Guida al Dimensionamento dell'Accumulatore Idraulico

Gli accumulatori idraulici svolgono un ruolo cruciale in numerosi sistemi industriali e mobili, accumulando liquido sotto pressione per rilasciarlo quando necessario. Tra le varie tipologie, gli accumulatori idraulici a membrana rappresentano una soluzione efficiente e versatile, adatta a una vasta gamma di applicazioni.

Normativa di Riferimento: UNI 9182

La UNI 9182 è un valido supporto normativo per i progettisti delle opere non trattate nelle norme tecniche europee UNI EN 806. La norma UNI 9182:2014 indica i criteri e i parametri per:

Il dimensionamento delle reti di distribuzione dell’acqua potabile.
Il dimensionamento per gli impianti di produzione e ricircolo dell’acqua calda.
La messa in esercizio degli impianti e gli impieghi dell’acqua non destinata ad uso umano e le connesse limitazioni.

Si applica in concomitanza con le norme UNI EN 806 per gli impianti di nuova costruzione, a modifiche e riparazioni di impianti già esistenti.

Indice della Norma UNI 9182

UNI 9182/10: le reti di distribuzione
UNI 9182/14: le pompe

Acqua Potabile e Acqua Non Potabile

La norma UNI 9182 distingue l’acqua potabile destinata per sue caratteristiche al consumo umano dall’acqua non potabile che, se pur rispondendo alle caratteristiche chimiche, fisiche e batteriologiche dell’acqua potabile, non contiene nulla di inquinante o pericoloso per tutte le persone che ne vengono a contatto.

Tale distinzione compete a chi sottoscrive il contratto con l’Ente erogatore.

Utilizzo dell’Acqua Non Potabile

L’acqua non potabile può essere impiegata per diversi scopi, come ad esempio:

Alimentazione di orinatoi e vasi.
Lavanderie industriali e lavaggi industriali.
Impianti di innaffiamento.
Alimentazione di fontane e similari.
Circuiti di reintegro torri di raffreddamento.
Impianti antincendio ad idranti sprinkler, diluvio e simili.

Fonti di Alimentazione

Una distribuzione di acqua destinata al consumo umano può essere alimentata attraverso una propria derivazione da una delle seguenti fonti:

Da un acquedotto distributore di acqua destinata al consumo umano per uso pubblico.
Da un sistema di captazione del quale l’acqua è riconosciuta idonea per il consumo.
Da qualsiasi altra fonte della quale l’acqua è stata resa idonea per il consumo umano con adeguato trattamento.

L’acqua non potabile può essere alimentata da qualsiasi fonte, purché non contenga sostanze inquinanti o pericolose per l’uomo e risponda alle stesse caratteristiche chimico-fisiche e batteriologiche dell’acqua destinata al consumo umano.

UNI 9182/10: Le Reti di Distribuzione

Il punto 10 della norma UNI 9182 si riferisce alle reti di distribuzione. Le reti sono i sistemi attraverso cui si realizzano le distribuzioni dell’acqua.

I componenti principali sono: le tubazioni, gli organi di intercettazione, i dispositivi di regolazione, i gruppi di erogazione.

Si possono individuare i collettori orizzontali, le colonne montanti o discendenti e le diramazioni delle utenze. In base al fluido che viene distribuito al loro interno, possiamo invece fare una distinzione tra:

Reti di acqua fredda.
Reti di acqua calda.
Reti di ricircolo.

Dimensionamento Dettagliato UNI 9182

Il dimensionamento delle reti di acqua fredda e calda può essere eseguito secondo la norma UNI 806 (metodo semplificato) oppure secondo un metodo analitico dettagliato definito dalla UNI 9182.

Prima di procedere al dimensionamento, bisogna conoscere alcuni dati, quali:

La portata massima contemporanea per ogni tronco e per l’intera rete.
La pressione utilizzabile.
Le massime velocità ammissibili.

