Corso di Idraulica Agraria ed Impianti Irrigui

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1 orso di Idraulica Agraria ed Impianti Irrigui Docente: Ing. Demetrio Antonio Zema Lezione n. 12: Impianti irrigui per aspersione Anno Accademico Generalità L'acqua è erogata sotto forma di pioggia artificiale realizzata da apparecchi, detti irrigatori,, alimentati da condotte in pressione 2

2 Generalità Vantaggi rispetto ai sistemi gravitazionali: riproduzione delle condizioni più naturali di adacquamento (pioggia) facile impiego su terreni ad altimetria tormentata minore necessità di sistemazione degli appezzamenti facilità di meccanizzazione ed automazione 3 Generalità Vantaggi rispetto ai sistemi gravitazionali: basso impegno di manodopera minori dotazioni irrigue specifiche elevata efficienza d adacquamento d (E a > 0.6) 4

3 Generalità Vantaggi rispetto ai sistemi gravitazionali: possibilità di variare facilmente il volume d adacquamento possibilità di adottare irrigazione polivalente (trattamenti, fertirrigazione, ecc.) 5 Generalità Svantaggi rispetto ai sistemi gravitazionali: oneri di impianto e di esercizio generale necessità del sollevamento delle acque,, per fornire agli irrigatori la pressione di esercizio forti perdite per evaporazione al getto, specie in presenza di ventilazione 6

4 Generalità Svantaggi rispetto ai sistemi gravitazionali: disuniformità di irrigazione possibili danni al terreno e alle colture all azione azione battente della pioggia artificiale dovuti rischio di maggiore sviluppo di alcune malattie 7 Efficienza di campo Perdite idriche per: disuniformità scorrimento evaporazione deriva dovuta al vento Orientativamente, in impianti ben dimensionati e ben condotti, è possibile raggiungere efficienze di campo almeno uguali a: climi aridi e ventosi E a = 0.60 climi temperati E a = 0.70 climi umidi e poco ventilati E a =

5 Schema d impiantod 9 Schemi d impiantod 10

6 aratteristiche degli irrigatori 11 Irrigatori Tipi di irrigatori statici dinamici o rotanti più comuni semoventi 12

7 aratteristiche costituiti da un tubo di lancio inclinato con un angolo di sul piano orizzontale e munito a valle di un ugello,, da cui l'acqua fuoriesce con notevole velocità opportuni meccanismi (a braccio oscillante o a turbina) azionati dal getto dell'acqua determinano la rotazione dell'irrigatore attorno al suo asse verticale la resistenza dell'aria e l'interferenza di dispositivi frangigetto determinano la suddivisione del getto in gocce con traiettorie diverse, le quali bagnano un'area circolare o a settore di cerchio (per gli irrigatori rotanti funzionanti a settore) 13 Irrigatori a braccio oscillante Un getto d acqua d urta contro un deflettore sagomato posto all estremit estremità di una leva oscillante su di un piano orizzontale oppure verticale, deviandola dalla posizione d equilibrio d verso la quale è richiamata da una molla o da un contrappeso; ; nella corsa di ritorno la leva urta contro un arresto od un meccanismo portato dal tubo di lancio e lo fa ruotare di un piccolo angolo In tali irrigatori, denominati anche ad impatto od a martelletto,, il deflettore ha altresì la funzione di frangigetto 14

8 Irrigatori a braccio oscillante 15 Irrigatori a braccio oscillante 16

9 Irrigatori a braccio oscillante 17 Irrigatori a turbina Il getto investe parzialmente le pale di una piccola turbina,, disposta immediatamente dopo lo sbocco dell ugello, ponendola in rotazione La turbina, mediante una trasmissione meccanica, determina la lenta rotazione del tubo di lancio; anche in questo caso esiste un dispositivo frangigetto, costituito dalla turbina medesima 18

10 Irrigatori a turbina 19 20

11 aratteristiche Sezione dell ugello Pressione di funzionamento Portata Gittata Diametro delle gocce Grado di polverizzazione Indice di efficienza Intensità media di pioggia Uniformità di distribuzione Pluviogramma 21 Sezione dell ugello Normalmente montato sulla parte terminale del tubo di lancio mediante un innesto a vite,, in modo da consentire l impiego di ugelli con sezioni diverse su uno stesso tipo d irrigatore La dimensione è sempre riferita alla sezione d uscitad dell acqua; il diametro della sezione varia da qualche mm ad alcune decine di mm 22

