Controllo del flusso d’acqua – Come funziona

Cosa sono le valvole di controllo del flusso?

Le valvole di controllo del flusso sono progettate per mantenere un flusso massimo costante e preimpostato, indipendentemente dalle variazioni della domanda o della pressione del sistema. La limitazione del flusso è necessaria alle uscite dei sistemi principali verso i consumatori, come sistemi secondari (dalla linea principale alla linea idrante; dalla linea idrante alla linea di distribuzione), serbatoi, ecc., al fine di proteggere il sistema di alimentazione da un consumo eccessivo. Il consumo è determinato dalla domanda dell’utente a valle della valvola di controllo del flusso — in base al numero di erogatori presenti sul campo e ai loro dati di flusso, al numero di utenti che irrigano contemporaneamente, a componenti esterni come serbatoi e sistemi di backup.

Flusso del sistema in funzione del tempo con valvola limitatrice di portata e senza (linea tratteggiata)

Non potendo controllare gli utenti, i progettisti stanno utilizzando valvole di controllo del flusso per garantire che il flusso non superi di molto quello previsto in fase di progettazione. Limitando il flusso, proteggiamo il sistema di alimentazione da richieste eccessive, dandogli priorità rispetto agli utenti quando tentano di consumare più di quanto previsto dalle specifiche del sistema.

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Introduzione

La modernizzazione dell’irrigazione mira a risparmiare acqua ed energia migliorando le infrastrutture irrigue — passando dall’irrigazione a scorrimento ai sistemi in pressione e, così facendo, aumentando l’efficienza dell’irrigazione e ottimizzando l’utilizzo delle risorse idriche esistenti. La progettazione idraulica dei sistemi di irrigazione in pressione si basa su due parametri principali: portata e pressione. Sulla base di questi parametri viene definita l’intera progettazione del sistema: vengono selezionate le pompe, determinati il tipo e la dimensione del sistema di filtrazione, definiti materiali e diametri delle condotte principali e di distribuzione, oltre al numero richiesto, alle dimensioni e alla posizione dei serbatoi.

L’utilizzo di una portata minore per un tempo più lungo rende lo “schema di funzionamento dell’irrigazione” (turni di irrigazione) uno strumento di progettazione fondamentale per ridurre l’energia richiesta e il diametro delle tubazioni e dei componenti del sistema. L’irrigazione viene quindi suddivisa in turni che consentono un risparmio energetico e una riduzione delle spese iniziali. Questa progettazione dettagliata si basa sul fatto che la portata nella linea principale e la portata richiesta per ciascun turno di irrigazione sono note.

Quindi, se non limitiamo il flusso nei sistemi con più utenti, il consumo incontrollato comporterà una significativa caduta di pressione in tutto il sistema. Questo può portare a cavitazione delle pompe e dei componenti, sovraccarico di consumo energetico, formazione di aria, aspirazione di sporco, ecc. Una deviazione significativa superiore al 10-15% rispetto ai parametri di progetto noti di flusso e pressione comporterà un sistema di irrigazione che funziona molto male. Questo può essere evitato implementando valvole limitatrici di flusso.

Una richiesta di campo superiore rispetto al flusso progettato può verificarsi a causa di:

• Riempimento della tubazione
• Cambio dei turni di irrigazione
• Aumento improvviso
• Controlavaggio del filtro
• Riempimento del serbatoio

Applicazioni del controllo del flusso nei sistemi di irrigazione

1. Protezione della pompa e del sistema

a) Limitare la portata all’uscita verso il settore per proteggere la pompa da sovraccarico, sovradimensionamento e condizioni di cavitazione e per mantenere la portata di progetto.
b) Limitare la portata sulla linea principale per proteggere la pompa e il sistema da sovraccarico e cavitazione, mantenendo una curva della pompa piatta come mostrato nel grafico sottostante. Quando la richiesta è significativamente superiore al valore di progetto:

• La pressione fornita sul campo è ridotta 
• La girante della pompa ruota a velocità molto elevata, causando condizioni di cavitazione e carico verticale sull’albero.
• Il consumo di energia supera i parametri di progetto, causando un assorbimento di corrente più elevato che potrebbe provocare problemi alla pompa a causa del sovraccarico della rete elettrica.

