1) PREMESSA
Uno dei concetti riaffermati negli articoli
del sito http://altratecnica.3000.it riguarda i serbatoi pensili
posti in testa alla rete di distribuzione degli acquedotti che,
a giudizio di chi scrive, rappresentano un ostacolo per il razionale
ed economico esercizio delle reti stesse.
Infatti tali opere, a fronte di modesti vantaggi quali la sicurezza
di esercizio data dal volume d'acqua in quota e sempre pronto
a sopperire ad eventuali brevi disservizi, e da un buon funzionamento
delle pompe di sollevamento dell'acqua, presentano l'inconveniente
di vincolare rigidamente la pressione di rete e quindi di annullare
i notevoli benefici che altrimenti ne deriverebbero quali sono,
ad esempio, un risparmio energetico nel sollevamento dell'acqua,
minori perdite di rete dovute alla possibilità di funzionare
a bassa pressione durante i periodi di scarsi consumi dell'utenza
e particolarmente di notte e infine una migliore consegna dell'acqua.
Il dissidio tra i fautori dei serbatoi in parola che li considerano
ancora ai nostri giorni come strutture indispensabili della rete
ed i loro detrattori, come il sottoscritto che li ritiene dannosi,
può essere composto prevedendo di sostituirli con un'opera
che presenta tutte le prerogative positive del serbatoio pensile
e, al tempo stesso, ne evita tutti gli inconvenienti : il serbatoio
idropneumatico che forma l'oggetto del presente articolo.
2) IL SERBATOIO IDROPNEUMATICO DI TESTATA DELLE RETI
Il serbatoio idropneumatico è
un grande contenitore interrato o appoggiato al suolo, nella cui
parte inferiore viene accumulata l'acqua da immettere nella rete
di distribuzione dell'acquedotto mentre quella superiore, anch'essa
a perfetta tenuta, contiene un consistente cuscino d'aria. L'opera
è del tutto simile alla cassa d'aria normalmente usata
negli impianti di sollevamento per l'attenuazione dei dannosi
effetti del colpo d'ariete se non fosse per le sue dimensioni
notevolmente maggiori, che ne differenziano profondamente le modalità
di utilizzazione. Opere del genere, caratterizzate da notevoli
capacità di invaso, sono state più volte realizzate
per esplicare la funzione di compensazione delle portate in acquedotti
di medie e piccole dimensioni. Non risultano invece mai impiegate
per svolgere un ruolo così importante e loro congeniale
come quello di sostituire i serbatoi pensili di testata delle
reti che viene qui proposto. La configurazione idraulica tipica
di un impianto di compensazione e sollevamento atto allo scopo
comprende nell'ordine, come risulta anche dallo schema della fig.
1 e con disposizione in serie:
· Un serbatoio interrato di grandi dimensioni per la raccolta
dell'acqua e la compensazione giornaliera delle portate prodotte
dalle fonti;
· Un impianto di sollevamento costituito da elettropompe
a velocità variabile oppure da una serie di elettropompe
a velocità fissa ma comunque in grado alimentare la rete
di distribuzione con portate e pressioni ambedue variabili, anche
se a gradini, in funzione delle necessità dell'utenza;
· Un serbatoio idropneumatico con annessi batteria di compressori
d'aria e valvole di scarico dell'aria compressa in eccedenza il
tutto destinato a sostituire il tradizionale serbatoio pensile
di testata e a consentire il funzionamento a portata e pressione
variabili secondo le modalità che saranno appresso indicate.
Esaminiamo ora il comportamento del cuscino d'aria del serbatoio
idropneumatico. Esso segue la regola di Mariotte in base alla
quale il prodotto tra volume e pressione ha un valore costante
e che, per il campo che ci interessa, fornisce i valori riportati
nella seguente tabella e rappresentati graficamente nel grafico
di fig.1 allegata.
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Se si esaminano in dettaglio le curve
n. 1 e n. 2, del grafico, si nota come siano caratterizzate da
un andamento quasi orizzontale per una bassa percentuale di riempimento
del serbatoio, hanno poi un punto di flesso ed infine, per un
elevato tasso di riempimento, esse si impennano avvicinandosi
alla verticale. Se ne deduce immediatamente che la variazione
di pressione, minima quando il serbatoio contiene poca acqua,
diventa elevata quando il serbatoio è quasi pieno. In altri
termini una utilizzazione ottimale per la regolazione di una rete
d'acquedotto come quella proposta nel presente lavoro, deve avere
un cuscinetto d'aria di volume circa corrispondente a quello dell'acqua
contenuta. Far lavorare l'impianto con cuscinetti d'aria di volume
minimo significherebbe invece sottoporre l'esercizio a rischi
di cattiva regolazione delle pompe per instabilità di pressione.
