Definizione e spiegazione del carico idraulico

Questo articolo ha lo scopo di spiegare in dettaglio il concetto di carico idraulico, le sue componenti e la sua rilevanza in vari contesti, come gli impianti idraulici e gli acquiferi.

Impianto idraulico: cos'è?

L'impianto idraulico di acqua sanitaria comprende le reti di distribuzione di acqua potabile e non potabile per uso domestico, in particolare quello civile per lavarsi o per accumulo. In tutta la UE, come nella maggioranza del resto del mondo, l'acqua calda si trova a sinistra e quella fredda a destra.

Le Norme che regolano il dimensionamento di un impianto sanitario di adduzione acqua fredda e calda sono la UNI 9182 e la UNI 9183.

Componenti di un impianto idraulico

Un impianto idraulico è composto da diverse componenti essenziali:

Tubazioni idriche: Nei primi anni del 1980 gli idraulici conoscevano esclusivamente tubazioni in ferro per la distribuzione sanitaria. Il motivo è che sono presenti tutt'ora negli edifici civili sebbene stiano creando problemi (ormai superati dai nuovi materiali) a causa del loro decadimento, per questo è molto importante che l'idraulico di oggi ne abbia conoscenza, così come l'utente.
Filtro defangatore magnetico: Nel caso dell'impianto di riscaldamento, è OBBLIGATORIO installare il cosiddetto filtro "defangatore magnetico" che preserva da sporco attraendo taluni residui ferrosi e con la possibilità di spurgo dello stesso.

Impianto termico

L'impianto è considerato termico sopra i 5kW di potenza e se la sua destinazione d'uso è di climatizzazione degli ambienti durante tutte le stagioni. Sono gestiti da un apparecchio che produce calore tramite la combustione di materiale fossile come ad esempio le caldaie che funzionano a gas, pompe di calore a gas o apparecchi che bruciano il carbone o ad olio, etc.

Per legge inoltre, devono essere controllati a cadenza biennale per qualsiasi tipologia di impianto da un tecnico abilitato al controllo e pulizia con il rilascio di relativa documentazione che ne confermi o neghi l'utilizzo corretto da corrispondere al Comune di competenza, il quale ne prenderà atto e deciderà se effettuare ulteriori accertamenti nei casi di mancanza dei requisiti minimi consentiti.

Carico d’incendio specifico di progetto

Secondo il D.M., il carico d’incendio specifico di progetto è il carico d’incendio specifico corretto in base ai parametri indicatori del rischio di incendio del compartimento antincendio e dei fattori relativi alle misure antincendio presenti. Grazie al metodo di calcolo del carico d’incendio fornito dal Codice è possibile ridurre sensibilmente la quota di resistenza al fuoco attribuibile agli elementi strutturali.

Perdite di carico nelle tubazioni

Le perdite di carico nelle tubazioni si verificano quando si ha una diminuzione della pressione dell'acqua lungo il percorso della tubazione, dovuta alla resistenza all'attrito tra l'acqua e le pareti interne della tubatura. Le perdite di carico possono essere divise in due categorie principali: perdite di carico distribuite e perdite di carico concentrate. Le perdite di carico nelle tubazioni devono essere tenute in considerazione durante la progettazione di un impianto idraulico, in modo da garantire che la pressione dell'acqua sia sufficiente per il corretto funzionamento del sistema.

Tipologie di perdite di carico

Perdite di carico distribuite: Sono relative in particolare ai tratti rettilinei e sono funzione di diverse variabili, eccole qui di seguito:

natura e stato fisico del fluido
velocità media
dimensioni della condotta
rugosità della parete interna
lunghezza della condotta

Perdite di carico concentrate: Esse sono legate a variazioni di dimensione della rete oppure a curve cambiamenti di direzione in generale.

Carico idraulico: definizione e componenti

Si definisce altezza di pressione di un determinato punto P dell’acquifero la pressione dell’acqua nel punto P misurata in metri di colonna d’acqua. Facendo riferimento alla figura 3a, si può immaginare di realizzare un piezometro con tratto filtrante in corrispondenza del punto P. La pressione dell’acqua in P, espressa in metri di colonna d’acqua, equivale al dislivello fra la quota raggiunta dall’acqua all’interno del tubo piezometrico e la quota del punto P.

L’altezza geometrica di un determinato punto P è la quota del punto P rispetto ad un piano orizzontale preso convenzionalmente a riferimento come quota zero. Anche se da un punto di vista teorico sarebbe possibile scegliere qualunque piano come quota zero, per praticità come riferimento viene usualmente scelta la base dell’acquifero.

Dimensionalmente il carico idraulico è una lunghezza.

Carico idraulico negli acquiferi

Analogamente al caso di figura 2b, in un acquifero in quiete il valore del carico idraulico è uguale in tutti i punti. Se in un acquifero esistono punti a differente carico idraulico, si innesca un moto di filtrazione diretto dal punto a carico idraulico maggiore verso il punto a carico idraulico minore.

Immaginando di disporre di uno strumento analogo a quello riportato in figura 4, posizionando la bacinella di destra alla medesima quota dello sfioratore del tubo di sinistra si uguagliano i carichi idraulici sulle superfici A e B del cilindro di sabbia. Poichè nel sistema non esiste alcuna differenza di carico idraulico, non si innesca alcun moto di filtrazione e l’acqua nel cilindro di sabbia permane in stato di quiete.

