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Progettazione Costruzioni ed Impianti

Anno Scolastico 2013/14

IMPIANTI TECNOLOGICI – CAP. I

IMPIANTO IDRICO

Cenni di idraulica - Legge di Stevino

Progettazione Costruzioni Impianti


Pressione idrostatica: pressione che si determina

nell’acqua in quiete per effetto della forza di gravità

IDRAULICA : è la scienza che studia l'utilizzazione dei liquidi ed in

particolare dell’acqua.

La pressione idrostatica è la forza esercitata da un fluido

in quiete su ogni superficie a contatto con esso. Il valore di

questa pressione dipende esclusivamente dal peso

specifico del fluido g e dall'affondamento h del punto

considerato rispetto al pelo libero (cioè non dipende dalla

forma del recipiente).

La pressione idrostatica varia con il variare dell'altezza della colonna di liquido:

nel punto più basso del recipiente la pressione è maggiore perché è più alta la

colonna di liquido, in un punto più alto la pressione sarà minore.

Questo concetto è espresso dalla LEGGE DI STEVINO hp g

Cenni di idraulica - Spinta idrostatica



Spinta idrostatica [kg] : forza che agisce su una superficie A immersa nell’acqua

(avente peso specifico g). Il baricentro di tale superficie si trova ad una profondità h.

gAhS

Con riferimento alla vasca rappresentata in figura, se calcoliamo l’area del

diagramma delle pressioni agente sulla parete, o sul fondo della vasca si ottiene

l’intensità della spinta idrostatica.

Spinta su pareti laterali Spinta sul fondo

Cenni di idraulica - Spinta idrostatica



La spinta idrostatica è applicata in corrispondenza del baricentro del diagramma

delle pressioni e diretta perpendicolarmente alla superficie.

Cenni di idraulica - Principio dei vasi comunicanti



Il principio dei vasi comunicanti è quel principio fisico, scoperto da

Stevino secondo il quale un liquido contenuto in due o più contenitori

comunicanti tra loro, in presenza di gravità raggiunge lo stesso livello,

dando vita ad un'unica superficie equipotenziale. Il fenomeno è correlato

sempre alla legge di Stevino in quanto, come già detto, la pressione

dipende esclusivamente dalla profondità.

Versando l'acqua in recipienti di forma diversa collegati fra loro, si osserva che

questa tende a distribuirsi in modo da raggiungere lo stesso livello in tutti i recipienti

e che la superficie e piana e orizzontale.

Cenni di idraulica - Principio dei vasi comunicanti - esempi



Il sifone è un tubo a forma di U rovesciata a

bracci disuguali e serve per travasare liquidi da

un recipiente all'altro. Il suo funzionamento si

basa sulla legge dei vasi comunicanti.

E’ possibile far arrivare l'acqua potabile

negli edifici perché i serbatoi sono

situati in posizione elevata e collegati,

mediante i tubi della rete di

distribuzione, con tutti i punti di utilizzo.

Un altro strumento che utilizza tale

principio è la livella ad acqua.

Cenni di idraulica – Formula di Torricelli



Se in un serbatoio vengono applicati due tubi a differente altezza, l’acqua uscirà

con una velocità differente, determinabile con la Formula di Torricelli :

Tale relazione ci permette di affermare che l’efflusso aumenta con l’altezza di

carico.

ghv 2

Cenni di idraulica - La Portata



La portata è la quantità di fluido che attraversa una sezione di area A

nell'unità di tempo. Si misura per esempio l/s. La sezione di un tubo

corrisponde alla sua superficie interna. Per diametro si intende, quello

interno ed è solitamente espresso in mm.

In un tempo t, per effetto della velocità v posseduta dal liquido, lo strato di liquido

nella sezione AB si porterà nella sezione A'B', percorrendo uno spazio:

spazio = v × t

Attraverso la sezione AB sarà passato il volume di liquido compreso tra le sezioni

AB e A’B’. Tale volume è il prodotto dell'area A della sezione per lo spazio v × t:

volume = A × v × t

Cenni di idraulica - Principio di continuità



La portata si ottiene il volume così ottenuto per il tempo corrispondente.

