Modulo 3

Impianti di approvvigionamento dell’acqua

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Dott. Ing. Michele Gambuti

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale

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Prelievo dell’acqua

Serbatoi di accumulo

Agenda

Autoclave

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Prelievo dell’acqua

Prelievo da acque superficiali

LEGENDA:

Bs: bacino sghiaiatore

B: bacino

C: canale di reimmissione

D: derivazione

S: stramazzo

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Circa la metà dell’acqua prelevata, proviene da acque superficiali.

Per il prelievo non è necessario un sistema di pompaggio ma si

realizza una semplice derivazione.

Il corso d’acqua incontra uno sbarramento S.

Da uno sfioratore, l’acqua arriva al bacino sghiaiatore Bs, un

bacino di calma per far depositare i sedimenti. La presa è laterale

perché sul bordo del fiume la velocità è praticamente nulla rispetto

alla zona centrale.

Prelievo dell’acqua

L’acqua torna quindi nel fiume passando per un ulteriore bacino B che segue lo

stramazzo.

Dal bacino sghiaiatore parte un canale di derivazione D che preleva l’acqua e la porta

all’utenza.

Il fondo del bacino sghiaiatore è più elevato rispetto al fondo della derivazione, per far sì

che la parte solida segua più agevolmente il corso del torrente che non il corso di

derivazione.

I prelievi sono regolamentatiti da un autorità di bacino al fine di preservare il corso d’acqua

e impedire forti ripercussioni sull’ambiente.

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L’altra metà dell’acqua prelevata proviene da falde acquifere. In questo caso sono necessarie

stazioni di pompaggio per emungere l’acqua (nell’area di Blogna sono installati circa 14MW di

potenza).

Esistono due tipi di falde: le falde freatiche e le falde artesiane.

Prelievo da acqua di falda

𝐐 = 𝐊 𝐳𝐬𝟐 − 𝐳𝐝

2

Falda Freatica

La maggior parte dei pozzi preleva acqua da falde freatiche.

In una falda freatica, si ha uno strato di terreno roccioso o

comunque impermeabile (argilla ad esempio) sormontato da uno

strato permeabile. Per migrazione, l’acqua occupa gli interstizi

dello strato permeabile.

La portata di acqua emungibile è proporzionale alla differenza tra il

quadrato della quota zs e il quadrato della quota zd.

zs=livello del pozzo in condizioni statiche

zd=livello del pozzo in condizioni di prelievo (dinamico).

K è la costante di falda e indica quanta acqua può venire prelevata

dalla falda.

Prelievo dell’acqua

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Per determinare la costante K, occorre conoscere le quote zs e

zd: o è nota la morfologia del terreno (ad esempio grazie a rilievi

geologici) oppure occorre effettuare due prove con una pompa:

Q1 = K zs2 − zd1

2 = K zs − zd1zs + zd1

Q2 = K zs2 − zd2

2 = K zs − zd2zs + zd2

∆z1= zs − zd1 → zd1

= zs − ∆z1

∆z2= zs − zd2→ zd2

= zs − ∆z2

Prelievo dell’acqua

Gli abbassamenti di livello ∆z1 e ∆z2sono misurabili durante le due prove e le portate

Q1 e Q2 sono note.

Si ha quindi un sistema con 4 incognite (K, zs, zd1, zd2

) e 4 equazioni per risolverlo.

Q1 = K ∆z1 zs + zd1= K ∆z1 2 zs − ∆z1

Q2 = K ∆z2 zs + zd2= K ∆z2 2 zs − ∆z2

zs =1

2

Q2

K ∆z2+ ∆z2 → K =

Q1

∆z1 2 zs − ∆z1=

Q1

∆z1Q2

K ∆z2+ ∆z2 − ∆z1

→ K =

Q1∆z1

−Q2

∆z2

∆z2 − ∆z1

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Falda artesiana

L’acqua è ’’intrappolata’’ sotto uno strato di terreno

impermeabile.

Questo significa che l’acqua della falda si trova in

pressione: la pressione ρgh è quella esercitata dal

battente di liquido h, misurato tra il livello dell’acqua di

falda e la quota dove il terreno permeabile ha permesso

l’infiltrazione dell’acqua al di sotto dello strato

impermeabile.

𝐐 = 𝐊 𝐳𝐬 − 𝐳𝐝

Ciò significa che se si scava un pozzo, il livello dell’acqua sale rispetto al livello della falda.

