Master in Bonifica Idraulica e Irrigazione
Gli Impianti di pompaggio - idrovore
Prof. Marco Franchini
Università degli Studi di Ferrara
La cavitazione
Quando la pressione assoluta in ingresso alla girante diviene uguale o inferiore al
valore della tensione di vapore del liquido, si formano delle piccole bolle di vapore
accompagnate da ebollizione, mentre l’aria disciolta nell’acqua si libera.
Le bolle di vapore, assieme all’aria, vengono trascinate dalla corrente e quando
arrivano in zone a pressione più elevata della tensione di vapore collassano.
Le particelle di liquido colpiscono con estrema violenza le pareti della macchina,
dando luogo ad aumenti locali della pressione (fino a 400 MPa) e della temperatura
(fino a 800 °C) accompagnati da sollecitazioni meccaniche talmente elevate
da provocare la rottura del materiale.
Impianti Idrovori nelle
bonifiche
Impianto idrovoro Ca’ Corniani, Caorle, Q = 1730 l/s; H = 4,60 m
Le elettropompe sommergibili ad elica (idrovore) sono schematicamente costituite da un
motore elettrico alloggiato in vano a tenuta stagna, collegato mediante un albero
di lunghezza ridotta ad una girante a elica situata in asse ad un complesso idraulico formato
da un convergente di aspirazione e da un diffusore di mandata attraverso i quali fluisce
l’acqua da sollevare.
Diagramma a mosaico: la produzione commerciale
prevede pompe della portata fino a 6000 l/s e della
prevalenza dell’ordine di 15 m.
Le pompe sommergibili (idrovore) possono essere installate in colonne verticali
di acciaio o cemento ed appoggiate su di una flangia di supporto fissata all’estremità
inferiore della colonna. Sono possibili diverse tipologie di installazione usando componenti
metalliche di diverse forme che in funzione del tipo di mandata possono venire
classificate in due categorie: a scarico libero e scarico sommerso.
Installazione di una
elettropompa – idrovora
sommergibile all’interno di un
tubo contenitore
Il tubo contenitore in acciaio
può essere costituito, nel caso
di notevoli altezze della stazione
di sollevamento, da più pezzi
flangiati, i quali possono venire
fissati alla struttura di appoggio
mediante staffe
Il contenitore viene ancorato
superiormente ad un telaio di
appoggio.
Al di sopra di quest’ultimo viene
flangiato un pezzo di collegamento
fra la tubazione verticale di
mandata e l’ulteriore tratto di
raccordo al bacino di scarico.
E1: curva di mandata
flangiata a sezione
rettangolare
E2: curva di mandata
flangiata a sezione
circolare
E3 e E4: curve di mandata flangiate a sezione circolare
D3: tubo contenitore per il
posizionamento delle pompe
predisposto per essere annegato
nel cemento. Lo si adotta quando
la colonna di mandata anziché in
acciaio viene realizzata in calcestruzzo.
Facilità di sollevamento dalla
tubazione di alloggio e di reimmissione
nella stessa a manutenzione avvenuta.
L’operazione viene agevolmente condotta anche in presenza di acqua che sommerge la pompa, con l’ausilio di un cavo
di materiale plastico, passante attraverso
l’anello di sollevamento e lasciato nel
pozzo, il quale consente un semplice
inserimento nell’anello del gancio collegato con il dispositivo di sollevamento.
La pompa viene installata all’interno
di un vano di calcestruzzo a sezione
circolare alla base del quale è ancorato
l’elemento in acciaio di supporto.
Questa soluzione può essere presa
quando l’acqua viene ad esempio
immessa in un canale di irrigazione
il cui livello è soggetto a limitate
escursioni nel tempo.
Bassi costi e semplicità costruttiva.
Forti perdite di carico alla sbocco.
La pompa viene installata in una colonna
di acciaio ancorata al telaio di supporto.
Da un punto di vista idraulico, questa soluzione è analoga alla precedente: infatti la
prevalenza è condizionata dalla quota della
corona di immorzamento e non dal dislivello
idrico.
Ci sono però più parti metalliche e ciò
può portare maggiori problemi nei confronti
della corrosione.
Soluzione analoga alla precedente.
Nella parte superiore viene flangiato
il pezzo di raccordo tipo E1.
Lo scarico è di tipo non sommerso.
Quando i livelli allo scarico sono soggetti
a notevoli oscillazioni, si può munire la bocca
di scarico di un clapet di chiusura che
impedisce l’inversione del flusso. Se
l’impianto è soggetto a lunghi periodi di
inattività si inserisce una saracinesca a monte
del clapet.
L’installazione a sifone è la più
frequente. Questa installazione
riduce la prevalenza geodetica, consente di porre l’impianto distante
dal bacino di arrivo. Per evitare
ritorni di flusso a tubazione piena, si
pone nel punto più alto una valvola
di disadescamento, principalmente di
tipo elettromagnetico, che si attiva
all’arresto del motore della pompa,
o di tipo meccanico, che si attiva
non appena si inverte il flusso.
Installazione con scarico a sifone: Comune di Oderzo
Celle di aspirazione: criteri per il dimensionamento
Idealmente, il flusso del liquido verso una pompa dovrebbe essere uniforme,
costante, senza vortici e senza ingresso di aria.
- La mancanza di uniformità può causare diminuzione del rendimento.
- Un flusso incostante produce un carico variabile sul rotore dando origine a
rumorosità e a vibrazioni con conseguenti danneggiamenti meccanici.
- Un vortice in aspirazione può essere causa di variazioni di portata, rendimento e
potenza.
- L’ingresso di aria provoca riduzione di portata, oscillazione del carico e conseguente
rumorosità, vibrazioni e danneggiamenti meccanici.
I vortici possono avere origine in superficie o lungo le pareti laterali o sul fondo
e trasmettersi all’interno della pompa.
Vortici di superficie
I vortici di superficie non sono particolarmente
dannosi quando danno luogo a limitate depressioni
del pelo libero, mo lo diventano quando provocano
intrusioni di bolle di aria a intermittenza e quando
il nucleo si estende pienamente sviluppato all’interno
della colonna aspirante.
I vortici di parete e i vortici di fondo, spesso chiamati vortici sommersi e visualizzabili
con immissioni di traccianti o di bolle di aria nella zona di origine e di sviluppo, danno
luogo a rapidi cambiamenti di pressione locale all’interno della tubazione aspirante
con effetti particolarmente nocivi in presenza di pompe assiali. Questi vortici provocano discontinuità del flusso intorno alle pale delle pompe.
Vortici sommersi
L’asimmetria del campo del moto e la pre-rotazione del fluido che si approssima
all’imbocco, associate a zone di ristagno in prossimità di esso, favoriscono la
formazione di vortici che producono intrusione di aria.
Questi moti di rotazione possono essere provocati da bruschi cambi di direzione
delle traiettorie e da asimmetrie insite nella forma del sistema di alimentazione.
Asimmetrie
In prossimità degli angoli tra le pareti laterali e di fondo della camera si possono
formare zone di ristagno del liquido. La superficie di separazione tra il liquido
in movimento e quello ristagnante non è stabile ma tende a spostarsi, provocando
instabilità nel moto e accrescendo lo scambio di aria al formarsi di vortici di
superficie.
Ristagno
Trascinamento di aria
Fenomeni di trascinamento di aria nella
camera di aspirazione e questa alla pompa
sono spesso legati alle modalità di
ingresso dell’affluente nella camera di
aspirazione: il tipo di raccordo, soprattutto in presenza di dislivelli tra il fondo
del condotto affluente e della camera e la
presenza di ostacoli all’ingresso di
dimensioni trasversali al moto paragonabili alla larghezza della cella (pilastri di
sostegno).
Dimensionamento
Il corretto dimensionamento delle celle
deve far fronte alla formazione di vortici
e al trascinamento d’aria all’interno delle
pompe, consentendo la massima riduzione possibile delle loro dimensioni
nonché il battente minimo di acqua.
In base a prove sperimentali è risultato
che le dimensioni ottimali della cella
possono essere espresse in funzione di
una sola dimensione tipica che è il
diametro nominale D della tubazione
in cui sono installate le pompe sommergibili.
Sommergenza
Il valore minimo del battente d’acqua al
di sopra della sezione aspirante della pompa
deve essere fissato in modo da evitare la
formazione di vortici e da assicurare che non
intervenga la cavitazione.
Il livello minimo nel vano di alloggiamento
delle idrovore deve essere imposto per la
più restrittiva delle due condizioni.
Prevenzione vortici di superficie
S = 0.75 D
Al variare di D, oltre una certa portata
il legame fra S e Q è tipo lineare.
Prevenzione cavitazione
p
p
NPSH  S  atm  v


