Impianti_acqua_alimentazione

8/2/2019 Impianti_acqua_alimentazione

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Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” – Facoltà di Ingegneria 1

Impianti Industriali 1Impianti Industriali 1(Meccanica, Ambiente e Territorio, Energetica)(Meccanica, Ambiente e Territorio, Energetica)

sito ufficiale:sito ufficiale:www.uniroma2.it/didattica/impind1www.uniroma2.it/didattica/impind1

Ing. Vito Introna

Dip.to Ingegneria Meccanica(2° piano edificio Ingegneria Industriale)

Tel. 06-72597179

E-mail: [email protected]


Servizio acquaServizio acqua




UtenzeUtenze

• Acqua industriale– Mezzo di raffreddamento in determinati impianti o

processi di lavorazione

– Mezzo di lavaggio o solvente

– Agente meccanico in macchine e apparecchiature di tipoidraulico

– Produzione vapore e trasporto calore

– Preparazione di bagni

– Trasporto di materie prime o scarto

– Reffreddamento dell’aria ambiente• Acqua potabile

• Acqua antincendio


Consumi per unitConsumi per unitàà di prodottodi prodottoper alcune industrieper alcune industrie




Caratteristiche dellCaratteristiche dell’’acquaacquaper uso industrialeper uso industriale

• Acqua di lavaggio– Quantità rilevanti

• Acqua di raffreddamento– Quantità rilevanti, durezza non elevata

• Acqua di processo– Deve rispondere a precise caratteristiche chimiche

dipendenti dai processi (alimentari, chimici, tessili,produzione della carta)

• Acqua potabile

– Precise caratteristiche chimiche

• Acqua per caldaie– Deve essere priva di minerali


QualitQualitàà delldell’’acqua in naturaacqua in natura

• Materiale sospeso– Materiali viventi (odore e colore), batteri (corrosione e

ostruzioni), materiali inorganici (torbidità), colloidi

(qualità dell’acqua nei processo)• Impurità disciolte

– Sali di calcio e magnesio (alcalinità, durezza, corrosione),Sali di sodio (sapore, alcalinità, schiume nelle caldaie),Sali di ferro (acidità e corrosione), composti azotati, gas(azoto-inerte, ossigeno-corrosivo- anidride carbonica-desiderabile in limitate concentrazioni, metano-esplosivo)




Es.Es. minerali desiderabili edminerali desiderabili edindesiderabiliindesiderabili


SorgentiSorgenti

• Acquedotti pubblici– Fonte più costosa ma più certa

– E’ utilizzata quasi sempre per l’acqua potabile

• Acque superficiali (mari, fiumi, canali, laghi)– Fonte più comune per grandi quantitativi

– Quantità generalmente variabile (precipitazioni, clima,ecc.), inoltre la resa è dipendente dalle utenze a valle

– Caratteristiche chimiche dipendenti dalla località(presenza minerali) ed insicure (inquinamento),necessitano in generale di trattamento

– Temperatura influenzata dalla stagione




SorgentiSorgenti

• Acque sotterranee (freatiche e artesiane)– Fonte più comune per piccole e medie utenze e dove non siano

disponibili acque superficiali– Quantità d’acqua piuttosto costante e sicura

– Temperatura costante, dipendente dalla profondità

– Contenuto di minerali generalmente alto

– Per uso potabile anche senza trattamenti, per uso industrialegeneralmente richiede trattamento

• Acque meteoriche– Fonte utilizzata molto raramente (dove non sono disponibili

alternative)

– Quantità disponibile generalmente limitata e fortementealeatoria

– Elevato contenuto di gas disciolti

• Soluzioni miste– Ad esempio acquedotto per acqua potabile e da pozzi o fiumi

per l’acqua industriale


ApprovvApprovv. da acquedotto. da acquedotto

• Il costo dell’acqua è generalmente variabilenell’arco della giornata e del periodo (vienesfavorito un approvvigionamento irregolare)




ApprovvApprovv. da acque superficiali. da acque superficiali

• Da mare– una o più condotte ad opportuna distanza dalla riva ed una stazione di

pompaggio sulla terraferma

– L’acqua viene convogliata in una vasca da accumulo dalla quale lepompe la prelevano e la inviano alle utenze o all’impianto didissalazione. In entrambi i casi l’acqua viene clorata



• Da lago

– Il prelievo deve avvenire ad una distanza dal fondo sufficiente a limitareil contenuto di vegetazione o torbidità e ad una distanza dalla superficietale da limitare le escursioni termiche ed il contenuto di microorganismied evitare correnti dovute al vento