Vedremo
più avanti come questa caratteristica presenti un lato
positivo dato dalla possibilità di regolare a piacere i
tempi di variazione dell'invaso e della pressione.
Nelle altre curve del grafico il flesso è meno pronunciato,
esse presentano una pendenza media piu' accentuata e valori di
pressione sempre elevati il che porta ad escluderle dall'uso che
qui si vuole proporre.
In conclusione il funzionamento ottimale è quello rappresentato
in grafico dall'area con tratteggio in quanto sono presenti, in
tale campo di lavoro, le seguenti caratteristiche:
· una elevata percentuale di riempimento del serbatoio
(fino all'83% per le pressioni di funzionamento più elevate)
e quindi una buona capacità di riserva in caso di disservizi;
· una variazione di pressione da 2 a 6 bar od anche oltre
se necessario, senza eccessivi cambiamenti nel riempimento d'acqua
del serbatoio;
In pratica una volta immessa ad una determinata pressione l'aria
nel serbatoio vuoto e quindi definita la curva di funzionamento
che si sceglie, il serbatoio idropneumatico varia la percentuale
di riempimento e la pressione interna dell'aria e dell'acqua secondo
detta curva caratteristica senza necessità di alcun intervento
ulteriore dell'annesso compressore o della valvola ma seguendo
pedissequamente le modalità di pompaggio cioè la
pressione impressa dalla pompa all'acqua. Il funzionamento di
compressore e valvola sarebbe richiesto solo nel caso si volesse
passare da una curva all'altra.
Un esempio chiarirà meglio i concetti.
Supponiamo di voler far funzionare la rete ad una pressione che
và da un minimo di 2 bar (ad esempio la notte) ad un massimo
di 6 bar (nell'ora di punta). Si potrà allora scegliere
la curva n. 1 immettendo preventivamente una pressione d'aria
a serbatoio vuoto di 1 bar. Durante il successivo normale funzionamento
il serbatoio presenterà i seguenti valori (oltre naturalmente
a quelli intermedi anch'essi leggibili nel grafico):
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L'impianto potrà variare la pressione
entro i limiti indicati a seconda della velocità o comunque
della pressione di mandata della pompa nel mentre, per la regolazione
della portata da immettere in rete, si potrà anche far
ricorso al funzionamento intermittente delle pompe stesse considerato
che sarà il cuscino d'aria a regolarizzare l'immissione
in condotta evitando, tra l'altro, che vi siano trasmessi pericolosi
colpi d'ariete. In caso di panne del pompaggio, il serbatoio è
pronto ad intervenire mandando in rete, anche in mancanza di corrente
elettrica e con una pressione via via calante fino a 1 bar, tutto
il volume in esso contenuto e variabile da un minimo del 50 %
quando funziona a bassa pressione per arrivare fino al 83 % del
volume totale nei momento di punta.
Qualora si desiderasse far lavorare l'impianto con valori diversi,
per esempio passando alla curva n. 2, lo si potrà in ogni
momento fare immettendo aria compressa tramite l'apposito compressore
annesso al serbatoio. Al contrario se si volesse passare ad una
curva di valore inferiore si dovrebbe scaricare l'aria in eccesso
tramite l'apposita valvola. Si deve comunque notare come l'uso
di queste ultime apparecchiature (compressore o valvola di scarico)
sia molto raro poiché, una volta definita la curva di lavoro
che nella pratica di esercizio risulti la più adatta, non
sarà necessario alcun altro intervento.
Sarà sempre possibile, invece di funzionare a pressione
variabile, mantenere la pressione fissa 24 ore su 24 su uno qualunque
dei valori desiderati.
Il serbatoio idropneumatico sarà infine munito di una valvola
a galleggiante che si chiude a serbatoio quasi completamente vuoto
onde evitare l'immissione in condotta di aria compressa.
Si può constatare come il funzionamento indicato sia del
tutto analogo a quello di un serbatoio pensile tradizionale alimentato
da pompe a giri fissi con funzionamento intermittente e con un
invaso in quota sempre pronto ad entrare in rete in caso di bisogno.
Esistono però delle differenze sostanziali tra i due manufatti.
Innanzitutto viene a cadere la pregiudiziale principale dei serbatoi
pensili che, come ripetutamente affermato, è quella di
obbligare la rete a funzionare rigidamente ad una pressione corrispondente
all'intervallo altimetrico tra massimo e minimo livello di invaso.
