R.2.3 Relazione tecnica idraulica

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1 Via XXV Aprile, 18 - Rovato COMUNE DI PALAZZOLO SULL OGLIO PROVINCIA DI BRESCIA UPGRADING DEL DEPURATORE COMUNALE DI PALAZZOLO SULL OGLIO PROGETTO DEFINITIVO R.2.3 Relazione tecnica idraulica Rovato, novembre 2014 Il progettista Dott. Ing. Valerio Zambarda Il responsabile progettazione Dott. Ing. Mauro Olivieri

2 SOMMARIO PREMESSA CENNI TEORICI CANALI, CANALETTE E TUBAZIONI A PELO LIBERO ALTEZZA MASSIMA IN CANALI E CANALETTE STRAMAZZI RETTANGOLARI STRAMAZZI TRIANGOLARI TIPO THOMSON CON ANGOLO DI TUBAZIONI IN PRESSIONE DATI DI PROGETTO VERIFICA DEL PROFILO IDRAULICO TUBAZIONI A PELO LIBERO CALCOLO DEL PROFILO IDRAULICO NELLE CONDIZIONI MASSIME AMMISSIBILI LINEA DELL ARIA Pag. 2 di 15

3 PREMESSA La presente relazione illustra i calcoli idraulici di dimensionamento delle tubazioni e delle pompe. In particolare: - il capitolo 1 illustra un richiamo teorico sui metodi di calcolo; - il capitolo 2 illustra i dati di progetto; - il capitolo 3 calcola il profilo idraulico delle tubazioni della linea acque; - il capitolo 4 si occupa della linea dell aria. Pag. 3 di 15

4 1 CENNI TEORICI R Relazione tecnica idraulica 1.1 CANALI, CANALETTE E TUBAZIONI A PELO LIBERO Il dimensionamento di canali, tte e tubazioni a pelo libero è stato eseguito facendo riferimento alla scala di deflusso di moto uniforme per le correnti a pelo libero. Tale ipotesi di lavoro è sufficientemente attendibile in quanto, per tratti omogenei di condotta, si ha uniformità di portata smaltita, diametro, pendenza del fondo, scabrezza, sempreché, come accade nel caso presente, le condizioni al contorno di valle non siano tali da generare significativi rigurgiti e la portata in ingresso da monte non determini la saturazione dell imbocco. La formula di moto uniforme impiegata è quella di Chézy: V = χ R i V= velocità media (m/s) R = A/P= raggio idraulico (m) A= area bagnata, ovvero l area della sezione trasversale della corrente (m 2 ) P= perimetro o contorno bagnato, ovvero la lunghezza del perimetro della sezione bagnata dalla corrente (m) i= pendenza del fondo del χ= coefficiente di scabrezza di Chézy valutato secondo la formula di Gauckler-Strickler, ovvero: 1/ 6 χ = K S R dove K S rappresenta il parametro di scabrezza di Gauckler-Strickler (m 1/3 s -1 ). Si ottiene pertanto: 2 / 3 V = K S R i 1/ 2 che, moltiplicata per l area bagnata A (m 2 ), fornisce il valore della portata (m 3 /s): 2 / 3 = A K S R i 1/ ALTEZZA MASSIMA IN CANALI E CANALETTE Per determinare l altezza massima in canali e tte a sezione rettangolare è necessario conoscere l altezza di, calcolabile attraverso la seguente formula: k = 3 2 g B 2 k= altezza di (m) = portata (m 3 /s) Pag. 4 di 15

