Ariete Idraulico: Funzionamento e Spiegazione Dettagliata

L'ariete idraulico è un dispositivo ingegnoso che sfrutta l'energia potenziale dell'acqua per elevarne una parte a un'altezza superiore, senza necessità di fonti energetiche esterne come elettricità, benzina o forza muscolare. Questo lo rende particolarmente utile in aree remote o dove l'accesso all'energia è limitato.

Principio di Funzionamento

Quel tipo di pompa in gergo tecnico si chiama "Testa d'Ariete", e funziona sul principio dell'inerzia. Una grossa massa d'acqua che ha una inerzia notevole anche a bassa (relativamente....) velocità spinge una piccola quantità d'acqua molto più in alto. Lo schema è chiaro e dal filmato si capisce benissimo come funziona. Però l'acqua "che spinge" deve avere già una buona velocità, altrimenti l'inerzia è minima, e la quantità d'acqua spinta sarà pochissima, o il dislivello superabile irrisorio.

Componenti Chiave e Ciclo Operativo

Un tubo C mette in comunicazione il serbatoio, da cui arriva l’acqua, e l’ariete propriamente detto, il quale si compone di una valvola S che si apre dall’alto verso il basso (valvola di scarico) e di una camera d’aria F munita di valvola B (valvola di innalzamento) che si apre dal basso in alto.

La valvola S, per il suo peso, resta abbassata perciò l’acqua passa attraverso la sua apertura fino a che essa ha acquistato una velocità tale da premere la valvola dal basso in alto con una forza capace di chiuderla.

Allora il flusso viene bruscamente interrotto e ciò produce un colpo d’ariete a causa del quale l’acqua si spinge per la valvola B nel tubo T. Avendo il colpo d’ariete annullato la velocità la valvola S ricade e l’acqua esce di nuovo attraverso di essa fino a quando riacquista la velocità sufficiente a causare la chiusura di S ed il ciclo si ripete. Il recipiente F contiene dell’aria che ai primi colpi viene compressa ma che poi, per la sua elasticità, fa essa pure innalzare l’acqua nel tubo T rendendo l’innalzamento più regolare.

Osservando il seguente schema ci si può fare un'idea di come funziona una pompa Ecoidram. Navigando all' interno del sito si ha una descrizione più dettagliata del suo funzionamento.

La Pompa ECOIDRAM

La pompa idraulica di sollevamento ECOIDRAM sfrutta l'energia potenziale dell'acqua di una sorgente posta ad una altezza H1 rispetto alla pompa, per pomparne una porzione ad un'altezza H2. Come si può vedere dal grafico, l'acqua di fonte è inviata al dispositivo tramite il Tubo di Portata; una parte viene utilizzata per il funzionamento dello stesso, il resto viene pompato, tramite il Tubo di Mandata, verso l'alto nel serbatoio di stoccaggio al sito desiderato.

L'acqua di scarico non viene persa ma può essere utilizzata a valle dell'ECOIDRAM.

Caratteristiche e Vantaggi della Pompa ECOIDRAM

Con la Pompa ECOIDRAM si possono realizzare tutti questi progetti. La particolarità di questo dispositivo, al contrario delle pompe tradizionali, sta nel fatto che nessuna fonte di energia tradizionale (come energia elettrica, benzina, diesel o forza muscolare) è necessaria.

L'acqua sale quasi in modo automatico ad un livello superiore sfruttando la sua energia potenziale, 24 ore al giorno, 365 giorni all'anno. La nostra pompa idraulica è un dispositivo di lunga durata, con spese di manutenzione praticamente nulle, con una tecnologia affidabile e con materiali innovativi, resistenti all'usura e alle rotture e appositamente scelti dopo una lunga esperienza nel campo.

Schema di un Ariete Idraulico

Lo schema di un ariete idraulico è indicato nella seguente figura. Dalla condotta d'arrivo, l'acqua defluisce attraverso la valvola a; fino a che questa, trascinata dalla velocità d'efflusso, repentinamente si chiude.

Ciò determina una sovrapressione (colpo d'ariete) che provoca l'apertura d'una seconda valvola a′, attraverso la quale una certa quantità d'acqua entra quindi in un serbatoio d'aria, che regolarizza il flusso nella condotta premente. La valvola a si riapre, sotto l'azione d'una molla opportunamente regolata; e il ciclo di funzionamento dell'apparecchio ricomincia.

Essendo Q la portata scaricata dall'apparecchio, q la portata sollevata, h l'altezza di carico a monte (al di sopra della valvola d'arresto a), h′ l'altezza di sollevamento (rispetto alla stessa valvola a). L'ariete idraulico si presta per piccoli impianti di sollevamento d'acqua, ad es.

