Controllo del flusso d’acqua – Come funziona

Cosa sono le valvole di controllo portata?

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 nel campo e ai loro dati di portata, 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 di limitazione della portata e senza (linea tratteggiata)

Non potendo controllare gli utenti, i progettisti utilizzano valvole di controllo portata per garantire che il flusso non superi di molto quello previsto in fase di progettazione. Limitando la portata, si protegge il sistema di approvvigionamento 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 di risparmiare energia e costi 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 la portata 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 impurità, ecc. Una deviazione significativa superiore al 10-15% rispetto ai parametri di progetto noti di portata e pressione comporterà un sistema di irrigazione che funziona molto male. Questo può essere evitato implementando valvole di limitazione della portata.

Una richiesta di campo superiore rispetto alla portata progettata 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 lotto per proteggere la pompa da condizioni di sovraccarico, sovracapacità e 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 domanda è significativamente superiore a quella di progetto:

• La pressione fornita al 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 superiore che potrebbe provocare problemi alla pompa a causa del sovraccarico della rete elettrica.

2. Linee 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 di irrigazione 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 necessarie in un sistema di filtrazione, tra cui le valvole di controllo portata:

4. Riempimento del serbatoio e controllo del livello

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

Sistemi con valvole di controllo portata – Principi

1. Le valvole di controllo portata reagiscono a un aumento dei parametri che controllano chiudendosi tramite strozzamento.
2. Si tratta di un processo “progressivo” = l’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 la portata impostata della valvola è uguale alla portata nominale di progetto, la valvola sarà costantemente in modalità di regolazione, generando 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.

Vedi il grafico a sinistra che mostra l’effetto della sovradomanda dei consumatori (area azzurra) sulla pressione a valle della valvola (linea viola) quando la valvola modula per mantenere la portata preimpostata (linea blu). Nota: la linea viola tratteggiata mostra la pressione a valle senza controllo di portata; la linea viola rappresenta la pressione, la linea blu rappresenta la portata.

Alcuni validi motivi per calibrare dal 10 al 15% sopra la portata di progetto:

Bermad raccomanda vivamente di calibrare la valvola di controllo portata al 10-15% in più rispetto alla portata nominale di progetto del settore 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. Forzare le valvole a essere costantemente in modalità di regolazione disturba e contraddice questa tendenza.
4. Se impostiamo la portata 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 portata – Sensori di portata comuni & Metodi di controllo

1. Orifizio a monte come sensore di flusso

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

Valvola di controllo portata Bermad Modello 470-U con sensore di portata a orifizio ΔP. Rilevando questa pressione differenziale, il pilota controlla la valvola principale:

• Se questo ΔP aumenta a causa di un incremento della domanda, il pilota controlla la valvola principale per strozzare la chiusura e limitare il flusso al valore impostato dal pilota. Se ΔP diminuisce a causa di una riduzione della domanda, il pilota controlla la valvola per aprirla completamente.
• Il ΔP minimo calcolato per l’orifizio è di 3-4 m, per soddisfare il range di sensibilità del pilota, con una conseguente perdita di carico aggiuntiva di circa 2-3 m su ciascuna valvola di controllo portata.
• Il range di regolazione è di circa +20% poiché genera una maggiore perdita di carico attraverso l’orifizio lavorato.
  
  
  

2. Condotto a 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:

• È integrato nella valvola
• La perdita di carico aggiuntiva è leggermente inferiore; a parte questo, i principi di funzionamento delle valvole di controllo portata con sensore di flusso “TubeOrifice” sono identici a quelli con sensore di flusso a orifizio ΔP esterno.

3. Orifizio a valle come sensore di portata (per applicazioni di riempimento serbatoi)

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 della valvola contro la cavitazione.

4. Pilota a paletta come sensore di flusso

Filettato su una porta dedicata del corpo valvola, il pilota a paletta offre la capacità di controllo del flusso a 3 vie (o 2/3 vie). Posizionata all’interno del flusso, la paletta del pilota è progettata per rilevare la differenza di forza associata alla velocità del flusso che “colpisce” la paletta. La deviazione della paletta dalla “posizione verticale” determina lo stato di controllo del pilota per modulare la chiusura o l’apertura della valvola. L’immagine mostra un Idrometro di Controllo Portata Bermad Modello 970-55 con pilota a paletta come sensore di flusso.

• Se la domanda aumenta, la velocità del flusso cresce — spingendo la paletta in modo che il pilota controlli la valvola per strozzare la chiusura e limiti il flusso al valore di regolazione del pilota. Se la domanda 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, facilmente regolabile in campo.

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

Valvole di controllo portata – Installazioni di progetto

Sistema di gestione degli scarichi Orissa, India

Le foto sottostanti presentano un tipico sistema di gestione delle uscite in India, dotato di valvole di controllo portata e riduttore di pressione da campo (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 raccogli-sassi, valvola di sfiato aria, valvola di controllo da 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 Portata e Riduzione 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 rimodernare la propria infrastruttura di irrigazione perché era obsoleta, inefficiente e richiedeva un’intensa gestione manuale.

La soluzione integrata di irrigazione Bermad per Callen comprendeva una linea principale e soluzioni contro i colpi d’ariete, oltre a idrometri IR-972 a riduzione di pressione e controllo della portata comandati a distanza per ciascun appezzamento.

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

I misuratori idrometrici di controllo del flusso IR-972 con pilota a paletta sono installati all’unità di irrigazione al fine di controllare:

• Irrigazione normale: Garantire che la pressione del sistema e i componenti (pompe, tubazioni, filtri, valvole, valvole di sfiato 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.
• Rottura: Garantisce il funzionamento del sistema anche in caso di rottura della tubazione dal lato dell’agricoltore.

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