Nel caso di fontanili, l’acqua arriva in superficie.

Prelievo dell’acqua

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Pompe sommerse

In testa alla pompa troviamo il motore elettrico che deve

sempre rimanere sommerso, e il filtro di aspirazione.

Delle sonde di livello staccano la pompa quando questa è in

condizione di scoprirsi, per evitare che venga pompata

dell’aria bruciando il motore della pompa.

Si utilizzano pompe multigirante (in figura sono rappresentate

4 giranti)

Un serbatoio di accumulo fa da elemento compensatore. Un

galleggiante controlla il livello del serbatoio e tramite un

teleruttore, comanda l’attivazione/disattivazione della pompa.

La linea della pompa è prevista di valvola di non ritorno e

valvola di intercettazione.

È presente una valvola per il prelevamento di campioni, per

monitorare periodicamente l’acqua aspirata (ad esempio per

evitare che la pompa cominci ad aspirare acqua con troppa

sabbia, abrasiva per le giranti)

Prelievo dell’acqua

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Esempio:

Spesso si usano pompe immerse a profondità di

circa 400 m.

Le perdite di carico dovute al condotto tra

aspirazione della pompa e serbatoio possono

essere assunte pari a:

∆pt= λLeq

Deq

v2

2𝜌 = 0,02 ∙

500

0,2∙

22

2∙ 1000 = 0,1 Mpa

Il battente che la pompa deve vincere è 100 m,

dal livello del pozzo al livello del serbatoio (non

deve vincere 400 m)

∆pz= 𝜌gh = 1000 ∙ 9,81 ∙ 𝟏𝟎𝟎 ≃ 1MPa

Prelievo dell’acqua

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Nello schema a fianco abbiamo un pozzo con pozzetto in testa.

Sono visibili un chiusino d’ispezione (500mm di diametro) e un

chiusino grigliato detto passo d’uomo (600mm*600mm), che

consente al manutentore di entrare nel pozzetto.

Nella configurazione proposta non c’è un galleggiante, ma si

ha un funzionamento continuo e a perdere.

È presente una valvola di sfioro che, nel caso in cui la

pressione dovesse salire (ad esempio perché l’utenza preleva

poca acqua) riporta l’acqua nel pozzo.

Il tubo di ricircolo di quest’acqua è posizionato sotto battente

per ridurre al minimo le perdite di carico del percorso.

Solitamente il costo delle opere civili è assai maggiore rispetto

ai costi relativi all’impianto.

Prelievo dell’acqua

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Nello schema a fianco viene proposta una pompa di sollevamento

comandata da un galleggiante alloggiata in un pozzetto di raccolta

di acque meteoriche.

Solitamente sono necessarie più di una pompa per aumentare la

portata elaborata in caso di forte evento meteorologico e per evitare

che, in caso d’avaria della prima pompa, non si abbia allagamento.

Alla mandata di queste pompe c’è sempre una valvola di non ritorno

per evitare il ritorno di acqua nella girante (la girante è aperta

essendo la pompa centrifuga).

Esistono anche architettura con pompa esterna non sommersa.

Necessitando di alberi lunghi si hanno problemi di tipo flessionale,

problemi di vibrazioni, problemi di cuscinetti, …

Le giranti sono solitamente arretrate e non occupano tutta la

chiocciola: ciò permette la creazione di un vortice libero che, per

forza centrifuga, convoglia la portata di acqua all’utenza. In questo

modo si resiste meglio al grippaggio della girante nel caso in cui

vengano aspirati sassi, ma crolla il rendimento della pompa.

Prelievo dell’acqua

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Prelievo dell’acqua

Serbatoi di accumulo

Agenda

Autoclave

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Serbatoi di accumulo

Per interfacciare il sistema di pompaggio con la rete di distribuzione, si utilizzano serbatoi.

Serbatoio fuori terra

L’adduzione di acqua a è sempre

orientata verso il basso per evitare

fenomeni di corrosione delle pareti

Un troppo pieno t decide il livello

massimo raggiungibile: tutto l’eccesso

di acqua viene scaricato in fogna per

evitare la tracimazione dal serbatoio.

La presa nel punto più basso del serbatoio è lo spurgo s.

Ci sono due prelievi: il prelievo dell’utenza p e il prelievo per il sistema antincendio p’.

