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CAPITOLO 7: IMPIANTO IDROVORO
7.1 Premessa
Nelle bonifiche a sollevamento meccanico, l’opera più notevole è rappresentata dall’impianto idrovoro. Questo si compone schematicamente di due o più pompe centrifughe o ad elica accoppiate ad un motore elettrico.
Il canale emissario convoglia le acque in una vasca di aspirazione delle pompe, queste vengono sollevate e scaricate nel recipiente.
La quota di fondo della vasca è generalmente fissata uguale o appena più bassa della quota di fondo del canale emissario.
Il livello liquido massimo all’interno della vasca inoltre, è posto uguale o leggermente più basso di quello massimo che si raggiunge nel canale emissario per evitare il rigurgito a monte nel momento dell’arrivo del colmo di piena.
Il tubo di aspirazione, preceduto da una griglia, pesca nella vasca di arrivo e la condotta di mandata immette nell’emissario.
E’ necessario avere un numero di pompe di riserva della potenzialità complessiva di circa il 30% di quella installata. Tali gruppi vengono prudenzialmente collegati a motori di soccorso Diesel o a gruppi elettrogeni.
La portata massima delle pompe è pari alla massima portata in arrivo al collettore. Occorre però prevedere una pompa di riserva in caso di guasto.
La prevalenza è data dalla differenza tra il massimo pelo libero nel ricevente e il massimo pelo libero previsto per il collettore, aumentata delle perdite di carico distribuite e concentrate nelle tubazioni di aspirazione e di mandata. In questo modo non si fa riferimento ai livelli inferiori a quello massimo perché se la vasca non è piena, non è necessario disporre della portata massima.
140 7.2 Generalità sulle pompe
Le pompe sono macchine che trasformano l’energia meccanica in energia idraulica, che viene fornita alla corrente che le attraversa essenzialmente in forma di pressione.
Le pompe da acqua sono fondamentalmente di due tipi: pompe volumetriche e pompe centrifughe.
FIGURA 7.1 – CAMPO DI IMPIEGO DEI DIVERSI TIPI DI POMPE, CON NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO E POTENZA RICHIESTA IN FUNZIONE DELLA PORTATA E DELLA PREVALENZA.
Negli impianti di sollevamento delle bonifiche le pompe impiegate sono quelle centrifughe o a elica e le sommergibili ad elica.
Di seguito verrà esposto sommariamente il funzionamento delle pompe centrifughe e delle elettropompe sommergibili ad elica.
141 7.2.1 Pompe centrifughe
Sono costituite schematicamente da due parti (Figura 7.2):
• parte fissa - corpo, composta da:
- bocca di aspirazione, nel centro della pompa; - diffusore;
- bocca di mandata, sull’esterno del diffusore; • parte mobile - girante.
FIGURA 7.2 - SCHEMA DI UNA POMPA CENTRIFUGA: 1)ASPIRAZIONE 2)MANDATA) 3)GIRANTE
L’acqua entra nel centro della pompa tramite la bocca di aspirazione ed è messa in rotazione dalla girante, che la spinge verso l’esterno, dove viene convogliata dal diffusore verso la bocca di mandata, da cui esce. Per poter funzionare la pompa deve essere piena di acqua, per cui all’ingresso del tubo di aspirazione deve essere posta una valvola di ritegno, detta valvola di fondo, che ne impedisca lo svuotamento. Inoltre l’acqua funge da liquido di raffreddamento, per cui il funzionamento a secco danneggia la pompa.
La pompa per funzionare deve essere accoppiata ad un motore che la faccia girare, che può essere elettrico (elettropompe) o termico (motopompe).
142
Le prime hanno l’asse di rotazione della girante posto al di sopra del livello dell’acqua nel canale di scarico, per impedire l’inversione di flusso che si potrebbe avere a seguito di un’interruzione di funzionamento.
Le pompe ad asse verticale vengono installate a quota inferiore al livello liquido nel canale di scarico. La loro scelta si fa quando l’altezza di aspirazione diverrebbe eccessiva, nel caso si impiegasse una pompa ad asse orizzontale al di sopra della quota di versamento, o quando le portate da sollevare sono molto grandi.
In questo tipo di pompe deve essere inserito un sifone nella parte terminale della tubazione di scarico , al fine di impedire l’inversione di flusso.