5 B= larghezza del (m) g= accelerazione di gravità= 9,81 m/s 2 L altezza massima è quindi data da: R Relazione tecnica idraulica h max = k 3 Nel caso delle tte dei sedimentatori, visto che il refluo entra su due lati del di scarico, si utilizza una portata pari a / STRAMAZZI RETTANGOLARI La portata uscente da uno stramazzo rettangolare a sbocco libero è stata calcolata come segue: = C L h 2 g h = portata (m 3 /s) C= coefficiente di efflusso = 0,385 per stramazzi a larga soglia e 0,40-0,42 per stramazzi a soglia sottile L= lunghezza della soglia di sfioro (m) h = altezza d acqua a monte della soglia (m) g= accelerazione di gravità= 9,81 m/s 2 La portata uscente da uno stramazzo rettangolare rigurgitato è stata calcolata come segue: 2 = L μ1 h2 2 g h1 + μ 2 h1 2 g h1 3 = portata (m 3 /s) μ = coefficiente di efflusso (per traverse normali μ 1 = μ 2 = 0,65) h 1 = differenza di livello tra monte e valle della soglia (m) h 2 = battente sullo stramazzo a valle della soglia (m) L= lunghezza della soglia di sfioro (m) g= accelerazione di gravità= 9,81 m/s 2 La portata uscente da uno stramazzo rettangolare rigurgitato è stata calcolata come segue: 2 = L μ1 h2 2 g h1 + μ 2 h1 2 g h1 3 = portata (m 3 /s) μ = coefficiente di efflusso (per traverse normali μ 1 = μ 2 = 0,65) h 1 = differenza di livello tra monte e valle della soglia (m) h 2 = battente sullo stramazzo a valle della soglia (m) L= lunghezza della soglia di sfioro (m) g= accelerazione di gravità= 9,81 m/s 2 Pag. 5 di 15

6 1.4 STRAMAZZI TRIANGOLARI TIPO THOMSON CON ANGOLO DI 90 La sommergenza degli stramazzi triangolari tipo Thomson con angolo al vertice di 90 è stata calcolata applicando la formula: h = 1,44 2 / 5 h= altezza d acqua sulla soglia dello stramazzo (m) = portata transitante (m 3 /s) 1.5 TUBAZIONI IN PRESSIONE Il dimensionamento delle condotte in pressione è stato compiuto valutando le perdite di carico totali date dalla somma: delle perdite di carico distribuite (ΔH d ), indotte dalla scabrezza interna delle tubazioni e dovute a fenomeni di attrito e turbolenza; delle perdite di carico concentrate (ΔH c ), dovute a fenomeni di turbolenza che si generano in tratti singolari e relativamente brevi del condotto, quali l imbocco, lo sbocco, le curve, le variazioni di sezione, a causa del brusco cambiamento di direzione che devono subire le traiettorie in questo breve tratto; della prevalenza geodetica (ΔH g ), data dalla differenza tra la quota del pelo libero di monte e quella della sezione di sbocco. Il calcolo delle perdite di carico distribuite lungo la condotta in pressione è stato eseguito utilizzando la formula di Darcy-Weisbach, che esprime la cadente piezometrica j come: 2 V j = λ 2 g D j= cadente piezometrica λ= coefficiente adimensionale di attrito, che è legato agli altri fattori che determinano la cadente attraverso la formula di Colebrook, detta anche formula di Colebrook-White (cfr. sotto) V= velocità media del fluido (m/s) g= accelerazione di gravità= 9,81 m/s 2 D= diametro della condotta (mm) Il coefficiente di attrito λ è stato valutato per mezzo della formula di Colebrook: 1 2,51 = 2 log + ε λ Re λ 3,71 D con ρ V D Re = μ V D = ν Pag. 6 di 15

