Progettazione e Principi di Funzionamento della Coclea Idraulica
Spesso identificata come vite di Archimede, si pone come un’innovazione significativa nel settore delle energie rinnovabili, specialmente nell’idroelettrico. Storicamente la vite di Archimede è nata per il funzionamento come pompa.
Principi di Funzionamento
Il principio di funzionamento della turbina a coclea si basa su quello di una vite di Archimede immersa parzialmente nell’acqua, che la attraversa dall’alto verso il basso lungo il suo asse.
Stiamo parlando di un oggetto formato da un elemento cilindrico a sezione circolare a cui è avvolta un'elica per creare dei "piani" nella sezione del cilindro. Le dimensioni dell'elica variano a seconda dell'utilizzo della coclea, così come anche la presenza o meno di un cilindro di rivestimento o di pareti laterali.
Nella sostanza, il cilindro - inclinato rispetto ad un piano orizzontale - può essere messo in rotazione e questo comporta il movimento della struttura elicoidale. Visivamente, si ha l'impressione che l'elica tenda a spostarsi (avvitarsi o svitarsi): nella realtà, la conformazione geometrica della spirale permette questa illusione.
A questo effetto ottico è però collegato un particolare effetto fisico che consente lo spostamento, verso l'alto o verso il basso, del materiale contenuto all'interno delle pale dell'elica a seconda del verso imposto alla rotazione del cilindro. Questo spostamento è nei fatti generato proprio dalla conformazione dell'elica attorno al cilindro, che tende a formare dei "contenitori" durante la rotazione.
Applicazioni e Vantaggi della Turbina a Coclea
La turbina a coclea si distingue per l’elevata produzione di energia. La turbina di Archimede o coclea è una macchina volumetrica per cui la portata che attraversa la turbina dipende solo dal numero di giri.
Le turbine a coclea trovano applicazione in diversi ambiti, dai piccoli sistemi di irrigazione agricola alla generazione di energia per comunità rurali o aziende. Si dimostra particolarmente efficiente in situazioni dove i dislivelli sono limitati e le portate sono elevate, come in piccoli corsi d’acqua o in contesti dove la costruzione di grandi infrastrutture idrauliche non è possibile o non è desiderabile. Si adatta inoltre molto bene agli ambienti in cui è necessario minimizzare l’impatto ambientale e paesaggistico.
Un chiaro esempio è la nostra installazione di Goito, con una produzione energetica di 1200 kWh/giorno, dimostra un’alta efficienza nella conversione dell’energia idraulica in energia elettrica. La capacità produttiva varia in base alle dimensioni dell’installazione e alle caratteristiche del sito.
Un punto di forza della turbina a coclea è la sua capacità di mantenere un’alta efficienza operativa anche con flussi d’acqua che variano. Flessibilità Operativa e Ampio Campo di Funzionamento: le turbine a coclea si adattano bene a diversi ambienti, come canali irrigui e scarichi di impianti di depurazione, e possono funzionare efficacemente con una o due coclee in parallelo.
Non richiede grandi sbarramenti o modifiche significative al corso d’acqua, preservando l’ecosistema fluviale.
Esempio concreto: Centrale idroelettrica sul fiume Tartaro
Il Consorzio di Bonifica Veronese sta ultimando i lavori alla nuova centrale idroelettrica sul fiume Tartaro in località pila Vecchia nel Comune di Vigasio. L’impianto, del tipo ad acqua fluente ovvero senza alcuna sottrazione d’acqua dal fiume, utilizzerà il salto esistente di 1,60 metri mediante una coclea idraulica del diametro di tre metri (nella foto sopra), idonea per una portata sino a 5 metri cubi al secondo.
La coclea idraulica è una soluzione impiantistica più economica, robusta e di semplice manutenzione rispetto agli impianti realizzati con turbine tradizionali, essendo particolarmente indicata a sfruttare piccoli salti presenti lungo i corsi d’acqua di pianura, come nel caso del fiume Tartaro.
Gli organi in movimento sono costituiti da un lungo albero tubolare cui è saldata una vite senza fine a quattro princìpi e il tutto ruota in una sorta di culla semicircolare a tenuta, denominata trogolo, con inclinazione di 23 gradi sull’orizzontale. La forza peso dell’acqua determina la rotazione della vite con velocità variabili sino a 27 giri al minuto e, a sua volta, del generatore elettrico ad essa collegato tramite un moltiplicatore di giri ad ingranaggi.
