Calcolo colpo d'ariete, reti antincendio, forze reazione

Software progettazione reti acqua, reti antincendio, pipelines, oleodotti, analisi dinamica, transienti

I fenomeni transitori si verificano quando un evento genera una variazione rispetto alle condizioni di regime, il transiente identifica l'insieme delle condizioni che si instaurano nelle tubazioni tra la condizione iniziale e la condizione finale, un fenomeno transitorio puo' essere, ad esempio, generato da :

• La parziale o totale apertura / chiusura di una valvola.
• La variazione della velocita' di una pompa.
• L'apertura di una valvola di sicurezza.
• La pressurizzazione di un serbatoio.

Durante un transiente in una tubazione, la velocita' con cui si propaga una variazione di pressione dipende dalla velocita' del suono nel liquido, dalle caratteristiche della tubazione (spessore di parete, modulo di elasticita', coefficiente di Poisson)
La variazione di pressione si puo' stimare con l'equazione di Joukowsky :
dP = -Rho*SS*dV
dove Rho rappresenta la densita' del fluido, SS la velocita' del suono e dV la variazione di velocita'.
La variazione reale delle pressioni dipende da molti fattori tra cui i coefficienti di frizione nei tubi, gli equilibri termodinamici etc. e per una stima accurata e' necessario impiegare metodologie complesse come quelle disponibili in AFT Impulse

Si consideri il caso di un semplice circuito composto da un serbatoio, una tubazione ed una valvola durante il transitorio determinato dalla chiusura istantanea della valvola.

I modelli inclusi nel software AFT Impulse risolvono direttamente le equazioni fondamentali che definiscono i bilanci di massa ed energia.

Per risolvere, in modo rigoroso, nelle condizioni transitorie, le equazioni fondamentali viene impiegato il metodo delle caratteristiche.

Nel metodo delle caratteristiche vengono calcolati localmente dei parametri dipendenti dalle specifiche condizioni.

Questi parametri consentono di trasformare le equazioni differenziali parziali in totali, facilmente risolvibili.

Il metodo delle caratteristiche risulta stabile e veloce, la soluzione diretta consente l'applicazione anche a complessi sistemi di tubazioni.

Calcolo colpo d'ariete causato dalla chiusura di una valvola

Viene esaminato il caso della chiusura di una valvola in un impianto di trasferimento ammoniaca, l'impianto si compone di un serbatoio a pelo libero, un segmento di tubazione da 8 pollici lungo 30 metri, un secondo segmento da 10 pollici lungo 91 metri, una valvola, un terzo segmento da 10 pollici lungo 46 metri ed il serbatoio di raccolta.

Il circuito viene simulato creando un semplice modello (grafico) con AFT Impulse.

Per la valvola viene definito un valore di CV pari a 1000 (valvola completamente aperta) simulando diversi tempi di chiusura ed apertura per poter calcolare le variazioni massime di pressione nel circuito (valutazione colpo d'ariete).

L'analisi dei valori calcolati consente di ricavare i seguenti valori massimi di pressione (Max Stagnation Pressure)
T = 0.5 sec P = 4.183 MPa(g)
T = 1.0 sec P = 4.145 MPa(g)
T = 2.0 sec P = 2.502 MPa(g)

Avviamento pompe, calcolo transiente in oleodotto

Viene esaminato il caso dell'avviamento di una pompa in un oleodotto (trasferimento gasolio), l'impianto si compone di un serbatoio di stoccaggio, una pompa, una valvola ed alcuni segmenti di tubazione.
Gli olii presentano valori di compressibilita' (bulk modulus) molto diversi da acqua ed ammoniaca (con valori di dV/dP piu'elevati), di conseguenza le velocita' con cui si propagano le variazioni di pressione all'interno del fluido risultano ridotte ed e' necessario tenerne conto nella simulazione dei transienti.

Le pressioni nell'impianto sono funzione delle curve di prevalenza / portata specificate per la pompa, i tempi di avviamento e fermata della pompa originano le condizioni transitorie.

