Maurizio Giugni Titolo della lezione Centrali di sollevamento. Gli impianti elevatori nei sistemi acquedottistici

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1 Maurizio Giugni Titolo della lezione Centrali di sollevamento # Lezione n. Parole chiave: Sistemi acquedottistici. Gruppi di pompaggio. Impianti elevatori. Corso di Laurea: Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Insegnamento: Infrastrutture Idrauliche Docente: Inserire testo A.A Gli impianti elevatori nei sistemi acquedottistici Nell ambito dei sistemi acquedottistici, spesso caratterizzati da estese interconnessioni e dalla frequente necessità di sollevare o rilanciare volumi idrici anche di notevole entità, le classiche problematiche poste dagli impianti elevatori acquisiscono un peso economico di notevole rilievo non solo in fase di progetto ma anche e soprattutto nella gestione del sistema. 1

2 Problematiche degli impianti di sollevamento Scelta del materiale Dimensionamento della condotta elevatoria Analisi degli effetti di moto vario indotti da eventi accidentali (distacco istantaneo della potenza motrice) Scelta dell organo (o degli organi?) di attenuazione di tali effetti Scelta del materiale Condotte metalliche (acciaio e ghisa) Modulo elastico elevato Materiale elastico (proporzionalità diretta tra sforzo alla parete e deformazione) Resistenze al moto più elevate rispetto ai materiali sintetici (maggiore prevalenza) Incremento della scabrezza nel tempo ( invecchiamento della condotta), con effetti sul punto di funzionamento della pompa Elevata sensibilità alla corrosione elettrochimica Celerità m/s (effetti di moto vario) 2

3 Scelta del materiale Condotte sintetiche o composite (PEAD e PRFV) Modulo elastico sensibilmente minore Resistenze al moto ridotte (minore prevalenza) ed invariate nel tempo Elevata resistività elettrica (ottime caratteristiche d isolamento) Materiale viscoelastico Celerità m/s (effetti di moto vario) Dimensionamento della condotta elevatoria C i D s L tub tub C tub \ C e Q H 9.8 m n C KWh Calcolo economico di un impianto elevatorio tub : peso specifico del materiale di condotta D : diametro della tubazione s : spessore della tubazione L tub : lunghezza della condotta C tub : costo/kg della tubazione Q : portata H m : prevalenza manometrica : rendimento del gruppo di sollevamento n : numero di ore annue di funzionamento C kwh : costo del kwh C i : costo d impianto (tubazioni e gruppo) C e : onere economico annuo r: tasso di ammortamento annuo (funzione del tasso medio d interesse praticato e del numero di anni di vita utile prevista per l opera) 3

4 Dimensionamento della condotta elevatoria Limitazioni di velocità V 0.50 m/s, per evitare problemi di sedimentazione V m/s, per prevenire l usura delle pareti interne della condotta e sollecitazioni elevate di colpo d ariete Fattori caratterizzanti un gruppo di pompaggio e condizionanti la scelta Portata Q Prevalenza H Rendimento Potenza P Modalità d installazione NPSH (Net Positive Suction Head) 4

5 Scelta della tipologia del gruppo di pompaggio Campi di utilizzazione di gruppi di pompaggio di diversa tipologia 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. Schema di pompa centrifuga 1) Aspirazione 2) Mandata 3) Girante 5

6 Quando una pompa è costituita da un diffusore con una sola girante, la pompa si dice monostadio. Quando le giranti sono più di una, la pompa si dice multistadio o multicellulare. Riguardo alle modalità d impiego le elettropompe possono essere classificate in: elettropompe comuni elettropompe sommergibili elettropompe sommerse Elettropompe comuni Le elettropompe comuni sono le più usuali; sono quelle costruite per funzionare all asciutto, per cui il motore non ha bisogno di protezioni particolari. Se ne trovano di tutte le dimensioni e sono impiegate in tutti i campi. Generalmente sono ad asse orizzontale, ma possono essere ad asse verticale, monostadio o multistadio. In alcuni modelli ad asse verticale la lunghezza dell albero di trasmissione tra motore elettrico e pompa è tale da permettere alla pompa di lavorare sommersa mentre il motore resta fuori dell acqua. 6