Sarà dunque espressa come il prodotto della velocità per la sezione

normale:

Avt

AvtQ

Da tale relazione si evince che : a parità di sezione, la portata sarà tanto

maggiore quanto più velocemente l’acqua scorre all’interno del tubo stesso.

Una corrente si dice che è a regime permanente quando in ogni punto della

corrente la velocità e la pressione si mantengono costanti al variare del tempo.

Pertanto, se il regime è permanente, “la portata è costante in tutte le sezioni

trasversali della condotta” questo rappresenta il PRINCIPIO DI CONTINUITÀ.

Cenni di idraulica – Teorema di Bernoulli



Consideriamo una corrente liquida in regime permanente e due sezioni trasversali

A1 e A2, cui corrispondono : le aree A1 ed A2 - le velocità v1 e v2 - le pressioni p1 e

p2 - le altezze h1 e h2 dei centri delle sezioni rispetto ad un piano orizzontale di

riferimento. Sia inoltre g il valore del peso specifico del liquido e g l'accelerazione

di gravità. Supponiamo anche che, nel tratto compreso tra le due sezioni, le uniche

influenze subite dal liquido siano dunque la forza di gravità e le pressioni che su di

esso naturalmente si esercitano.

Piano di riferimento

Cenni di idraulica – Teorema di Bernoulli



Le diverse forme di energia che il liquido possiede, relativamente alla sezione A1 sono:

ENERGIA POTENZIALE misurata dal lavoro che la gravità compie nella discesa sino al livello zero ed espressa da h1 : altezza geodetica

ENERGIA DI PRESSIONE

ENERGIA CINETICA

misurata dall'altezza cui il liquido può salire per effetto della pressione ed espressa da p1/g : altezza piezometrica

espressa dalla relazione v12/2g : altezza cinetica

Per la sezione A2 si avrà identicamente h2 : altezza geodetica, p2/g : altezza piezometrica e v22/2g : altezza cinetica .

Il Principio di conservazione dell’energia o Teorema di Bernoulli afferma che :

la somma delle diverse forme di energia che un liquido possiede in una sezione è

costante.

COSTANTEg

vph

2

2

g

Pertanto fra le due sezioni della condotta vale la seguente relazione:

g

vph

g

vph

22

2

222

2

111

gg

Cenni di idraulica – Cadente piezometrica



Nel passare dalla sezione A1 alla sezione A2, poiché il liquido è dotato di

viscosità, l’energia subisce delle perdite distribuite lungo tutta la condotta. La

quantità di energia che si perde serve a contrastare l’attrito che esiste tra le

particelle di liquido e fra il liquido e le pareti della condotta stessa. Pertanto, per

un liquido reale, la linea dei carichi totali, che esprime la somma delle tre

altezze nelle varie sezioni, risulta inclinata. La pendenza di tale retta prende il

nome di cadente piezometrica (J).

Liquido IDEALE

Liquido REALE

Cenni di idraulica - Formula di Darcy



La cadente piezometrica J può essere calcolata mediate la seguente

espressione:

5

2

D

QJ

Q = portata ; D= diametro della condotta;

= coefficiente che dipende dal diametro del tubo e dal materiale di cui esso è

fatto.

Car

ico

to

tale

Nel caso in cui la condotta subisca un brusco allargamento o un brusco restringimento, si manifestano delle perdite di energia (dette pure perdite di carico) di tipo localizzato, valutabili con le seguente relazione:

g

vk

2

2

= 1 ÷ 1.1 ( brusco allargamento) = 0.5 (brusco restringimento)

kJLg

vph

g

vph

22

2

222

2

111

gg

Cenni di idraulica - Altezze piezometriche in acquedotto



Considerando un serbatoio e una condotta di adduzione dell’acqua, la linea che unisce le varie altezze piezometriche deve sempre passare al di sopra del fabbricato più elevato, se si vuole che l’acqua raggiunga tutti i punti di erogazione! Sarà dunque necessario ridurre le perdite di carico lungo il percorso.