7 Re= numero di Reynolds che caratterizza il regime di moto λ= coefficiente adimensionale di attrito ε= scabrezza omogenea equivalente (mm) V= velocità del fluido (m/s) D= diametro della condotta (mm) μ= viscosità dinamica (N s m -2 ) ρ= densità del fluido (kg/m 3 ) ν= viscosità cinematica (m 2 s -1 ) La congruità del calcolo è stata inoltre verificata con le formule monomie, valutando la cadente piezometrica mediante la seguente espressione: j = a D b c j= cadente piezometrica (m/m) = portata (m 3 /s) D= diametro interno della condotta (m) a, b, c= parametri dipendenti dal tipo di condotta (cfr. tabella 1.1) Formula Condotta a b c Marchetti acciaio senza saldatura con rivestimento bituminoso interno a spessore, 85 D 347 0,0010 1,81 4,80 mm, 0,30 V 5,80 m/s Hazen-Williams tubi grezzi di ghisa, di acciaio senza saldatura, di cemento armato 0,0013 1,85 4,87 acciaio senza saldatura con semplice Scimemibitumatura interna, 39 D 403 mm, 0,20 Veronese V 4 m/s 0,002184* 1,82 4,71 Datei-Marzolo PVC, PEad, vetroresina 0, ,80 4,80 *compreso un coefficiente di invecchiamento pari a 1,5 Tabella 1.1 Formule pratiche per il calcolo della cadente piezometrica: caratteristiche delle condotte e relativi valori dei parametri a,b,c. Le formule monomie sono valide: per condotte circolari; per il regime di moto turbolento di transizione che corrisponde, per le condotte attualmente commercializzate, al campo di velocità di pratico interesse. Pertanto, nota la lunghezza L della condotta, è possibile ricavare la perdita di carico distribuita: Δ H d = j L Il calcolo delle perdite di carico concentrate lungo la condotta in pressione può essere eseguito utilizzando la seguente espressione: Pag. 7 di 15

8 2 V ΔH c = k 2 g k= coefficiente dipendente dalla tipologia della singolarità V= velocità dell acqua nella tubazione (m/s) g= accelerazione di gravità= 9,81 m/s 2 Normalmente tale valutazione risulta significativa quando la condotta è corta, ovvero quando L < 1000 D. Si riportano a titolo esemplificativo alcuni valori del coefficiente k in funzione delle specifiche singolarità. imbocco a spigolo vivo o piede di accoppiamento pompe: k = 0,5; sbocco: k = 1,0; allargamento brusco di sezione da A 1 a A 2 : k = (A 2 /A 1-1) 2 ; restringimento di sezione da A 1 a A 2 : A 2 /A 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 k 0,48 0,44 0,41 0,31 0,26 0,24 0,18 0,13 0,06 curva a 90 (stampata, arrotondata): k = 0,33; curva a 45 (stampata, arrotondata): k = 0,19; curva a 90 a T: k = 1,5; saracinesca (apertura completa): k = 0,2; valvola di ritegno a palla (apertura completa): k = 0,4; misuratore di portata: k = 0,2. 2 DATI DI PROGETTO Il profilo longitudinale del pelo libero della linea liquami è stato calcolato considerando la portata massima transitante all interno delle varie sezioni dell impianto nella configurazione prevista nel progetto ovvero: - portata massima ammessa all impianto: max = m 3 /d (1.250 m 3 /h); - portata massima di ricircolo dei fanghi: R = 2 m = m 3 /d (750 m 3 /h); - portata complessiva di ricircolo della miscela aerata: RM = m 3 /d (1.400 m 3 /h); Pag. 8 di 15

9 3 VERIFICA DEL PROFILO IDRAULICO Sulla base di quanto precedentemente esposto è stato calcolato il profilo idraulico. 3.1 TUBAZIONI A PELO LIBERO Nel presente paragrafo vengono riportate le verifiche idrauliche effettuate sulle principali tubazioni a pelo libero che, nello specifico, sono: linea di scarico finale nel collettore di scarico linea di by-pass disinfezione finale; Le verifiche effettuate sono state condotte in riferimento alla portata massima in tempo di pioggia. I risultati sono riportati nelle tabelle seguenti. Linea di scarico finale nel collettore fognario Descrizione Tratto dal Pozzetto P3 a P5 Tratto dal Pozzetto P2 a P3 Tratto dal Pozzetto P1 a P2 Scarico Disinfezione 1 Pozzetto P2 Scarico Disinfezione 2 Pozzetto P1 [m 3 /h] D e [mm] D i [mm] L [m] i [%] K s [m 1/3 /s] Condizioni massime ammissibili h [mm] h/d i [%] V [m/s] , ,30 0,64 2, , ,30 0,64 2, , ,20 0,42 2, , ,22 0,6 2, , ,22 0,6 2,51 Tabella 3.1 Parametri di dimensionamento e verifiche della linea di scarico finale nel collettore fognario. Linea di by-pass disinfezione finale Descrizione Tratto dal Pozzetto P3 a P4 bypass Disinfezione Pozzetto P4 [m 3 /h] D e [mm] D i [mm] L [m] i [%] K s [m 1/3 /s] Condizioni massime ammissibili h [mm] h/d i [%] V [m/s] , ,30 0,64 2, , ,30 0,66 2,96 Tabella 3.2 Parametri di dimensionamento e verifiche della linea di by-pass disinfezione finale. Pag. 9 di 15