“Dal punto di vista ambientale - specifica l’Ing. Andrea De Antoni, Direttore Tecnico del Consorzio di Bonifica Veronese - l’impianto è rispettoso della fauna ittica presente nel corso d’acqua perché ha basse velocità di rotazione, ampie luci di passaggio ed è munito di una scala di risalita a cassettoni. Nessun rumore sarà inoltre immesso nel territorio circostante. Il progetto ha superato la procedura di valutazione di impatto ambientale presso la competente struttura regionale e ha ottenuto l’approvazione del Servizio tutela faunistica provinciale”.
In questi giorni si stanno posando in opera gli organi elettromeccanici e di seguito avverrà la posa del quadro elettrico. Nel mese di febbraio si effettueranno le prove di funzionamento e a seguire la messa in esercizio definitiva.
Manutenzione e Monitoraggio
Manutenzione Semplificata: le turbine a coclea richiedono manutenzione semplice e poco frequente, un vantaggio significativo in termini di costi operativi e di tempo. Le moderne turbine a coclea possono essere equipaggiate con sistemi di controllo e monitoraggio da remoto.
Monitoraggio e Gestione Avanzata: un aspetto chiave è la capacità di monitorare e gestire l’impianto a distanza attraverso software dedicati. Il software di monitoraggio consente agli operatori di accedere ai dati dell’impianto in tempo reale da dispositivi come PC, tablet e smartphone.
La Vite di Archimede nella Storia
La vite di Archimede, anche nota come còclea (dal latino cochlea, "chiocciola"), è uno strumento elementare inventato forse da Archimede e usato anticamente per le operazioni di "sollevamento" di acqua da fiumi o ruscelli o di materiale granulare (come sabbia o detriti), al fine di consentire l'irrigazione di campi per la loro coltivazione. Rappresenta uno dei primi esempi di pompa idraulica, ma viene utilizzata ancora oggi in svariate applicazioni anche di natura differente.
Storicamente, si attribuisce l'invenzione della còclea - per l'appunto - ad Archimede, tra il 287-212 a.C circa. L'idea è probabilmente frutto delle conoscenze maturate dall'inventore durante il suo periodo in Egitto, ma le fonti storiche a disposizione non riescono a dare certezza assoluta su questo aspetto, in quanto non esistono chiari documenti che ne definiscano precisamente il momento esatto dell'invenzione e le circostanze.
Quello che è certo ad oggi è che non esiste nessun riferimento ad uno strumento simile in un periodo precedente a quello di riferimento per Archimede, motivo per il quale l'invenzione tramanda oramai la sua firma da secoli.
Oltre l'energia idroelettrica: altri utilizzi della coclea
Sebbene sia stata inizialmente pensata con l'unico scopo di "sollevare" l'acqua (come farebbe una pompa), la vite di Archimede trova oggigiorno svariate applicazioni aggiuntive.
- Una macchina operatrice, cioè viene immessa energia dall'esterno per sollevare ad esempio un fluido. In questo caso l'energia esterna viene fornita per il tramite di rotazione del cilindro centrale;
- Una macchina motrice, cioè si sfrutta il moto del fluido per gravità per generare energia meccanica (la rotazione del cilindro centrale), che può conseguentemente essere trasformata in energia elettrica, ad esempio. In questo caso abbiamo a che fare con una vera e propria turbina.
Nella sua funzione di macchina motrice, quindi, la vite di Archimede è usata oggi in diversi impianti idroelettrici come turbina. Essa funge quindi da strumento meccanico che converte l'energia di un fluido in movimento in corrente elettrica.
La coclea è anche utilizzata nella miscelazione del calcestruzzo all'interno di una betoniera. In pratica, in questo caso dapprima il cilindro viene utilizzato per consentire l'impasto ottimale delle componenti del calcestruzzo, successivamente il funzionamento "a coclea" viene attivato per permettere al calcestruzzo fluido di essere spostato dall'interno della betoniera verso l'esterno: tra i due meccanismi di funzionamento cambia semplicemente il verso di rotazione del cilindro!
Una curiosa applicazione si deve a John Burland, accademico e ingegnere geotecnico che ha partecipato ai recenti interventi di stabilizzazione della Torre di Pisa: la vite in questo caso è stata utilizzata per ottenere una rimozione di terreno negli strati profondi negli intorni della fondazione della torre, consentendo una riduzione di qualche frazione di grado della sua inclinazione, riducendone il rischio di collasso.
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