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Le ruote idrauliche(1) rappresentano il modo più semplice e antico di sfruttare l'energia idraulica dei fiumi e dei torrenti. Sono delle ruote, munite di palette in periferia, sulle quali agisce l'energia cinetica della corrente liquida.
L'energia cinetica della ruota può essere utilizzata in infiniti modi, per esempio per far girare le macine di un mulino o, modernamente, per produrre energia elettrica accoppiando un generatore di opportuna potenza. Esse sono le reciproche delle ruote motrici adoperate sulle prime navi a vapore nel XIX secolo e ancora presenti, ad uso turistico, sul fiume Mississipì negli Stati Uniti.
figura tratta dal sito http://digilander.libero.it/mfraterno/idraulica.htm
Le ruote si costruiscono in legno o in metallo, con diametri anche molto grandi e hanno solitamente piccole velocità angolari. L'efficienza e il rendimento non sono molto grandi, potendo scendere sotto il 60 %. La costruzione, l'impianto e la manutenzione sono però molto agevoli, per cui alla fine il conto economico può essere molto favorevole. Per migliorare il rendimento è necessario modificare il corso del fiume creando dei salti artificiali nella corrente a mezzo di dighe o stramazzi, non sempre di facile costruzione se per esempio il fiume è in pianura e quindi con scarsa pendenza naturale.
Facendo riferimento al volume 1 di Pidatella - Corso di macchine - Zanichelli, le ruote idrauliche si dividono in tre categorie: 1) da sotto (fig.1 e fotografia in alto); 2) di fianco celeri e lente (fig.2); 3) di testa o a cassette (fig. 3).
1) Sono ovviamente le più semplici da costruire (e di conseguenza quelle con minore efficienza!). Il loro impiego è limitato a correnti veloci ma regolari e "tranquille"(2), con portate tendenzialmente grandi. Ricordando che la velocità massima della corrente si trova da 20 a 40 cm sotto il pelo libero le "pale" delle ruote devono essere piuttosto alte in modo da trovarsi per buona parte a quella profondità. Poiché queste ruote sfruttano soltanto l'energia cinetica dell'acqua in movimento, ricordando che Ec = m v2 / 2, è evidente che il calcolo della ruota dipende: a) dalla ampiezza delle pale; b) dal numero di pale immerse contemporaneamente; c) dalla velocità della corrente. I parametri a) e b) individuano la massa di acqua agente sulla ruota. Gli elementi negativi sono essenzialmente tre: a) l'attrito dell'asse(3) sui supporti; b) la resistenza dell'aria(4) sulle pale non immerse; c) il disturbo della corrente prodotto dalla pala entrante rispetto a quella già immersa(5).
Tutto ciò porta a concludere che le ruote di questo tipo saranno piuttosto grandi (diametri anche di molti metri) e con velocità di rotazione piuttosto piccola (pochi giri al minuto).
2) Se la geometria dei luoghi lo consente (fiume con buona pendenza e possibilità di modificarne almeno in parte il percorso), si passa alla soluzione della ruota "di fianco" con due possibili configurazioni: a) con stramazzo(6) a pelo libero (figura nella nota); b) con stramazzo rigurgitato (come nella figura 2). La configurazione a) porta alle ruote di fianco lente, la configurazione b) alle ruote celeri.
figura tratta dal sito http://kidslink.scuole.bo.it/
In entrambi i casi l'acqua agisce sotto il centro della ruota, cosa che appunto porta ad avere diametri piuttosto grandi. L'azione è efficace su meno di un quarto di ruota per cui invece di semplici pale è necessario disporre di tazze con profilo adeguato in modo da essere quasi a sfioro con le pareti del canale di adduzione, in modo che non ci siano "fughe" di liquido.
3) Assomigliano alle turbine Pelton senza però la condotta forzata: in pratica si costruisce una condotta a pelo libero che fa cadere l'acqua sulle pale della ruota, la quale si muove per effetto dell'energia cinetica comunicata dall'acqua che cade e del peso del liquido contenuto nelle cassette. Con una paratia mobile verticalmente è possibile regolare entro certi limiti la velocità di efflusso dell'acqua e quindi la potenza dell'impianto.