• Da acque dolci (fiumi e canali)– Se il livello dell’acqua in corrispondenza delle derivazioni rimane all’incirca

costante nel tempo il prelievo dell’acqua avviene mediante canale di derivazione eparatoia di regolazione della portata

– Se il livello subisce variazioni notevoli si realizza anche una diga (a valle delladerivazione) avente lo scopo di assicurare una certa costanza del livello incorrispondenza del punto di presa



• Da acque dolci (fiumi e canali)

– Per piccole quantità da approvvigionare è possibile ricorrere ad imbocchi,adeguatamente posizionati (che sia sempre sotto il livello ma non troppo vicino alfondo)

– L’imbocco rappresentato, posto su supporto mobile, è adatto per fiumi con conalte differenze di livello




ApprovvApprovv. da acque sotterranee. da acque sotterranee

• Da falde freatiche (acque sotterranee a pelo libero)

– La captazione avviene per pompaggio

– A seguito del prelievo dell’acqua si verifica un abbassamento del pelo liberoall’interno della falda, dipendente dalla portata Q, per un’area di raggio R

– Tale fenomeno influenza la prevalenza richiesta alla pompa di prelievo e la portatamassima prelevabile

• H = altezza della falda o livellopiezometrico statico

• Q = portata volumetrica (m3 /s) di

acqua estratta dal pozzo• h = altezza della falda

conseguentemente al prelievo dellaportata o livello dinamico

• s = abbassamento dinamico

• r = raggio del pozzo

• R= raggio di azione del pozzo

• f = coeff. di permeabilità


ApprovvApprovv. da acque sotterranee. da acque sotterranee

• Da falde artesiane (acque sotterranee in pressione)

– L’acqua nella falda può avere una pressione tale da non richiedere alcunpompaggio per il suo prelievo

– Nella maggior parte dei casi ciò non avviene ed è quindi necessario predisporre unsistema di pompaggio analogo a quello per la captazione da falde freatiche (inquesto caso la pressione dell’acqua all’interno della falda ne agevola il prelievo)

• H = altezza della falda o livellopiezometrico statico

• Q = portata volumetrica (m3 /s) diacqua estratta dal pozzo

• h = altezza della falda

conseguentemente al prelievo dellaportata o livello dinamico

• s = abbassamento dinamico

• r = raggio del pozzo

• R= raggio di azione del pozzo

• f = coeff. di permeabilità

• m = spessore della falda




Scelta della SorgenteScelta della Sorgente

Dipende da diversi fattori:

• Fabbisogno totale• Caratteristiche chimico-fisiche richieste

• Disponibilità delle diverse fonti (l’utilizzo delle fontinaturali è regolamentato da leggi)

• Costo di approvvigionamento dalle diverse fonti


Trattamento delle acque primarieTrattamento delle acque primarie

• Eliminazione anidride carbonica

• Eliminazione ossigeno

• Aereazione

• Deferrizzazione

• Demanganizzazione

• Addolcimento, decarbonizzazione,demineralizzazione

• Trattamento acqua per usi potabili

• Dissalazione delle acque di mare




PompePompe

• Sono utilizzate per il sollevamento, il trasferimentoe l’alimentazione delle acque alle utenze o aiserbatoi di accumulo

• Sono caratterizzate da:– Portata Q (m3 /s)

– Prevalenza fornita H (bar, mH20)

– Potenza assorbita P (kW) = γ⋅Q⋅H/(102⋅η)

– Velocità n (giri/min)

– Rendimento η


Tipologie di pompeTipologie di pompe

• Pompe centrifughe– Le più diffuse, per ogni valore di portata e prevalenza

– La potenza assorbita aumenta lentamente con la portata

• Pompe elicoidali– Basse prevalenze ed elevate portate

– La potenza assorbita aumenta notevolmente al diminuiredella portata

• Pompe elicocentrifughe– Range intermedi rispetto alle due tipologie precedenti

• Pompe volumetriche

– Piccole portate ed elevate prevalenze– Prevalenza praticamente indipendente dalla portata




Pompe centrifughePompe centrifughe

Sono generalmente elettropompe (possono ancheessere alimentate da motore a c.i) di tipo:

– Asse orizzontale

– Asse verticale

– A tipo sommerso

Al variare dellaportata erogatavariano:

– Prevalenza (H)– Potenza assorbita (P)

– Rendimento (η)(CURVA CARATTERISTICA)


Scelta di unScelta di un’’elettropompaelettropompa

• La prevalenza fornita dalla pompa diminuisce all’aumentaredella portata

– CARATTERISTICA DELLA POMPA

• La prevalenza richiesta dall’impianto aumenta all’aumentaredella portata per effetto delle perdite di carico