Nel nostro caso è' invece consentito di variare liberamente
la pressione di funzionamento della rete, diminuendola per ottenere
dei notevoli risparmi energetici od aumentandola, se necessario
per vincere le maggiori perdite di carico, fino a valori elevatissimi
che non sarebbero assolutamente raggiungibili con i serbatoi pensili.
In secondo luogo trattandosi di opere costruite a terra è
possibile realizzare serbatoi pneumatici di grande e grandissimo
volume cosa difficilmente attuabile nel caso dei pensili il cui
volume di invaso è pesantemente condizionato dalle difficoltà
tecniche insite nella edificazione di grandi volumi aerei. Infine
i costi di costruzione delle opere edili sono molto inferiori
quando si lavora a quota terreno.
Per quanto concerne la capacità reale da assegnare al serbatoio
idropneumatico di cui si tratta, è da tener presente che
la sua funzione precipua non è quella di compensare le
portate, funzione riservata invece ad un apposito serbatoio di
grandi dimensioni posto più a monte, bensì quella
di mantenere un volume di riserva pronto ad entrare in rete in
caso di disservizi vari. Pertanto le sue dimensioni saranno in
ogni caso contenute così come sono contenute quelle dei
serbatoi pensili che esso và a sostituire. Volumi accettabili
nella realtà potranno essere dell'ordine di 200 mc per
le piccole reti fino ad un massimo di 5000 mc per quelle maggiori.
Nulla vieta di costruire serbatoi idropneumatici anche di dimensioni
notevolmente superiori. In tali casi occorre però verificare
attentamente la compatibilità tra i tempi necessari perché
abbiano luogo i cambiamenti nella pressione di esercizio, tempi
particolarmente lunghi dati i grandi volumi di invaso in gioco,
e le necessità di funzionamento della rete. In altri termini
si tratterà di affinare ulteriormente la scelta della curva
caratteristica da utilizzare normalmente e più particolarmente
quale parte di essa tenuto presente che, come già indicato,
la sua parte inferiore è atta a garantire una elevata stabilità
nella pressione di funzionamento nel mentre quella superiore ad
andamento quasi verticale, da adottare nel caso dei serbatoi di
grandi dimensioni di cui si discute, consente le rapide variazioni
di pressione che in tal caso sono necessarie. Per quanto concerne
i tempi di reazione della rete, ulteriori approfondimenti, da
farsi in sede di progettazione esecutiva delle opere, riguardano
la possibilità di modificare lo schema di base prevedendo
di inserire il serbatoio pneumatico in derivazione anzichè
in serie come fatto finora. Tale variante consente di praticare
delle strozzature, dello stesso tipo di quelle che si usa fare
per le casse d'aria, nel condotto che collega in derivazione il
serbatoio con la rete in modo da poter regolare in vario modo
i tempi di intervento del serbatoio pneumatico. La regolazione
possibile diventa più determinante se la strozzatura è
diversa in entrata da quella dell'uscita o, ancora meglio, se
è asservita alle condizioni di funzionamento della rete
tramite l'impianto di telecontrollo che può arrivare, in
particolari e temporanee circostanze, all'esclusione totale del
serbatoio pneumatico e quindi al pompaggio diretto in rete.
Altre varianti nel funzionamento del serbatoio idroponeumatico
possono ottenersi assegnando particolari caratteristiche ai due
manufatti destinati a contenere rispettivamente acqua e aria.
Ad esempio in un serbatoio idropneumatico che avesse la forma
di una piramide tronca diritta sarebbero notevolmente esaltati
i volumi dell'acqua rispetto a quello dell'aria nel mentre l'effetto
contrario, con tutte le conseguenze che derivano all'esercizio
della rete, si avrebbe nel caso di piramide tronca rovescia.
Tra le varie possibilità di scelta figura anche quella
che prevede una netta distinzione tra i due contenitori: un serbatoio
inferiore in cemento armato per contenere l'acqua ed una parte
del cuscinetto d'aria, un contenitore superiore destinato a contenere
esclusivamente aria e consistente in più bomboloni metallici
Una caratteristica negativa del serbatoio idropneumatico di cui
si discute è rappresentata dal pericolo che una parte dell'aria
che costituisce il cuscino superiore avesse a miscelarsi con la
sottostante acqua. Ne deriverebbe un duplice inconveniente dato
dalla perdita di un certo volume d'aria che sarebbe necessario
di tanto in tanto ripristinare a mezzo compressore, ed inoltre
dall'immissione d'aria nelle condotte di rete dell'acquedotto
con tutti i fastidi che ciò potrebbe dare. A giudizio di
chi scrive questo inconveniente è presente solo nelle autoclavi
e nelle piccole casse d'aria essendovi favorito dal vorticoso
turbinio cui, per il modesto volume che le caratterizza, è
continuamente soggetta l'acqua. Nel nostro caso l'eventuale miscela
aria-acqua che si verrebbe a formare costituirebbe uno strato
liquido di peso specifico inferiore a uno che permarrebbe in superficie
senza alcuna possibilità di essere aspirato dalla condotta
di uscita dell'acqua che è derivata dal fondo del serbatoio.