Quando nelle celle di contenimento delle idrovore non è possibile realizzare
appropriate condizioni di moto, né raggiungere i valori di sommergenza desiderati,
cosa che si verifica specialmente nel caso di adeguamento di impianti preesistenti
può risultare utile predisporre dispositivi speciali, quali setti direzionali sulla parete
di fondo alle spalle del tubo contenitore e sul pavimento al di sotto di esso, e
setti frangi-vortice.
I primi riducono eventuali rotazioni residue.
I secondi, situati sul pavimento, contribuiscono a contrastare eventuali
prerotazioni
I setti frangivortice arrestano la formazione di vortici di superficie e non hanno
controindicazioni. Nel caso di riduzione più spinta della sommergenza minima
richiesta per la prevenzione dei vortici, si può fare ricorso a griglie galleggianti che
circondano la tubazione in cui viene collocata la
pompa.
La disposizione più opportuna di una cella è quella nella direzione del canale di
alimentazione, lungo l’asse, in quanto tale disposizione assicura la maggiore
uniformità di flusso. Il pavimento della cella viene raccordato al fondo del canale
di arrivo mediante una soletta
la cui pendenza deve risultare
il più possibile ridotta per
evitare trascinamenti d’aria e
fenomeni di turbolenza: il valore
massimo consigliato è di 15°, ma
meglio se intorno a 6°-8°.
Nel caso di più celle si deve
assicurare una corretta alimentazione dei gruppi e quindi si deve
evitare bruschi allargamenti:
l’angolo non deve superare 45°
ma è suggerito di limitarlo a 20°.
Tubazioni di scarico: determinazione del diametro
Due criteri: costo e funzionalità
Costo. Si minimizza la somma delle quote annue di ammortamento del sifone, crescenti con il diametro, con quelle annue di spesa dell’energia necessaria per vincere
le perdite di carico, decrescenti con il diametro. Il punto di minimo fornisce le dimensioni ottimali da un punto di vista economico.
Funzionalità. Svuotamento dell’aria all’attivazione e rimozione dell’aria in fase di
funzionamento.
All’avvio delle pompe l’aria all’interno del
sifone viene compressa fino a quando non
supera la pressione corrispondente al
battente di acqua allo scarico. A quel punto
viene espulsa mediante bolle d’aria uscenti
dalla sezione terminale o eventualmente
mediante valvole di sfiato poste sul vertice
della tubazione.
Velocità minima da assicurare nel tratto di mandata affinché sia assicurata una sufficiente rimozione dell’aria nella fase di funzionamento.