AFT Inpulse consente di visualizzare i valori calcolati nei diversi punti dell'impianto, in diversi intervalli di tempo, in questo caso vengono mostrate le pressioni calcolate nei segmenti 11 e 12 dopo 5 secondi dall'avviamento

Progettazione impianti antincendio

I sistemi antincendio possono comprendere diverse tipologie di componenti tra cui riserve idriche, gruppi di pressurizzazione, reti di distribuzione, naspi, idranti, sprinkler etc.

• Impianti antincendio a idranti (normative UNI 10779, EN 12845 etc.)
• Impianti automatici a sprinkler (normative EN 12259, 12845, NFPA 13 etc.)

Le normative generalmente identificano i criteri fondamentali di progettazione, ad esempio le portate minime richieste nelle aree da proteggere e poiche' le portate attraverso idranti, sprinkler etc. sono funzione delle pressioni si rende necessaria una valutazione delle pressioni / portate nei diversi tratti delle reti. In molti casi si rende anche necessario valutare il comportamento dinamico del sistema, ad esempio i tempi richiesti per raggiungere le portate di progetto oppure le variazioni delle portate causato dall'intervento di uno o piu' idranti o sprinkler...

Simulazione impianto antincendio, calcolo tempo necessario a raggiungere la piena portata

Viene esaminato il caso di un sistema antincendio per valutare il tempo necessario a raggiungere (dallo stato iniziale di pressione atmosferica) la portata di progetto (22.7 m3/hr) negli sprinkler, la rete locale e' composta da 8 sprinkler connessi attraverso tubi da 1-1/2 pollice lunghi 3 mt, la connessione alla rete di stabilimento e' fatta con 2 tubazioni da 8 pollici lunghe 152 mt cadauna, viene impiegata acqua a 21 C.
Nell'esempio proposto la pressione nella rete di stabilimento viene considerata costante, la simulazione potrebbe comunque tenere in considerazioni anche le variazioni di pressione e portate nell'intero impianto per un maggiore realismo.

Il modello dell'impianto antincendio viene definito graficamente con AFT Impulse, per definire gli sprinkler viene impiegato l'apposito oggetto specificando per l'area 3.23 cm2 ed un coefficiente di scarico pari a 0.6

Dalla simulazione risulta che sono necessari circa 0.85 secondi affinche' lo sprinkler piu' distante raggiunga la portata di 22.7 m3/hr , in seguito la portata si stabilizza a valori leggermente inferiori a 22.7 m3/hr

Calcolo forze di reazione

Le forze possono includere diverse componenti:

• Forze generate dal differenziale di pressione tra due punti della tubazione
• Forze generate dalle frizioni
• Forze generate dalle variazioni dei momenti (includendo i cambiamenti di area)

Tradizionalmente si considerano le sole forze generate dai differenziali di pressione senza includere i contributi dovuti alle frizioni ed alle variazioni dei momenti :

I moderni strumenti di analisi come AFT Impulse valutano automaticamente anche i contributi dovuti alle frizioni ed alle variazioni dei momenti :

L'inclusione dei contributi dovuti alle frizioni ed alle variazioni dei momenti puo' generare notevoli variazioni nei risultati.
Si consideri l'esempio di un semplice impianto di trasferimento composto da due serbatoi, le tubazioni di interconnessione ed una valvola di intercettazione, si richiede di valutare le forze generate nei diversi tratti di tubazioni a partire dal momento dalla chiusura della valvola, vengomo considerati due casi con e senza inclusione dei contributi dovuti alle frizioni ed alle variazioni dei momenti.

Nel primo caso (escludendo i contributi dovuti alle frizioni ed alle variazioni dei momenti) la simulazione consente di calcolare le forze indicate nel grafico :

Mentre nel secondo caso (includendo i contributi dovuti alle frizioni ed alle variazioni dei momenti) i valori calcolati appaiono molto diversi :

Come si nota, il valore massimo delle forze viene calcolato con direzione opposta rispetto al precedente ed un valore di circa il 30% diverso.