7.2.2 Elettropompe sommergibili ad elica
Quando sono in gioco grandi portate e prevalenze di pochi metri si ricorre all’uso di pompe assiali sommergibili ad elica.
Si illustra brevemente la tipologia delle elettropompe sommergibili ad elica tipo Flygt (Figure 7.3 e 7.4), impiegate tipicamente negli impianti idrovori delle bonifiche a scolo meccanico.
143 FIGURA 7.4 - SPACCATO DI UNA ELETTROPOMPA SOMMERGIBILE AD ELICA
144
Sono pompe ad asse verticale che in una unica unità compatta comprendono sia il motore sia la parte idraulica.
Grazie alla loro compattezza, queste pompe hanno un albero corto e comune per pompa e motore, ciò comporta una maggiore durata dei cuscinetti e delle tenute, minori vibrazioni e maggiore silenziosità di funzionamento.
Due tenute meccaniche separate da un serbatoio dell’olio che operano indipendentemente assicurano l’isolamento tra il motore e la parte idraulica. Oltre a lubrificare le tenute, il serbatoio dell’olio serve anche a dissipare il calore generato dal motore e dai cuscinetti e garantisce una ulteriore protezione contro l’infiltrazione dei liquidi.
Le giranti sono in genere a quattro pale , la cui inclinazione può essere variata di grado in grado nel campo compreso tra 5° e 20°, così da avere elevati rendimenti in un ampio campo di funzionamento.
L’ogiva, le pale, il mozzo e gli anelli di usura, sono costruiti di solito in bronzo oppure in acciaio inossidabile.
La produzione commerciale prevede pompe della portata fino a 5000 l/s e della prevalenza dell’ordine di 15 m, con potenze dei motori fino a 425 kW a 50 Hz e rendimenti massimo superiori all’80 %.
Dal momento che non esiste il motore esterno ed i relativi organi di trasmissione meccanica, le elettropompe sommergibili, in virtù della loro compattezza, consentono una facile maneggevolezza durante le fasi di installazione e di manutenzione.
La pompa è normalmente installata in tubo contenitore di acciaio o cemento armato verticale che può essere costruito localmente (Figura 7.5). Questo sistema riduce i costi di trasporto e di costruzione con notevoli vantaggi economico-gestionali.
La pompa viene appoggiata su una flangia di supporto fissata all’estremità inferiore della colonna (tubo contenitore).
Ciò permette di eseguire l’installazione della pompa in modo estremamente semplice, calandola nel tubo contenitore con un paranco o una gru.
145 FIGURA 7.5 - TUBO CONTENITORE DELL'ELETTROPOMPA SOMMERGIBILE AD ELICA
Proprio per la facilità con cui queste pompe possono essere installate e rimosse vengono semplificate tutte le operazioni di manutenzione e l’eventuale sostituzione delle pompe. Inoltre, bisogna considerare il fatto che spesso le stazioni di sollevamento, avendo fondazioni profonde subiscono degli abbassamenti nel tempo diversi da quelli di bonifica, per cui occorre procedere al loro adeguamento e le pompe sommergibili possono essere installate in posizione più bassa, risparmiando sui costi per poter abbassare il piano di posa delle pompe di tipo tradizionale.
Altro notevole beneficio è dato dalla facilità di connessione e disconnessione dell’impianto, per la semplicità con cui i gruppi possono venire rimossi, ispezionati e nuovamente installati nel tubo contenitore dove sono alloggiati.
Esistono anche elevate caratteristiche di flessibilità e di modularità nella costruzione dell’impianto e di intercambiabilità di una pompa tra più stazioni di sollevamento gestite da un unico impianto, per la facilità con cui un gruppo può essere rimosso temporaneamente da una località e trasferito in un’altra, che in quel momento ha maggiori esigenze prestazionali.
146
Di conseguenza, è possibile ridurre la dotazione di gruppi di riserva predisposti per eventi rari.
Queste pompe possono essere poste in opera ad asse verticale oppure ad asse inclinato. Il primo tipo di installazione però è di gran lunga quello maggiormente adottato, in quanto consente di risolvere in maniera ottimale gran parte dei problemi; il secondo può portare, in alcuni casi particolari, ad una maggiore economia nella realizzazione dell’impianto di sollevamento.