Se si immagina di abbassare la bacinella B, si crea una differenza di carico idraulico alle estremità del cilindro. La differenza di carico idraulico innesca un moto di filtrazione, e di conseguenza una parte dell’acqua che si trova nel cilindro di sinistra transita attraverso il terreno e fuoriesce dalla bacinella di destra.

Se si arresta l’alimentazione, in seguito al moto di filtrazione il livello dell’acqua nel cilindro di sinistra inizia lentamente a diminuire e di conseguenza diminuisce il carico idraulico sulla superficie A del cilindro. Nel momento in cui il livello nel cilindro scende fino alla quota del livello della bacinella di destra, si ripristina la condizione di uguaglianza dei carichi idraulici alle estremità del cilindro di sabbia.

Calcolo delle perdite di carico

Esistono due diverse modalità per il calcolo delle perdite di carico di un circuito aeraulico. E’ possibile affrontare il problema del loro calcolo utilizzando il metodo matematico oppure il metodo grafico che sfrutta grafici e tabelle che risulta essere molto valido per effettuare un calcolo sommario e preliminare delle perdite di carico.

Metodo grafico

Il metodo grafico permette di effettuare un calcolo preliminare che può darti una valutazione indicativa delle perdite di carico per poter realizzare eventualmente un budget tecnico ed economico da proporre al tuo cliente. Ti sconsiglio di affidarti totalmente a questi grafici e tabelle, in quanto queste riportano valori che puoi considerare indicativi. Lo sviluppo tecnico della commessa deve necessariamente indurti a realizzare un calcolo più “fine” delle perdite di carico dell’intero sistema affidandoti ad un professionista, ad un software o comunque ad un calcolo maggiormente corretto.

Metodo matematico

Questo è il metodo che adotto io quando devo effettuare il calcolo delle perdite di carico di un circuito aeraulico. Ovviamente i passi che ti sto presentando devono essere contestualizzati alla tua situazione; questo significa che bisogna considerare diversi aspetti tra i quali per esempio: i punti di aspirazione;il numero di curve;i cambi di sezioni;le lunghezze delle tubazioni rettilinee;gli impedimenti intermedi come gli impianti di abbattimento.

Step per il calcolo matematico

Definizione della velocità nelle condotte: Per calcolare la velocità dell’aria all’interno di un tubo bisogna semplicemente prendere il valore della portata (Q), tipicamente espresso in mc/h, e dividerlo per la sezione (A) tipicamente espressa in mq.
Calcolo del numero di Reynolds: Questo parametro permette di indicare il tipo di moto del fluido all’interno della tubazione. Calcolando questo numero è possibile definire un moto di tipo “laminare” quando questo numero è pari a 2000. Oltre il valore di 10000 si può parlare di moto “turbolento”. Tra i 2000 ed i 10000 si parla di fase di transizione del moto del fluido che sta passando da “laminare” a “turbolento”.
Calcolo del coefficiente di perdita distribuita: A questo punto puoi calcolare il coefficiente di perdita per attrito di tutti i singoli componenti della tubazione. Il fattore di attrito dipende sia dal numero di Reynolds che da quanto è “ruvida” la parete della tubazione.
Calcolo delle perdite di carico concentrate: Per il calcolo delle perdite di carico concentrate devi passare in rassegna ancora una volta il tuo impianto aeraulico e scovare per esempio: curve a 90° considerandone il raggio e il tipo ovvero se stampate o a spicchicurve a 15°/30°45°/60° considerandone il raggio e il tipo ovvero se stampate o a spicchibragheinnestiallargamentiriduzionicappefiltri, abbattitori o similariventilatori ecc…

Metodi per il dimensionamento dei tracciati aeraulici

Ora che riesci a calcolare il valore puntuale della perdita di carico del tuo tracciato vorrei darti alcune indicazioni generali sui metodi che puoi applicare per dimensionare il tuo tracciato aeraulico. In generale si utilizzano tre metodologie di calcolo:

riduzione di velocità
perdita di carico costante
recupero di pressione statica

Metodo a riduzione di velocità

Con questo metodo si sceglie una velocità dell’aria nella condotta immediatamente a valle del ventilatore di mandata. Tale velocità verrà ridotta nei successivi tronchi di condotta normalmente in corrispondenza di ciascuna diramazione. La pressione richiesta al ventilatore dovrà essere calcolata nella diramazione della rete che presenta la maggior lunghezza equivalente. Questo metodo, a causa della complessità e dell’esperienza necessaria è scarsamente utilizzato nel dimensionamento di tracciati aeraulici complessi.

Metodo a perdita di carico costante

L’intera rete aeraulica viene dimensionata mantenendo costante la perdita di carico per metro lineare. Questo metodo permette di bilanciare automaticamente le diramazioni simmetriche mentre per le altre si rende necessaria una taratura con l’introduzione di valvole o serrande. Per il principio stesso su cui si basa questo metodo, non è possibile ottenere una pressione statica uniforme a monte di ciascun terminale.

Metodo a recupero di pressione statica

Consiste nella riduzione della velocità dell’aria in corrispondenza di ogni diramazione o terminale in modo tale che la conversione di pressione dinamica in pressione statica avvenga.

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