– CARATTERISTICA DELL’IMPIANTO

CARATTERISTICADEL CIRCUITO

CARATTERISTICADELLA POMPA

RENDIMENTO

Q

H




SerbatoiSerbatoi

• La loro funzione è:– Costituire un polmone di acqua tra sorgente ed impianto

al fine di disporre di una riserva idrica quando la sorgentenon è in grado di erogare la quantità di acqua richiesta

– Riserva di sicurezza

• Possono essere di tipo diverso– Serbatoi piezometrici

– Vasche

– Autoclavi


Serbatoi PiezometriciSerbatoi Piezometrici

• Alimentano a gravità la rete, stabilizzandone la pressione ecostituiscono un deposito di emergenza per la reteantincendio e per quelle utenze che non possono essereprivate di acqua

• Volumi e altezze limitate (20 e i 60 m)




Dimensionamento altezzaDimensionamento altezzaserbatoio piezometricoserbatoio piezometrico

• Altezza minima del serbatoio (prevalenza)

– Dovrà esser tale da assicurare la prevalenza richiesta dalleutenze (utenza critica Hcr) nonostante le perdite di carico per ladistribuzione (dovute anche al tratto verticale)

CRS CRCRS CRS hh H h H H −−− ∆+∆+=∆+=

11

RETE DISTRIBUZIONE

SERBATOIO

P D

POMPA

SS

LS1

HS


Dimensionamento volume delDimensionamento volume delserbatoio piezometricoserbatoio piezometrico

minmax R RV S −=

Il serbatoio funge dacompenso:

• fornendo acqua quandoQusc>Qent;

• accumulando acqua quandoQusc<Qent;

La funzione di riempimentoR(t) rappresenta, a meno diuna costante di integrazioneR(0), la quantità di acquapresente all’interno delserbatoio al tempo t:

Portata totalerichiesta dalleutenze Qusc

Portata mediaerogata dal

alimentatore Qent

Funzione diriempimento R(t)

Il volume minimo del serbatoioè pari a:

( )

∫−=

t

uscent

dt t QQt R0

)()(




VascheVasche

• Possono essereinterrate o meno

• Fungono da serbatoiopolmone ma, adifferenza del serbatoiopiezometrico, non sonoin grado di alimentarele utenze per gravità,quindi necessitano diadeguati sistemi dipompaggio

• Il dimensionamento del

volume minimo vieneeffettuato in manieradel tutto analoga alcaso dei serbatoiopiezometrici


• Possono essere di tipodiverso:

– Non precompressa

– Precompressa

(come in figura)

• Sono generalmentecaratterizzate da:

– Piccola capacità(0,5-2,5 m3)

– Prevalenza totaledi 30-60m;

– Portata di 5-50 m3 /h

• Sono generalmente utilizzate per impianti di acqua potabile inindustrie di piccole-medie dimensioni

AutoclaviAutoclavi




Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamentoautoclave non precompressaautoclave non precompressa

• L’autoclave inizialmente vuota è caratterizzata da un volume disponibile V0 è unapressione p0 pari a quella atmosferica (fig.1)

• Pompando acqua all’interno (a regime costante) dell’autoclave si raggiunge unapressione p1 in corrispondenza di un livello q di acqua (fig.2);

• La pompa di alimentazione “stacca” quando viene raggiunto il livello q+Q incorrispondenza di un volume residuo V2 ed una corrispondente pressione p2 per l’ariacontenuta all’interno dell’autoclave (fig.3);

• L’autoclave è quindi in grado di erogare acqua alla portata richiesta con una pressioneoscillante tra p2 e p1 in funzione del livello dell’acqua al suo interno;

• La pompa di alimentazione “attacca”, riavviando il ciclo, quando il livello dell’acquascende fino a ridurre la pressione al valore p1;

• p0 è pari alla pressione

atmosferica (1 bar);• p1 pressione assolutaminima di esercizio

• p2 pressione assolutamassima di esercizio


Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamentoautoclave precompressaautoclave precompressa

• L’autoclave inizialmente vuota è caratterizzata da un volume disponibile V0 èuna pressione di precompressione p1 pari alla pressione minima di esercizio(fig.1)

• L’acqua viene pompata (a regime costante) all’interno dell’autoclave fino araggiungere la pressione massima di esercizio p2, corrispondente ad unlivello Q di acqua (fig.2) ed un volume residuo V2;