L 
V0  0, 457 gD 

D

sen



0,121
L rappresenta la lunghezza del tratto discendente della tubazione e  l’angolo tra
l’asse e l’orizzontale.
Per facilitare l’espulsione dell’aria in fase di attivazione della pompa si può usare
una pompa di aspirazione aria posta sulla sommità del sifone. A mano a mano che
l’aria viene espulsa, l’acqua risale lungo la condotta e la pompa si avvia non appena la tubazione è pressoché riempita. Questa tecnica di svuotamento è da preferirsi in impianti con tubazioni di scarico lunghe e di grande diametro.
Pompa di adescamento: calcolo della portata Q della pompa
1 n
Q   f k  Vk
t k 1
dove Q rappresenta la portata di progetto, Vk il volume del k-esimo tronco e t il tempo
di adescamento (svuotamento). Il parametro f è dato dal grafico
Valvole di sfiato e disadescamento
Se l’avviamento della pompa avviene senza preventivo adescamento, può essere
opportuno predisporre sulla sommità del sifone una valvola di sfiato che consente
di limitare i fenomeni di esplosione delle bolle allo scarico e quindi le conseguenti
vibrazioni. Questa stessa valvola può assolvere anche la funzione di valvola di
disadescamento all’arresto della pompa.
Il diagramma fornisce il diametro della valvola in funzione della portata nella condotta e dell’altezza d’acqua sullo scarico.
L’effetto di ciascuna valvola è fornito
per tre diversi valori di efficienza, mentre
i diametri sono quelli commerciali.
Per la valvola di disadescamento si può
ancora fare uso del medesimo diagramma
ma dimezzando il diametro ottenuto.
Testi consigliati
Bianchi A., Sanfilippo U., Pompe e impianti di sollevamento, HOEPLI, 2001.
Bixio V., Indirizzi recenti nella progettazione degli impianti, CLUEP Editore, 1983.
Cornetti G., Macchine idrauliche, Edizioni il Capitello, Torino, 1989.