Solitamente la motopompa non è installato sull’impianto ma è quella a bordo del camion dei

vigili del fuoco.

È necessario isolare le pareti per evitare fenomeni di congelamento.

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Serbatoio interrato

Le condizioni di adduzione e prelievo sono le

medesime viste per i serbatoi fuori terra.

Il vantaggio è che non viene utilizzata

superficie utile e si è più tutelati dai cali di

temperatura.

È tuttavia necessario scavare, realizzare fondazioni, ancoraggi e pareti in cemento armato.

Infatti se un serbatoio in vetroresina venisse interrato, nel caso in cui questo fosse vuoto e il

terreno circostante diventasse fangoso (a seguito di piogge) per la forza di Archimede verrebbe

sollevato in superficie.

Serbatoio sopraelevato

Si utilizza quando l’acqua deve essere garantita ad una certa pressione in

qualunque situazione. Un altezza di 30m equivale ad una pressione di 3 bar

e, una volta in quota, l’acqua può venire fornita senza l’utilizzo di pompe.

Il serbatoio deve essere installato ad una quota superiore rispetto all’altezza

del fabbricato più elevato.

Serbatoi di accumulo

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La pompa può lavorare controllata da un inverter inseguendo il fabbisogno dell’utenza,

oppure lavorare a punto fisso. In quest’ultimo caso, tra pompa ed utenza, è necessaria

l’interfaccia di un serbatoio di compenso.

È necessario stabilire il periodo di funzionamento della pompa: una pompa

funzionante h24 è una scelta economica, ma necessita di un presidio h24. Il periodo di

funzionamento è quindi legato ai tempi di apertura/chiusura dell’azienda.

Dimensionamento di un serbatoio

Serbatoi di accumulo

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Consideriamo un funzionamento della pompa dal

tempo t1 al tempo t2.

Supponendo un serbatoio inizialmente vuoto,

quando l’utenza inizia a prelevare al tempo ta, nel

serbatoio è stato accumulato un volume V1 di

acqua. Al tempo t0, tutta l’acqua accumulata è

stata consumata dall’utenza. In tb si ha la massima

differenza tra il volume di acqua fornito dalla

pompa e il volume di acqua richiesto dall’utenza

V2. Il volume di acqua V2 deve pertanto essere già

presente nel serbatoio al tempo t1.

Pertanto, il volume del serbatoio sarà pari a: VS = V1 + V2 ∙ (1 + α)

con α=coeff. di sicurezza (ad es. 30%)

In tal modo la curva cumulata del volume d’acqua presente nel serbatoio trasla verso

l’alto e non si rimane mai senza acqua.

Se in un reparto non è possibile permettersi un serbatoio, si utilizza un autoclave.

Serbatoi di accumulo

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Prelievo dell’acqua

Serbatoi di accumulo

Agenda

Autoclave

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Autoclave

L’autoclave è un recipiente contenente acqua e aria in pressione.

Se l’utenza smette di chiedere acqua, la pompa non si ferma ma continua a lavorare perché la

presenza del cuscino di aria permette di immagazzinare acqua in pressione. La pressione

nell’autoclave sale finché non viene raggiunto un valore massimo stabilito e un pressostato

stacca la pompa.

Quando l’utenza riparte, la pompa rimane ferma perché viene utilizzata l’acqua in pressione

immagazzinata nell’autoclave. Se la pressione nell’autoclave scende sotto un valore minimo

stabilito, la pompa viene fatta ripartire.

L’autoclave realizza quindi un interfaccia tra la fornitura di acqua e le esigenze dell’utenza.

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L’autoclave è un elemento molto pericoloso perché contiene aira compressa e, in caso di

fessurazione o cedimento dell’autoclave, si assisterebbe ad una vera e propria deflagrazione.

Le autocalvi devono essere omologate dall’INAIL (Istituto Nazionale per l’Assicurazione contro

gli Infortuni sul Lavoro): il progetto viene valutato e vengono fornite delle prescrizioni di

periodicità nei controlli: può essere sufficiente il solo collaudo iniziale oppure possono essere

necessarie ispezioni e manutenzioni molto frequenti.

La manutenzione di un autoclave è molto importante: ad esempio, con pareti in ferro zincato,

con il passare del tempo le pareti possono venire corrose e assottigliarsi. Per le correnti

galvaniche si possono utilizzare zinchi sacrificali o protezioni anodiche attive (tenendo tutto il

sistema ad un alto potenziale per evitare la corrosione), ma è comunque necessario tenere

monitorato lo spessore della parete.

