Impianti di Sollevamento

I primi acquedotti che sono sorti in Italia funzionavano a gravità essendo alimentati esclusivamente da sorgenti di alta quota. Ai nostri giorni si può tranquillamente affermare che è quasi inesistente un sistema di rifornimento idropotabile che possa funzionare senza l’ausilio delle pompe di sollevamento.

Curve caratteristiche della pompa centrifuga e del circuito idraulico
Curve caratteristiche della pompa centrifuga e del circuito idraulico

Le pompe normalmente usate sono quasi esclusivamente del tipo centrifugo abbinate a motori elettrici asincroni cioè a velocità fissa che è funzione diretta della frequenza della corrente elettrica che li alimenta.

Il primo elemento da considerare è la curva caratteristica della pompa che rappresenta le portate che essa è in grado di sollevare al variare della quota da vincere e che, nella figura a lato, è definita dalla curva superiore in rosso (curva “a”). Si noterà che la pompa è in grado di sollevare l’acqua alla massima altezza del grafico ma con portata pari a zero. La portata aumenta via via che diminuisce l’altezza da superare. Logicamente questa grande possibilità di variare la portata sollevabile deve tener conto di un fattore importante e cioè del rendimento della macchina nelle varie sue condizioni di funzionamento. E’ chiaro che nel punto iniziale di prevalenza massima tutta l’energia impiegata viene dissipata trasformandosi in calore ed infatti la portata sollevata è pari a zero.

Man mano che diminuisce l’altezza da raggiungere la portata aumenta a partire da zero , migliora il rendimento con un incremento continuo fino a raggiungere il punto massimo quando la pompa funziona all’incirca secondo il binomio portata/pressione tipico di costruzione della macchina. Da quel punto in poi la portata può aumentare ancora ma con un duplice effetto negativo di diminuzione sia della prevalenza e sia del rendimento.

Trova quindi conferma la regola generale in base alla quale ogni pompa deve lavorare alle sue condizioni di lavoro normali e quindi corrispondenti ai dati di targa o con contenute differenze rispetto ad essi. Qualora ci fosse bisogno di sollevare una portata molto bassa e con prevalenza elevata bisognerebbe, ovviamente , scegliere un’altra pompa di adeguata curva caratteristica.

A questo punto è da considerare la seconda curva (curva “b”) riportata nel disegno schematico e cioè la curva delle portate/pressioni relative al funzionamento della condotta di mandata ed il punto di intersezione tra le due curve che rappresenta il funzionamento dell’insieme. Per garantire un buon comportamento dell’impianto detto punto deve definire l’optimum sia per la pompa che per l’impianto idrico deve cioè dimostrare che la portata sollevata per il dislivello richiesto ha luogo senza dissipazioni energetiche eccessive.

Per la verità, pur essendo ovvio nell’esempio in esame, sussiste un altro elemento molto importante ed è la stabilità del sistema di sollevamento rappresentato dal punto di incontro delle due curve. Come si nota dal grafico indicato tale punto è esattamente definito e quindi nell’impianto in oggetto non esistono problemi ma si vedrà che in altri tipi di impianti di sollevamento il pericolo della instabilità di funzionamento è molto sentito.

Altre utili informazioni possono essere lette su “LA REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO DEGLI ACQUEDOTTI

LE POMPE A VELOCITA’ DI ROTAZIONE VARIABILE

GraficoPompeVeloc.Variab.
Grafico funzionamento pompe a velocità variabile

Una importante alternativa del sistema di sollevamento descritto riguarda le pompe a velocità di rotazione variabile.

Si tratta di una innovazione partita più di un ventennio or sono quando la moderna elettronica ha reso fattibile, tramite una apparecchiatura elettronica chiamata inverter, la regolazione della frequenza della corrente che alimenta le pompe e quindi la variazione continua dei giri al secondo delle pompe stesse ed il loro asservimento ai sistemi di controllo e comando automatici (telecontrollo e telecomando).

Maggiori chiarimenti su “L’UTILIZZAZIONE DELLE ELETTROPOMPE A VELOCITA’ VARIABILE NEGLI ACQUEDOTTI”.

Nella figura a lato sono rappresentate (con elementi adimensionali) le caratteristiche principali di una pompa a velocità variabile. La curva superiore in tratteggio di colore rosso è la ripetizione della curva caratteristica di cui si è parlato in precedenza mentre le curve parallele riportate più in basso si riferiscono alla stessa pompa al variare in diminuzione della sua velocità di rotazione. Ovviamente non è presa in esame una pompa che gira a velocità superiore alla velocità di base cioè alla velocità che si riscontra con inverter fuori servizio e pompa direttamente alimentata normalmente dalla corrente elettrica, poiché in tal caso si tratterebbe di un funzionamento non attuabile nella realtà non essendo materialmente possibile far effettuare al motore elettrico un lavoro superiore alla sua potenzialità. Chiaramente si può solo assoggettarlo ad un uso ridotto della sua potenza effettiva ma mai ad uno maggiore.

