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Giuseppe De Martino, Nicola Fontana

LA VERIFICA DEL TRANSITORIO NELLE CASSE D’ARIA CON RESISTENZA LOCALIZZATA

HYDRAULIC TRANSIENTS IN THROTTLED AIR CHAMBERS


Il contenimento delle sovrapressioni in una condotta premente entro limiti prestabiliti e compatibili con le caratteristiche dell’impianto può essere conseguito mediante l’impiego di casse d’aria, la cui efficacia viene incrementata, talvolta in maniera significativa, dall’inserimento di una resistenza addizionale. Per il loro dimensionamento è possibile far riferimento agli abachi forniti da Evangelisti (1938) i quali, ricavati secondo la teoria anelastica, consentono l’immediata definizione del volume della cassa e, se presente, del diametro della strozzatura, quest’ultimo desunto sulla base del criterio di De Sparre.
L’analisi del transitorio evidenzia tuttavia che, per cassa munita di resistenza addizionale, generalmente la pressione in condotta non si mantiene costante durante il primo quarto di periodo e, pertanto, si possono attingere maggiori oscillazioni di carico. Inoltre, come è noto, il modello anelastico non è in grado di riprodurre i fenomeni elastici che insorgono a causa della strozzatura, rendendosi quindi necessario il ricorso alle equazioni del moto vario elastico. Sebbene l’onda di pressione originata dalla resistenza localizzata sia più marcata nella fase iniziale del transitorio, gli scostamenti rispetto alla soluzione anelastica possono essere di entità non trascurabile.
Tenuto conto che la massima escursione negativa della pressione desumibile dagli abachi di Evangelisti può non assicurare un dimensionamento cautelativo, nella memoria viene presentato un approccio speditivo per il calcolo della minima pressione in condotta a seguito del distacco accidentale della potenza motrice che alimenta la pompa, considerando sia la trattazione anelastica che quella elastica.
Parole chiave: Cassa d’aria, Strozzatura ottima, Trattazione anelastica ed elastica.

Among waterhammer damping devices, air chambers are often used in pumping plants to reduce pressure surges within acceptable values and, if a throttling device is used, air chamber effectiveness increases and required volumes can be reduced. According to rigid column theory (incompressible flow) and De Sparre rule, Evangelisti (1938) provided design charts for a simple and fast sizing of air volume and orifice diameter.
Nevertheless, for certain installations the pressure pattern is far from being constant during the first quarter of the transient period and lower pressures can be attained; furthermore, the rigid column model is not able to reproduce elastic phenomena arising from throttling and water hammer equations should be used instead. Although orifice induced pressure waves are evident only in the first part of the transient, differences between air chamber pressure and pipe pressure can be quite significant. Negative pressure surge should be limited, since column separation and cavitation could occur as consequence of low pressures.
Since maximum negative pressure surge inferred from Evangelisti’s charts does not ensure always safe design, a simplified approach was proposed in the paper to calculate the minimum pressure during the transient following a pump failure, taking into account both simplified equation for incompressible flow and liquid compressibility and pipeline elasticity.
Key Words: Air Chamber, Optimal Throttling, Anelastic and Elastic Analysis.

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