10 3.2 CALCOLO DEL PROFILO IDRAULICO NELLE CONDIZIONI MASSIME AMMISSIBILI Descrizione Tubazione di scarico finale (dal pozzetto P3 a P5 De) Tubazione di scarico finale (dal pozzetto P2 a P3) Tubazione di scarico finale (dal pozzetto P1 a P2) Scarico Disinfezione linea 1 Pozzetto P2 scarico Disinfezione linea 2 Pozzetto P1 Tratto dal pozzetto P3 al P4 Bypass disinfezione Pozzetto P4 Disinfezione linea 1 Stramazzo d'uscita Disinfezione linea 2 Stramazzo d'uscita Disinfezione linea 1 Stramazzo d'ingresso Disinfezione linea 2 Stramazzo d'ingresso Tipologia di perdita di carico Tubazione a gravità Tubazione a gravità Tubazione a gravità Tubazione a gravità Tubazione a gravità Tubazione a gravità Tubazione a gravità Caratteristiche della tubazione PVC SN8 De 500 (Di 470,8 mm) PVC SN8 De 500 (Di 470,8 mm) PVC SN8 De 500 (Di 470,8 mm) PVC SN8 De 400 (Di 376,6 mm) PVC SN8 De 400 (Di 376,6 mm) PVC SN8 De 500 (Di 470,8 mm) PVC SN8 De 500 (Di 470,8 mm) Δh uote valle uote monte [m 3 Dimensione /h] [m] [m] [m] [m] [m] 1250 Lu 12 0,30 F t 2,16 H pl 1,86 F t 1,92 H pl 1, Lu 1 0,30 F t 1,92 H pl 1,62 F t 1,9 H pl 1,6 625 Lu 6 0,20 F t 1,90 H pl 1,7 F t 1,78 H pl 1, Lu 2 0,22 F t 1,58 H pl 1,36 F t 1,54 H pl 1, Lu 2 0,22 F t 1,58 H pl 1,36 F t 1,54 H pl 1, Lu Lu 4 0,30 F t 1,92 H pl 1,62 F t 1,62 H pl 1,32 0,30 F t 1,62 H pl 1,32 F t 1,54 H pl 1,24 Stramazzo a larga soglia 625 La 1 0,22 H s 0,65 H pl 0,43 Stramazzo a larga soglia 625 La 1 0,22 H s 0,65 H pl 0,43 Stramazzo a larga soglia 625 La 1 0,22 H s 0,65 H pl 0,11 Stramazzo a larga soglia 625 La 1 0,22 H s 0,65 H pl 0,11 Pag. 10 di 15

