La portata si definisce come la quantità di fluido che attraversa una determinata sezione di un condotto in un dato intervallo di tempo. La misurazione della portata ha origini antiche ed è strettamente legata alla gestione delle risorse idriche nelle prime civiltà, come quelle mesopotamiche ed egizie.
Inizialmente, il controllo del flusso d’acqua avveniva con metodi empirici, basati sull’osservazione del livello nei canali e sull’uso di sezioni calibrate nelle opere idrauliche. Nel Rinascimento, Leonardo da Vinci studiò il moto dei fluidi, osservando fenomeni come i vortici e il deflusso dell’acqua, ma senza sviluppare un metodo sistematico per misurare la portata.
Un passo avanti significativo si ebbe nel Seicento grazie a Benedetto Castelli, allievo di Galileo Galilei, che nel suo trattato Della misura dell’acque correnti (1628) introdusse un approccio più rigoroso. Castelli comprese che la portata di un fluido non dipende solo dalla sezione del condotto, ma anche dalla velocità del flusso, formalizzando il concetto di portata come il prodotto tra area della sezione e velocità dell’acqua.
Nei secoli successivi, studiosi come Evangelista Torricelli e Daniel Bernoulli approfondirono la dinamica dei fluidi, sviluppando modelli matematici fondamentali. Nel XIX secolo, furono introdotti strumenti come il tubo di Venturi e il metodo Darcy-Weisbach per calcolare le perdite di carico. Con il progresso tecnologico del XX secolo, la misurazione della portata divenne sempre più precisa grazie a misuratori elettromagnetici e ultrasonori, applicabili non solo all’acqua ma anche ad altri fluidi, come gas e oli industriali.
Concetti Fondamentali
Prima di capire come si calcola la portata volumetrica, vediamo una breve definizione di portata volumetrica. Calcolare la portata volumetrica dei fluidi è di fondamentale importanza in molti settori e applicazioni industriali.
Volumetric flow rate: rappresenta il volume di fluido che attraversa una determinata sezione di un condotto in un intervallo di tempo. La sua formula è:
Qv = V / t
Dove Qv è la portata volumetrica, V il volume di fluido e t il tempo in cui attraversa la sezione. Se il fluido si muove a velocità costante (v), possiamo semplificare ulteriormente. Poiché lo spostamento del fluido (d) può essere espresso come il prodotto della velocità (v) e del tempo (t).
La pressione del fluido è la forza che esso esercita sulle pareti del tubo e sui componenti dell’impianto e viene comunemente misurata in bar o kPa. Il calcolo della portata in funzione della pressione consiste nel determinare la quantità di fluido che scorre in una condotta in base alla differenza di pressione tra l’ingresso e l’uscita.
Importanza della Misurazione della Portata
La misurazione della portata volumetrica è essenziale per diverse ragioni: in molti processi industriali, la conoscenza precisa della portata volumetrica dei fluidi è cruciale per garantire un funzionamento efficiente e sicuro dei sistemi.
Monitorare la portata volumetrica consente inoltre di:
- Ottimizzare la produzione
- Controllare la qualità dei prodotti
- Prevenire perdite o sovrapressioni
- Garantire una distribuzione adeguata dei fluidi
Strumenti di Misura della Portata
Gli strumenti industriali di misura della portata proposti da ISOIL Industria sono essenziali per eseguire misurazioni accurate della portata. Esistono diversi tipi di misuratori di portata, tra cui:
- Misuratori a turbina: possono operare anche a temperature e pressioni molto elevate e sono indicati in processi a portata elevata; la gamma di Misuratori di Portata a Turbina proposti da Selemark è adatta alla maggior parte delle applicazioni di misura sia per liquidi che per gas.