Calcolo Portata Massima Contemporanea

Per poter calcolare le portate massime contemporanee bisogna utilizzare il metodo delle unità di carico. Ad ogni punto di erogazione corrisponde un valore di unità di carico. È stato definito il rapporto tra unità di carico e portate d’acqua in base alla funzione matematica: q= f (UC).

Calcolo Pressione Utilizzabile

Il calcolo della pressione utilizzabile deve essere eseguito attraverso la somma di:

Pressione dinamica da garantire all’utenza nella condizione più sfavorevole.
Differenza di quota tra il punto di alimentazione e l’utenza.
Perdita di pressione nelle tubazioni in corrispondenza della portata massima contemporanea.

Il valore della pressione da utilizzare deve essere:

Minore di 100 kPa alla pressione nominale dell’acquedotto quando la rete risulta alimentata direttamente.
Uguale al valore più basso della pressione fornita dall’eventuale impianto di sopraelevazione.
Uguale al valore della pressione che si determina in rete con l’acqua al livello minimo nei serbatoi di accumulo che la alimentano.

Dimensionamento Reti di Ricircolo

Il dimensionamento delle reti di ricircolo deve essere tale da mantenere l’erogazione dell’acqua calda ad ogni punto della temperatura di progetto, consentendo l’erogazione dell’acqua calda entro 30 secondi.

La procedura A, anche detta procedura “breve” può essere adottata solo se:

La lunghezza totale delle tubazioni di acqua calda (escluso il ricircolo) è minore di 30 metri.
Il tratto più lungo del circuito di ricircolo è minore di 20 metri.

La procedura “B” prevede che le singole linee di ricircolo e dei tratti collettori possono essere realizzati con tubi aventi diametro interno pari ad almeno 10 mm con una pompa di ricircolo DN 15 con portata minima di 200 l/h a 10.000 Pa (100 mbar) di pressione.

Le dispersioni termiche delle tubazioni di acqua calda e il salto termico della stessa tra l’uscita dal bollitore e l’estremità opposta della rete di ricircolo sono parametri basilari per la determinazione delle portate in essere in tutti i tratti della rete di ricircolo. La differenza di temperatura può essere calcolata con la seguente formula:

ΔTw= 2K

La portata Vp della pompa di ricircolo è:

Vp: lw,K · qw,K + lw,S · qw,S / ρ · c · ΔTw

Dove:

lw,K: è la lunghezza di tutte le tubazioni dell’acqua calda presenti in centrale termica.
lw,S: è la lunghezza di tutte le tubazioni dell’acqua calda presenti in cavedio.
ρ: è la massa volumica dell’acqua.
c: è la capacità termica specifica dell’acqua.

Per semplificare il dimensionamento è utile considerare le tubazioni in prossimità della pompa con velocità massime ammesse comprese tra 0,5 m/s e 1 m/s, mentre si può definire una velocità massima ammissibile tra 0,2 m/s e 0,3 m/s nel caso di tratti distanti dalla pompa. Una volta definite la velocità e la portata, si applica l’equazione di continuità per ottenere il diametro interno delle tubazioni (dimensione minima interna delle tubazioni pari a 10 mm).

Quando Non Deve Essere Realizzato il Ricircolo?

Il ricircolo deve essere sempre realizzato tranne in 4 casi:

I consumi di acqua calda sono continui o con prevalenza di consumo continuo e interruzioni non maggiori di 15 min.
Nel caso di impianti autonomi per uso residenziale o similare, con produzione istantanea mediante apparecchi con potenza termica complessiva minori di 35 kW, in assenza di serbatoio di accumulo.
Nel caso di impianti autonomi per uso residenziale o similare con serbatoio di accumulo ≤ 100 l o comunque con serbatoio di accumulo dotati di sistema integrato di mantenimento ella temperatura di progetto nel serbatoio stesso.
Nel tratto di distribuzione al piano di un impianto centralizzato con ricircolo qualora il volume complessivo di contenuto di acqua calda nelle tubazioni, dal punto di distacco dalla linea in cui è attivo il ricircolo sino ad ogni punto di prelievo, non sia maggiore di 3 l (+ 10%).