11 Descrizione Tipologia di perdita di carico Caratteristiche della tubazione Δh uote valle uote monte [m 3 Dimensione /h] [m] [m] [m] [m] [m] Tratto tra ingresso disinfezione 1 e uscita sedimentazione 1 Perdite di carico continue e distribuite in tubazione in pressione PEAD PN6,3 De 450 (Di 415,6 mm) 625 Lu 40 0,43 H pl 0,11 H pl 0,32 Sedimentazione 1 Scarico Sedimentazione 1 Altezza massima nella Sedimentazione 1 Profilo Thompson Tratto tra ingresso disinfezione 2 e uscita sedimentazione 2 Sedimentazione 2 Scarico Sedimentazione 2 Altezza massima nella Sedimentazione 2 Profilo Thompson Altezza passaggio per lo Altezza massima nel 625 La 0,5 0,15 H f 0,62 H pl 0, La 0,5 0,25 H f 0,62 H pl 0,87 Profilo Thompson a Crf 88 0,04 H s 1,1 H pl 1,14 Perdite di carico continue e distribuite in tubazione in pressione Altezza passaggio per lo Altezza massima nel PEAD PN6,3 De 450 (Di 415,6 mm) 625 Lu 30 0,43 H pl 0,11 H pl 0, La 0,5 0,15 H f 0,62 H pl 0, La 0,5 0,25 H f 0,62 H pl 0,87 Profilo Thompson a Crf 88 0,04 H s 1,1 H pl 1,14 Pag. 11 di 15

12 Descrizione Collegamento tra l'alimentazione della sedimentazione 1 e uscita biologico 1 Collegamento tra l'alimentazione della sedimentazione 2 e uscita biologico 2 Biologico linea 1 Scarico Biologico linea 1 Scarico Biologico linea 2 Scarico Biologico linea 2 Scarico Biologico linea 1 Stramazzo d'uscita Biologico linea 2 Stramazzo d'uscita Biologico linea 1 Stramazzo d'ingresso Biologico linea 2 Stramazzo d'ingresso Tipologia di perdita di carico Perdite di carico continue e distribuite in tubazione in pressione Perdite di carico continue e distribuite in tubazione in pressione Altezza passaggio per lo Altezza massima nel Altezza passaggio per lo Altezza massima nel Caratteristiche della tubazione PEAD PN6,3 De 630 (Di 581,8 mm) PEAD PN6,3 De 630 (Di 581,8 mm) Δh uote valle uote monte [m 3 Dimensione /h] [m] [m] [m] [m] [m] 1000 Lu 123 0,48 H pl 1,14 H pl 1, Lu 98 0,39 H pl 1,14 H pl 1, La 1 0,20 H f 2,1 H pl 2, La 1 0,34 H f 2,1 H pl 2, La 1 0,20 H f 2,1 H pl 2, La 1 0,34 H f 2,1 H pl 2,44 Stramazzo a larga soglia 1000 La 11,5 0,06 H s 2,7 H pl 2,76 Stramazzo a larga soglia 1000 La 12 0,06 H s 2,7 H pl 2,76 Stramazzo a larga soglia 1000 La 2 0,19 H s 2,85 H pl 3,04 Stramazzo a larga soglia 1000 La 2 0,19 H s 2,85 H pl 3,04 Pag. 12 di 15

13 Tipologia di perdita di Caratteristiche Δh uote valle uote monte Descrizione [m 3 Dimensione carico della tubazione /h] [m] [m] [m] [m] [m] Ripartitore biologico Luce sotto battente 2000 A 2 0,01 H pl 3,04 H pl 3,05 Collegamento tra ingresso ripartitore biologico e uscita pretratamenti Perdite di carico PEAD PN6,3 De continue e distribuite in 710 (Di 655,6 mm) tubazione in pressione 1250 Lu 40 0,25 H pl 3,05 H pl 3,3 Dissabbiatura/Disoleatura linea 1 Stramazzo a larga soglia Stramazzo d'uscita 625 La 1 0,22 H s 3,69 H pl 3,91 Dissabbiatura/Disoleatura linea 2 Stramazzo a larga soglia Stramazzo d'uscita 625 La 1 0,22 H s 3,69 H pl 3,91 Dissabbiatura/Disoleatura linea 1 Stramazzo a larga soglia Stramazzo d'ingresso 625 La 1,1 0,2 H s 4,1 H pl 4,3 Dissabbiatura/Disoleatura linea 2 Stramazzo a larga soglia Stramazzo d'ingresso 625 La 1,1 0,2 H s 4,1 H pl 4,3 Grigliatura fine linea 1 Scarico Altezza passaggio per lo 1250 La 1,4 0,18 H f 4,4 H pl 4,58 Grigliatura fine linea 1 Scarico Altezza massima nel 1250 La 1,4 0,32 H f 4,4 H pl 4,72 Grigliatura fine linea 2 Scarico Altezza passaggio per lo 1250 La 1,4 0,18 H f 4,4 H pl 4,58 Grigliatura fine linea 2 Scarico Altezza massima nel 1250 La 1,4 0,32 H f 4,4 H pl 4,72 Grigliatura fine linea 1 Perdita di carico griglia fine ,25 H pl 4,72 H pl 4,97 Grigliatura fine linea 2 Perdita di carico griglia fine ,25 H pl 4,72 H pl 4,97 Pag. 13 di 15