2. Le righe vuote “riempiono” il controllo 

Controllo del flusso per sistemi che vengono svuotati tra i turni di irrigazione, come ad esempio:

• Macchine per irrigazione e pivot centrali
• Sistemi di irrigazione a pioggia in discesa
• Sistemi a goccia non compensati a bassa pressione
• Sistemi di irrigazione a impulsi  

Il seguente video mostra il processo di riempimento di una macchina per irrigazione (pivot centrale):

3. Controllo del flusso durante il controlavaggio del filtro

Controllo del flusso per prevenire la fuoriuscita del fluido dal filtro, dalle reti e il potenziale collasso dell’elemento filtrante, oltre a risparmiare acqua ed energia.

Il seguente video mostra le diverse valvole di controllo richieste in un sistema di filtrazione, tra cui le valvole di controllo del flusso:

4. Riempimento del serbatoio e controllo del livello

Le valvole di controllo del livello regolano l’apertura quando il livello dell’acqua nel serbatoio scende. Se ciò avviene mentre il sistema è in funzione/irrigazione, potrebbe causare un calo di pressione per tutti gli altri utenti. Limitando la portata di riempimento del serbatoio, si protegge il sistema da questo tipo di caduta di pressione. Inoltre, l’utilizzo di una valvola di controllo di portata e livello può offrire protezione sia alla valvola che al serbatoio da condizioni di elevata portata di riempimento e cavitazione.

Sistemi con valvole di controllo del flusso – Principi

1. Le valvole di controllo del flusso reagiscono a un aumento dei parametri che controllano chiudendosi tramite la farfalla.
2. Questo è un processo “progressivo” = un aumento della domanda comporta una riduzione progressiva del flusso da parte della valvola.
3. Più la valvola si chiude, più la pressione a valle si riduce.
4. Quando la richiesta è inferiore ai parametri di progetto, la valvola si apre completamente.

Se il flusso impostato della valvola è uguale al flusso nominale di progetto, la valvola sarà costantemente in modalità di regolazione, creando una maggiore perdita di carico (pressione a valle più bassa nel campo) e condizioni operative più gravose, con il rischio di danni da cavitazione della valvola.

Alcuni validi motivi per calibrare dal 10 al 15% sopra il flusso di progetto:

Bermad consiglia vivamente di calibrare la valvola di controllo del flusso al 10-15% sopra il valore nominale di progetto del lotto per i seguenti motivi:

1. Se il flusso impostato della valvola sarà uguale al flusso nominale di progetto, la valvola sarà costantemente in modalità di regolazione, i consumatori soffriranno di una bassa pressione di esercizio e la valvola sarà costantemente sottoposta a condizioni operative gravose.
2. La probabilità che tutti gli utenti di un sistema di irrigazione in pressione irrigano contemporaneamente è statisticamente bassa; di conseguenza, il rischio di una domanda eccessiva nel sistema, anche quando la regolazione è impostata al 15% sopra il valore nominale, è molto improbabile.
3. Le considerazioni progettuali si concentrano sui calcoli energetici ed è auspicabile utilizzare valvole con la minima perdita di carico. Costringere le valvole a essere costantemente in modalità di regolazione disturba e contraddice questa tendenza.
4. Se impostiamo il flusso nominale, la portata non aumenterà nemmeno in caso di rottura nell’impianto, impedendo al controllore di sistema di identificare e allarmare in caso di rottura.

Valvola di controllo del flusso – Sensori di flusso comuni e metodi di controllo

1. Orifizio a monte come sensore di flusso

Fissata a monte della valvola, la piastra forata lavorata è dimensionata per creare una differenza di pressione nota per una determinata portata.