Tale fenomeno è pertanto del tutto trascurabile nei serbatoi
idropneumatici di grande volume come sono quelli di cui si discute.
Anche le pubblicazioni tecniche che descrivono alcuni serbatoio
idropneumatici di grande volume effettivamente realizzati (vedi
bibliografia in calce) non fanno cenno alcuno al citato inconveniente
fornendo una ulteriore dimostrazione della insussistenza dell'inconveniente
descritto. .
In definitiva i benefici offerti dal serbatoio idropneumatico
posto in testa alla rete in sostituzione del serbatoio pensile
possono essere cosi riepilogati:
· un funzionamento ottimale a pressione variabile che è
possibile asservire minuto per minuto alle esigenze dell'utenza
qualunque sia la portata da immettere in rete;
· in caso di bisogno si possono raggiungere pressione di
esercizio notevolmente elevate da considerarsi assolutamente impossibili
per i tradizionali serbatoi pensili;
· qualora si desiderasse funzionare a pressione fissa è
possibile scegliere il valore della pressione di lavoro che meglio
risponde alle esigenze di rete, valore che può essere sempre
cambiato, senza esecuzione di nuove opere, per adeguare gli impianti
al verificarsi di nuove ed impreviste necessità;
· una assoluta assenza di colpi d'ariete in condotta;
· un elevato volume d'acqua in pressione sempre pronta
a supplire a brevi mancanze meccaniche od elettriche dell'impianto
di sollevamento;
· costi di costruzione del manufatto estremamente contenuti
· assoluta assenza di perdite per anomalie varie di esercizio
come sfiori d'acqua, dissipazione del carico idraulico, cattivi
rendimenti meccanici ed elettrici delle pompe;
· la tenuta ermetica del serbatoio offre la massima garanzia
igienica vista l'impossibilità che possano penetrarvi insetti,
volatili o altri animali oppure che vi si possano compiere atti
vandalici;
· essendo edificati a quota suolo è possibile costruire,
in testa alla rete, serbatoi pneumatici di grandi od anche di
grandissime dimensioni;
· in caso di ampliamento delle reti da alimentare è
possibile modificare il regime idrico di normale lavoro senza
eseguire alcuna modifica alle opere edili ma semplicemente variando
la pressione di esercizio
· grazie all'azione stabilizzatrice del cuscino d'aria,
anche in caso di alimentazione a pressione variabile, l'impianto
di sollevamento può essere costituito da serie di pompe
a giri fissi meno costose di quelle a velocità variabile.
· possibilità di regolare a piacere i tempi necessari
perché abbiano compimento le variazioni della pressione
di alimentazione della rete.
· in caso di serbatoio in derivazione dalla rete, sono
possibili ulteriori regolazioni nei tempi del suo intervento.
3) RAFFRONTO TRA SERBATOIO IDROPNEUMATICO E SERBATOIO PENSILE
Un confronto valido tra opere idriche di diverso tipo come sono quelle in oggetto, può farsi prendendo come base un serbatoio pensile da 3000 mc di capacità utile e 50 m. di altezza che può essere considerato, nel suo genere, una delle costruzioni più ardite tra quelle effettivamente realizzate. Esso potrebbe essere validamente sostituito, in una qualunque rete di distribuzione d'acqua potabile, da un serbatoio a terra di tipo pneumatico avente una cubatura interna utile di 5000 mc. Caratteristiche salienti di quest'opera sarebbero un costo nettamente inferiore, la possibilità di mantenere, in caso di disservizi dell'adduzione, una riserva d'acqua pronta ad entrare in rete del volume di 2500 mc alle basse pressioni di esercizio ma di ben 4150 mc a quelle alte. Il serbatoio in argomento consentirebbe inoltre di lavorare ad un qualunque valore di pressione sia fissa che variabile di minuto in minuto ed elevabile fino a 70 m. ed anche oltre, contro una pressione fissa del pensile pari a 50 m. circa. Sono evidenti i vantaggi che presenterebbe il serbatoio idropneumatico sia in fatto di funzionalità idrica sia nei costi di costruzione e di esercizio.