Gli schemi di impianto più frequentemente adottati sono i seguenti, pur essendo possibile in alcuni casi il ricorso a soluzioni particolari, riconducibili ad una combinazione di quelli elencati o di diversa natura:
1)
FIGURA 7.6 - INSTALLAZIONE AD ASSE VERTICALE IN VANO DI CALCESTRUZZO A SCARICO LIBERO
Questa disposizione è molto semplice e richiede il minor numero di componenti in acciaio. La pompa è installata in un pozzo circolare di cemento armato. All’interno del pozzo è stato incorporato un tubo relativamente corto, che serve da base per la pompa. Risulta particolarmente adatta quando il liquido viene pompato in una derivazione, in un tunnel, in un canale o bacino con un livello d’acqua pressoché costante e dove non sono richiesti dispositivi di intercettazione. Posizionando la sommità della colonna sopra il massimo livello d’acqua nel canale, si impedisce l’eventuale riflusso dell’acqua dal canale verso la pompa, quando quest’ultima si arresta.
147
2)
FIGURA 7.81 - INSTALLAZIONE IN COLONNA DI ACCIAIO A SCARICO DIRETTO
La pompa è installata in un tubo contenitore d’acciaio appoggiata su un telaio di supporto annegato nel getto. Il tubo può essere supportato inferiormente tramite una apposita lamiera che ha funzione di antirotazione del flusso.
La parte superiore del tubo deve sporgere rispetto al massimo livello d’acqua, in modo da evitare riflussi verso la pompa.
3)
(A) (B)
FIGURA 7.9 -INSTALLAZIONE IN COLONNA DI ACCIAIO A SCARICO LATERALE LIBERO(A) E MUNITO DI CLAPET DI CHIUSURA (B)
148
Come principio, questa disposizione è simile agli esempi precedenti e può essere realizzata in luogo dell’esempio 1, nel quale lo scarico avviene in un canale aperto.
Quando è invece necessario un sistema chiuso, per eliminare problemi di odori, ecc., può essere usato questo sistema a mandata libera (come mostrato), o con una valvola di ritegno. In entrambi i casi, se deve essere impiegato un coperchio smontabile, è essenziale che sia posizionato sufficientemente alto rispetto allo scarico orizzontale
per limitare le perdite e prevenire fuoriuscite di acqua.
Una soluzione alternativa è rappresentata dall’utilizzo di un coperchio a chiusura ermetica. 4)
FIGURA 7.10 - INSTALLAZIONE CON SCARICO A SIFONE
Se la pompa deve funzionare in un impianto con sifone, deve necessariamente essere utilizzata una curva di mandata con coperchio a chiusura ermetica.
In un impianto di questo tipo è necessario inserire un dispositivo di disadescamento del sifone che intervenga automaticamente quando la pompa si arresta.
149 7.3 Impianto idrovoro esistente
La bonifica in esame ha un solo impianto idrovoro che è collocato nella parte terminale del Fosso del Molino, dove ha sede il Consorzio di Bonifica “Colline Livornesi”. L’attuale impianto è in funzione dal 1990.
Le acque in arrivo vengono raccolte all’interno di una piccola vasca di aspirazione con un volume di circa 170 m3 su un’area di 65 m2, sollevate e convogliate in un canale che le scarica direttamente in mare.
FIGURA 7.11 - IMPIANTO IDROVORO
Le dimensioni ridotte della vasca di aspirazione, sono dovute principalmente agli eccessivi costi per la costruzione e all’ingombro.
I tubi di aspirazione dell’impianto sono preceduti da una griglia utile per impedire l’ingresso di erbe e altro materiale trasportato dalla corrente liquida nel corpo delle pompe. La pulizia delle griglie avviene manualmente.
IMPIANTO IDROVORO
150
Le acque aspirate dalle pompe, attraversano la condotta di mandata che termina con un sifone che impedisce l’inversione del flusso grazie ad una valvola ad aria, installata nella parte più alta della tubazione, che si apre quando si ha l’interruzione della corrente. I sifoni poi scaricano in un canale che recapita le acque in mare.
FIGURA 7.12 - LOCALE POMPE E SEDE DEL CONSORZIO DI BONIFICA
L’impianto è dotato di 3 elettropompe elicoidali ad asse verticale del tipo FVE 700/2, 20, con una potenza di 30 KW a 580 g/min.
La prevalenza attuale di progetto è di 2 m, e la portata di ogni pompa è 0,7 m3/s per un totale di 2,1 m3/s. Le curve caratteristiche dell’attuale impianto sono riportate in Figura 12. L’impianto non ha pompe di riserva.
