Principi d impiantistica e consigli tecnici per realizzare un impianto di micro irrigazione

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1 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: davide.canone@unito.it L IRRIGAZIONE IN FRUTTICOLTURA: risparmio idrico e principi d impiantistica 7 marzo 2014 Manta (CN)

2 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.

3 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 m 3 /s (l/s, l/min, m 3 /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: V Q A in cui l area della sezione A è l area bagnata. La velocità media così definita è quella che si introduce nei calcoli.

4 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.

5 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.

6 PERDITE DI CARICO CONTINUE NELLE CONDOTTE IN PRESSIONE

7 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 Tipo di terreno vinf a regime (mm/h) Sabbioso >40 Franco-sabbioso Franco 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.

12 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.

13 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. 13

14 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.

15 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.

16 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.

17 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.

18 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.

19 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.

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 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, manometri, valvole d intercettazione e di ritegno, ecc.). 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).

25 Prevalenza totale dell impianto La prevalenza totale dell impianto di sollevamento (H t ) 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 H P C dove: H 1 (m) = carico idraulico totale del liquido in una posizione scelta opportunamente a monte (dal punto di vista idraulico) della pompa. H 2 (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 H 1 ed H 2, escluse le perdite di carico interne alla pompa, che sono contabilizzate nell efficienza della pompa medesima.

26 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 H t è un minimo. Aumentando Q aumentano, più che linearmente, le perdite di carico e quindi con analogo andamento aumenta il valore di H t. 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).

27 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 quelle centrifughe, quelle ad ingranaggi, ecc. Le più diffuse sono le pompe centrifughe, praticamente le uniche impiegate per aumentare la quota e/o la pressione dell acqua negli impianti d irrigazione.

28 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.

29 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.

30 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.

31 Pompa centrifuga sommergibile, pluricellulare, ad asse verticale.

32 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.

33 Esempio di caratteristiche tecniche di una serie di elettropompe, fornite dal costruttore.

34 Esempio curve portata-prevalenza per una serie di elettropompe, fornite dal costruttore.

35 I FILTRI Particolare importanza riveste la filtrazione, in funzione delle ridotte sezioni idriche che presentano molti erogatori (anche inferiori ad 1 mm 2 ) 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;

36 - 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.