Presentazione standard di PowerPoint - iat.unina.it e scopo dell’elaborato di tesi Sintesi...
15
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale (DICEA) Scuola Politecnica e delle Scienze di Base RELATORE Ch.mo Prof. Ing. Maurizio Giugni CO-RELATORE Ch.mo Prof. Ing. Francesco De Paola ANALISI SPERIMENTALE DELLA CORRELAZIONE TRA PRESSIONE E PERDITE IDRICHE PER UNA CONDOTTA IN PEad POSATA IN CEMENTO CELLULARE TESI DI LAUREA TRIENNALE IN INFRASTRUTTURE IDRAULICHE CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO CANDIDATO Raffaele Laus Matr. N49/288 Anno Accademico: 2014/2015
Transcript of Presentazione standard di PowerPoint - iat.unina.it e scopo dell’elaborato di tesi Sintesi...
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale (DICEA)
Scuola Politecnica e delle Scienze di Base
RELATORE
Ch.mo Prof. Ing. Maurizio Giugni
CO-RELATORE
Ch.mo Prof. Ing. Francesco De Paola
ANALISI SPERIMENTALE DELLA CORRELAZIONE TRA PRESSIONE E PERDITE IDRICHE PER UNA CONDOTTA
IN PEad POSATA IN CEMENTO CELLULARE
TESI DI LAUREA TRIENNALE
IN INFRASTRUTTURE IDRAULICHE
CORSO DI LAUREA IN
INGEGNERIA PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO
CANDIDATO
Raffaele Laus
Matr. N49/288
Anno Accademico: 2014/2015
Presentazione e scopo
dell’elaborato di tesi
Sintesi dell’Elaborato di Tesi
Perdite idriche nei sistemi
acquedottistici
Situazione in Italia
Classificazione Perdite
Prove sperimentali
Regolazione del Cielo Piezometrico
per la riduzione delle perdite
Cause Scatenanti e
Tipologie di Intervento
Installazione sperimentale
Conclusioni
Risultati e Confronti
Perdite idriche
Perdite Apparenti
Errori di misurazione
Errato funzionamento dei
contatori
Consumo non
autorizzato
Furti sulla rete (allacciamenti
abusivi)
Perdite Fisiche o Reali
Perdite di sottofondo
Volumi ridotti
Perdite da rotture
segnalate
Volumi considerevoli
(visibile sul p.c.)
Perdite da rotture non segnalate
Volumi considerevoli
(non visibili al p.c.)
Il presente lavoro è incentrato su uno
studio sperimentale circa l’analisi della
correlazione tra pressioni agenti in
condotte e portate perse,
in condizioni di posa
con cemento cellulare.
Volume
Disponibile
Volume
Perso
Volume idrico totale annuo immesso in rete:
8.7 miliardi di 𝑚3
Volume idrico utilizzabile annualmente Volume idrico perso annualmente
L’ingente mole di perdite idriche comporta un costo industriale annuo
di 221 milioni di € e un mancato ricavo da parte complessivo di
3 miliardi di € annui.
Esempi di perdite fisiche reali
Si stima che, su circa 8.7 miliardi di m3 immessi annualmente nel
sistema idrico nazionale, si determinino volumi di perdita di circa 2.61
miliardi di m3, corrispondenti a circa il 30% di risorsa utilizzata.(fonte Co.Vi.Ri. 2009)
La rottura di una condotta, con la conseguente perdita idrica,
è attribuibile a diverse cause:
Cause
Vetustà
Diametro tubazione
Temperatura
Natura
TerrenoPressioni
Carichi dinamici
Carico del terreno
Controllo Attivo Azioni di monitoraggio in continuo, indirizzate alla
regolazione del cielo piezometrico mediante criteri di Distrettualizzazione
e di utilizzo di Valvole di Riduzione della Pressione PRVs
Controllo Passivo Esecuzione dell’intervento manutentivo a valle del
rilievo visivo della perdita, per affioramento in superficie
Controllo Sistematico Controllo periodico e programmato dello stato
di usura delle condotte, con azioni indirizzate alla manutenzione ordinaria.