Nel locale dove sono collocate le pompe sono presenti anche: • un gruppo elettrogeno diesel 110 KVA-380 (220) V-167 A-50 Hz. • un quadro elettrico.
Il gruppo elettrogeno entra in funzione nel momento in cui non arriva più elettricità dalla rete elettrica. L’avvio è manuale.
151 FIGURA 7.13 - CURVA CARATTERISTICA IMPIANTO ESISTENTE
152 7.4 Adeguamento dell’impianto idrovoro
Dal confronto tra le caratteristiche allo stato attuale dell’impianto idrovoro presente nella bonifica in esame e i risultati ottenuti dal dimensionamento della rete stessa, risaltano le seguenti problematiche:
• i valori delle portate nella sezioni terminale del bacino ricavati dai calcoli, risultano maggiori rispetto a quelli che l’impianto è in grado di smaltire a pieno regime.
• l’impianto non è dotato di un gruppo di riserva di pompe. • ridotta capacità della vasca di aspirazione.
Da queste considerazioni si deduce che è necessario un adeguamento alla nuova rete e dovranno essere effettuate opportune modifiche:
• sostituzione delle pompe esistenti con delle nuove sommergibili ad elica in modo da coprire la massima portata.
• progettazione e sostituzione delle tubazioni di scarico. • previsione di un potenziamento del gruppo elettrogeno. • aumento della capacità della vasca di aspirazione.
E’ importante dire che tali interventi comportano elevati costi e, ammesso che ciò non sia un problema, per essere realizzati c’è bisogno di molto spazio.
Per l’inserimento di una sola nuova pompa, infatti, occorre costruire una camera apposita, ciò comporta un allargamento dell’edificio con non pochi disagi anche dal punto di vista economico.
Detto questo, il progetto di potenziamento dell’impianto viene fatto ipotizzando che ci sia disponibilità economica, dato che lo spazio per intervenire non mancherebbe intorno alla stazione esistente.
153 7.4.1 Perdite di carico nelle tubazioni
Per ogni nuova pompa installata è necessario prevedere anche una nuova tubazione di mandata che parte dalla pompa stessa e termina con un sifone che si immette nel canale, il quale poi finisce nel corpo ricevente (mare).
Uno dei problemi fondamentali che si riscontrano nello studio delle correnti in pressioni è legato alla determinazione delle perdite di carico, che costituiscono le dissipazioni in calore dell’energia meccanica posseduta dalla corrente. La loro espressione è data dalla sommatoria delle perdite distribuite più la sommatoria delle perdite concentrate.
Le perdite distribuite si manifestano longitudinalmente nel senso del moto in modo continuo e uniforme (se la geometria della sezione non varia).
La loro forma è:
(7.1)
∆𝑑𝑑𝐷𝐷 = 𝐽𝐽 ∙ 𝐿𝐿
Dove:
• J è la pendenza piezometrica.
• L è la lunghezza della tubazione in m.
Nel caso di una tubazione circolare di diametro D e portata Q, la pendenza piezometrica assume la forma: (7.2) 𝐽𝐽 = 𝑄𝑄2 𝐾𝐾2∙ �𝐷𝐷4� 4 3 ∙ �𝜋𝜋 ∙ 𝐷𝐷4 �2 2
Le perdite concentrate si manifestano in modo localizzato (non puntuale) per la presenza di sezioni singolari (curve, gomiti, cambiamenti di sezione ecc.) che producono fenomeni
154
dissipativi concentrati per una brusca e improvvisa variazione dell’andamento dei filetti liquidi.
La loro espressione è la seguente:
(7.3)
∆𝑑𝑑𝐶𝐶 = 𝐾𝐾𝑐𝑐 ∙ 𝑉𝑉 2
2 ∙ 𝑔𝑔 Dove:
• Kc è il coefficiente di perdita localizzata.
• V è la velocità media della corrente in m/s. • g è l’accelerazione di gravità in m/s2.
Una volta calcolate le perdite di carico si determina la prevalenza H dell’impianto:
(7.4)
𝑑𝑑 = 𝑑𝑑𝑔𝑔 + ∆𝑑𝑑
Dove:
• Hg è la prevalenza geodetica dell’impianto in m.
• ΔH è la somma delle perite concentrate e distribuite in m.