7 Elettropompe sommergibili Le elettropompe sommergibili sono pompe ad asse verticale, destinate ad essere installate direttamente in acqua sul fondo della vasca di carico e a funzionare anche con tiranti molto modesti. Il motore elettrico e l accoppiamento con la pompa sono perfettamente stagni, in modo che l elettropompa possa funzionare anche sommersa, qualora salga il livello idrico nella vasca di carico. Le elettropompe sommergibili sono impiegate soprattutto negli impianti di sollevamento per fognature; sistemi di accoppiamento rapido alla condotta di mandata rendono agevole la loro estrazione e manutenzione. Elettropompe sommerse Le elettropompe sommerse sono pompe, in genere ad asse verticale, concepite per funzionare sott acqua. Tipiche pompe sommerse sono le pompe da pozzo, costruite per funzionare in profondità all interno di tubi di qualche decina di centimetri di diametro. Sono del tipo multistadio con motore inferiore per consentire la connessione col tubo di mandata. Pompe analoghe vengono installate all interno delle tubazioni degli acquedotti per aumentare la pressione della rete a valle. Questi dispositivi sono conosciuti col nome di pompe di rilancio (booster). Booster (Caprari) Pompe da pozzo (Lowara) 7

8 A parità di velocità di rotazione, la prevalenza diminuisce all aumentare della portata erogata. Le curve che rappresentano l andamento della prevalenza al variare della portata ad una certa velocità di rotazione prendono il nome di curve caratteristiche della pompa. Nella figura, a tratto continuo, sono riportate le curve caratteristiche di una pompa monostadio ad asse orizzontale corrispondenti a quattro velocità di rotazione, tratte dal catalogo della ditta costruttrice. Le curve sono definite empiricamente. Con linea tratteggiata sono riportate le curve caratteristiche costruite per le varie velocità sulla base delle relazioni precedenti, che risultano sostanzialmente confermate. Curve caratteristiche reali di una pompa per diverse velocità di rotazione e curve attese in base al rapporto di velocità 8

9 Esempio di diagramma collinare 9

10 Esempio di curve caratteristiche per pompe centrifughe La ripidità delle curve caratteristiche (in figura in funzione del numero di giri caratteristico, n s ) può avere notevole influenza: sulla stabilità di funzionamento del gruppo sul consumo energetico. Curve caratteristiche al variare del numero di giri caratteristico Spostamento del punto di funzionamento sulla curva caratteristica della pompa 10

11 Punto di funzionamento di un gruppo Individuazione del punto di funzionamento di un gruppo, mediante intersezione della sua curva caratteristica H(Q) con la curva caratteristica dell impianto Punto di funzionamento di un gruppo Spostamento del punto di funzionamento del gruppo sulla curva caratteristica dell impianto in funzione della tipologia della girante 11

12 Pompe in parallelo e in serie Elettropompe in parallelo Elettropompe in serie Pompe a velocità variabile E possibile ricorrere a pompe a velocità variabile, in particolare in sistemi idrici caratterizzati da notevoli variazioni di portate e carichi, al fine di conseguire: una minimizzazione dei consumi energetici; una riduzione delle dispersioni idriche (legata alla riduzione delle pressioni d esercizio nei periodi di minore consumo). n s 60 f p 1 s Velocità di rotazione n s : numero di giri al minuto di un motore a corrente alternata (a induzione trifase o asincrono) n o : velocità di rotazione reale n o 60 f 0.95 p f : frequenza della tensione di alimentazione, misurata in Hz s : scorrimento p : numero di coppie polari del motore (motori a 2, 4, 6, 8 poli) 12

13 Pompe a velocità variabile Variazione della velocità di rotazione di una pompa Interposizione tra motore e pompa di un organo di variazione del numero di giri della macchina: variatore idraulico variatore magnetico variatore con cinghie e pulegge di diametro variabile Organi di variazione del numero di giri di una pompa Variazione della velocità di rotazione di una pompa Pompe a velocità variabile Dispositivi per variare direttamente il numero di giri del motore elettrico, agendo sul numero di coppie polari, sullo scorrimento o sulla frequenza: Motore a doppia polarità (p) Variatore di tensione a frequenza costante (s) Variatore di tensione e di frequenza (f): convertitore di frequenza (inverter) Esempio di pompa a velocità variabile 13

