Reti idriche in pressione: progettazione

Reti idriche – Progettazione

La norma UNI 11149 (2019) fornisce una guida operativa per la posa in opera, il collaudo e anche la progettazione di sistemi di tubazioni di polietilene per il trasporto di liquidi in pressione. Nello specifico, è utilizzabile per i seguenti campi di utilizzo:

  • Acquedotti (standard di riferimento UNI EN 12201)
  • Fognature in pressione (standard di riferimento UNI EN 12201)
  • Fluidi industriali (standard di riferimento UNI EN ISO 15494)
  • Reti antincendio (standard di riferimento UNI 10779 e UNI EN 12201)
  • Reti per irrigazione (standard di riferimento UNI 7990 e UNI EN 12201)

La progettazione idraulica di una rete di condotte in polietilene prevede la determinazione dei diametri nominali (DN) e delle pressioni nominali (PN) dei vari tratti, una volta specificata la loro portata, lunghezza e la quota piezometrica. Il dimensionamento deve essere in grado di soddisfare la massima portata richiesta lungo ogni linea, bilanciando il rifornimento idrico in funzione della domanda. Il dimensionamento idraulico prende in considerazione diversi elementi, tra i quali:

  • portata volumetrica da erogare
  • velocità di flusso nella condotta*
  • scabrezza della superficie interna
  • differenza di pressione alle estremità della condotta
  • temperatura di esercizio**

* per avere una velocità accettabile, al fine di evitare sovrappressioni e ristagni, è consigliabile che questo parametro si trovi nell’intervallo da 0,5 m/s a 2,5 m/s.

** se una condotta realizza con tubazioni in PE100 è posta in esercizio ad una temperatura costante superiore a 20 °C, fino a 40 °C, per quanto riguarda le pressione nominale della stessa è applicabile il prospetto seguente facente riferimento alla norma ricavato da EN 12201:

 

Temperatura PN 6 PN 10 PN 12,5 PN 16 PN 25
≤ 20 °C 6 10 12,5 16 25
30 °C 5,2 8,7 10,8 13,9 21,7
40 °C 4,4 7,4 9,2 11,8 18,5

Dalla velocità di flusso dipendono le perdite di carico connesse al passaggio dell’acqua all’interno della condotta. Per una linea le perdite di carico totali Htot sono date dalla somma delle perdite di carico distribuite H più le perdite di carico localizzate Hi secondo l’equazione seguente:

$$ { H_{tot} = H + H_{i1} + … + H_{in} } $$

Inoltre, nel dimensionamento idraulico di una condotta è necessario considerare le eventuali sovrapressioni e depressioni generate dai possibili transitori considerati con il fenomeno del colpo d’ariete.

Perdite di carico distribuite

Le perdite di carico distribuite H (espresse in m di colonna di acqua) lungo un tratto di condotta possono espresse attraverso la formula seguente:

$$ { H = J \cdot L = 1000 \cdot { \lambda \cdot v^2 \over 2 \cdot g \cdot D_i } \cdot L  } $$

Dove:

  • J = perdita di carico per unità di lunghezza (m di colonna di acqua/m)
  • L = lunghezza della condotta (m)
  • λ = coefficiente di perdita di carico (regime di transizione turbolento o completamente turbolento)
  • ν = viscosità cinematica del fluido (m2 /s)
  • g = accelerazione gravitazionale (9,8 m/s2)
  • Di = diametro interno del tubo

Considerando una condotta in polietilene, le perdite di carico distribuite possono essere valutate più agevolmente attraverso i grafici seguenti che mettono in relazione la portata (Q) e la velocità (V) del fluido con il diametro interno (Di) della condotta stessa.

Relazione tra diametro interno, portata, velocità del fluido e perdita di carico per acqua a 10° c e coefficiente di scabrezza 0,01 mm

Relazione tra diametro interno, portata, velocità del fluido e perdita di carico per acqua a 10° c e coefficiente di scabrezza 0,01 mm. ( 10 mm ≤ Di ≤ 200 mm )

Relazione tra diametro interno, portata, velocità del fluido e perdita di carico per acqua a 10° c e coefficiente di scabrezza 0,05 mm

Relazione tra diametro interno, portata, velocità del fluido e perdita di carico per acqua a 10° c e coefficiente di scabrezza 0,05 mm. ( 250 mm ≤ Di ≤ 1500 mm )

Perdite di carico localizzate

Le perdite di carico localizzate Hi derivanti dal passaggio del flusso attraverso raccordi e valvole sono invece espresse attraverso la formula seguente:

$$ { H_i = k_i \cdot { v^2 \over 2 \cdot g } } $$

Dove:

  • ki = coefficiente dipendente dal tipo di raccordo
  • v = velocità del fluido (m/s)
  • g = accelerazione gravitazionale (9,8 m/s2)

Alcuni valori del coefficiente ki per le perdite di carico localizzate sono di seguito riportati:

Tipo di raccordo ki
Gomito a 90° 1.00
Gomito a 45° 0.40
Curva a 90° 0.20
Curva a 45° 0.10
T (derivazione) 1.20
Valvole a farfalla aperta 0.30
Valvole a sfera aperta 5.60
Riduzione in allargamento d/D=1/4 0.53
Riduzione in allargamento d/D=3/4 0.13
Riduzione in restringimento d/D=1/4 0.27
Riduzione in restringimento d/D=3/4 0.13

Nel caso di condotta realizzata con barre di tubo collegate mediante saldatura ad elementi termici per contatto, i cordoli interni che si formano determinano una perdita di carico poco significativa. Essa può essere considerata incrementando del 15% la relativa perdita di carico.

Colpo d’ariete

Le improvvise variazioni di portata, originate ad esempio da apertura/chiusura di valvole o accensione/spegnimento di pompe, possono provocare il fenomeno del colpo d’ariete, con la conseguente variazione nel tempo lungo la condotta di pressione e velocità. In questo caso, la sovrappressione è data dalla seguente formula:

$${ \Delta H = { c  \cdot v_0 \over g } }$$

Dove

  • c = velocità di variazione della pressione (m/s)
  • v0 = velocità del fluido prima della manovra (m/s)
  • g = accelerazione gravitazionale (9,8 m/s2)

Le norme tecniche contenute nel D.M. LL. PP. del 12/12/85 stabiliscono un limite per la massima sovrappressione dovuta al colpo d’ariete in funzione della pressione idrostatica all’interno della condotta. (nel caso di valori maggiori sono necessari dispositivi di attenuazione).

Pressione del fluido (bar) Sovrapressione massima (bar)
< 6 3
6 ÷ 10 3 ÷ 4
10 ÷ 20 4 ÷ 5
20 ÷ 30 5 ÷ 6

L’entità della sovrappressione per colpo d’ariete per manovre brusche (ΔP o ΔH espresse rispettivamente in bar o m), nel caso di condotte realizzate con PE100 (modulo elastico a breve termine circa 1.000 MPa) può essere dedotta dalla figura seguente, in funzione della velocità del fluido.

Grafico sovrapressione per colpo d'ariete

Grafico sovrapressione per colpo d’ariete

  • A Messa in pressione al valore di prova
  • B Mantenimento per 30 min
  • C Riduzione rapida della pressione al valore nominale di 3 bar
  • D Aumento della pressione indicatore di assenza di perdite
  • E Riduzione della pressione indicatore di presenza di perdite