Il Colpo d'Ariete

Si definisce colpo d'ariete quella condizione legata al ritorno del getto d'acqua, all'interno delle tubazioni, a fronte di un ostacolo. Chiariamo subito un concetto: è del tutto naturale che si verifichino dei piccoli colpi d'ariete nelle tubazioni idrauliche. Si tratta di uno degli incubi maggiori di un impiantista, in quanto, nei casi peggiori, potrebbe determinare la rottura dell'impianto.

La regola base per evitare i contraccolpi d'ariete è quella di utilizzare una tubazione idonea e quindi proporzionata alla pompa utilizzata nell'impianto idraulico. Quando la tubazione è più grande rispetto alla bocca di uscita dell'elettropompa si verificherà un aumento della velocità del fluido nel percorso, ma una riduzione della pressione.

Di solito, seppure i colpi d'ariete possono riguardare anche lavastoviglie e lavatrici, in realtà non dovrebbero creare particolari problemi di funzionamento a questi elettrodomestici. E' risaputo che i pericoli maggiori derivano dal fatto che il fluido in movimento impatti violentemente contro l'angolo di un tubo, situazione che non accade praticamente mai quando eroghiamo acqua verso lavapiatti e lavatrici.

L'irrigazione domestica potrebbe esporre l'utenza a colpi d'ariete, ma anche in questo caso è raro che ne derivino conseguenze più gravi. Dimensionare a puntino l'impianto e valutare la giusta regolazione della pressione dell'acqua che ne permetterà l'uscita, mediante l'impiego di un inverter o di un flussostato, costituiranno misure idonee ad arginare il peggio. Per fare in modo che i colpi di ariete si presentino il meno possibile e non provochino situazioni rischiose è necessario in fase di studio dell'impianto termoidraulico applicare la formula corretta per calcolare tanto le perdite di carico, quanto i colpi d'ariete.

Il colpo d’ariete è un incremento improvviso della pressione in un tubo rigido che si origina per le rapide modifiche della velocità di flusso. Il fenomeno compare quando un liquido in movimento in un sistema chiuso è costretto ad arrestarsi improvvisamente o a modificare la propria direzione. Il colpo d’ariete si estende a tutto il sistema e si moltiplica subito, portando a un aumento della pressione in un intervallo limite non più ammesso per i componenti. Inoltre aumenta nettamente la velocità di flusso, che in condizioni sfavorevoli può raggiungere i 1.200 m/s.

Il colpo d’ariete si verifica non solo in presenza di acqua, ma anche con altri liquidi incomprimibili (la cui densità non è in gran parte modificabile neanche sotto pressione) o gas. Il colpo d’ariete è spesso accompagnato da vibrazioni o da un rumore simile a un battito che si ripete prima del cedimento della pressione. Per questo a volte si parla di onda d’urto di pressione.

Sebbene sia possibile udire chiaramente i colpi d’ariete, è però difficile misurarli, poiché in un intervallo di tempo estremamente breve di millisecondi i colpi d’ariete si generano e si eliminano. Spesso gli strumenti di misura elettronici non sono adatti a tali misurazioni, ossia il colpo d’ariete supera il valore finale del campo di misura.

Cause del Colpo d'Ariete

Esistono varie cause del colpo d’ariete, ad esempio un’apertura o chiusura rapida delle valvole, una partenza o una disattivazione rapida delle pompe, valvole di non ritorno che si chiudono troppo velocemente e l’interruzione improvvisa dell’alimentazione elettrica. Anche la separazione delle colonne d’acqua o del tampone di pressione ne favoriscono l’insorgenza.

Inoltre, il design costruttivo incide sulla comparsa del colpo d’ariete. Nei sistemi che presentano dislivelli di altezza considerevoli, il rischio è particolarmente alto poiché sono necessarie pressioni elevate per superare la differenza di altezza.

Anche le costruzioni di sistemi che interrompono un flusso omogeneo comportano un rischio maggiore. Pertanto, laddove possibile, si consiglia di evitare curvature e fluttuazioni di pressione elevate.

Effetti Diretti del Colpo d'Ariete

Il colpo d’ariete può causare gravi danni:

Perdite nei componenti.
Deformazione o distruzione della sede della valvola.
Deformazione delle rondelle della valvola di non ritorno.
Rottura o deformazione del corpo della pompa.
Appiattimento precoce di guarnizioni e O-ring.
Rottura dei rotori.
Perdite o rotture dei tubi rigidi.

Possibili conseguenze a lungo termine per i sistemi di tubazioni

Oltre ai danni ai singoli strumenti e componenti, i colpi d’ariete hanno anche un impatto negativo sulla durata di vita dell’intero sistema. Il pericolo aumenta in maniera direttamente proporzionale alla potenza del colpo d’ariete. Spesso si verificano anche perdite dei tubi rigidi a causa delle quali il sistema non funziona in maniera efficiente per lunghi periodi, con un conseguente dispendio di flusso e prodotto.

