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Dimensionamento di reti idriche in pressione

La norma UNI 11149 (2019 )unitamente alla norma UNI EN 805 (2002) definiscono criteri su cui basare la progettazione idraulica di sistemi di tubazioni in polietilene per il trasporto di liquidi in pressione. Nello specifico, è utilizzabile per i seguenti campi di utilizzo:

• Acquedotti
• Fognature in pressione
• Fluidi industriali
• Reti antincendio¹ - norma di riferimento UNI 10779:2014
• Reti per irrigazione

La progettazione idraulica di una rete di condotte in polietilene prevede la determinazione dei diametri nominali (DN) e delle pressioni nominali (PN) dei vari tratti, una volta specificata la loro portata, lunghezza e la quota piezometrica desiderata nei vari punti della rete. Il dimensionamento deve essere in grado di soddisfare la massima portata richiesta lungo ogni linea, bilanciando il rifornimento idrico in funzione della domanda. Schematicamente, il dimensionamento idraulico prende in considerazione diversi elementi, tra i quali:

• portata volumetrica da erogare
• velocità di flusso nella condotta¹
• scabrezza della superficie interna
• differenza di pressione alle estremità della condotta
• temperatura di esercizio²

1. per avere una velocità accettabile, al fine di evitare sovrappressioni e ristagni, è consigliabile che questo parametro si trovi nell’intervallo da 0,5 m/s a 2,5 m/s.

2. se una condotta realizza con tubazioni in PE100 è posta in esercizio ad una temperatura costante (o comunque prevalente) superiore a 20 °C, fino a 40 °C, per quanto riguarda le pressione nominale della stessa è applicabile il prospetto seguente facente riferimento alla norma da EN 12201:

Nel caso in cui devono essere gestiti fluidi con temperature superiori ai 40°C è necessario prevedere l’installazione di tubazioni diverse come: RENO 100 HTS, RENO PP-FIBER, RENO PPR, RENOTHERM PERT.

Dalla velocità di flusso dipendono le perdite di carico connesse al passaggio dell’acqua all’interno della condotta. Per una linea le perdite di carico totali H_tot sono date dalla somma delle perdite di carico distribuite H più le perdite di carico localizzate H_i secondo l’equazione seguente:

Calcolo perdite di carico localizzate

Inoltre, nel dimensionamento idraulico di una condotta è necessario considerare le eventuali sovrapressioni e depressioni generate dai possibili transitori considerati con il fenomeno del colpo d’ariete.

Perdite di carico distribuite

Le perdite di carico distribuite H (espresse in m di colonna di acqua) lungo un tratto di condotta possono espresse attraverso la formula seguente:

Calcolo perdite di carico distribuite

Dove:

• J = perdita di carico per unità di lunghezza (m di colonna di acqua/m)
• L = lunghezza della condotta (m)
• λ = coefficiente di perdita di carico (regime di transizione turbolento o completamente turbolento)
• ν = viscosità cinematica del fluido (m² /s)
• g = accelerazione gravitazionale (9,8 m/s²)
• Di = diametro interno del tubo

Considerando una condotta in polietilene, le perdite di carico distribuite possono essere valutate più agevolmente attraverso i grafici seguenti che mettono in relazione la portata (Q) e la velocità (V) del fluido con il diametro interno (Di) della condotta stessa.