Legge di perdita
Dalla letteratura ingegneristica di
settore, per l’efflusso da una luce a
battente si suole utilizzare la Legge
Torricelliana:
𝑄 = 𝜇 ∙ 𝐴 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙ ℎ1 − ℎ𝑔𝑠
Da studi sperimentali è emerso
come la suddetta relazione possa
essere definita da una forma
funzionale di tipo monomio:
𝑄 = 𝛼 · 𝑃𝛽
- µ coefficiente di efflusso
- h1 carico in una generica sezione a monte della luce
[m]
- A sezione di efflusso [m2]
- g accelerazione gravitazionale [m/𝑠2]
- hgs quota baricentrica della sezione di efflusso [m]
- Q portata attribuita alle perdite (l/s);
- 𝛼 coefficiente della legge monomia noto in letteratura
come Emitter Coefficient (l/s∙bar);
- P pressione in rete (bar);
- β esponente adimensionale della legge monomia, noto
in letteratura come Leakage Exponent.
Dalla relazione è lecito ritenere che da una riduzione della pressione in rete
si ottengano minori portate perse.
In questo senso, è sempre più
diffuso l’uso di valvole
regolatrici della pressione
(Pressure Reducing Valves,
PRVs)
Installazione Sperimentale
PROPRIETA’ Isolamento termico
Isolamento acustico
Leggerezza
Materiale eco-compatibile
Meno resistente cemento tradizionale
Deformazioni maggiori con sollecitazioni
meccaniche costanti
Adattabilità tubo alla configurazione del
terreno
Resistenza all’attacco di correnti vaganti
Resistenza alla corrosione chimica
Ridotta celerità di propagazione perturbazioni
Ridotta scabrezza tubazioni
Pressioni di esercizio minori o uguali a 16
atm
PROPRIETA’
Acquisizione dati
Calibrazione
LabView
Scheda di acquisizione
Trasduttori
Elettronici di
Pressione
Misuratori
Elettromagnetici
di Portata
Portata [l/s]
Pressione [bar]
𝑄𝑚 = 951.78𝑥 − 3.8674
𝑄𝑣 = 952.68𝑥 − 3.8622
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
0 0.005 0.01 0.015 0.02
Pre
ssio
ne
P [
bar
]
Intensità corrente I [mA]
Pressione (P)
x=i [mA]
Le prove statiche sono state condotte fissando il grado di apertura della
valvola a fuso di valle e regolando il carico piezometrico tramite la parziale
o totale apertura della valvola a cuneo gommato di monte.
Sono state eseguite 5 Prove Statiche con grado di apertura della valvola di
valle pari al 50% alle pressioni di 1bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5.5 bar.
La durata delle prove è risultata variabile da 800s per la prova ad 1 bar a
150 s per la prova a 5.5 bar.
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
0 50 100 150
Pre
ssio
ne
(bar
)
Po
rtat
a (
l/s)
Tempo (s)
Q monte
Q valle
Q persa
Pressione
Le prove statiche sono
riproduttive delle
condizioni di esercizio
tipiche delle fasce orarie a
minor richiesta dell’utenza
Sono state inoltre eseguite 2 Prove Statiche con grado di apertura della
valvola a fuso di valle pari al 25% alla pressione di 1 bar e 2 bar.
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0 100 200 300 400 500
Po
rtat
a (l
/s)
Tempo (s)
Q monte
Q valle
Q persaÈ evidente in questa tipologia di
prove la difficolta nella rilevazione
dei dati, probabilmente dovuta
all’instaurazione di transitori
0.00
1.00
2.00
3.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0 200 400 600 800
Pre
ssio
ne
(bar
)
Po
rtat
a (l
/s)
Tempo (s)
Q monte
Q valle
Q persa
Pressione
Prova ad 1 bar
Prova a 5.5 bar
Ciascuna prova è
caratterizzata da una fase
transitoria iniziale e finale
dovuta alla movimentazione
della valvola di monte
Prova a 1 bar
È stato possibile eseguire un confronto tra pressioni e portate perse
per le prove di tipo statico con grado di apertura del 50%.
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
100 110 120 130 140
Po
rtat
a P
ers
a (l
/s)
Tempo (s)
3 bar4 bar5,5 bar2 bar1 bar
Si può notare come
all’aumentare della
pressione aumentino
le portate perse
Prova 1
Prova 2
Prova 3
Prova 4
Prova 5
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00
Po
rtat
a p
ersa
[l/
s]
Pressione [bar]
Eseguendo l’interpolazione dei dati di pressione media e portata
persa desunti, è stato possibile utilizzare una forma funzionale di tipo
potenza, che restituisce i valori numerici dei coefficienti α e β della
Legge monomia, anche detta Legge di Perdita.