14 Inverter INVERTER : dispositivo elettronico utilizzato per il controllo di tensione e frequenza atto alla regolazione della velocità di rotazione e della coppia di un motore elettrico TIPOLOGIE DI INVERTER a frequenza costante (es. : gruppo di continuità per PC) a frequenza variabile scalare (convertitore statico di frequenza) + semplice ed economico; - efficiente vettoriale più complesso e costoso; più efficiente Inverter Inverter Vantaggi dell inverter Adeguata elasticità di funzionamento dei gruppi di pompaggio, con rendimenti sempre elevati, senza ricorrere a gruppi di diversa taglia o affrontare problemi di regolazione (minimizzazione dei consumi energetici) Rampa controllata di accelerazione e decelerazione, consentendo avviamenti e distacchi morbidi e dilatati nel tempo: - riduzione delle correnti di spunto (minore riscaldamento del motore, vantaggi tariffari (*) ) - riduzione delle sollecitazioni e dell usura degli elementi meccanici (*) Dal Testo integrato delle disposizioni dell Autorità per l E.E. e il Gas per l erogazione dei servizi di trasmissione, distribuzione, misura e vendita dell energia elettrica. la potenza prelevata è, in ciascuna ora, il valore medio della potenza prelevata nel quarto d ora fisso in cui tale valore è massimo; in alternativa, è facoltà dell esercente assumere come potenza prelevata il 70% della potenza massima istantanea 14

15 Inverter Avviamento/spegnimento di un gruppo di pompaggio [P] 6 8 P REGIME stella-triangolo avviatore statico INVERTER 2,5 3,5 P REGIME P REGIME t1 t2 t3 [t] Tempi avviamento t1 = 5 10 [s] t2 = [s] t3 = [s] AVVII/ARRESTI PIÙ MORBIDI POTENZE DI SPUNTO NULLE SOLLECITAZIONI MECCANICHE MINORI CONSUMI ENERGETICI MINORI TARIFFAZIONE PIU ECONOMICA Inverter Vantaggi dell inverter Andamento della pressione (prima dell installazione di un inverter) Andamento della pressione (dopo l installazione di un inverter) 15

16 Inverter Svantaggi dell inverter Costo fisso e di manutenzione spesso non trascurabile Ingenera disturbi elettromagnetici, per cui è necessario prevedere dispositivi di protezione (schermature), la cui installazione e manutenzione comporta un aggravio economico CAVITAZIONE Quando in un punto di un liquido la pressione scende al disotto della tensione di vapore, si produce cavitazione, ovvero evaporazione all interno del liquido con formazione di bolle di vapore. Il fenomeno è analogo all ebollizione: in questo caso aumentando la temperatura cresce la tensione di vapore fino a superare la pressione del liquido e le bolle che si formano sono stabili in quanto il vapore viene a trovarsi alla stessa pressione del liquido. La cavitazione, al contrario, si manifesta per un calo improvviso di pressione nel liquido, mentre temperatura, e quindi tensione di vapore, restano costanti. Tensione di vapore dell'acqua al variare della temperatura In questo caso le bolle di vapore sono instabili e appena la pressione torna a superare la tensione di vapore, la sostanza torna alla fase liquida e la bolla implode istantaneamente. La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione, poiché altera la tensione di vapore. Se la temperatura aumenta, la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione. 16

17 CAVITAZIONE Nelle pompe la cavitazione può verificarsi in aspirazione, quando questa avvenga in condizioni di bassa pressione. Le bolle di vapore che si formano all ingresso della pompa attraversano la girante ed implodono violentemente alla uscita per l aumento di pressione, producendo un rumore caratteristico, come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia. La presenza di liquido e di vapore provoca riduzione di efficienza e rumorosità, e danneggia la pompa per corrosione dei materiali (la figura mostra la girante di una pompa centrifuga danneggiata dall effetto della cavitazione). Il punto di funzionamento della pompa deve verificare la condizione che: NPSH NPSH disp > NPSH r NPSH: Net Positive Suction Head (carico netto positivo di aspirazione) NPSH disp z a pv Y in cui: - z a : dislivello fra la bocca di aspirazione e il pelo libero del serbatoio di aspirazione. Si considera l'altezza di aspirazione con segno negativo se la pompa è installata sopra battente, con segno positivo quando è sotto battente - p v : tensione di vapore (alla temperatura del fluido) - Y : perdite di carico complessive nel tratto di aspirazione - NPSH r : valore (fornito dal costruttore) relativo alla pompa e funzione della velocità all'aspirazione 17