UNI 9182/14: Le Pompe

Il punto 14 della norma UNI 9182 si riferisce alle pompe. Esse devono essere selezionate in modo tale che il punto di funzionamento sia sempre all’interno delle curve caratteristiche di portata-pressione fornite dal fabbricante. Se le pompe non funzionano sotto battente o quando convogliano acqua a temperatura maggiore di 20°C, deve essere verificato il valore di carico totale assoluto all’aspirazione massimo ammesso (NPSH). I motori delle pompe devono essere di potenza uguale o maggiore a quella assorbita nelle condizioni di funzionamento a bocca premente libera. In ogni caso le pompe devono attenersi alla UNI EN ISO 9906.

Norma UNI 9182: Distanze Sanitarie

Gli apparecchi sanitari devono attenersi a spazi minimi di rispetto da tenere in considerazione durante la progettazione prima e l’installazione poi.

Distanze da Rispettare

Vaso (wc)
- 55 cm dall’apertura della porta
- 20 cm dal bidè
- 10 cm dalla vasca (se vicina)
- 55 cm dalla vasca (se di fronte)
- 10 cm dal lavabo
- 15 centimetri dal muro laterale
Bidè
- 55 cm dall’apertura della porta
- 20 cm dal vaso
- 20 cm dalla vasca
- 10 cm dal lavabo
Vasca/doccia
- 55 cm dall’apertura della porta
- 10 cm dal vaso se vicino, 55 cm se di fronte
- 20 cm dal bidè
- 5 cm dal lavabo
Lavabo
- 55 cm dall’apertura della porta
- 10 cm da un secondo lavabo vicino
- 10 cm dal vaso
- 10 cm dal bidè
- 5 cm dalla vasca

UNI 9182: Il Collaudo

Il collaudo è l’insieme delle prove e delle verifiche che vengono effettuate in corso d’opera e ad impianto ultimato. Se tali verifiche danno esito positivo, si determina l’accettabilità dell’impianto. Le prove in corso d’opera vengono effettuate su quei materiali e/o su quelle parti dell’impianto alle quali si può accedere a lavori ultimati solo distruggendo parte dell’impianto stesso. Le verifiche finali, invece, si effettuano sull’impianto già funzionante da un tempo predeterminato e servono ad accertare la conformità dell’insieme dell’opera alle prescrizioni del contratto in termini di consistenza, funzionalità, prestazioni.

Prove Effettuate

La prova di erogazione di acqua fredda.
La prova di erogazione di acqua calda.

La prova di erogazione dell’acqua fredda inizia trascorsi 10 minuti dall’apertura di tutte le bocche. Viene superata se nell’unità immobiliare si ottiene il valore di portata massima contemporanea di progetto relativo al tratto considerato, con tolleranza del 10%.

Per quanto riguarda, invece, le prove di erogazioni di acqua calda, si procede ad aprire progressivamente le bocche e dopo i primi 3 litri erogati per ogni bocca, si passa alla misurazione della temperatura con una tolleranza di 1°C. In funzione delle tipologie di rubinetti o miscelatori, le temperature alla bocca possono essere differenti, anche in funzione della destinazione d’uso dell’unità immobiliare.

La verifica della capacità di erogazione dell’acqua calda deve essere fatta tenendo in funzione simultaneamente tutte le bocche erogatrici di acqua calda previste dal calcolo. La verifica è positiva se l’acqua viene erogata con continuità per tutta la durata e comunque non minore di 2 ore alle condizioni di portata e temperatura previste.

Al termine l’impresa installatrice deve rilasciare la dichiarazione di conformità dell’impianto.