14 Descrizione Sollevamento inziale ingresso pozzetto Sollevamento inziale ingresso pozzetto Grigliatura grossolana Tipologia di perdita di carico Altezza passaggio per lo Altezza massima nel Perdita di carico griglia grossolana Caratteristiche della tubazione Δh uote valle uote monte [m 3 Dimensione /h] [m] [m] [m] [m] [m] 1250 La 1 0,23 H f 4,16 H pl 3, La 1 0,4 H f 4,16 H pl 3, ,2 H pl 3,76 H pl 3,56 bypass dissabbiatura/disoleatura uscita bypass dissabbiatura/disoleatura uscita Altezza passaggio per lo Altezza massima nel 1250 La 1 0,23 H f 3,45 H pl 3, La 1 0,4 H f 3,45 H pl 3,85 bypass dissabbiatura/disoleatura sulla soglia d'ingresso bypass dissabbiatura/disoleatura sulla soglia d'ingresso Altezza passaggio per lo Altezza massima soglia d'ingresso 1250 La 1 0,23 H f 3,9 H pl 4, La 1 0,4 H f 3,9 H pl 4,3 Tabella 3.3 Profilo idraulico della linea acque Pag. 14 di 15

15 LEGENDA: = portata transitante [m 3 /h] Dimensione: Lu = lunghezza della tubazione [m] La = larghezza della soglia dello stramazzo/larghezza della [m] Crf = lunghezza della circonferenza [m] A = area complessiva della luce sotto battente [m 2 ] Δh = perdita di carico/tirante per tubazioni a gravità [m] uote valle/uote monte: F t = quota del fondo della tubazione [m] H pl = quota del pelo libero [m] H s = quota della soglia dello stramazzo/quota della soglia di sfioro della [m] H f = quota del fondo del / [m] 4 LINEA DELL ARIA Le perdite di carico massime (ΔP) previste nelle linee dell aria che alimentano il comparto di trattamento biologico e il comparto di stabilizzazione aerobica sono state calcolate come riportato di seguito (per la tubazione si assume un valore cautelativo): ΔP = battente idrico + perdita di carico diffusori (da casa costruttrice) + perdita di carico tubazione = 6 m + 0,5 m + 0,2 m = 6,7 m = 660 mbar 700 mbar. L arrotondamento sopra esposto tiene conto di un aumento delle perdite di carico dovuto all invecchiamento dei diffusori di fondo. Pertanto sono necessari compressori che possano garantire una pressione differenziale di almeno 700 mbar. La portata d aria massima richiesta per ciascun comparto di trattamento è pari a Nm 3 /h. Nelle effettive condizioni di esercizio alla portata massima risulta: pressione mbar, temperatura 86 C, portata m 3 /h Risulta la seguente velocità: portata m 3 /h, DN 250, Di=267 mm, v= 8 m/s portata m 3 /h, DN 250 bitumato, Di=261,8, v=8,3 m/s Data la significativa lunghezza delle tubazioni si è adottata una velocità massima ammissibile di 10 m/s. Risultando velocità inferiori al massimo di progetto, le tubazioni sono verificate. Pag. 15 di 15