18 NPSH Per il corretto funzionamento dell impianto bisogna accertare che l NPSH disponibile dell impianto sia uguale o maggiore dell NPSH richiesto dalla pompa. NPSH Nei calcoli per l NPSH occorre ovviamente tenere conto anche della quota rispetto al livello del mare dell impianto elevatorio, ossia della variazione della pressione atmosferica con l altitudine (cfr. figura). Altitudine e relativa pressione atmosferica 18

19 Effetti di moto vario negli impianti di sollevamento Effetti di moto vario conseguenti ad una brusca interruzione della potenza motrice (distacco accidentale): depressione problemi di cavitazione sovrappressione problemi strutturali per la condotta premente D.M : grande attenzione alle azioni dinamiche Dispositivi di attenuazione Vasca di oscillazione e tubo piezometrico c V g 1 q y 0 q F A ct c y : sovrapressione ammissibile c : celerità della condotta c t : celerità del tubo piezometrico V o : velocità a regime in condotta g : accelerazione di gravità A. sezione della condotta F : sezione del tubo piezometrico Schema di un impianto di sollevamento con vasca di oscillazione 19

20 Dispositivi di attenuazione Volano E K E v c Y Y max 0 2 GD 7163 E N v per n s < per 500 n s 950 E v : forza viva delle masse volaniche E c : energia cinetica della colonna liquida Y max : sovrapressione massima ammissibile Y o : carico statico sull asse della pompa in centrale GD 2 : momento dinamico delle masse volaniche N o : velocità di rotazione del gruppo Cassa d aria: trattazione anelastica di Evangelisti Dispositivi di attenuazione Z L g dv dt du Vdt Y U s H n s YU 2 0 V 0 ( )V V n cost K 2 0 V 0 Schema di un impianto di sollevamento con cassa d aria 20

21 L ipotesi anelastica è valida se Z max e lz min l Dispositivi di attenuazione 1 c 2 g Z : variazione di carico in fase di moto vario in corrispondenza della cassa, misurata a partire dal carico statico assoluto Y s L : lunghezza della condotta : sezione della condotta V : velocità media in condotta in un generico istante t del moto vario V 0 : velocità media in condotta a regime U : volume occupato dall aria al carico assoluto Y U s : volume occupato dall aria al carico assoluto statico Y s Y : carico assoluto in corrispondenza della cassa in moto vario Y s : carico statico assoluto in corrispondenza della cassa H : perdite di carico in condotta in un generico istante del moto vario H 0 : perdite di carico in condotta a regime K : resistenza localizzata indotta dalla strozzatura in un generico istante del moto vario K 0 : resistenza localizzata indotta dalla strozzatura in corrispondenza della velocità di regime V 0 Dispositivi di attenuazione Problemi per il dimensionamento delle casse d aria Caratterizzazione teorico-sperimentale dell esponente n della politropica Influenza sul transitorio dell elasticità del sistema liquido-condotta premente Funzionamento delle casse d aria in impianti di modesta prevalenza Casse d aria in serie Manovre composte (avviamento - distacco) Influenza di una strozzatura diversa dalla ottima (De Sparre) Influenza delle condizioni di valle, sostituendo al serbatoio a livello fisso ed invariabile un piezometro verticale a sezione costante 21

22 Dispositivi di attenuazione non tradizionali Valvola di scarico rapido Cassa d acqua By-pass con valvola unidirezionale Valvola di scarico rapido Valvola di rientrata d aria Riduttori localizzati della celerità Dispositivo di riduzione locale della celerità Stazioni di pompaggio Schema di una stazione di sollevamento 22

23 Stazioni di pompaggio Schema d installazione di un gruppo di sollevamento IPPOLITO, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore, Napoli Materiali di studio MILANO, V., Acquedotti, Hoepli Editore IONEL, I., Pumps and Pumping, Elsevier BIANCHI, A., SANFILIPPO, U., Pompe e impianti di sollevamento, Biblioteca Tecnica Hoepli, Hoepli Editore 23