• L’autoclave è quindi in grado di erogare acqua alla portata richiesta con unapressione oscillante tra p2 e p1 in funzione del livello dell’acqua al suo interno;

• La pompa di alimentazione “attacca”, riavviando il ciclo, quando il livellodell’acqua scende fino a ridurre la pressione al valore p1;

• p1 pressione assolutaminima di esercizio =pressione di

precompressione• p2 pressione assoluta

massima di esercizio




Dimensionamento prevalenzaDimensionamento prevalenzaautoclaveautoclave

• Pressioni di esercizio

– La pressione minima di esercizio p1 dovrà esser tale daassicurare la prevalenza richiesta dalle utenze (utenza criticaHcr) nonostante le perdite di carico per la distribuzione (questavolta non è presente il tratto verticale):

RETE DISTRIBUZIONEAUTOCLAVE

P D

POMPA

LS1

A

CRS CRCRS CRS hh H h H H −−− ∆+∆+=∆+=

11

– La pressione massima di esercizio p2 resta determinata a partiredalla pressione minima una volta fissata l’escursione massimaconsentita ∆p: p p p ∆+= 12


– Q è la quantità d’acqua pari alla differenza tra il volumemassimo di acqua all’interno dell’autoclave (V2), che fa staccarela pompa, e il volume minimo di acqua all’interno dell’autoclave(V1), che fa attaccare la pompa

Dimensionamento volumeDimensionamento volumeautoclaveautoclave

• Il volume dell’autoclave è legato a Q dalla relazione*:

12

21

0

0

p p

p p

p

QV

−

⋅⋅=AUTOCLAVE NON

PRECOMPRESSA 12

20

p p

pQV

−⋅=AUTOCLAVE

PRECOMPRESSA

• Imponendo un valore massimo del numero di scatti orario(generalmente 20 scatti l’ora) resta determinato Q e quindi, note p1

e p2, il volume dell’autoclave

(*) e (**) Vedi dimostrazioni di seguito

MAX

pompa

Z

QQ

⋅=

4

– Q è legato, attraverso la dinamica di riempimento esvuotamento dell’autoclave, al numero di scatti orario Z dallarelazione**:




(*) Calcolo volume V(*) Calcolo volume V00

( )

12

21

00

110

1100

12

21

1

2

1

211

1

22

1

212211

:

1

p p

p p

p

Q

p

pV V ottiene si

V pV pchecontotenendoe p p

pQV ha siquindie

p pQ

p pV cuidaQV

p pV

p pV alloraV pV p

−⋅

⋅=⋅=

=−⋅

=

⋅=

−⋅−⋅=⋅==

( ) ( )

12

20

2120022201

: p p

pQV ha siquindie

Q p p pV alloraQV pV pV p

−⋅

=

⋅=−⋅−⋅==

• AUTOCLAVE NON PRECOMPRESSA

• AUTOCLAVE PRECOMPRESSA


(**) Relazione tra Q e numero di(**) Relazione tra Q e numero discattiscatti

Ponendo:

• QP=QMAX: portata massima richiesta dalle utenze (la pompa di

adduzione all’autoclave deve essere in grado di soddisfare la

richiesta delle utenze)

• QU=Qm: portata media richiesta dalle utenze

la pompa di adduzione avrà mediamente il seguente comportamento:

QMAX

t

T

T 1 T 2

U P QQ

QT

−=

1

U Q

QT =2

USC USC P Q

Q

QQ

QT T T Z

+−

=+

==111

21

Assumendo per semplicità costante la

portata d’acqua richiesta nel singolo

intervallo di tempo, si ha:




(**) Relazione tra Q e numero di(**) Relazione tra Q e numero discattiscatti

• Il numero di attacchi della pompa di adduzione dipende dalla portata

in uscita dall’autoclave QUSC

che varia da istante a istante

• Il numero di attacchi massimo per la pompa di adduzione

all’autoclave ZMAX può quindi essere imposto attraverso la relazione:

+−

=

USC USC P

Q MAX

Q

Q

QQ

Q Z

USC

1max

01

=

+− USC USC P

USC

Q

Q

QQ

QdQ

d

2

P USC

QQ =

Q

Q Z P MAX ⋅

=4

Riferimenti BibliograficiRiferimenti Bibliografici

• F. Turco, “Principi generali di progettazione degli impianti industriali” , Città Studi, 1993

• A. Monte, “Elementi di Impianti Industriali” , ed.

Cortina, 1994

• Istituto di Tecnologie e Impianti Meccanici, “Impianti Meccanici”, CLUP

• G.Bauducco, M.Vigone, “Impianti Meccanici”, ed.Cortina, 1973

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