- Misuratori di portata a vortice: sfruttano i vortici che si creano in prossimità di un ostacolo e che vengono poi trascinati via dal passaggio del flusso; il numero dei vortici è quindi proporzionale alla velocità del flusso. Questi strumenti sono costituiti da un corpo cilindrico con un’apertura centrale, chiamata sensore di vortice, che rileva la frequenza dei vortici generati. I misuratori di portata a vortice possono essere utilizzati per una vasta gamma di fluidi, tra cui liquidi e gas. Se il processo prevede fluidi in molteplici fasi, la soluzione ideale è il Rilevatore di vortici brevettato “Direct Sense” che permette di utilizzare un unico sensore per liquidi, gas o vapore.
- Misuratori ad ultrasuoni: sono adatti per una vasta gamma di fluidi, inclusi liquidi e gas, e possono gestire temperature e pressioni elevate. I misuratori di Portata a Ultrasuoni Clamp-On portatili o fissi misurano con velocità del fluido da 0,01 a 25 m /s con una ripetibilità dello 0,15%.
- Misuratori di portata elettromagnetico: si tratta di strumenti adatti a misurare la portata di liquidi con conducibilità elettrica (inclusi i liquidi abrasivi) e di liquidi con elevato contenuto di particelle in sospensione. Strumenti di questo tipo sono molto resistenti e non hanno bisogno di interventi di manutenzione, per questo sono particolarmente adatti in situazioni di funzionamento gravose. All’interno del misuratore di portata è presente un tubo conduttivo attraverso il quale il fluido scorre. Lungo la parete interna del tubo sono posizionati due elettrodi, che creano un campo magnetico uniforme attraverso il fluido. Quando il fluido si muove attraverso il campo magnetico, viene generata una tensione indotta proporzionale alla velocità del flusso. Questa tensione indotta - che dipende dalla velocità del flusso e dalla conduttività del fluido - viene misurata dai sensori elettronici presenti nel misuratore.
- Misuratori di portata in massa: sono dispositivi utilizzati per misurare la quantità di massa di un fluido che attraversa un sistema. I misuratori di portata in massa utilizzano sensori che rilevano la forza o l’effetto generato dalla massa del fluido in movimento. Questi sensori possono essere basati su diverse tecnologie, come celle di carico o sensori termici. I misuratori di portata in massa sono adatti per una vasta gamma di fluidi, inclusi gas e liquidi.
Applicazioni Pratiche
Negli impianti di distribuzione dell’acqua potabile come nel trattamento delle acque reflue, ad esempio, la corretta determinazione della portata garantisce che le reti e gli impianti siano dimensionati correttamente, evitando sovraccarichi o sprechi di risorse. Il calcolo della portata è un’operazione fondamentale in molti settori industriali come l’industria chimica, l’industria del petrolio e del gas, l’industria alimentare, il settore idrico.
Esempi di Calcolo
Esempio 1: Estensione di un Cilindro Idraulico
Un cilindro (corsa H=50 mm) viene azionato con una pompa a mano . Deve essere eseguita una corsa a vuoto L = 30 mm. Quante pompate occorrono per ottenere l’estensione completa del cilindro?
- A = 132,7 cm² (come nell’esempio 1)
Per la corsa a vuoto vale
S BP (mm) =[V BP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa
V BP = 32cm³
S BP = (32.10) : 132,7 mm = 2,4 mm
Numero pompate per la corsa a vuoto: si divide la corsa a vuoto per la corsa ad ogni pompata:
PB BP = L (mm) : S BP (mm) = 30 : 2,4 = 13 pompate
Per la corsa sotto carico:
S AP (mm) =é V AP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa
V AP = 3 cm³
S AP =(3.10) : 132,7 mm = 0,23 mm
Numero delle pompate per la corsa sotto carico: si divide la corsa residua per la corsa compiuta ad ogni pompata:
PB A = [H(mm) - L(mm)] : S AP(mm)= [50-30] : 0,2 =87 pompate
Risultato: In totale = PB BP + PB AP = 13 + 87 = 100 pompate.
Esempio 2: Velocità d’Estensione di un Cilindro
La velocità d’estensione di un cilindro idraulico azionato con una pompa elettrica dipende dall’area del pistone nel cilindro e dalla portata dell’elettropompa.
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