2. Condotto di pressione differenziale (interno “TubeOrifice”) come sensore di flusso

Il condotto interno di pressione differenziale è in realtà un dispositivo interno, installato all’interno della valvola, progettato per rilevare una differenza di pressione nota per una determinata portata. I vantaggi del TubeOrifice rispetto all’orifizio standard sono:

3. Orifizio a valle come sensore di flusso (per applicazioni di riempimento serbatoio)

Situato a valle della valvola, il differenziale di pressione sull’orifizio può essere determinato controllando esclusivamente la pressione a monte dell’orifizio, poiché la pressione a valle dell’orifizio è costante e pari al livello dell’acqua nel serbatoio. La valvola limita il flusso di riempimento del serbatoio semplicemente riducendo la pressione a monte dell’orifizio (tra l’orifizio e la valvola), dando così priorità ai consumatori rispetto al riempimento del serbatoio e garantendo il controllo del livello e la protezione dalla cavitazione della valvola.

4. Pilota a paletta come sensore di flusso

• Se la richiesta aumenta, la velocità del flusso cresce — spingendo la paletta in modo che il pilota controlli la valvola per farla chiudere e limiti il flusso al valore di regolazione del pilota. Se la richiesta diminuisce, la velocità del flusso si riduce, permettendo alla molla del pilota di riportare la paletta verso la posizione verticale e il pilota controlla la valvola per aprirla completamente.
• Questo metodo è associato a una perdita di carico molto bassa (rispetto ai sensori di pressione differenziale) e a un intervallo di regolazione molto ampio che può essere facilmente regolato sul campo.

Nota: Per velocità di flusso inferiori a 1 m/s, si consiglia un pilota a paletta servoassistito a 2/3 vie.

Valvole di controllo del flusso – Installazioni di progetto

Sistema di gestione degli outlet Orissa, India

Le foto qui sotto mostrano un tipico sistema di gestione delle uscite in India dotato di controllo del flusso e valvole di campo riduttrici di pressione (Bermad Modello IR-2″L-172). Ogni valvola controlla l’irrigazione di un appezzamento appartenente a un agricoltore diverso. Il progetto comprende 726 Sistemi di Gestione delle Uscite (OMS), ciascuno dei quali include valvola di isolamento, filtro per trappola di pietre, valvola dell’aria, valvola di controllo di campo e automazione.

Il flusso è controllato da piloti a paletta a 3 vie.

Bermad è il principale fornitore di questo progetto in corso con circa 3.500 valvole polimeriche; ciascuna è stata testata e calibrata secondo i requisiti di progettazione presso lo stabilimento Bermad.

L’immagine a sinistra mostra la valvola di controllo della portata e riduttrice di pressione Bermad Modello IR-172 su banco prova per test e calibrazione; l’immagine a destra mostra l’installazione OMS in loco, Orissa India.

Caso di studio: CCRR Callen in Spagna

CCRR Callen in Spagna è un consorzio di irrigazione di 1.872 ettari con 70 utenti che coltivano mais, orzo, grano e erba medica. Il consorzio desiderava modernizzare la propria infrastruttura di irrigazione perché era obsoleta, inefficiente e richiedeva un’intensa gestione manuale.

La soluzione di irrigazione integrata di Bermad per Callen comprendeva una linea principale e soluzioni contro le sovrapressioni, oltre a idrometri IR-972 a controllo remoto per la riduzione della pressione e il controllo del flusso per ciascun appezzamento.

Il consorzio controlla a distanza ogni idrometro in base ai turni di irrigazione previsti.

Gli idrometri di controllo del flusso IR-972 con pilota a paletta sono installati a monte dell’impianto di irrigazione per controllare:

• Irrigazione normale: Garantire che la pressione del sistema e i componenti (pompe, tubazioni, filtri, valvole, valvole aria) non superino i requisiti di progetto.
• Riempimento della tubazione: limita il flusso di riempimento della linea, prevenendo la caduta di pressione nel sistema di alimentazione e il possibile colpo d’ariete associato all’elevata velocità nella fase finale del riempimento della linea.
• Aumento improvviso: Garantisce il funzionamento del sistema anche in caso di rottura della tubazione dal lato dell’agricoltore.