Accumulatori Idraulici: Funzionamento e Applicazioni

Il compito principale di un accumulatore idraulico è quello di accumulare liquido sotto pressione per restituirlo in caso di necessità. Gli accumulatori idraulici a peso sono ideali dal punto di vista del comportamento stazionario in quanto sono in grado di assicurare una pressione costante (pari al rapporto fra la forza peso e la superficie utile) in tutto il campo di funzionamento, ma non trovano pratico impiego in campo industriale sia perché richiedono pesi di dimensioni enormi e, soprattutto, perché i tempi di risposta sono notevoli a causa dell’inerzia connessa alla grande massa del peso.

Anche gli accumulatori a molla hanno un'importanza relativa perché è difficile reperire in commercio molle di rigidezza adeguata alle enormi forze richieste dagli accumulatori. Altrettanto limitato è l’uso degli accumulatori a gas senza elemento di separazione, ciò a causa dell'assorbimento del gas da parte del liquido. Nella maggior parte degli impianti oleodinamici vengono quindi impiegati accumulatori a gas muniti di elemento di separazione tra gas e liquido.

Nelle fasi del ciclo di lavoro in cui il fabbisogno di portata del sistema è inferiore alla portata della pompa, questa riempie l'accumulatore. Per gli impianti con fortissimi assorbimenti istantanei o di breve durata oppure con cicli d’esercizio brevi l'unica soluzione economica è rappresentata dagli accumulatori idropneumatici.

In altre applicazioni l’accumulatore idraulico funge da riserva di energia, in caso di mancanza di energia elettrica e, quindi, in assenza di energia idraulica proveniente dalla pompa, in un caso per l’azionamento delle ganasce del freno di emergenza di una funivia, e nell’altro caso per far fuoriuscire il pistone (per es. Infine è possibile trovare applicazioni in cui l’accumulatore idraulico è utilizzato come riserva di olio, per es.

Accumulatori Idraulici a Membrana: Dettagli e Vantaggi

Gli accumulatori idraulici a membrana rappresentano una soluzione efficiente e versatile per l'accumulo di energia idraulica in una vasta gamma di applicazioni industriali e mobili.

Principi di Funzionamento

Un accumulatore idraulico a membrana è un dispositivo che immagazzina energia potenziale sotto forma di gas compresso (tipicamente azoto) separato dal fluido idraulico tramite una membrana elastica. Il serbatoio, solitamente sferico o cilindrico, è progettato per resistere a pressioni elevate. La membrana, realizzata in gomma sintetica o materiali elastomerici compatibili con il fluido idraulico, funge da barriera flessibile che permette la compressione e l'espansione del gas.

Fase di Carica

Quando la pressione del sistema idraulico aumenta, il fluido idraulico entra nell'accumulatore, comprimendo l'azoto. L'energia viene immagazzinata come energia potenziale nel gas compresso. La membrana si deforma, adattandosi alla pressione crescente.

Fase di Scarica

Quando la pressione del sistema diminuisce o si verifica una richiesta di fluido idraulico, l'azoto compresso si espande, spingendo il fluido idraulico fuori dall'accumulatore e nel sistema. Questo fornisce un flusso supplementare di fluido o mantiene la pressione del sistema durante i picchi di domanda.

La precarica di azoto, ovvero la pressione iniziale del gas quando l'accumulatore è vuoto, è un parametro fondamentale che influenza le prestazioni dell'accumulatore. Una corretta precarica garantisce un funzionamento efficiente e prolunga la durata della membrana.

Componenti Chiave

Serbatoio: Realizzato in acciaio ad alta resistenza, progettato per sopportare le pressioni di esercizio.
Membrana: Realizzata in elastomero (es. gomma nitrilica, EPDM, Viton) resistente agli oli idraulici e alla pressione. La sua forma e materiale determinano la capacità di accumulo e la durata.
Valvola di Carica del Gas: Permette il riempimento e la regolazione della pressione dell'azoto.
Attacco del Fluido: Connette l'accumulatore al sistema idraulico.
Pulsante di Sicurezza (opzionale): In alcuni modelli, un pulsante di sicurezza chiude il condotto del liquido quando l'accumulatore è completamente scarico, prevenendo danni alla membrana.