La tecnica di modificazione della velocità ha una effetto corrispondente alla creazione di tante pompe simili ma più piccole di quella originaria e quindi tutte atte a diminuire portata e prevalenza man mano che diminuiscono i giri al secondo.

Vengono elencati nelle due tabelle alcuni dati di funzionamento della pompa a pieni giri e per confronto la stessa pompa che riduce la velocità portandosi al 70% di quella originaria. Si noterà che la macchina, se usata impropriamente, denuncia rendimenti molto bassi che, per un corretto esercizio, devono essere evitati facendo funzionare sempre la pompa sulla base degli elementi dell’area tratteggiata nel grafico.

tabella giri

E’ anche opportuno ribadire a gran voce un concetto fondamentale: la variazione di velocità non riguarda solo e soltanto la portata della pompa, ma fa variare contemporaneamente anche la prevalenza di pompaggio.

Ne consegue che utilizzare la variazione di velocità per modificare la portata quando l’altezza di pompaggio è costante, costituisce un errore grave in quanto si costringe la macchina a funzionare con rendimenti molto bassi tutte le volte che va ad operare al di fuori del nocciolo centrale segnato con tratteggio nel grafico. L’errore classico che si commette frequentemente è l’uso di pompe a giri variabili per il sollevamento da un serbatoio inferiore ad uno superiore di una portata d’acqua variabile nel tempo. Molto meglio, in questo caso, usare soltanto pompe a velocità fissa. Le ragioni risulteranno chiare nella discussione che segue.

La variazione di velocità trova invece un impiego ideale nel pompaggio diretto in rete, in quanto vi è richiesta una variazione contemporanea sia della portata e sia della pressione! Quest’ultima risulterà elevata per tutti i periodi nei quali ciò torna utile per vincere le maggiori perdite di carico dell’impianto idrico privato e per dar modo all’utente stesso di soddisfare in pieno il suo fabbisogno, ivi compresi i casi di consumi eccezionalmente alti.

Esempio di rete ad immissione diretta tramite due pompe a velocità variabile regolata dall'impianto di telecomando
Esempio di rete ad immissione diretta tramite due pompe a velocità variabile regolata dall’impianto di telecomando

Sarà invece caratterizzata da valori inferiori in tutti i periodi di modesta richiesta idrica ed infine da valori di pressione veramente bassi al verificarsi dei consumi minimi come ad esempio nelle notti dei periodi invernali. Il tutto si svolge con rendimenti ottimali del gruppo motore/pompa ritraendone un vantaggio rimarchevole per il notevole risparmio nell’energia di pompaggio ed inoltre per la rilevante riduzione delle perdite e dei guasti di condotta.

Si è già spiegato come la maggior parte degli acquedotti in normale servizio funzioni con regole esattamente contrarie e cioè aumentando la pressione alla notte quando l’alta pressione, invece di essere utile, risulta dannosa perché sottomette le condotte ad un lavoro inutilmente oneroso e perché fonte della maggior parte delle perdite occulte che assillano il sistema idropotabile italiano.

Dalla descrizione fatta si intuisce la logica analogia che esiste tra modalità di pompaggio e quelle di funzionamento idraulico della rete di condotte, essendo anch’essa caratterizzata dal richiedere una pressione maggiore quando i consumi aumentano. Ciò consente che una rete alimentata in diretta da pompe a velocità variabile possa soddisfare pienamente le richieste non solo al perdurare dei normali consumi ma anche in quelli eccezionalmente elevati, come ad esempio in caso di apertura di idranti per lo spegnimento di incendi, per lavaggio strade e annaffiamento giardini. In questi casi l’automatismo, rilevata la maggiore richiesta, fa crescere la velocità delle pompe aumentando la portata addotta ed allo stesso tempo la pressione necessaria per vincere le maggiori perdite di carico della rete.

A questo punto è d’obbligo una osservazione. Come si spiega nella sezione “portate e perdite” il consumo dell’utenza ed al tempo stesso le perdite occulte, sono molto sensibili alla pressione e quindi allorquando,  come accade nel caso descritto, viene aumentata la pressione di rete, anche nel punto di consegna dell’acqua si crea una tendenza all’aumento dei consumi, aumento che a sua volta si ripercuote sul sistema automatico di regolazione delle pompe facendole aumentare nuovamente portata e pressione il che a sua volta potrebbe far aumentare di nuovo la portata totale richiesta innescando una catena di avvenimenti molto pericolosa di cui bisogna tener presente nella progettazione del sistema di telecontrollo. Si tratta comunque di procedure che si verificano in molti campi industriali e di cui ormai si conoscono caratteristiche e soluzioni.

Nel caso specifico il sistema di regolazione deve operare le variazioni di portata con molta cautela distanziando gli interventi e verificando automaticamente di volta in volta i risultati reali prima di ordinare un nuovo intervento. Vedi ” FABBISOGNO,CONSUMI, PORTATE E PERDITE NELLA PRATICA DI ESERCIZIO”.