Esistono autoclavi in cui l’acqua rimane confinata all’interno di una

membrana polimerica, non venendo a contatto né con il polmone di aria né

con le pareti dell’autoclave. Non si hanno problemi di corrosione delle pareti

o di assorbimenti di aria nell’acqua e si può pianificare una manutenzione

molto meno frequente.

Bisogna verificare l’integrità della membrana: se questa si dovesse forare,

piano piano il cuscino di aria verrebbe inglobato nell’acqua in pressione e

aumenterebbe il numero di attacchi orari della pompa.

Autoclave

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Legenda:

P = pompa

PI = indicatore di pressione

RP = riduttore di pressione

Lm = livellostato di minima

LM = livellostato di massima

Pm = pressostato di minima

PM = pressostato di massima

PS = pressostato di sicurezza

VI = valvola manuale di intercettazione

VNR = valvola di non ritorno

VS = valvola di sicurezza

VSO = valvola a solenoide

V = differenza tra il livello min e max

Vm = volume minimo di acqua in autoclave

V0 = volume minimo occupato dal cuscino di aria

P&I

Autoclave

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La linea di spurgo, intercettabile da una valvola manuale, va al troppo pieno per permettere lo svuotamento

dell’autoclave in caso di lavaggio.

Una valvola di sicurezza VS scarica l’acqua nel troppo pieno nel caso in cui la pressione dovesse

aumentare sopra un certo valore di sicurezza.

Un pressostato di massima PM e uno di minima Pm , comandano una valvola a solenoide VSO per il

ripristino della pressione del cuscino di aria.

Non bastano i pressostati, perché con aria e acqua in pressione a contatto, si ha la solubilizzazione dell’aria

nell’acqua. Si utilizza anche una regolazione di livello per controllare che il volume occupato dal cuscino di

aria non si riduca a livelli troppo bassi. Il livellostato di minima Lm comando le ripartenze della pompa e il

livellostato di massima LM comanda gli arresti della pompa.

Quando il livello è minimo, se la pressione è inferiore alla pressione minima che il cuscino di aria deve

avere, si apre la valvola a solenoide per ripristinare la pressione che l’aria deve avere per un corretto

funzionamento.

È presente un ulteriore pressostato di sicurezza PS che comanda la pompa e il ripristino del cuscino d’aria.

Sulla linea dell’aria compressa è posizionato un riduttore di pressione RP (intercettabile e bypassabile con

valvole manuali). È necessario in quanto le pressione massima di targa dell’aria nell’autoclave può essere

inferiore a quella della linea di gas compresso. Se si utilizzasse un cuscino d’aria di azoto, prelevando

l’azoto da bombola, in essa si possono avere pressioni intorno ai 200 bar.

Autoclave

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Dimensionamento

V = differenza tra il livello min e max

Vm = volume minimo di acqua

V0 = volume minimo di aria

QP = portata volumetrica di acqua elaborata dalla pompa

QU = volume volumetrica di acqua richiesta dall’utenza

V :

Il volume V va dimensionato in base al numero di attacchi orari della pompa.

Tempo minimo di svuotamento (a pompa ferma): ts =𝑉

QU

Tempo di riempimento: tr =𝑉

QP−QU ,

Il tempo di riempimento è minimo quando la pompa riempie l’autoclave e l’utenza non richiede

acqua (QU=0): tr,min =𝑉

QP

Autoclave

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Il tempo minimo tra due attacchi successivi ta è dato dalla somma del tempo di svuotamento e

del tempo di riempimento minimo:

ta = ts + tr,min = 𝑉1

QU+

1

QP

Se si fissano 6 attacchi all’ora ta è pari a 10 minuti e, note le portate QU e QP , si determina il

volume V.

Vm :

Solitamente il volume minimo di acqua è pari al 20% del volume V:

𝑉𝑚 = 0,2 𝑉

V0 :

Consideriamo una trasformazione isoterma dell’aria:

pM𝑉0 = pm 𝑉0 + 𝑉 → pM = pm 𝑉0+𝑉

𝑉0

La differenza tra pressione minima e massima dell’aria, non può essere molto elevata: deve

mantenersi nell’intorno di 1 bar.

Autoclave

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