Vantaggi degli Accumulatori a Membrana

Gli accumulatori a membrana offrono numerosi vantaggi rispetto ad altre tipologie di accumulatori idraulici (es. a sacca o a pistone):

Dimensioni Compatte: Generalmente più piccoli e leggeri degli accumulatori a pistone, rendendoli ideali per applicazioni con spazio limitato.
Basso Costo: Solitamente più economici degli accumulatori a pistone, soprattutto per applicazioni a bassa e media pressione.
Elevata Velocità di Risposta: La membrana elastica permette una risposta rapida alle variazioni di pressione, ideale per applicazioni dinamiche.
Minima Manutenzione: Richiedono una manutenzione minima rispetto agli accumulatori a pistone, poiché non hanno parti mobili complesse. La verifica periodica della precarica di azoto è comunque raccomandata.
Installazione Flessibile: Possono essere installati in diverse posizioni, sia verticalmente che orizzontalmente.
Smorzamento delle Pulsazioni: Efficaci nello smorzare le pulsazioni e i picchi di pressione nei sistemi idraulici, riducendo il rumore e l'usura dei componenti.

Applicazioni degli Accumulatori a Membrana

Gli accumulatori a membrana trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

Macchine Movimento Terra: Utilizzati per fornire potenza supplementare agli attuatori idraulici, migliorare l'efficienza del sistema frenante e smorzare le vibrazioni.
Macchine Utensili: Impiegati per compensare le variazioni di pressione, fornire energia di emergenza in caso di interruzione di corrente e migliorare la precisione dei movimenti.
Presse Idrauliche: Utilizzati per immagazzinare energia e rilasciarla rapidamente durante il ciclo di pressatura, aumentando la produttività.
Sistemi di Frenatura Idraulici: Forniscono una riserva di energia per il sistema frenante in caso di guasto alla pompa principale, garantendo la sicurezza.
Sistemi di Sospensione Idraulici: Contribuiscono a migliorare il comfort di guida e la stabilità del veicolo, smorzando le vibrazioni e compensando le variazioni di carico.
Sistemi Idraulici Industriali: Utilizzati per stabilizzare la pressione, compensare le perdite di carico e fornire energia di backup.
Turbine Eoliche: Utilizzati nei sistemi di pitch control delle pale per regolare l'angolo di attacco e ottimizzare la produzione di energia.
Sistemi di Riscaldamento e Raffreddamento: Utilizzati per compensare le variazioni di volume del fluido dovute alle variazioni di temperatura, mantenendo la pressione costante.
Sistemi di Irrigazione: Utilizzati per fornire un flusso costante di acqua, anche in presenza di fluttuazioni nella pressione di alimentazione.

Considerazioni Progettuali e di Selezione

La scelta dell'accumulatore a membrana appropriato richiede un'attenta valutazione dei seguenti fattori:

Pressione di Esercizio: La pressione massima a cui l'accumulatore sarà sottoposto.
Volume Richiesto: Il volume di fluido idraulico necessario per soddisfare i requisiti dell'applicazione.
Tipo di Fluido Idraulico: La compatibilità del fluido con il materiale della membrana.
Temperatura di Esercizio: La temperatura ambiente e la temperatura del fluido.
Frequenza dei Cicli: Il numero di cicli di carica e scarica al minuto.
Ambiente di Lavoro: La presenza di agenti corrosivi o condizioni estreme.
Precarica di Azoto: La corretta precarica è essenziale per un funzionamento efficiente e per la durata della membrana.

Un'errata selezione dell'accumulatore può portare a prestazioni insoddisfacenti, guasti prematuri e potenziali pericoli per la sicurezza. È consigliabile consultare un esperto per determinare l'accumulatore più adatto alle proprie esigenze.

Manutenzione e Risoluzione dei Problemi

La manutenzione degli accumulatori a membrana è relativamente semplice, ma è importante eseguire controlli periodici per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente:

Verifica della Precarica di Azoto: Controllare periodicamente la precarica e regolarla se necessario.

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