IL SERBATOIO IDROPNEUMATICO

UN’OPERA CHE PUO’ VANTAGGIOSAMENTE SOSTITUIRE IL SERBATOIO PENSILE DI TESTATA DELLE RETI ACQUEDOTTISTICHE

1) PREMESSA

Pianta e sezione schematiche di un serbatoioidropneumatico pensile

Uno dei concetti riaffermati negli articoli di questo sito 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 altri 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 ed infine una migliore consegna dell’acqua vantaggi questi tutti facilmente  raggiungibili come sarà spiegato.

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

schemapneumatico-1
Fig. 1 =Schema idraulico

 

 

 

 

 

 

 

Il serbatoio idropneumatico è un grande contenitore interrato o appoggiato al suolo oppure sopraelevato rispetto 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, al limite con funzionamento a gradini di portata e pressione 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.

 

 PERCENTUALE DI RIEMPIMENTO D’ACQUA  PRESSIONE bar (curva 1)  PRESSIONE bar (curva 2)  PRESSIONE bar (curva 3)
 0%  1.00  2.00  3.00
 10%  1.11  2.22  3.33
 20%  1.25  2.50  3.75
 30%  1.43  2.86  4.29
 40%  1.67  3.34  5.01
 50%  2.00  4.00  6.00
 60%  2.50  5.00  7.50
 70%  3.33  6.66  9.99
 80%  5.00  10.00  15.00
graficoriempimento
Fig. 2 =Volumi d’acqua in funzione della pressione

Se si esaminano in dettaglio le curve n. 1 e n. 2, del grafico di fig. 2, 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):

 PRESSIONE bar  PERCENTUALE DI RIEMPIMENTO D’ACQUA NEL SERBATOIO
 1  0%
 2  50%
 3  67%
 4  75%
 5  80%
 6  83%

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

Esempio di serbatoio idropneumatico tubolare sotterraneo
Esempio di serbatoio idropneumatico tubolare sotterraneo

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 descritta 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 consumo: 600 l/sec
– Portata massima nell’ora di punta del giorno di massimo consumo: 1350 l/sec
– Portata minima notturna del giorno di massimo consumo: 360 l/sec
– Volume giornaliero consumato nel del giorno di massimo consumo: mc 78.000 circa
– Volume da assegnare al serbatoio interrato 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 pneumatico 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 pneumatico 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. 2 : 600 l/sec prevalenza m 35;
– Pompa n. 3 : 1000 l/sec prevalenza m 45;
– 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 in altre pagine di questo stesso sito


Bibliografia:
– M. Burin “Le réservoir hydropneumatique 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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