Negli impianti idrovori delle bonifiche, dati i bassi valori della prevalenza geodetica, riveste un ruolo fondamentale, per la determinazione della prevalenza delle pompe, il calcolo delle perdite di carico sopra esposte, soprattutto quelle concentrate.
Se si vogliono ridurre i valori della prevalenza, è necessario limitare la velocità nelle tubazioni di aspirazione e di mandata.
7.4.2 Prevalenze geodetiche
Sono state calcolate diverse prevalenze geodetiche per valutare il funzionamento nelle diverse situazioni.
155
La prevalenza geodetica di progetto è calcolata come il dislivello tra la quota massima raggiungibile nella vasca di aspirazione, coincidente col massimo livello nella parte terminale della rete per evitare effetti di rigonfiamento a monte e il massimo livello del canale di scarico. E’ la prevalenza che si ha quando l’impianto è a regime.
La prevalenza geodetica massima estrema è il dislivello tra la quota minima raggiunta nell’impianto allo stacco dell’ultima pompa e il massimo livello raggiungibile nel canale di scarico.
La prevalenza geodetica minima estrema è il dislivello tra il massimo livello raggiungibile nella vasca e il minimo del canale di scarico.
Infine la prevalenza geodetica di innesco del sifone è il dislivello tra il livello di avvio della prima pompa e la sommità del sifone. Questa condizione si verifica all’attacco della prima pompa.
Per l’impianto in esame sono riportate in Tabella 1 i vari valori della prevalenza geodetica.
TABELLA 7.1 - PREVELENZE GEODETICHE
Nello schema di Figura 7.14 sono riportati i livelli usati per il calcolo delle diverse prevalenze geodetiche nelle situazioni analizzate.
Per ogni situazione è possibile mediante l’espressione (7.4) calcolare la prevalenza, sommando a quella geodetica le perdite concentrate e quelle distribuite.
Conoscendo la prevalenza per diverse portate è possibile costruire la curva caratteristica esterna dell’impianto che confrontata, come vedremo nei paragrafi successivi, con la curva caratteristica interna, propria della pompa scelta, permette di trovare il punto di funzionamento; questo procedimento permette di scegliere la miglior macchina per il caso esaminato.
156 FIGURA 7.14 - SCHEMA DEI LIVELLO PER IL CALCOLO DELLE PREVALENZE GEODETICHE
157 7.4.3 Scelta del tipo di pompa
Dalle onde di piena ricavate nel Capitolo 4 è stato possibile capire quanto doveva essere potenziato l’impianto e la scelta del tipo di pompa è ricaduta sulle sommergibili ad elica per i motivi esposti nei paragrafi precedenti.
Tra le varie serie delle pompe sommergibili verticali ad elica, presenti nel catalogo della Flygt, quella adatta per la bonifica in esame è risultata la serie PL. Mediante il relativo grafico dei campi di funzionamento (Figura 7.15), che ha in ascisse la portata Q e in ordinate la prevalenza H, è stato trovato il tipo di pompa adatto per ciascun impianto.
I risultati verranno riportati nei successivi sottoparagrafi.
158
A ciascuna serie individuata dal grafico precedente corrisponde un diametro nominale del tubo contenitore che ospiterà l’elettropompa:
TABELLA 7.2 - DIAMETRI NOMINALI
159 7.4.4 Curve caratteristiche e punti di lavoro
La massima portata in arrivo all’impianto per tempo di ritorno venticinquennale come è stato descritto nei capitoli precedenti è:
Q = 11300 l/s
È stata la scelta una soluzione con 4 pompe sommergibili ad elica. L’uso di macchine con uguali caratteristiche è sempre consigliato. È stato previsto anche un aumento di capacità dell’attuale vasca di aspirazione, come vedremo meglio nei paragrafi successivi; considerando quindi la possibilità di compenso della vasca, le pompe dovranno essere in grado di sollevare una portata di 11000 l/s.
Ad ogni pompa quindi spetta una portata pari a: qp = 11000/4 = 2725 l/s
Ricapitolando l’impianto avrà: • numero pompe: 4
• portata singola pompa: 2725 l/s
La scelta del tipo di pompa che meglio soddisfi il caso analizzato dipende dal confronto della curva caratteristica esterna, relativa all’impianto e quella interna, propria della pompa e fornita dal costruttore.
