Impianti di sollevamento

La progettazione degli impianti di sollevamento deve procedere innanzi tutto a partire dal fabbisogno in termini di portata dell’utenza che deve essere servita. In particolare è necessario conoscere le singole portate che sono richieste nei vari punti di utilizzo e anche dell’andamento orario di tale fabbisogno con portate minime garantite e portate massime negli istanti di maggior utilizzo. Con la conoscenza della portata massima totale nella condotta di aspirazione e delle portate massime diverse nei vari tratti della condotta di mandata via via inferiori come ci si avvicina verso i punti di utilizzo e avendo imposto dei valori massimi di velocità che il fluido può assumere all’interno delle tubazioni è possibile dimensionare i vari tratti del condotto.
I diametri dei vari tratti vengono scelti in base a quelli disponibili sul mercato e generalmente sono sempre leggermente superiori a quelli determinati attraverso le formule, questo affinché i valori della velocità del fluido non superino i valori imposti. Naturalmente i diametri sono scelti anche in base a considerazioni economiche poiché i costi specifici aumentano in proporzione al diametro. I valori massimi di velocità del fluido imposti all’interno delle tubazioni sono necessari al fine di evitare fenomeni di erosione, l’insorgere di fastidiosi rumori e per contenere le perdite di carico e quindi minimizzare le spese energetiche per il pompaggio. E’ anche fondamentale non eccedere mai nei valori di velocità per evitare l’insorgere del fenomeno del “colpo d’ariete” e cioè dell’improvviso aumento di pressione che si verifica quando all’interno di una tubazione il fluido si arresta improvvisamente. Si procede in questo modo con la determinazione della caratteristica esterna dell’impianto, espressione che fornisce la prevalenza in funzione della portata e tiene conto oltre che dell’altezza massima cui il fluido deve essere portato anche delle perdite di carico che avvengono all’interno delle tubazioni. Nel caso di impianto di sollevamento a più livelli il calcolo di questa caratteristica viene effettuato, in particolare per la condotta di mandata, per il tratto più svantaggioso, ossia quello che presenta una prevalenza manometrica maggiore. Per minimizzare il più possibile le perdite di carico localizzate, ovvero quelle dovute a curve, deviazioni, allargamenti o contrazioni a cui tuttavia le tubazioni sono necessariamente soggette, è utile anche progettare il percorso dell’impianto fino ai punti di utilizzo nel modo più lineare possibile. Le espressioni che permettono di quantificare tali perdite sono funzioni oltre che della velocità anche della densità del fluido e di costanti reperibili in letteratura tabellate in base alla tipologia di discontinuità. Il percorso dovrebbe essere anche il più corto possibile in quanto la lunghezza influisce sulle perdite di carico distribuite, dovute all’attrito. Sono quest’ultime funzione oltre che della lunghezza e della velocità del fluido, anche del coefficiente di attrito delle tubazioni, e inversamente proporzionali al diametro dei tubi. Conoscendo i valori della scabrezza dei tubi, che variano in base alla loro tipologia e sono anch’essi disponibili in letteratura o forniti dal produttore, si trovano i valori del numero di Reynolds per mezzo dei quali nel diagramma di Moody si ricavano i valori del coefficiente di attrito.
Avendo a questo punto determinato la caratteristica esterna e conoscendo la portata massima da garantire all’utenza si procede con la scelta della pompa che per questo tipo di impianti è solitamente una pompa centrifuga. In generale i costruttori delle pompe forniscono un diagramma che, entrando con i valori di prevalenza e portata, in linea di massima fornisce il tipo di pompa più adatta all’utilizzo. Scelta la pompa sempre il costruttore fornisce vari grafici il più importante dei quali è certamente la curva caratteristica o caratteristica interna ad un dato numero di giri che grafica la prevalenza in funzione della portata per vari diametri della girante e sulla quale è anche possibile leggere il rendimento. Fornisce anche i grafici relativi all’ NPSH e alla potenza assorbita sempre in funzione della portata. La curva caratteristica descrive bene il comportamento della pompa e se sovrapposta alla caratteristica esterna dell’impianto fornisce il punto di lavoro della pompa installata su quel particolare impianto. Normalmente il punto di lavoro non coincide perfettamente con la specifiche richieste dall’utenza, ragion per cui si è soliti inserire una valvola di laminazione il cui compito è di far variare opportunamente l’inclinazione della caratteristica esterna dell’impianto di modo che il punto di lavoro dato dall’intersezione con la caratteristica interna della pompa soddisfi la portata richiesta. Menzione particolare deve esser fatta poi per l’NPSH che rappresenta l’altezza totale netta disponibile all’aspirazione, di fondamentale importanza per il corretto funzionamento della pompa. Esso indica il valore minimo di pressione alla bocca aspirante al di sotto del quale la pompa non funziona più in modo regolare, in queste condizioni infatti il valore di pressione del fluido se inferiore alla pressione di vapore a quella temperatura da vita alla formazione di vapore e del fenomeno altamente corrosivo per le pale della pompa della cavitazione. E’ opportuno quindi, se ad esempio il fluido viene aspirato da un bacino di accumulo, non installare la pompa ad un altezza da esso tale da dar vita al fenomeno. Il valore massimo di tale altezza si ricava proprio grazie al grafico dell’NPSH.