12 Sezione dell ugello Nella tubazione d alimentazioned dell irrigatore la velocità dell acqua è modesta (pochi m/s), mentre diventa elevatissima (dell ordine delle decine di m/s) all uscita dall ugello iò è determinato dalla progressiva riduzione della sezione idrica che solitamente comincia nel tubo di lancio e si completa nell ugello 23 Sbocco con ugello 24

13 Sbocco con ugello Sia σ la sezione dell ugello ugello, il coefficiente di contrazione e z la quota della sezione contratta Applicando il teorema di Bernoulli fra un punto A del serbatoio e un punto nella sezione contratta, si ottiene: v ( z z ) = 2g q = σ v A 25 Sbocco con ugello La velocità in condotta è: v B = q Σ 26

14 Pressione di funzionamento misurata nella sezione del tubo porta-irrigatore immediatamente a monte dell attacco dell irrigatore 27 Portata 3 q [ m / s] = µσ 2gH dove: µ = coefficiente di efflusso [-] σ = sezione d uscita d dell ugello [m 2 ] g = accelerazione di gravità [9.806 m/s 2 ] H = carico idraulico totale all irrigatore [m] 28

15 Portata Il valore del coefficiente d efflussod efflussoµ varia da 0.88 a 0.98 secondo il tipo d ugellod µ H H dove: Q = portata [L/s] d = diametro dell ugello [mm] H = carico totale all irrigatore [m] 29 Portata Il carico totale all irrigatore è costituito per la massima parte dall energia di pressione; ; supponendo che ne rappresenti il 95%,, ai fini del pratico impiego la relazione precedente si può trasformare nell equazione: equazione: q [ l / s] = d 2 p con d in millimetri e p (pressione all irrigatore) in bar 30

16 urva caratteristica dell irrigatore dell o caratteristica idraulica q [l/min] H [bar] 31 Gittata E la distanza di lancio dell dell acqua on un un inclinazione del tubo di lancio pari a si ottiene la massima gittata in aria calma Angolazioni minori sono adottate, laddove è necessario, per ridurre le perdite dovute all all evaporazione e alla deriva operata dal vento 32

17 Gittata Il valore della gittata dipende principalmente dalla velocità iniziale del getto,, dalla sua inclinazione e dalla dimensione delle gocce,, ma è condizionata da un certo numero d altri d parametri, quali la velocità di rotazione dell irrigatore, la densità e i movimenti dell aria aria,, perciò non è nota una relazione matematica che ne consenta il calcolo preciso 33 Gittata q = µσ 2gh V z V r p V = µ 2 gh = µ 2g γ d Vx α G = V = µ 2gh cosα V z x = µ 2gh senα G 34

18 Gittata Per irrigatori con angolo di circa 30, un calcolo approssimato della gittata può essere condotto con la seguente formula empirica, partendo dai valori del diametro d della sezione d uscita d dell ugello (mm) e del carico totale H all irrigatore (m): G [ m] = dh 35 Diametro delle gocce Il diametro delle gocce lanciate dagli irrigatori rotanti varia in un ampio campo, entro 0.1 e 4 mm, ma il diametro ottimale non dovrebbe superare 1.5 mm 36

19 Indice di efficienza Un indicazione di massima sul grado di polverizzazione del getto d acquad e quindi sulla dimensione delle gocce è dato dal cosiddetto indice di efficienza dell irrigatore (IE( IE), derivante dal rapporto tra la gittata G e il carico totale H, entrambi espressi in metri: IE = G/H Valori di IE compresi tra 0.7 e 0.9 corrispondono a buone polverizzazioni 37 Indice di polverizzazione La dimensione delle gocce è meglio rappresentata dall indice di polverizzazione (IP): IP = H/d con H = carico totale (in metri) e d = diametro dell ugello (in millimetri) IP < 1.8 gocce grosse IP gocce medie IP > 2.5 gocce piccole 38