Evitare il colpo d’ariete

La situazione ottimale è quella in cui già in fase di pianificazione del sistema si cerca di ridurre al minimo il pericolo di colpi d’ariete sin dall’inizio. In questo, la scelta di una valvola idonea riveste un ruolo cruciale. Durante la fase di pianificazione, gli utenti devono prestare attenzione alla scelta di valvole di alta qualità che dispongano della funzionalità corrispondente per evitare la comparsa di colpi d’ariete fin dal principio.

Le valvole pneumatiche o pilotate elettricamente sono disponibili nelle varianti adeguate. Possono essere impiegate anche valvole azionate manualmente. Ecco una breve panoramica sui requisiti che le valvole devono soddisfare.

Valvole di processo azionate pneumaticamente con tempi di apertura e chiusura regolabili

Tra le valvole di processo azionate pneumaticamente sono disponibili valvole oblique (chiamate anche valvole a Y) e valvole a due vie (chiamate anche valvole dritte). È fondamentale che le valvole siano configurate in modo tale da chiudere la direzione del flusso del liquido. In questo modo la funzione di chiusura viene sincronizzata con l’inerzia del fluido e i colpi d’ariete vengono evitati in maniera naturale. Sia le valvole con ripristino a molla che quelle a doppio effetto possono essere configurate in questa maniera.

Per evitare il colpo d’ariete, le valvole di processo con attuatore pneumatico (qui tipo 2000) devono chiudere contro la velocità di flusso del liquido.

Valvole elettromotorizzate

Sono disponibili anche le valvole elettromotorizzate, nonché le valvole di processo azionate pneumaticamente con varianti di corpo idonee come le valvole oblique e quelle a sede retta. Le valvole motorizzate di Bürkert si contraddistinguono per le seguenti caratteristiche che si ripercuotono in modo positivo sulla tematica del colpo d’ariete:

trasmissione rigida non reattiva, ma indipendente dalla pressione del fluido. In questo modo, oscillazioni o colpi d’ariete nel fluido non si ripercuotono sulla posizione della valvola. Si raccomandano ad esempio le valvole compatte (tipo 3280/3281/3285).
La struttura meccanica specifica della valvola rispetto alle valvole di processo azionate pneumaticamente non presenta molle e offre un’elevata resistenza a urti e vibrazioni.
La velocità di attuazione delle valvole motorizzate di Bürkert può essere impostata con precisione attraverso una funzione del software. In questo modo è possibile aprire e chiudere lentamente le valvole in maniera consapevole, al fine di evitare di aumentare inutilmente la pressione nel sistema e ridurre al minimo gli effetti associati.

Valvola a membrana a 2/2 vie elettromotorizzata (on/off)Tipo 3323

Posizione di sicurezza tramite accumulatore di energia
Forza di azionamento regolabile
Funzioni diagnostiche e connessione al bus di campo
Superfici a contatto con il prodotto di Ra ≤ 0,38 µm ... 1,6 µm (elettrolucidato come opzione)
Disponibile con ampiezze nominali DN 06…DN 100

Valvole a membrana

Inoltre, specialmente nei settori farmaceutico e biotecnologico, è possibile impiegare valvole a membrana azionate pneumaticamente o elettromotorizzate. A differenza delle valvole a sede, questo tipo di valvola può essere impiegata indipendentemente dalla direzione del flusso, ma è soggetta agli stessi criteri (valore Kv, pressione massima...) delle valvole a sede.

Per le valvole a membrana è necessario considerare che, in caso di colpo d’ariete, si possono verificare perdite a breve termine verso l’esterno (non solo attraverso il fermo), che all’inizio compaiono durante il breve momento del colpo d’ariete. Qualora la membrana non fosse danneggiata, nel migliore dei casi la valvola può continuare a svolgere la sua funzione normale.

Possibilità di ottimizzazione nei sistemi esistenti

Nei sistemi esistenti sono presenti vari punti di approccio per contenere successivamente il pericolo del colpo d’ariete. Questo tipo di adeguamento a livello di sistema deve essere preso in considerazione esclusivamente da un tecnico di processo che dispone di una conoscenza globale dell’intero processo. Tra le misure possibili vi sono:

Scambio di valvole singole con valvole con tempi di apertura e chiusura regolabili.
Installazione di farfalle e livelli di tubature per ridurre la portata del fluido attraverso la valvola e chiudere la valvola più lentamente.
Riduzione della velocità di chiusura delle valvole di processo pneumatiche attraverso il contenimento del carico e scarico pneumatico dell’azionamento pneumatico.
Utilizzo di attuatori elettromotorizzati con configurazione dei tempi di apertura e chiusura.
Limitazione della variazione di velocità nel sistema.
Impiego di attuatori a doppio effetto, compreso il relativo controllo.

tag: #Idraulico