Per costruire la curva caratteristica interna per le varie condizioni di funzionamento è necessario calcolare in dettaglio le perdite di carico, come illustrato nei paragrafi precedenti. Indicando con:
• DN “C” la condotta contenente la pompa, con diametro pari a 1400 mm e lunghezza 2 m.
• DN “1” la condotta fino al sifone, con diametro pari a 1200 mm e lunghezza 0,30 m. • DN “2” la condotta dal sifone allo scarico , con diametro pari a 1200 mm e lunghezza
160
si riportano i calcoli:
TABELLA 7.3 - CALCOLO PERDITE DI CARICO
La pompa Flygt modello PL7115 è quella che meglio si adatta al caso esaminato.
La curva caratteristica interna per questo tipo di pompe, dipende da diversi fattori, quali l’orientamento delle pale e la potenza assorbita.
Per questo caso si è scelta la seguente configurazione: • Velocità: 420 RPM
• Potenza nominale del motore: 125 KW • Angolo delle pale: 13°
161
In Figura 7.17 è riportata la curva caratteristica interna per questo tipo di configurazione (P.M.R. è il punto di massimo rendimento):
FIGURA 7.172 - CURVA CARATTERISTICA INTERNA POMPA PL7115
Dal confronto di quest’ultima curva con le curve caratteristiche esterne dell’impianto per le diverse condizioni di funzionamento è possibile determinare i diversi punti di lavoro, come mostrato in Figura 7.18.
162 FIGURA 7.18 - CURVE CARATTERISTICHE E PUNTI DI LAVORO
Di seguito sono riportati in tabella i vari punti di lavoro, con i rendimenti (eta. tot. %) e la potenza ai morsetti:
163 7.4.5 Cavitazione e NPSH
Nelle condotte in pressione se la velocità è sufficientemente elevata, la pressione più essere ridotta tanto da eguagliare la tensione di vapore del liquido stesso, il quale a questo punto bolle, ovvero passa allo stato gassoso. Questo fenomeno si verifica più frequentemente dove le sezioni si restringono, e quindi le velocità sono più elevate; nelle pompe queste si trovano di solito all’entrata della girante ed è proprio in questa posizione che si verificano le pressioni più basse, e il pericolo dell’innesco di questo fenomeno che prende il nome di
cavitazione.
Le bolle di vapore che si formano all’entrata della girante seguono il flusso del liquido che passa attraverso la pompa. Dopo l’ingresso nel corpo pompa generalmente la pressione aumenta di nuovo eliminando le condizioni che avevano causato l’ebollizione e il vapore di riconverte in liquido. Questa trasformazione avviene repentinamente ed è detta implosione. La veemenza delle implosioni può dare luogo all’erosione caritativa, che provoca seri danni soprattutto alla girante, ma che possono propagarsi per ampie zone.
Per evitare l’insorgere di questo fenomeno si fa riferimento alla curva NPSH (Net positive suction head); si confronta quella richiesta dalla pompa (NPSHr) fornita dal costruttore,
riprodotta nel solito diagramma della curva caratteristica della pompa (Figura 7.17), con quella disponibile (NPSHdisp) verificando che:
𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 ≥ 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆𝑑𝑑𝑟𝑟
Per valutare l’NPSHdisp si assume un piano orizzontale di riferimento delle quote coincidente
con il piano contente la faccia inferiore della girante e si valuta il carico totale assoluto della corrente al termine della condotta di aspirazione con la:
(7.5)
164
Dove:
• He è il carico assoluto della corrente al termine della condotta di aspirazione rispetto
al piano di riferimento in m.
• ha è l’altezza piezometrica assoluta della superficie libera del liquido nella vasca di
aspirazione in m.
• ze è il dislivello tra la quota della superficie libera del liquido e il piano di riferimento
in m.
• Y sono le perdite di carico, continue e localizzate, nella condotta di aspirazione.
Questo carico però non è tutto disponibile per soddisfare l’NPSHr, poiché all’interno della
pompa la pressione, misurata in metri di colonna d’acqua, non deve scendere al di sotto del valore ht della tensione di vapore del liquido. L’espressione dell’NPSHdisp assume allora la
forma:
(7.6)
𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑑𝑑𝑒𝑒 − ℎ𝑡𝑡
Sollevando acqua fredda in condizioni di pressione atmosferica normali, in cui ha≈10 m e
ht≈10 m, l’espressione (7.6) assume la forma: (7.7)
𝑁𝑁𝑆𝑆𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 ≅ 10 + 𝑧𝑧𝑒𝑒 − 𝑌𝑌
In Tabella 7.5 è riportata la verifica alla cavitazione per le diverse condizioni di lavoro analizzate. Le perdite di carico in aspirazione sono comprese nella curva della pompa (Figura 7.17).
