Portata Nominale Idraulica: Definizione e Misurazione

La fisica è una disciplina fondamentale che ci aiuta a comprendere il funzionamento dell'ambiente circostante e i fenomeni naturali. In particolare, per comprendere a fondo il moto dei fluidi, è necessario avere una buona comprensione della portata e del suo calcolo.

Cos'è la Portata?

La portata si definisce come la quantità di fluido che attraversa una determinata sezione di un condotto in un dato intervallo di tempo. La portata Q di un fluido è definita come quanto di questo fluido attraversa una certa sezione in determinato intervallo di tempo: Q = v · S [m3/s]. In questo caso v rappresenta la velocità del fluido in [m/s] misurata mentre attraversa la sezione S in [m2].

Tipi di Portata

Esistono principalmente due tipi di portata: quella volumetrica e quella massica.

Portata Volumetrica: Si riferisce al volume (V) di fluido che attraversa una sezione di area (A) nell'unità di tempo (t). Il volumetric flow rate rappresenta il volume di fluido che attraversa una determinata sezione di un condotto in un intervallo di tempo, dove Qv è la portata volumetrica, V il volume di fluido e t il tempo in cui attraversa la sezione.
Portata Massica: Tiene conto non solo del volume del fluido, ma anche della sua densità. Si definisce come la massa di fluido (m) che attraversa una sezione (A) nell'unità di tempo (t). Questa misurazione è più completa rispetto alla portata volumetrica, in quanto fornisce una visione complessiva che include la massa del fluido, non solo il suo volume. La portata massica può essere espressa anche in funzione della portata volumetrica.

Con "fluido" non si intende solo un materiale liquido, ma qualsiasi sostanza che possa adattarsi alla forma del recipiente che la contiene.

Unità di Misura

Come per tutte le grandezze fisiche, la portata di un fluido ha delle unità di misura nel Sistema Internazionale.

Calcolo della Portata

Per il calcolo della portata di un tubo è necessario conoscere la velocità del fluido e la sezione attraverso cui fluisce. Se il fluido si muove a velocità costante (v), possiamo semplificare ulteriormente, poiché lo spostamento del fluido (d) può essere espresso come il prodotto della velocità (v) e del tempo (t).

Il calcolo della portata in funzione della pressione consiste nel determinare la quantità di fluido che scorre in una condotta in base alla differenza di pressione tra l’ingresso e l’uscita. La pressione del fluido è la forza che esso esercita sulle pareti del tubo e sui componenti dell’impianto e viene comunemente misurata in bar o kPa.

La portata istantanea rappresenta il flusso di un fluido in un preciso istante di tempo. La sua misurazione è utile per analizzare variazioni rapide o fluttuazioni nel sistema. Se in un impianto è necessario sapere solo la quantità di fluido trasferito in un determinato periodo (ad esempio, da un serbatoio a un altro) e non le portate istantanee, si possono utilizzare strumenti di misura chiamati “contatori”.

Metodi di Misurazione della Portata

La misurazione della portata ha origini antiche ed è strettamente legata alla gestione delle risorse idriche nelle prime civiltà, come quelle mesopotamiche ed egizie. Inizialmente, il controllo del flusso d’acqua avveniva con metodi empirici, basati sull’osservazione del livello nei canali e sull’uso di sezioni calibrate nelle opere idrauliche.

Nel Rinascimento, Leonardo da Vinci studiò il moto dei fluidi, osservando fenomeni come i vortici e il deflusso dell’acqua, ma senza sviluppare un metodo sistematico per misurare la portata. Un passo avanti significativo si ebbe nel Seicento grazie a Benedetto Castelli, allievo di Galileo Galilei, che nel suo trattato Della misura dell’acque correnti (1628) introdusse un approccio più rigoroso. Castelli comprese che la portata di un fluido non dipende solo dalla sezione del condotto, ma anche dalla velocità del flusso, formalizzando il concetto di portata come il prodotto tra area della sezione e velocità dell’acqua.

Nei secoli successivi, studiosi come Evangelista Torricelli e Daniel Bernoulli approfondirono la dinamica dei fluidi, sviluppando modelli matematici fondamentali. Nel XIX secolo, furono introdotti strumenti come il tubo di Venturi e il metodo Darcy-Weisbach per calcolare le perdite di carico. Con il progresso tecnologico del XX secolo, la misurazione della portata divenne sempre più precisa grazie a misuratori elettromagnetici e ultrasonori, applicabili non solo all’acqua ma anche ad altri fluidi, come gas e oli industriali.

Esempi di Misurazione in Diversi Contesti

Condotta Forzata: In questo caso abbiamo un tubo, definito da un diametro nominale DN che ci permette di sapere con esattezza la sezione di passaggio del fluido.
Torrente/Fiumiciattolo/Rigagnolo: In questo caso la sezione non è ben determinata poiché la superficie bagnata dal fluido risulta irregolare causa rocce, rami e altri ostacoli naturali.
Condotta: In questi casi bisogna munirsi di recipiente di capienza nota. L’ideale sarebbe avere un rubinetto con cui dare un inizio e una fine precisi alla misurazione. Avendo anche le dimensioni della condotta è possibile anche conoscere la velocità di deflusso dell’acqua.
Canale: Conoscendo le misure di altezza del profilo di acqua e la larghezza del canale è possibile risalire alla portata. Munirsi di un oggetto che galleggi e posarlo al punto A; con un cronometro misurare il tempo impiegato dall’oggetto per raggiungere B, posto ad una distanza nota e scelta a priori nel realizzare la struttura. In questo modo avremo le dimensioni per calcolare la sezione e la velocità dell’acqua.
Torrente: In questo caso per misurare si può optare per il cosiddetto stramazzo. Esistono vari tipi di stramazzi, questo rappresentato viene chiamato triangolare in parete sottile ad angolo retto.

Nel seguente grafico sono evidenziate le diverse turbine in base ai parametri operativi nei range di micro-idroelettrico. Come si può notare, non viene presa in considerazione una portata sotto i 10 litri al secondo contemporaneamente ad un salto inferiore ai 2 metri.

Nota la potenza teorica estraibile è immediata la scelta dei componenti necessari alla progettazione di un impianto mini-idroelettrico.

Importanza del Calcolo della Portata

Il calcolo della portata è un’operazione fondamentale in molti settori industriali come l’industria chimica, l’industria del petrolio e del gas, l’industria alimentare, il settore idrico. Negli impianti di distribuzione dell’acqua potabile come nel trattamento delle acque reflue, ad esempio, la corretta determinazione della portata garantisce che le reti e gli impianti siano dimensionati correttamente, evitando sovraccarichi o sprechi di risorse. Gli strumenti industriali di misura della portata sono essenziali per eseguire misurazioni accurate.

La portata è importante anche nelle reti idrauliche complesse, che includono:

Rami: Tratto rettilineo avente un nodo iniziale ed un nodo finale.
Anelli: Una rete ad anello dove nell'anello non possono essere presenti altri rami della rete.
Rami di Derivazione e Alimentazione: Il ramo o i rami in cui il fluido affluisce alla rete.

La determinazione delle portate effettive è essenziale per garantire un'equa distribuzione del fluido alle utenze e per ottimizzare l'efficienza del sistema. Questo comporta la considerazione delle perdite di carico, delle caratteristiche degli idranti e delle equazioni di congruenza ai nodi.

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