Qp = 0.2475x0.6049Q P
Legge di Perdita
α = 0.2475 β = 0.6049
Le prove dinamiche sono state eseguite mediante la regolazione, in
corso di sperimentazione, della valvola di valle.
Sono state condotte 9 Prove Sperimentali Dinamiche.
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00
Pre
ssio
ne
(bar
)
Po
rtat
a (l
/s)
Tempo (s)
Q monte
Q valle
Q persa
Pressione
I Gradi di Apertura della
valvola di valle sono variati
nel range 25% - 70%
Prova 6 – Grado di
Apertura 40%_50%
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
Pre
ssio
ne
(bar
)
Po
rtat
a (l
/s)
Tempo (s)
Q monte
Q valle
Q persa
Pressione
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
Pre
ssio
ne
(bar
)
Po
rtat
a(l
/s)
Tempo (s)
Q monte
Q valle
Q persa
Pressione
Prova 7 – Grado di
Apertura 50%_30%
Prova 8 – Grado di
Apertura 50%_30%
Le prove dinamiche eseguite
tendono a simulare differenti
configurazioni del pattern di
consumi.
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00
Pre
ssio
ne
(b
ar)
Po
rtat
a P
ersa
(l/
s)
Tempo (s)
Q persa
Q perse con coef. parziali
Q persa con coef. Totali
Pressione
La dispersione dei dati delle prove dinamiche, non consente una semplice
calibrazione dei coefficienti α e β della Legge di Perdita mediante
l’individuazione della funzione potenza di regressione, come eseguito per
le prove di tipo statico.
Nel caso di prove
dinamiche infatti è stato
possibile estrapolare i
suddetti coefficienti
mediante l’applicazione
di un software agli
Algoritmi Genetici
Prova 6 con
Algoritmo Genetico
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
Pre
ssio
ne
(bar
)
Po
rtat
a P
ersa
(l/
s)
Tempo (s)
Q persa
Q persa con coef. Totali
Prova 7 con
Algoritmo Genetico
In tale caso operativo, sono
stati ricercati i valori dei
coefficienti α e β tali da
minimizzare la funzione di
Fitness, corrispondente con
la sommatoria degli scarti
quadratici relativi tra la
correlazione sperimentale
pressione-portata e quella
analitica
Dal confronto tra i grafici ottenuti sperimentalmente mediante l’utilizzo dei
coefficienti α e β, parziali e totali, ricavati tramite l’Algoritmo Genetico, si
conferma la validità della calibrazione eseguita, definendo un andamento
corrispondente dei trend di portata dispersa nel tempo.
Coefficienti α e β mediati per le 9 prove eseguite
α = 0.36 β = 0.43
Il presente elaborato di tesi è incentrato sull’analisi della problematica
relativa alle perdite fisiche nei sistemi acquedottistici in pressione,
valutando la correlazione esistente tra Pressioni e Portate Perse.
Nello specifico, mediante un approccio sperimentale, sono stati valutati i
parametri della Legge di Perdita di tipo monomio, relativamente
all’efflusso da un foro circolare di 5mm per una condotta in PEad
caratterizzata da rinterro in Cemento Cellulare.
Prove Statiche
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.00 2.00 4.00 6.00
Po
rtat
a P
ersa
[l/
s]
Pressione [bar]
ARIA
CEMENTOCELLULARE
Confrontando i risultati ottenuti
con quanto definito attraverso il
medesimo modello, ma in
differenti condizioni di posa, si
riscontra come l’utilizzo del
Cemento Cellulare comporti una
riduzione delle portate disperse,
rispetto all’efflusso libero,
mediamente del 20%.
Per le prove dinamiche è stato possibile il confronto relativamente ad
altre sperimentazioni precedentemente effettuate:
α = 0.35β = 0.45
Coefficienti
sperimentali per
Tubazione in PEad
a contato con aria
Coefficienti
sperimentali per
Tubazione in PEad
interrata con Cemento
Cellulare
α = 0.36β = 0.43
Dal confronto tra coefficienti desunti per Prove Statiche e Dinamiche, si
ottiene il seguente andamento:
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
Po
rtat
a P
ersa
(l/
s)
Pressione (bar)
Prove Statiche
Prove Dinamiche
Da tale comparazione risulta:
Non perfetta integrità
del cemento cellulare
Parziale saturazione
del terreno nel cassone
Portate perse maggiori
per le prove dinamiche
Possibili Cause
Prove Dinamiche