La tensione di vapore dell’acqua in metri di colonna liquida varia da 0,23 m per il liquido alla temperatura di 20° a 0,75 per 40°
165 TABELLA 7.5 - VERIFICA NPSH
166 7.5 Vasca di aspirazione
E’ già stato accennato che allo stato attuale l’impianto è dotato di una vasca di aspirazione di ridotta capacità (170 m3).
Il nuovo progetto prevede l’aumento di capacità della vasca, senza però determinare un incremento eccessivo di volume per limitare l’ingombro, e di concepire il funzionamento delle pompe come quello che si ha negli impianti delle fognature: si stabiliscono, cioè per ogni pompa, una successione di attacchi e stacchi con i rispettivi riempimenti e svuotamenti della vasca. Così facendo, si ottengono volumi ridotti della vasca.
E’ necessario però garantire un certo volume di compenso per evitare che la prima pompa si stacchi dopo aver pompato la portata che gli compete all’inizio dell’onda di piena in arrivo. Per il dimensionamento della vasca di aspirazione bisogna considerare che, all’inizio dell’onda di piena, il livello del pelo libero nei canali subirà un graduale innalzamento e raggiungerà il livello di attacco prestabilito per la prima pompa. Quest’ultima pomperà la piccola portata in arrivo, in quanto siamo all’inizio della fase di piena, e avverrà uno svuotamento veloce della vasca. Quindi se non è presente un volume d’acqua di compenso, la pompa si staccherà e non ci sarà continuità di pompaggio per l’arrivo delle maggiori portate di piena.
Il volume di compenso può essere calcolato con l’aiuto del grafico dell’onda di piena. Una volta fissato il numero n di pompe, si stabilisce la sequenza di funzionamento delle stesse in modo tale da ottenere il minimo volume della vasca. Ciascuna pompa è in grado di sollevare una portata pari a qp = Q/n (Q è la portata massima in arrivo e n è il numero di pompe
installate).
Per il tracciamento del diagramma di pompaggio, si disegnano sul grafico dell’onda di piena le rette orizzontali di ordinata qp, 2qp, …, nqp e si fissa un unico livello di attacco e un unico
livello di arresto per tutte le pompe.
La prima pompa entrerà in funzione in un istante t1 tale che l’area O t1 A ,che rappresenta il
volume liquido invasato dalla vasca dall’istante iniziale fino a t1, sia uguale all’area A B C,
167
è maggiore di quella in arrivo nella vasca. Proseguendo in questo modo per le altre pompe si ottiene un andamento a gradinata (Figura 7.19).
FIGURA 7.19 – ESEMPIO DI DIAGRAMMA DI POMPAGGIO A GRADINATA
Per evitare che al raggiungimento del livello che le pompe si avviino tutte contemporaneamente, è opportuno fissare livelli di attacco sempre più elevati in modo da impedire, per effetto delle oscillazioni che si verificano in vasca, l’avvio della successiva pompa quando non necessario.
Durante la fase ascendente dell’onda si avrà l’entrata in funzione delle successive pompe e durante la fase discendente lo stacco progressivo delle stesse; il sollevamento delle acque della coda dell’onda avviene mediante successivi attacchi e stacchi di una delle pompe. Il volume da dare alla vasca viene scelto con riferimento al massimo volume di riempimento o di svuotamento che si ottiene.
168 7.5.1 Diagramma di pompaggio e volume vasca
La portata massima in arrivo all’impianto è come già visto in precedenza di 11300 l/s, considerando il compenso dato vasca e avendo previsto l’installazione di 4 pompe, si ottiene il seguente diagramma di pompaggio:
FIGURA 7.20 - DIAGRAMMA DI POMPAGGIO
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
t [min]
Q
[m
³/s
]
Qmax169 Il volume da assegnare alla vasca si valuta come già detto nei paragrafi precedenti con riferimento al massimo volume di riempimento o di svuotamento che si ottiene dal diagramma di pompaggio.
Nel caso in esame si ottiene un volume pari a 700 m3 con un’altezza di 2,77 m.
La Tavola 4 riporta i disegni del nuovo impianto.
