpo della pompa rispetto
all’acqua si distingue tra:
− pompe di superficie (corpo della pompa fuori dall’acqua);
− pompe sommerse (corpo della pompa immerso nell’acqua).
Con riferimento al numero delle giranti si hanno:
− pompe monocellulari o monostadio (una sola girante);
− pompe pluricellulari o pluristadio (sono composte da due o più
giranti).
In questo caso la prevalenza della pompa è data dalla somma
delle prevalenze delle singole giranti.
Le pompe centrifughe ad asse orizzontale sono generalmente
pompe di superficie accoppiate direttamente al motore e, a
seconda che questo sia ad alimentazione elettrica o a
combustione interna, sono chiamate elettropompe o motopompe.
Sono pompe molto versatili, di dimensioni e peso contenuti,
facilmente trasportabili.
Il limite delle pompe centrifughe di superficie è la profondità
massima d'aspirazione. Poiché è la pressione atmosferica che
spinge l'acqua nel tubo d'aspirazione, la profondità massima
teorica da cui è possibile aspirare l'acqua da un contenitore a pelo
libero è pari a 10,33 m.
In realtà, a causa delle perdite di carico, non è possibile sollevare
l'acqua da una profondità maggiore di 5-6 m rispetto alla girante
della pompa.
Le pompe centrifughe ad asse verticale ovviano a questo
inconveniente in quanto tutto il gruppo pompa può essere
sommerso, vale a dire calato nella vasca o pozzo da cui estrarre
l'acqua, riducendo a zero l'altezza d'aspirazione.
Pompa centrifuga sommergibile,
pluricellulare, ad asse verticale.
Scelta della pompa e del motore
Per gli impianti nuovi, o per il rinnovamento degli impianti già
esistenti, è tecnicamente ed economicamente conveniente
procedere all’acquisto di un gruppo motore-pompa completo (fa
eccezione il caso in cui si utilizzi il motore di una trattrice
aziendale).
In questo modo, tra l’altro, non è necessario procedere al calcolo
della potenza assorbita dalla pompa ed al successivo
dimensionamento del motore, perché queste operazioni sono
condotte direttamente dai costruttori (o assemblatori). Questo
vale sia per il caso delle “elettropompe”, sia per quello delle
“motopompe”.
Il problema si riduce pertanto all’analisi delle caratteristiche
dell’offerta commerciale sulla cui base si sceglie in funzione della
portata e della prevalenza totale dell’impianto di sollevamento da
servire.
Esempio di caratteristiche tecniche di una serie di elettropompe,
fornite dal costruttore.
Esempio curve portata-prevalenza per una serie di elettropompe,
fornite dal costruttore.
I FILTRI
Particolare importanza riveste la filtrazione, in funzione delle
ridotte sezioni idriche che presentano molti erogatori (anche
inferiori ad 1 mm2) al fine di evitare o ridurre l'intasamento dei
medesimi.
Nell'ordine saranno presenti, in successione, uno o più dei
seguenti tipi di filtro:
- filtro a vortice o
idrociclone,
il
quale
sfrutta la forza centrifuga
per separare le particelle
di sabbia ed altre con
densità
superiore
a
quella dell'acqua;
- filtro a graniglia o a sabbia, destinato a
trattenere le sostanze organiche in
sospensione ed altre;
- filtro a cartuccia o a dischi , il quale
trattiene le particelle solide aventi
dimensione superiore a quelle dei passaggi
interni del filtro.
La scelta di uno o più tipi di filtro
da impiegare dipende dalla
qualità dell'acqua e dal tipo
d’erogatore
cui
l'acqua
è
destinata. I filtri, inoltre, devono
essere dimensionati in funzione
della portata da filtrare, al fine di
evitare eccessive perdite di
carico e rapido intasamento.