Relazione tra diametro interno, portata, velocità del fluido e perdita di carico per acqua a 10 °C e coefficiente di scabrezza 0,01 mm. ( 10mm ≤ Di ≤ 200mm )

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Relazione tra diametro interno, portata, velocità del fluido e perdita di carico per acqua a 10 °C e coefficiente di scabrezza 0,05 mm. ( 250mm ≤ Di ≤ 1500mm )

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Perdite di carico localizzate

Le perdite di carico localizzate Hi derivanti dal passaggio del flusso attraverso raccordi e valvole sono invece espresse attraverso la formula seguente:

Calcolo perdite di carico localizzate derivanti dal passaggio del fluido attraverso raccordi

Dove:

• k_i = coefficiente dipendente dal tipo di raccordo
• v = velocità del fluido (m/s)
• g = accelerazione gravitazionale (9,8 m/s²)

Alcuni valori del coefficiente ki per le perdite di carico localizzate sono di seguito riportati:

Nel caso di condotta realizzata con barre di tubo collegate mediante saldatura ad elementi termici per contatto, i cordoli interni che si formano determinano una perdita di carico poco significativa. Essa può essere considerata incrementando del 15% la relativa perdita di carico.

Colpo d'ariete

Le improvvise variazioni di portata, originate ad esempio da apertura/chiusura di valvole o accensione/spegnimento di pompe, possono provocare il fenomeno del colpo d’ariete, con la conseguente variazione nel tempo lungo la condotta di pressione e velocità. In questo caso, la sovrappressione è data dalla seguente formula:

Calcolo sovrapressione

Dove

• c = velocità di variazione della pressione (m/s)
• v₀ = velocità del fluido prima della manovra (m/s)
• g = accelerazione gravitazionale (9,8 m/s²)

Le norme tecniche contenute nel D.M. LL. PP. del 12/12/85 stabiliscono un limite per la massima sovrappressione dovuta al colpo d’ariete in funzione della pressione idrostatica all’interno della condotta. (nel caso di valori maggiori sono necessari dispositivi di attenuazione).

L’entità della sovrappressione per colpo d’ariete per manovre brusche (ΔP o ΔH espresse rispettivamente in bar o m), nel caso di condotte realizzate con PE100 (modulo elastico a breve termine circa 1.000 MPa) può essere dedotta dalla figura seguente, in funzione della velocità del fluido.

Grafico sovrapressione per colpi d'ariete

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Verifica dei PN dei componenti della rete

Una volta stabilite le pressioni e le eventuali sovrappressioni nei rami della rete durante le varie fasi di esercizio è necessario verificare il rispetto delle relazioni seguenti:

a) MDP = MAX(OP_s,t) + (colpo d’ariete) < PN

Dove:

• PN : pressione nominale, designazione numerica usata a scopo di riferimento, relativa alle caratteristiche meccaniche dei componenti di un sistema di tubazioni e raccordi.
  Per una tubazione o un raccordo di materia plastica corrisponde alla pressione operativa massima continua in bar che può essere sopportata dall’elemento a 20°C basata sul coefficiente di progetto minimo.
  Per una porzione di rete corrisponde al PN minimo tra i relativi degli elementi che la compongono.
• DP : pressione di esercizio, pressione interna che si verifica in un punto particolare del sistema (s) e in un momento particolare durante l’esercizio (t).
• MDP : pressione di esercizio massima del sistema fissata dal progettista considerando gli sviluppi futuri e includendo il colpo d’ariete.

Inoltre i componenti scelti devono rispettare le 3 relazioni sotto cosi come definite nel prospetto 2 della UNI EN 805 (2002).

b) PFA ≥ DP
c) PMA ≥ MDP
d) PEA ≥ STP

Dove:

• PFA : pressione idrostatica massima ce un componente è in grado di sostenere durante l’esercizio.
• PMA : pressione massima che si verifica occasionalmente, repentinamente, compreso il colpo d’ariete, che un componente è in grado di sostenere durante l’esercizio. Per una tubazione in polietilene a norma EN 12201-2, tale valore è equivalente a: PMA = 2 · PN.
• PEA : pressione idrostatica massima che un componente di nuova installazione è in grado di sostenere per una durata relativamente breve, al fine di garantire l’integrità e la tenuta della tubazione. Per una tubazione in polietilene a norma EN 12201-2, tale valore è equivalente a: PEA = 1,5 · PN
• SPT : pressione idrostatica di collaudo