4) ESEMPIO PRATICO DI IMPIANTO DI ACCUMULO E SOLLEVAMENTO DOTATO DI SERBATOTIO IDROPNEUMATICO DI TESTATA
Viene indicata la costituzione consigliata
per un impianto di accumulo e sollevamento tipo. Il dimensionamento
è molto empirico ma può servire a dare un'idea di
larga massima della composizione atta a raggiungere gli scopi
che qui ci si prefigge.
Si immagini di dover alimentare una città di pianura di
200.000 abitanti.
I dati principali, fatto salvo un calcolo più serio basato
su elementi concreti, sono i seguenti:
- Portata media del giorno di massimo consuumo: 600 l/sec
- Portata massima nell'ora di punta del gioorno di massimo consumo:
1350 l/sec
- Portata minima notturna del giorno di masssimo consumo: 360 l/sec
- Volume giornaliero consumato nel del giorrno di massimo consumo:
mc 78.000 circa
- Volume da assegnare al serbatoio interratto di compensazione:
mc 12.000 circa pari al 15 % del volume giornaliero massimo
Si voglia alimentare la rete, di notte, con 15 m di pressione
misurata nel punto più depresso di utenza cui corrisponde
una pressione di pompaggio di 2 bar in centrale e rispettivamente
di 35 m nell'ora di punta cui corrispondono 6 bar in centrale.
Viene scelto un serbatoio idropneumatico da mc 4000 e la curva
caratteristica n.1.
I risultati sono i seguenti:
- Volume contenuto nel serbatoio pneumaticoo alla portata minima
e pressione di 2 bar = mc 2000. E' quindi in grado di far fronte
ad un'emergenza per mancato funzionamento del sollevamento di
1,5 ore circa
- Volume contenuto nel serbatoio pneumaticoo nell'ora di punta
a 6 bar: mc 3.300 circa. E' quindi in grado di far fronte ad un'emergenza
di ¾ d'ora circa.
. L'impianto di sollevamento potrà essere equipaggiato
con pompe a velocità variabile atte a fornire una portata
che và da un minimo di 400 l/sec con prevalenza di 20 m
ad un massimo di 1500 l/sec con 60 m di pressione. L'impianto
di telecontrollo provvederà a variare la velocità
della pompa con asservimento alla pressione finale di arrivo misurata
nei punti caratteristici della rete.
Molto più semplicemente l'equipaggiamento potrebbe essere
costituito (oltre alle macchine di riserva) da quattro pompe a
giri fissi aventi nell'ordine le seguenti caratteristiche:
- Pompa n. 1 : 400 l/sec prevalenza m 25;
- Pompa n. 4 : 1500 l/sec prevalenza m 58;<
In quest'ultimo caso l'impianto di telecontrollo provvederà
a far funzionare di ora in ora e ad intermittenza la pompa avente
le caratteristiche di portata e pressione più adatte per
mantenere all'utenza le pressioni di consegna prefissate curando
che i rendimenti siano sempre i migliori nel mentre sarà
il cuscino d'aria che provvederà a stabilizzare portata
e pressione in uscita dalla centrale. L'impianto sarà corredato
da una batteria di compressori atti a realizzare, una volta tanto,
un cuscino d'aria di circa 2000 mc alla pressione di 2 bar in
circa 4 ore di funzionamento. e da una valvola in grado di scaricare
l'aria compressa.
5) CONCLUSIONI
Il serbatoio idropneumatico, oggetto
specifico dell'articolo, è una struttura idrica che nei
casi di effettiva utilizzazione pratica, mai è stato visto
come sostitutivo dei serbatoi pensili. Nell'articolo si dimostra
invece che è proprio in tale inusitata veste che esso dovrebbe
trovare diffusa applicazione potendo contribuire efficacemente
a liberare le nostre città di pianura da quegli orrendi
monumenti all'inutilità che sono, a giudizio di chi scrive,
i serbatoi pensili. Il suo ruolo travalica di gran lunga le funzioni
svolte da questi ultimi soprattutto grazie alla grande elasticità
conferita alla rete di distribuzione tramite il funzionamento
a pressione variabile. La convenienza del particolarissimo manufatto,
sia in tema di economia di esercizio e sia in quello di impatto
ambientale, viene dimostrata analizzando i risultati che si ottengono
e paragonandoli con quelli delle reti tradizionali munite di serbatoio
pensile di testata
Ulteriori informazioni sul funzionamento a pressione variabile
delle reti possono esser lette nel sito http://altratecnica.3000.it
Bibliografia:
- M. Burin "Le réservoir hydroppneumatique de Chantilly"
Tecnique e Sciences Municipales -Mars 1969
- J.Cheron "Resérvoir pression de grande capacité"
- T.S.M. L'Eau octobre 1988
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