Approvvigionamento dell’acqua



• APPROVVIGIONAMENTO: l'insieme delle reti, i componenti, le apparecchiature che permettono l'adduzione e la distribuzione dell'acqua calda e fredda alle varie utenze di un edificio. • SCARICO: smaltimento delle quantità necessarie a soddisfare le esigenze dell'utenza.

L’impianto idrico-sanitario comprende:

L’impianto di approvvigionamento si compone di:

• Sistema di approvvigionamento (allacciamento alla rete pubblica

dell’acquedotto)

• Sistema e rete di distribuzione acqua calda e fredda

• Sistema di produzione dell’acqua calda

• Dispositivi di erogazione ed apparecchi sanitari




L’acqua per usi domestici è fornita in genere dall’acquedotto pubblico. La condotta passa nella strada che fronteggia la costruzione, così l’allacciamento risulta immediato :




Laddove non sia possibile effettuare l’allacciamento all’acquedotto su ricorre a pozzi o cisterne di raccolta :

Una cisterna deve essere composta da 3 parti : il chiarificatore, il filtro (strati di sabbia, carbone e pietrisco) e il deposito dove si raccoglie l’acqua filtrata.

Fornitura di acqua agli utenti – Sistema a rubinetto tarato



La distribuzione di acqua agli utenti privati in piccoli centri urbani avviene con un sistema a forfait, con un canone annuo da corrispondere in base al numero di rubinetti di erogazione. Laddove l’acqua scarseggia si adotta il sistema del rubinetto tarato o della lente idrometrica, che lascia passare una quantità fissa di acqua. 1 m3/giorno bottiglia di 1 litro 90 sec

Con tale sistema si avrà un serbatoio di accumulo posto in alto per garantire una sufficiente pressione. L’impianto di distribuzione nell’edificio prevede una colonna principale che porta acqua al serbatoio, dal quale si diramano le tubazioni che riforniscono i vari punti.

Fornitura di acqua agli utenti - Schema di distribuzione a contatore



Nei centri urbani dove l’acquedotto assicura una buona disponibilità di acqua, la distribuzione avviene per mezzo di un contatore che lascia passare una considerevole quantità di liquido e ne rileva la quantità prelevata.

Nel caso vi siano più alloggi in un edificio, in genere vi è un unico contatore di grossa capacità (contatore generale) al’inizio del’allacciamento e altri detti contatori divisionali per ogni alloggio. Tale sistema garantisce una miglior qualità dell’acqua e nessun problema legato alla presenza del serbatoio di accumulo. Un problema è legato al fatto che in alcuni momenti della giornata, in cui il consumo raggiunge un picco, la pressione diminuisce e gli appartamenti più in alto restano senza acqua. Al contrario, di notte quando il prelievo è nullo, la pressione aumenta di molto provocando la rottura delle tubature più vecchie.

Impianti di sopraelevazione



Se la pressione della condotta pubblica non è sufficiente a servire l’utenza posizionata ai piani più alti degli edifici è possibile ricorrere a varie soluzioni (autoclave, serbatoi di riserva alimentati da pompe, serbatoi di riserva).

Il più semplice è il serbatoio di riserva, posizionato in genere nel sottotetto e dotato di un sistema di valvole di ritegno cioè che fanno passare l’acqua in un’unica direzione).

Allacciamento alla rete



All'interno della rete, l'acqua è tenuta alla pressione di 5-6 bar al fine di raggiungere i piani più alti dei fabbricati, mentre nelle tubazioni di distribuzione dell'acqua nei fabbricati la pressione non deve superare i 3 bar per evitare rumore rotture delle tubazioni stesse. A tal fine si usa un riduttore di pressione che mantiene a valle dell'impianto la pressione stabilita e viene montato prima del contatore. Quando invece la pressione non è sufficiente occorre installare sistemi di sollevamento ausiliari (autoclave).

Sistema di approvvigionamento



Planimetria generale con allacciamento alla rete comunale

Generalmente le tubazioni utilizzate per il tratto interrato, esterno agli edifici da alimentare, che serve per il collegamento alla rete, sono in ghisa sferoidale mentre le tubazioni che si utilizzano per la distribuzione dell’acqua, prelevata dalla rete, ai vari punti di utilizzazione sono in polietilene

Pianta sistema di adduzione



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