Un altro errore che si ripete sovente è l’impiego di pompe variabili funzionanti in parallelo con pompe normali a velocità fissa allo scopo di poter cambiare a piacere la portata sollevata. Ad esempio in caso di grandi escursioni della richiesta idrica si usano una o più pompe a giri fissi funzionanti in parallelo per le variazioni macroscopiche di portata mentre per quelle minute che intercorrono tra la messa in moto di una pompa e di quella seguente si ricorre ad una pompa a velocità variabile, sempre in parallelo, allo scopo di avere un graduazione minuta e continua di portata. E’ chiaro che in questo caso la pompa a velocità variabile, quando lavora a bassi giri per sollevare le basse portate di integrazione, lo fa con una pressione anch’essa di valore molto basso e quindi completamente difforme da quello delle altre pompe che lavorano a pieni giri. Si tratta evidentemente di un impiego errato della variazione di giri.

Grafico di una pompa a corrente continua utilizzata per l'alimentazione a pressione variabile quando ancora non esisteva la variazione di frequenza della corrente tramite inverter
Grafico di una pompa a corrente continua utilizzata per l’alimentazione a pressione variabile quando ancora non esisteva la variazione di frequenza della corrente tramite inverter

Servirà questo esempio estremo. Siano in moto tre pompe in parallelo ed a velocità fissa da 100 l/sec cadauna e sia da sollevare una portata totale di 340 l/sec. ad un’altezza di 100 m. Allora viene messa in moto, sempre in parallelo, la pompa variabile a bassa velocità che dovrebbe fornire solo i 40 l/sec di integrazione. E’ ben noto che essa a soli 40 l/sec di portata e quindi a velocità molto bassa, ha una pressione bassissima e quindi non riesce ad immettere in condotta alcuna portata ma tutta l’energia impiegata per farla girare viene dissipata in calore.

Nella pratica il problema viene risolto aumentando la velocità fino al punto da riuscire veramente ad immettere la richiesta portata di 40 l/sec ma a questo regime la pompa non può far altro che andare totalmente fuori rendimento. La soluzione del problema in questo caso può essere trovata in due modi : installando più pompe a velocità variabile di potenza molto diversa l’una dalle altre e facendo funzionare di volta in volta la sola pompa che ha una portata adeguata alla richiesta oppure mettendo più pompe uguali a giri variabili che una volta messe in moto in coppia o in numero maggiore funzionino sempre alla stessa velocità e quindi alla stessa prevalenza.

Pompe a velocità variabile a corrente continua ed a frequenza regolata da inverter
Pompe a velocità variabile a corrente continua ed a frequenza regolata da inverter
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4 thoughts on “Impianti di Sollevamento

  1. Importante è anche avere un sistema di telecontrollo che permette di essere avvisati in tempo reale sull’arresto-guasto delle opere elettromeccaniche di un sollevamento, nel quale giustamente devono essere installate più pompe. Questo sistema affiancato all’uso dell’inverter permette di minimizzare i consumi e far funzionare l’impianto in valori vicini a quelli presenti sulla curva caratteristica della pompa.
    Negli impianti di depurazione acque reflue un problema rilevante si ha durante un evento meteorico in cui la portata in ingresso supera, e spesso non di poco, la portata di progetto…..oltre alle tubazioni del gas o alle linee elettriche in fibra ottica sarebbe corretto pensare anche alla linea delle acque bianche e delle acque nere in modo da far funzionare meglio gli impianti di depurazione e, magari con vasche di laminazione, recuperare le acque piovane per uso irriguo.

    1. Ringrazio per il commento e mi dichiaro pienamente d’accordo con il suo contenuto.
      Aggiungerei un suggerimento che io reputo importante. Bisognerebbe affidare all’impianto di telecontrollo e telecomando anche la seguente funzione: diventare il padre di molti acquedotti nel senso che quest’ultimi dovrebbero essere costituiti in funzione delle sue grandi possibilità, nel mentre si continua con i sistemi classici tradizionali molto spesso senza approfittare di questa grande occasione. Qualche indicazione può essere letta nell’articolo “UNA RETE ACQUEDOTTISTICA FIGLIA DELL’IMPIANTO DI TELECONTROLLO E TELECOMANDO” cliccando https://tuttoacquedotti.it/?s=figlia+del
      Marcello Meneghi9n

    2. Lei fa un accenno ad un argomento molto importante: la adozione di fognature di tipo separativo in sostituzione di quello tipo misto che dilagano, con effetti disastrosi, come quelli da lei accennati. Al riguardo, pur non facendo parte del mio campo di lavoro specifico che sono gli acquedotti, segnalo l’articolo “LA FOGNATURA PSEUDO SEPARATIVA” visibile cliccando
      http://goo.gl/9CHFMs
      che concerne la possibilità, già in corso di attuazione di alcuni centri, con la quale è possibile piano piano attraverso gli anni e mantenendo provvisoriamente il sistema misto, trasformare il tutto in fognatura separativa cioè con due reti rispettivamente per acque bianche e per acque reflue. A me sembra un sistema ottimo

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