Per quanto riguarda i livelli in cui il percorso delle tubazioni risulti essere meno svantaggioso dal punto di vista delle perdite di carico, solitamente nei livelli ad un altezza inferiore, quello che si deve fare è garantire che vi sia la stessa prevalenza manometrica di quella ottenuta nel tratto più svantaggioso. Questo risultato si ottiene inserendo delle valvole che introducono un ulteriore e opportuna perdita di carico ad ogni punto di arrivo. Poiché, inoltre, la richiesta di portata non è costante durante tutto il giorno vi sono varie soluzioni che possono rispondere alle variazioni di richiesta di portata. Una prima possibilità è quella di accoppiare alla pompa un inverter e farla lavorare a numero di giri variabile. Naturalmente l’impianto viene dimensionato e la pompa è scelta di modo che la richiesta massima venga soddisfatta a numero di giri massimo, le richieste minime e intermedie vengono soddisfatte diminuendo il numero di giri per mezzo dell’inverter e applicando per il calcolo della caratteristica interna della pompa man mano diversa ad ogni variazione del numero di giri, le relazioni della teoria dell’affinità e determinando di volta in volta il nuovo punto di lavoro al numero di giri più opportuno.
Altra possibilità è data dall’installazione di più pompe in parallelo che si azionano man mano garantendo le richieste di portata diverse. Per quanto riguarda la caratteristica esterna della configurazione di più pompe in parallelo si vanno a sommare tante volte quanto sono le pompe i valori della portata, mentre rimangono invariati i valori della prevalenza. In questo modo per ogni profilo di richiesta diverso si azionano il numero necessario di pompe e determinato il nuovo punto di lavoro di garantisce la portata azionando opportunamente le valvole di regolazione.
Esistono poi soluzioni che suggeriscono l’utilizzo di piccoli bacini di accumulo posti ad un altezza superiore rispetto all’utenza e dove il fabbisogno giornaliero viene pompato da pompe opportunamente scelte e con un impianto di aspirazione e mandata sostanzialmente diverso dal precedente. La convenienza di questa scelta non è energetica ma è solo economica, si cerca difatti di sfruttare il minor costo dell’energia elettrica nelle ore notturne rispetto a quelle diurne. Questo tipo di scelta è tuttavia spesso difficile da effettuare in ambito civile soprattutto per ragioni logistiche, ma è sovente usata in ambito industriale.
Ad ogni modo tutte le soluzioni proposte devono esser studiate oltre che dal punta di vista idraulico anche dal punto di vista economico. Attraverso la potenza assorbita dalla pompa è infatti possibile arrivare ai costi di esercizio per mezzo dei consumi di energia elettrica. Altrettanto deve esser fatto per quanto riguarda i costi di investimento, a partire dall’installazione delle condotte e nella scelta opportuna delle pompe. Esistono studi che parametrizzano i costi di investimento e di esercizio in funzione del diametro dei tubi, da cui si ricava un valore ottimo di quest’ultimo. Ma è anche opportuno studiare la soluzione tecnologica più conveniente utilizzando ad esempio pompe a numero di giri variabili o pompe in parallelo o in serie in base alla tipologia di fabbisogno dell’utenza e andando, in ultima analisi, sempre a quantificare sia costi di investimento che di esercizio e premiare quella più economica.