20 39 Intensità media di pioggia i m = q 3600 A = q 3600 [ mm / h] 2 π R dove Q è la portata (l/s) ed A è l area bagnata (m 2 ) dal singolo irrigatore 40

21 Intensità media di pioggia Per evitare ristagni in superficie (terreni pianeggianti) e perdite d acqua d o erosione dovute a scorrimento superficiale (terreni in pendio), è indispensabile che l intensità media della pioggia artificiale sia inferiore alla velocità d infiltrazione a regime dei suoli da irrigare 41 Intensità media di pioggia 42

22 Altezza di pioggia istantanea i' = 3600 q ω A [ mm] ω ω in [giri/h][ A 43 Uniformità di distribuzione Una buona uniformità dell'altezza di pioggia sulla superficie da irrigare è condizione necessaria per un'elevata efficienza di adacquamento Essa si ottiene realizzando adeguate sovrapposizioni delle aree bagnate dai singoli irrigatori 44

23 Uniformità di distribuzione oefficiente di uniformità di hristiansen ( u ) dove: u = i = 1 n h n = numero di punti di misura h i = altezza di pioggia misurata in ciascuno degli n punti h m = media aritmetica di tutte le n altezze di pioggia n h h i m m 45 Uniformità di distribuzione Nel caso ideale di uniformità assoluta di pioggia si avrebbe ovviamente u = 100 Sono ancora soddisfacenti situazioni (facilmente ottenibili in assenza di vento) caratterizzate da valori di u 85,, mentre sono da scartare situazioni con valori di u < 65 46

24 Pluviogramma (o diagramma pluviometrico) Fornisce indicazioni sui valori dell altezza d acqua d somministrata o dell intensit intensità della pioggia artificiale al variare della distanza dall irrigatore 47 Disposizione degli irrigatori Quadrato Triangolo o quinconce G 2G/ 2 G G G 3 G 2G/ 2 3G/2 48

25 Disposizione degli irrigatori Ne derivano aree utili (A) irrigate apparecchio pari a: da ciascun A = 2 G 2 per la maglia quadrata A = 2.6 G 2 per la maglia triangolare La disposizione a triangolo equilatero è perciò la più economica,, richiedendo un minor numero d irrigatorid e una minore lunghezza complessiva delle tubazioni,, ma dà luogo a difficoltà nel posizionamento delle tubazioni e degli irrigatori,, perciò è praticamente adottabile solo negli impianti fissi 49 Disposizione degli irrigatori In assenza di vento nello schema di avanzamento a triangolo la distanza trasversale tra gli irrigatori per un soddisfacente ricoprimento è pari a 3/2 G (= 1.5 G),, ossia a circa il 75% del diametro del cerchio bagnato (2 G) In presenza di vento,, per mantenere lo stesso coefficiente di uniformità,, la distanza trasversale tra gli irrigatori va ridotta da 1.5 G a 1.2 G (quindi del 20%) 50

26 aratteristiche degli impianti 51 aratteristiche degli impianti a. Impianti di tipo fisso: la rete di condotte che alimenta gli irrigatori è fissa (spesso interrata). Questa soluzione comporta un elevato costo d'impianto e viene di solito limitata all'irrigazione dei frutteti,, sia soprachioma, sia sottochioma (per zone aride e/o ventose o quando non si voglia bagnare la chioma) 52

27 aratteristiche degli impianti b. Impianti di tipo semifisso: sono costituiti da una rete principale di condotte interrate a maglia larga e dotate di idranti ai quali si collegano le ali con gli irrigatori,, formate da tubazioni mobili adagiate sul terreno che le alimentano ad ogni adacquamento si rende necessario lo spostamento delle ali con gli irrigatori, il che richiede un impegno di manodopera non indifferente 53 aratteristiche degli impianti c. Impianti di tipo stanziale: si tratta di particolari impianti di tipo semifisso, nei quali la parte mobile rimane sul posto per tutta la stagione irrigua 54