Questa soluzione è proponibile solo se la pendenza del letto del fiume è piuttosto grande ed è possibile intervenire con opere abbastanza importanti. In genere non è necessario deviare tutta la portata, ma basta fare una derivazione più a monte e quindi costruire un canale, con pendenza ridotta, sino all'altezza della ruota. L'energia cinetica posseduta dalla corrente è meno importante del peso d'acqua nelle cassette e quindi la loro forma è essenziale: in particolare il profilo esterno deve essere tangente al vettore velocità dell'acqua(7) e la cassetta seguente deve arrivare sotto il getto solo quando la precedente è piena. Naturalmente una parte dell'acqua viene sempre schizzata via dalla cassetta in arrivo e quindi non viene sfruttata tutta la portata.
L'energia (o il lavoro) ricavabile da una cassetta piena è facilmente calcolabile: detto P il peso dell'acqua contenuta(8) e h la differenza di quota(9) percorsa rimanendo piena, si ha L = P h [kg m]. Il momento motore massimo, detto R il raggio della ruota rispetto al baricentro della cassetta, vale semplicemente Mm = P R [kg m]. Per ricavare il lavoro utile prodotto dalla ruota occorre conoscere istante per istante il volume, e quindi il peso, di liquido contenuto in ciascuna cassetta e la differenza di quota percorsa(10). Il lavoro resistente è dovuto, oltre che alla resistenza dell'aria, all'attrito, al peso delle cassette in più in risalita(11), ecc. e anche al peso di acqua che rimane aderente, cioè l'acqua che bagna le cassette "vuote"(12).
(1) Questo articolo nasce dalla sollecitazione di un mio lettore che, in un suo campo, ha un canale di derivazione da una diga dismessa. Con una ruota idraulica vorrebbe produrre l'energia elettrica per la sua casa.
(2) L'aggettivo tranquillo è da intendersi riferito al regime, cioè i filetti fluidi devono essere paralleli con scarsa formazione di vortici.
(3) E' quindi opportuno montare l'asse su robusti cuscinetti a sfere o a rulli con una ottima lubrificazione.
(4) Per "raccogliere" molta acqua le pale devono essere grandi, il che significa che raccolgono anche molta aria che si oppone alla rotazione della ruota.
(5) Ciò comporta che le pale non possono essere troppo numerose in quanto si disturbano fra loro al momento di entrare in acqua. D'altra parte non possono essere poche altrimenti il moto non sarebbe continuo e "dolce".
(6) Lo stramazzo è una barriera (in legno o in pietra o in calcestruzzo) perpendicolare alla corrente con una apertura variamente sagomata.
L'acqua in arrivo è costretta a cadere solo dall'apertura nella barriera con una velocità ben determinata e maggiore di quella naturale. Infatti essendo diminuita la sezione libera deve aumentare la velocità in quanto la portata è rimasta la stessa.
(7) Questa condizione è soddisfatta soltanto dalla traiettoria media dei filetti fluidi. Poiché la vena di liquido è larga, curva e in generale turbolenta, la gran parte di essa non rispetta la condizione suddetta portando ad una inevitabile diminuzione di efficienza e di rendimento.
(8) Il peso proprio della cassetta non va considerato perché ce n'è un'altra diametralmente opposta che con il suo peso produce un lavoro di segno opposto.
(9) La differenza di quota è minore della lunghezza della traiettoria percorsa dalla cassetta che è una porzione della circonferenza descritta dal baricentro della stessa cassetta.
Con riferimento alla figura si ha infatti h < c = R a dove a si deve misurare in radianti. Per un quarto di circonferenza si ha per esempio: h = R; c = 2 p R / 4 = p R / 2 = 1,57 R > R.
(10) Questi dati sono ricavabili soltanto in presenza di un progetto esecutivo molto dettagliato.
(11) Il numero delle cassette vuote è sempre superiore a quello delle cassette piene o quasi piene.
(12) Da ciò segue che coprendo le cassette con una vernice antiaderente il rendimento migliora. Naturalmente se il peso della vernice è minore di quello dell'acqua aderente!