7.5.2 Celle di aspirazione
Una particolare attenzione deve essere dedicata ad una corretta disposizione dell'impianto idrovoro rispetto al collettore di alimentazione e, all'interno dell'impianto, ad una appropriata determinazione delle dimensioni da assegnare alle celle di contenimento delle elettropompe e ad una corretta collocazione di queste ultime all'interno dei vani di alloggiamento.
Si ha la necessita di evitare o di limitare al massimo I'insorgenza dei seguenti fenomeni: • vortici di superficie
• intrusioni pulsanti d'aria • vortici di parete e di fondo • moti di rotazione
• fenomeni di trascinamento d'aria • fenomeni di turbolenza su larga scala • zone di ristagno nel campo di moto
I vortici di superficie non risultano particolarmente dannosi quando danno luogo a limitate depressioni sulla superficie del pelo libero, bensì quando provocano una intrusione di bolle d'aria ad intermittenza, e quando il loro nucleo si estende pienamente sviluppato all'interno della colonna aspirante (Figura 7.21).
170 FIGURA 7.21 – VORTICI DI SUPERFICIE
L’asimmetria o la prenotazione del fluido che si approssima all'imbocco, associate a zone di
ristagno d'acqua in prossimità di esso, favoriscono la possibilità di formazione di vortici che producono ingresso d'aria nella pompa.
Per limitati valori del battente d'acqua possono, per particolari conformazioni del condotto di aspirazione, formarsi depressioni locali sulla superficie libera adiacente all'idrovora, in grado di provocare, in maniera analoga ai vortici, intrusioni d'aria ad intermittenza, specie in presenza di velocità d'ingresso elevate.
I vortici di parete e di fondo (Figura 7.22), che possono essere resi visibili mediante immissioni di traccianti o di bolle d'aria nella zona di origine e di sviluppo, danno luogo a rapidi cambiamenti nelle pressioni all'interno della tubazione aspirante, con effetti particolarmente nocivi in presenza di pompe assiali.
171 FIGURA 7.22 - VORTICI DI PARETE O DI FONDO
Moti di rotazione del fluido nella cella di alloggiamento delle pompe possono essere provocati soprattutto da rapide variazioni della direzione di moto o da dissimmetrie insite nell'alimentazione dell'impianto oppure dovute al funzionamento delle pompe (Figura 7.23). In molti casi in presenza di tali moti si possono osservare nuclei interni in rapida rotazione,
anche se non risultano visibili vortici di superficie.
FIGURA 7.23 - CAMPO DI MOTO DISSIMETRICO
Fenomeni di trascinamento d'aria nelle celle di alloggiamento, e di qui nelle pompe, possono essere dovuti a varie cause, e dipendono principalmente dal tipo di raccordo adottato tra canale di alimentazione ed impianto di sollevamento, con particolare riguardo alle variazioni
della quota di fondo tra il primo ed il secondo.
Altra causa di tale fenomeno è data dall'inserimento di più pompe in serie nel senso del moto: la prima genera effetti di scia, e la successiva aspira l'acqua in un campo di mota perturbato, se non e installata ad una congrua distanza dalla precedente.
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Aree di separazione si possono formare in particolari zone delle celle, ad esempio in prossimità degli angoli lungo la parete di fondo (Figura 7.24).
FIGURA 7.24 - ZONE DI POSSIBILE SEPARAZIONE DEL CAMPO DI MOTO
Per limitare l’insorgenza di questi fenomeni, grazie a prove sperimentali sono state trovate le seguenti dimensioni da assegnare alle celle contenenti le elettropompe sommergibili ad elica:
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Dove D è il diametro del tubo contenente la pompa e S indica la ‘sommergenza’ , cioè il valore minimo del battente d’acqua al di sopra della sezione aspirante della pompa. Esso deve essere tale da evitare la formazione di vortici a da assicurare che non intervenga la cavitazione. Dal grafici sottostante è possibile determinare S, in funzione del diametro nominale D e della portata Q.
FIGURA 7.26 - SOMMERGENZA MINIMA
L’impianto progettato in questo lavoro, come visto nei precedenti paragrafi, prevede l’utilizzo di elettropompe sommergibili ad elica della serie PL7115, che hanno un diametro di 1400 mm. Di seguito sono riportati gli schemi delle celle di contenimento e dell’impianto.
174 FIGURA 7.28 – SCHEMA IMPIANTO