28 aratteristiche degli impianti d. Impianti di tipo mobile: risultano costituiti esclusivamente da ali mobili munite di irrigatori e normalmente alimentate da una pompa centrifuga azionata dalla presa di forza di una trattrice questi impianti vengono per lo più utilizzati nelle irrigazioni di soccorso 55 aratteristiche degli impianti e. Impianti di tipo semovente: si tratta di impianti in cui le operazioni di spostamento delle ali con gli irrigatori avvengono meccanicamente Tra le numerose soluzioni realizzate i due tipi di maggiore interesse attuale sono: l ala semovente avvolgibile ( rotolone( rotolone ) l'ala semovente imperniata ( pivot( pivot ) 56

29 Rotolone 57 Rotolone 58

30 Rotolone Schema operativo di adacquamento con rotolone: 1) traino del carrello porta-irrigatore con svolgimento della tubazione flessibile 2) irrigazione e riavvolgimento automatico della tubazione 3) rotazione di 180 della bobina (per le macchine predisposte) e nuova partenza come al punto 1 59 Rotolone 60

31 Pivot 61 Pivot 62

32 Pivot 63 Pivot 64

33 Pivot 65 riteri di dimensionamento di un impianto per aspersione 66

34 Dimensionamento di un impianto per aspersione I parametri progettuali di cui bisogna tenere conto sono: altezza (o volume) effettiva di adacquamento h (mm) portata degli irrigatori q (L/s) corpo d acqua d distributivo (= portata aziendale disponibile) Q (L/s) numero di irrigatori funzionanti contemporaneamente n (= Q/q) 67 Dimensionamento di un impianto per aspersione intensità di pioggia i (mm/h) durata dell adacquamento (o tempo di postazione degli irrigatori) t p (h) turno T (h) numero intero N delle postazioni che deve essere irrigata nel turno T orario di adacquamento aziendale O a (h) 68

35 Dimensionamento di un impianto per aspersione In considerazione delle caratteristiche del terreno sarà nota l intensità massima di pioggia che può essere somministrata (i max, mm/h) (i max Dalla disposizione degli irrigatori si ricava la gittata ottimale (G, m) Da i max e da G si risale alla portata dell irrigatore q (L/s): q = i max π G Dimensionamento di un impianto per aspersione Da q,, fissata la pressione di esercizio (p, m), si risale al diametro (d, mm) dell ugello dell irrigatore q [ l / s] = d 2 p e, pertanto, si può procedere alla scelta dell irrigatore 70

36 Dimensionamento di un impianto per aspersione Note la gittata (G, m) e la portata dell irrigatore (q, L/s) si può risalire all intensit intensità di pioggia erogata (i, mm/h) dall irrigatore e verificare che sia inferiore a quella consentita dalle caratteristiche del terreno (i (i max ) i = q π G 1000 = q π G i max 71 Dimensionamento di un impianto per aspersione Stabilita l intensità di pioggia erogata (i, mm/h) si risale al tempo di postazione (t p, h), definito come il tempo per il quale deve essere lasciato sul posto l irrigatore l funzionante (nel caso di impianti semifissi o mobili) ) o come il tempo di funzionamento dell irrigatore stesso (nel caso di impianti fissi o stanziali), al fine di erogare l altezza d adacquamento d (h, mm): t p = h i 72

37 Dimensionamento di un impianto per aspersione Note le postazioni che devono essere successivamente coperte nel terreno e valutati i perditempo P (dovuti principalmente allo spostamento delle ali mobili), si deve verificare che l orario aziendale O a (h) sia compatibile con il turno irriguo T (h) Se N è il numero delle postazioni ed A (m 2 ) la superficie da irrigare nel turno irriguo T, risulta: N = A n π G 2 con n (= Q/q) numero di irrigatori funzionanti contemporaneamente 73 Dimensionamento di un impianto per aspersione L orario aziendale O a sarà pertanto: dovrà essere O a < T Oa = N t p + P 74

38 Tubazioni mobili Materiali Alluminio Acciaio Plastica (PV, PEAD, ecc.) Perdite di carico J = 5 4,59 1,815 3,77 10 D Q Diametri mm Lunghezza 6 12 m (tubi in alluminio; D [mm], Q [l/s]) J = 5 4,59 1,815 3,91 10 D Q (tubi in acciaio zincato; D [mm], Q [l/s]) 2 λv J = ; 2 gd 1 2,51 = 2log λ Re λ (tubi in plastica) 75